Загальне землезнавство - Олійник Я.Б. - Глава 3. ЗЕМЛЯ В КОСМІЧНОМУ ПРОСТОРІ

3.1. Гіпотези про походження Землі

Одна з перших гіпотез про походження нашої планети і зовнішнього вигляду її поверхні була описана у двотомній праці Томаса Барнета "Священна теорія Землі", яка вийшла в 1681 р. Проте оскільки мислення вчених у ті далекі часи ще не звільнилося від впливу традиційних уявлень давніх греків та біблейського міфу про створення світу, то гіпотеза священика Т. Барнета виявилася насправді плодом його буйної фантазії. Подаємо короткий зміст цієї гіпотези. Коли Бог створив Землю і впорядкував ЇЇ обертання навколо осі, наша планета набула яйцеподібної форми. Оскільки земна вісь була тоді перпендикулярна до площини екліптики, то пори року в нашому розумінні були відсутні, і на широті Великої Британії панувала вічна весна. Але люди, які подібно до Мафусаїла жили в той час дуже довго, завели згодом між собою багато всілякого зла і стали часто сваритися. У гніві Бог наказав зруйнувати Землю. її поверхня стала тріскатися, підійматися та зминатися, утворюючи жахливі за видом гори і ущелини. Пізніше з надр Землі вирвався могутній потік води, який поступово затопив всю поверхню Землі. Всі ці катастрофи страшенно потрясли Землю і відбилися на її осі — вона втратила своє первинне вертикальне положення, нахилилася, і це призвело до появи пір року. Поверхня ж планети виявилася розбитою на континенти, гори, глибокі западини (в які згодом стекла вода, утворивши океани).

"Священна теорія Землі" породила тривалі суперечки і дискусії серед учених, внаслідок чого з'явилося кілька нових гіпотез про походження нашої планети. В 1695 р. Джон Вудворд висловив думку про те, що води потопу, який Бог у гніві наслав на Землю, розчинили гірські породи, а пізніше цей матеріал був відкладений у вигляді шарів або пластів на дні морів та океанів. Це підтверджується наявністю в складі деяких з них викопних решток континентальних рослин і тварин.

Вільям Уїнстон, на якого справили величезне враження спостереження Едмунда Галлея в 1652 р. за кометою (названою згодом його ім'ям), висунув гіпотезу, згідно з якою Земля виникла з уламків якоїсь невідомої комети. Більше того, близьке проходження іншої комети викликало всеземну повінь, перетворило орбіту обертання навколо Сонця з кругової в еліптичну, а на земній поверхні утворилися континенти та океани. Комета привела в рух гірські породи на протилежних сторонах планети (подібно до того, як Місяць викликає припливи в океанах і морях). На гребнях припливної хвилі утворилися континенти, а в западинах — Атлантичний і Тихий океани. Уїнстон підкріпив свою гіпотезу вражаючими математичними рівняннями, які доводили можливість такої дії комети на породи земної кори. Але оскільки в його розрахунках було опрацьовано далеко не все, її зразу ж піддали критиці. Теологи підкріплювали свої заперечення посиланням на Біблію: яким чином Сонце могло існувати до того, як Земля почала обертатися навколо нього, коли в Книзі Буття сказано, що Бог створив це велике світило лише на четвертий день після формування Землі.

Завдяки великим відкриттям у сучасних науках про Землю виникли передумови для формування космогонії — науки, що займається вивченням Всесвіту, питаннями походження Сонця і планет. Незважаючи на всю складність даної проблеми, уже перші космогонічні гіпотези стали користуватися великою популярністю серед учених і багатьох освічених людей.

Широкого визнання набули гіпотези, що базувалися на еволюції газово-пилової матерії. Перша спроба пояснити походження Сонячної системи була зроблена німецьким географом і філософом І. Кантом (1724—1804). В1765 р. він видав книгу "Загальна природна історія і теорія неба", в якій виклав свої погляди на походження Всесвіту і планет Сонячної системи. На думку І. Канта, Всесвіт утворився з первинної розсіяної матери, яка заповнювала світовий простір. Частки, з яких складалася матерія, були неоднакові щодо густини та сили тяжіння, вони були перемішані і утворили нерухомий хаос. Поступово сили взаємного притягання, що виникли між частинами, привели кам'яний хаос в рух. Результатом зштовхування і злипання часток було утворення згустків, спочатку дрібних, потім крупніших. Зштовхування згустків викликало її обертання. Зрештою з центрального згустку утворилося Сонце, а з великих бокових згущень, які притягнули до себе речовину екваторіальної туманності, — планети. Первинний стан планет і Сонця І. Кант вважав гарячим. З часом планети остигли, стали холодними. Те саме, на думку І. Канта, має статися в далекому майбутньому і з Сонцем.

