Выделяют два класса динамических систем – консервативные (к ним относятся, например, механические колебательные системы в отсутствие трения) и диссипативные. Для диссипативных систем характерно то, что режим динамики, возникающий в системе, предоставленной себе в течение длительного времени, становится не зависящим от начального состояния (по крайней мере при вариации начальных условий в некоторых конечных пределах). Множество точек в фазовом пространстве диссипативной системы, посещаемых в установившемся режиме, называется аттрактором. Простые примеры аттракторов – устойчивое состояние равновесия и предельный цикл, отвечающий режиму периодических автоколебаний (замкнутая фазовая траектория, на которую наматываются все близкие траектории).
Замечательным достижением теории динамических систем стало открытие хаотической динамики. Возникновение хаоса кажется на первый взгляд несовместимым с определением динамической системы, подразумевающим возможность однозначного предсказания конечного состояния по исходному. На самом деле противоречия нет. В хаотическом режиме сколь угодно малая неточность в задании начального состояния системы быстро нарастает во времени, так что предсказуемость становится недостижимой на достаточно больших интервалах времени. Такого рода режимы характеризуются нерегулярным, хаотическим изменением динамических переменных во времени. В фазовом пространстве диссипативных систем им отвечают странные аттракторы – сложно устроенные множества, демонстрирующие все более тонкую структуру на разных уровнях ее разрешения.
Первая линия развития, которая вела к представлениям о динамическом хаосе, связана с небесной механикой. Основоположниками классической механики принято считать И. Ньютона, Ж.Л. Лагранжа, П.С. Лапласа, У.Р. Гамильтона. Они сформировали представления о том, что мы сейчас называем гамильтоновой, или консервативной, динамической системой.
42. СОВРЕМЕННЫЕ НАУКИ О КОСМОСЕ
Интенсивные исследования около земного космического пространства и объектов – планет Солнечной системы с помощью автоматических и пилотируемых космических аппаратов во второй половине XX в. привели к возникновению целого ряда новых наук о космосе. Во-первых, это космическая биология, изучающая процессы прорастания семян растений, развитие растений в условиях невесомости и ограниченного пространства на борту пилотируемых космических аппаратов, а также автоматических космических станций. В последующие годы продолжались биологические исследования на пилотируемых орбитальных станциях.
Почти одновременно с космической биологией возникла и развивалась космическая медицина, которая была крайне необходимой при подготовке космонавтов на Земле, а также при полетах пилотируемых космических кораблей и станций. Космическая медицина проводила исследования в области функционирования сердечно-сосудистой системы, головного мозга, системы кроветворения, системы пищеварения у космонавтов в предпилотном режиме и затем во время полетов на орбитальных станциях.
С увеличением объемов и веса запускаемых космических аппаратов началось развитие космической астрономии. Астрономы получили возможность вести наблюдения в космосе с борта орбитальных станций, в том числе долговременных типа «Мир», а затем Международной космической станции. В результате астрономия получила много новых данных по «ближнему» и «дальнему» космосу. Астрономические наблюдения с космических аппаратов позволяют выявить на раннем этапе приближение крупных космических тел к Земле – метеоритов, астероидов, комет – и предупредить о возможном столкновении с ними, а это очень важно для обеспечения безопасности землян.
С началом космической эры, когда на Луне были проложены первые геологические маршруты, ученые-геологи получили много полезной и ценной информации. Для анализа и обобщения этой информации возникла необходимость в создании нового направления в геологической науке – космической геологии. Космические методы предоставили геологам богатейшие сведения, позволяющие в глобальном масштабе изучать строение земной поверхности, решать проблемы теоретической геологии и выявлять закономерности размещения полезных ископаемых.
Космическая геология способствует поиску минеральных богатств Земли. Она позволяет детально изучать труднодоступные районы земной поверхности.
Прогресс в развитии космической техники позволил вплотную подойти к изучению геологии отдельных планет Солнечной системы и выделить новую отрасль естествознания – сравнительную планетологию, т. е. научное направление, которое должно заниматься сравнительным анализом геологического строения планет и Земли.
Одновременно с космической геологией шло становление и развитие космической метеорологии, которая занималась исследованием атмосферы Земли, Венеры, Марса и других планет Солнечной системы и их спутников. По данным космических исследований с помощью АМС серии «Венера» установлен газовый состав венерианской атмосферы.
На основе этих исследований возникла космическая экология, которая стала изучать последствия антропогенного воздействия на «ближний» космос, т. е. околоземное пространство.
43. ПРОБЛЕМА ВОЗНИКНОВЕНИЯ ВСЕЛЕННОЙ
Во второй половине XX в. в результате космических исследований учеными было открыто космологическое реликтовое излучение, позволившее заглянуть в далекое прошлое нашей Вселенной. Еще раньше было обнаружено красное смещение, вызванное разбеганием галактик, составляющих Вселенную. Это открытие приводит к удивительному результату: примерно 20 млрд лет назад вся Вселенная была сосредоточена в очень маленькой области. Вселенная тогда представляла собой одну гигантскую «каплю» ядерной или даже сверхъядерной плотности. По каким-то причинам «капля» пришла в неустойчивое состояние и взорвалась. Последствия этого взрыва и наблюдаются сейчас как разлет системы галактик.
Космологическое значение фонового реликтового излучения ученые использовали в качестве самого главного ключа к разгадке возникновения Вселенной и пришли к теории, предложенной Г. А. Гамовымза десять лет до этого. Г.Аа. Гамовутверждал, что некоторые химические элементы были созданы в первые минуты Большого взрыва. И как следствие этого, повсюду должно было сохраниться первичное излучение. Вследствие космологического расширения оно должно было «охладиться» до температуры около 10 °К. Теория Гамова была предана забвению, когда астрофизики пришли к заключению, что элементы тяжелее гелия не могли синтезироваться в сколько-нибудь заметном количестве в ходе Большого взрыва. Однако стало очевидным, что Большой взрыв обеспечивает условия, в которых был вполне вероятен синтез гелия. Советские астрофизики А. Г. Дорошкевич и И. Д. Новиков в своей работе (появившейся за год до открытия Пензиаса и Вилсона в лаборатории фирмы «Белл телефон») теоретически обосновали, что первичное (фоновое) излучение может быть обнаружено в сантиметровом диапазоне длин волн, и отмечено, что это явилось бы доказательством «горячего» начала расширения Вселенной.
Если проследить историю Вселенной, то температура космического фонового излучения должна расти. Во все более ранние моменты времени излучение оказывается все горячее, а Вселенная – все более плотной (вплоть до того момента, когда могло возникнуть это излучение). Открытие космического фонового излучения рассматривается учеными как одно из самых успешных подтверждений теории Большого взрыва.
Расчеты, выполненные астрофизиками, свидетельствуют о том, что вскоре после начала расширения вещество Вселенной имело очень высокую температуру и состояло из элементарных частиц – нуклонов и их античастиц. По мере расширения изменялись не только температура и плотность вещества, но и состав входящих в него частиц, так как многие частицы и античастицы аннигилировали, порождая электромагнитные кванты излучения. Последних во Вселенной оказалось неизмеримо больше, чем атомов, из которых состоят звезды, планеты, диффузная материя. Согласно этой гипотезе, именуемой теорией «горячей» Вселенной, потребовалось всего лишь несколько минут, чтобы сверхплотное вещество превратилось в вещество с плотностью, близкой к плотности воды. Через несколько часов плотность стала сравнимой с плотностью нашего, земного воздуха, а сейчас, по истечении около 20 млрд лет, оценка средней плотности вещества во Вселенной приводит к значению порядка 10–28 кг/м3.
Космология изучает отдельные небесные тела, их системы, строение Вселенной в целом и происходящие в ней процессы. Основатель современной космологии А. А. Фридман сформулировал упрощенную математическую модель строения Вселенной, которая называется однородной и изотропной. Современные представления о крупномасштабной структуре Вселенной не противоречат такой модели. Структура и эволюция Вселенной наверняка гораздо сложнее упрощенных математических схем и моделей.