В1796 р. вийшла книга французького математика та астронома П. Лапласа "Виклад системи світу", в якій була опублікована його космогонічна гіпотеза. Вона виявилася багато в чому схожою з гіпотезою І. Канта, хоча П. Лаплас не знав про її існування. Він припускав, що колись існувала величезна гаряча розріджена туманність. По мірі її охолодження і стиснення в центрі утворилося згущене ядро — зародок нинішнього Сонця. Внаслідок його обертання навколо осі розвинулася відцентрова сила, яка відштовхнула в екваторіальній площині частину речовини від вісі обертання. Кількість газових кілець, що відділилася від центрального згустку матерії, відповідала числу планет Сонячної системи. Кільця були нестійкими. Речовина в них під впливом охолодження поступово згущувалася. Подібним же чином П. Лаплас пояснює і утворення супутників планет.

Гіпотези Канта і Лапласа стали свого роду революційним переворотом у поглядах людей на походження оточуючого їх світу. Ці гіпотези вперше дали наукове пояснення утворенню Сонячної системи з газово-пилової матерії і корінним чином змінили метафізичне уявлення щодо вічності і незмінності

Всесвіту, яке тоді існувало. Але з точки зору сучасної науки виявилося, що ці гіпотези мають серйозні недоліки. Сучасна фізика не вважає можливим тривале існування в природі стійких газових кілець. Гази при виділенні, як показує практика і експериментальні дослідження, не збираються в згустки, а розсіюються. Не в змозі пояснити наведені гіпотези різноспрямованість обертання по орбітах супутників планет і розподіл моменту кількості руху великих тіл Сонячної системи (який є добутком маси тіла на його швидкість і відстань від центру обертання). Так, Сонце, маса якого становить 99,9 % загальної маси Сонячної системи, має тільки 2 % моменту кількості руху, водночас на всі планети з їх "мізерною" масою припадає аж 98 % моменту кількості руху.

У 1916 р. з'явилася "гаряча" космогонічна гіпотеза англійського астронома Дж.-Х. Джинса. Згідно з нею, повз Сонце пройшла якась зірка. Внаслідок впливу її сили тяжіння із Сонця вирвався довгий струмінь (протуберанець) й утворив туманність з окремими згущеннями (вузлами) — протопланетами, що почали обертатися навколо Сонця. Згодом вони перейшли з газоподібного стану в рідкий, утворилася тверда кора. Припливна гіпотеза Дж.-Х. Джинса добре пояснювала особливості розподілу щільності гірських порід внутрішніх планет Сонячної системи, а тому стала на деякий час популярною в науці.

На основі нових досягнень фундаментальних наук, зокрема відкриття явищ природного радіоактивного розпаду (вперше це вдалося довести видатним французьким ученим М. Складовській і П. Кюрі), були запропоновані нові гіпотези, які пояснювали утворення планет не з гарячої, а з холодної матерії. Оригінальною і відомою стала опублікована в 1943 р. праця "Метеоритна теорія походження Землі та планет", автором якої є О.Ю. Шмідт (1892—1956). Це була неординарна особа в науці. В двадцять п'ять років він уже працював приват-доцентом Київського університету, пізніше займав відповідальні пости в Наркомприроді, Наркомфіні, Наркомосвіті, був директором Держвидаву, головним редактором Великої Радянської Енциклопедії. Велику популярність принесли йому і полярні дослідження, челюскінська епопея, висадка на лід наукової станції "Північний полюс-1". Протягом всього свідомого життя вчений дуже захоплювався математикою.

О.Ю. Шмідт намагався математично обґрунтувати ідею про походження планет з холодної пилової й метеоритної матерії, яку захопило Сонце на одному з відрізків шляху по Галактиці. Такий підхід дозволив пояснити непропорційний розподіл мас і моменту кількості руху планет і Сонця. Речовина газово-пилової туманності під тиском сонячного вітру сортувалася ще в до планетну стадію: легкі елементи були відкинуті на край Сонячної системи, а ближче до Сонця утримувалися порівняно важкі елементи. Далі під впливом сил тяжіння куски матерії зіштовхувалися, злипались і планети росли. Проте сучасні дослідження довели неспроможність подібного механічного захвату туманності, до того ж відсутність пояснень щодо утворення самого Сонця не могли задовольнити науку.

У п'ятдесятих роках стала популярною гіпотеза харківського астронома В.Г. Фесенкова, який підійшов до вирішення проблеми з точки зору народження і еволюції зірок. Він вважав, що утворення туманності відбувалося за рахунок викиду речовини з нової або ж наднової зірки. У центрі туманності існував ущільнений згусток — первинне Сонце, навколо якого сформувалися неоднорідності — велетенські "нитки" і "волокнини", що в подальшому перетворилися на небесні тіла. Планети утворилися з тієї речовини газово-пилової туманності, яка знаходилася в екваторіальній площині Сонця. Ця туманність, що оточувала Протосонце, була сплюснута, ущільнення в ній відбувалися нерівномірно, бо рух часто був неправильний, вихороподібний. Орбіти згустків-планет із самого початку мало відрізнялися від кола і знаходилися в одній площині.

Багато вчених вважає, що протосонячна туманність, з якої сформувалися всі тіла Сонячної системи, існувала протягом тривалого часу у вигляді звичайної міжзоряної намагніченої хмари, що повільно оберталася. Можливо, поблизу від неї згодом утворилася масивна зірка. З часом смерть цієї зірки призвела до вибуху наднової. Потужні спалахи наднових зірок відбуваються у зв'язку з вигоранням в їх центрі ядерного палива. В ядрі такої зірки різко знижуються температура і тиск, внаслідок чого її поверхневі шари під впливом власної величезної ваги починають падати до центру зірки. Відбувається так зване явище колапсу, яке призводить до загибелі зірки.

Наявність магнітного поля в газовій хмарі, що обертається і стискується, відіграє важливу роль при колапсі хмари. В міру того, як обертання хмари прискорюється, магнітні силові лінії, що ведуть себе як пружинисті пластинки, закручуються. Магнітні натяги призводять до утворення ядра, яке повільно обертається, а речовина, що залишається на периферії, швидко крутиться навколо нього. Цей ефект дозволяє пояснити фактичний розподіл моменту кількості руху в Сонячній системі.

В стискуваній хмарі швидко розвивається щільне, непрозоре ядро з повільним осьовим рухом. Навколо нього продовжує обертатися газовий диск — протосонячна туманність. Газ містив багато частинок пилу. Тонкий диск з холодного пилу був такий же гравітаційно нестійкий, як і хмара холодного газу. Частинки пилу притягувалися більшими за масою згустками матерії, і вони виростали до розмірів астероїдів. Ці первинні утворення одержали назву планетезималей. Вони мали неоднакову масу і різні швидкості. Астероїди і ядра комет, можливо, і є тими залишками планетезималей, що заповнювали колись Сонячну систему.

Тим часом молоде Сонце, яке виникло на місці ядра, стало виділяти світло і енергію. Це вплинуло на властивості планет, які утворилися. Поблизу Сонця температура була високою, внаслідок чого речовини, що опинилися тут у стані льоду, швидко випаровувалися. В цих умовах змогли зберегтися тільки жаростійкі кам'янисті і металеві частинки. Тому внутрішні планети утворювалися переважно з матеріалу, який мав велику питому вагу. Вони порівняно невеликі за масою і через це не були здатні утримати помітну кількість водню і гелію. В зовнішніх областях Сонячної системи температура була достатньо низькою, і льодові речовини тут не розтанули. Внаслідок цього утворилися величезні планети, які були спроможні утримати водень і гелій. Хоча зовнішні планети Сонячної системи дуже масивні, але всі вони мають порівняно малу щільність.

Нині значного поширення набула гіпотеза так званої акумуляції небесних тіл. Вчені вважають, що планети утворилися внаслідок нагромадження багатьох тіл менших розмірів, які рухалися навколо Протосонця за орбітами, що лежали в середині плоского диска. Ця гіпотеза дозволяє пояснити напрями обертання планет по орбіті і навколо власної осі. В планетах, які утворилися з багатьох дрібних тіл, індивідуальні напрями обертань усереднювалися, в результаті їх вісь обертання виявлялася паралельною до вісі обертання Сонця. Виняток становлять Уран і Венера. Мабуть, перший утворився при зіткненні лише кількох, можливо навіть тільки двох великих тіл. Зворотній рух Венери вказує на те, що свого часу відбулося сильне сповільнення обертання планети припливними силами Сонця.

Сучасні уявлення про утворення Сонця і планет з газопилоподібної туманності є загальновизнаними. Вчені одержали нові вагомі докази еволюції Всесвіту. Великої популярності у світі набула теорія про "Великий вибух" — так коротко називають сукупність процесів, що відбувалися майже двадцять мільярдів років тому, на самому початку формування Всесвіту. Гадають, що колись вся космічна матерія була зосереджена в порівняно невеликому за розмірами згустку, який являв собою дуже гарячу (мільярди градусів) надщільну речовину. Внаслідок надпотужного вибуху матерія розлетілася в різні боки космічного простору, щільність стала падати, а температура знижуватися. Ця гіпотеза була підтверджена відкриттям у 1964 р. американськими дослідниками А. Пензіасом і Р. Вільсоном теплового фонового випромінювання Всесвіту. Випромінювання названо реліктовим, бо воно є залишком тепла від тієї первісної гарячої матерії. "Розбігання" галактик, яке є наслідком Великого вибуху, продовжується і донині: такий висновок підкріплюється спостереженнями Е. Хаббла, який виявив зміщення ліній спектра галактик у бік довгохвильового червоного кінця. Визнано, що таке зміщення відображає фактичні особливості руху галактик, неперервне зростання відстаней між ними. Це означає, що галактики віддаляються від нас (й одна від одної) в усі боки й тим швидше, чим далі вони від нас. Цей процес охоплює всю спостережувану частину Всесвіту, а можливо і весь Всесвіт.

Таким чином, в міру вдосконалення методів дослідження Всесвіту і нагромадження нових даних про будову різних небесних тіл вчені все глибше проникають у таємниці їх походження. Створення єдиної теорії розвитку Землі та інших планет Сонячної системи — одна з найскладніших проблем сучасної науки.