Эволюция мира

Эволюция  мира

    Прежде  всего, уточним некоторые понятия.

    Эволюция - развитие системы, её постепенное преобразование. Иногда под эволюцией понимают медленное развитие, своего рода накопление количественных изменений. Эти спокойные этапы чередуются с быстрыми, на которых происходит качественное преобразование системы или же её замена другой, новой системой. В последнем случае этап выглядит как скачок, почти мгновенный переход из одного состояния в другое, но с обязательной «памятью» о прежнем. В зависимости от вида системы качественные скачки называют либо революцией, либо «катастрофой». В математике скачкообразные процессы описываются специальной «теорией катастроф». В нашем курсе термин «эволюция» трактуется в обобщенном смысле. Революции, катастрофы и другие качественные трансформации мы рассматриваем как этапы единого процесса эволюции.

    Таким образом, термин «эволюция мира»  фактически включает в себя всё, что  произошло и происходит во Вселенной  от её рождения до нынешнего состояния.

    Вселенная - это весь наблюдаемый материальный мир. Близок к нему термин «Метагалактика» - это то, что мы в состоянии сейчас наблюдать, своего рода реальный компонент Вселенной. Во Вселенной имеют место также виртуальные объекты, явления и процессы; в естествознании «виртуальный» означает мыслимый, но ненаблюдаемый. По современным представлениям размеры Метагалактики оцениваются примерно в 10¹⁰ световых лет, при этом один световой год равен примерно 10¹⁶ метров - то расстояние, которое свет, имея скорость с = 3^.10⁸ м/с, проходит за один земной год.

    Ещё нам потребуется некоторая информация об элементарных частицах материи. «Элементарные» означает самые простые, не сводимые к другим. Таких частиц в физике известно много, но для качественного  описания достаточно пяти «корпускул». Это фотон, нейтрино, электрон, протон и нейтрон. Кое-что о них было в школьном курсе физики.

    Фотон, или квант света, или квант электромагнитного излучения - частица с массой покоя, равной нулю, существующая только в состоянии движения со скоростью света. Нейтрино - легкая частица, её масса покоя очень мала и пока что неизмерима. Нейтрино участвует в гравитационном и в так называемом слабом взаимодействиях. Нейтрино и фотон электрически не заряжены. Электрон - заряженная частица с элементарным зарядом е = - 1.6·10^-19 Кл и массой покоя m₀ = 9.1·10^-31 кг. Об электронах и электронике знает каждый школьник. Протон и нейтрон (нуклоны) примерно в 1840 раз массивнее электрона. Протон имеет положительный элементарный заряд, нейтрон электрически нейтрален, за что он и получил свое имя. Из протонов и нейтронов состоят атомные ядра; системы «ядро + электроны» - это атомы.

    У каждого вида частиц есть античастицы. Когда-то они рождались парами: нейтрино и антинейтрино, электрон и позитрон, нуклон и антинуклон. Антифотон - исключение, он полностью идентичен фотону. Замечательно, что при встрече частица и античастица обязательно аннигилируют, то есть исчезают, порождая вместо себя два или три фотона («масса превращается в энергию»). Есть и обратная реакция - при столкновении фотонов большой энергии возможно рождение вещественных пар «частица - античастица».

    Обратимся к эволюции мира. Великие умы человечества придумали множество умозрительных  теорий о строении, происхождении, развитии Вселенной и её подсистем - галактик, Солнца, планеты Земля, человека и  его мышления.

    В основе религиозных теорий - идея разовых  созидательных деяний Бога. Характерно, что во всех религиях мира явно или  неявно присутствует мысль о создании времени вместе с Вселенной и  законами её бытия. Поэтому основным признаком конца мира будет исчезновение времени. («…что времени уже не будет». Откровения св. Иоанна Богослова, гл.10, стих 6.) Те же, кто не принимал идеи божественного вмешательства, полагали, как правило, что окружающий мир существовал всегда и будет существовать вечно. Поэтому никаких «начала» и «конца» быть не может. Аристотель, например, считал, что не только среда обитания, но и сами люди существовали вечно, а их цивилизации периодически исчезали из-за потопов и затем стартовали вновь, чередуя тем самым быстрые и медленные этапы своего развития. В теории Иммануила Канта предполагалось, что Солнечная система возникла из «первоначальной туманности», но откуда взялась эта самая туманность – ни слова. Содержание и изящество многих теорий и картин ничем не были обоснованы, так как все они базировались лишь на свободном полете разума и не опирались на какие-либо реалии. В них нет достоверных сведений о первооснове и первопричине.

    В настоящее время наиболее адекватной является теория «Большого Взрыва», или теория «горячей Вселенной». В  ней, как и в более ранних теориях, нет ответа на вопросы: «Почему возникла Вселенная?», «Зачем она была создана». Но зато вопросы «Когда?» и «Как дело было?» разработаны обоснованно и достаточно подробно. Мы кратко изложим основные фрагменты этой теории, опираясь на книги /6, 7, 8, 9/. Это очень интересные книги, в которых есть темы для десятков рефератов.

    В 1916 году Альберт Эйнштейн в рамках созданной им общей теории относительности дал научную картину устройства Вселенной. Основу картины составляло представление о том, что пространство и время, во-первых, активно влияют на все, что происходит во Вселенной, а во-вторых, что они сами изменяются под воздействием событий, происходящих во Вселенной. Сама Вселенная в теории Эйнштейна предполагалась стационарной, то есть существующей вечно. Он полагал:

• во всем пространстве существует некоторая средняя плотность материи, которая отлична от нуля и в большом масштабе всюду одна и та же.
• размеры («радиус») пространства не зависят от времени.

    Однако  совместная математическая модель этих двух предположений потребовала введения в уравнения некоторого параметра в виде «космологической постоянной», не имеющей никакого естественного обоснования. Эту постоянную Эйнштейн ввел, опираясь только на свою веру в стационарность Вселенной и доверяя математике как языку науки. Но в 1923 году ленинградский геофизик и математик Александр Александрович Фридман показал, что более естественно и красиво выглядят решения тех же уравнений, освобожденных от «космологической виртуальности». В решениях Фридмана «радиус мира» зависит от времени. Иными словами, теория требовала расширения или сжатия Вселенной. Этот вывод теории в первые годы представлялся очень странным, для многих - просто абсурдом.

    В 1928 году Эдвин Хаббл, исследуя свечение внегалактических туманностей с  помощью спектральной аппаратуры, обнаружил  «красное смещение спектральных линий», которое было тем больше, чем дальше от нас туманность. Такое смещение возникает, если источник света удаляется  от наблюдателя с заметной скоростью (эффект Допплера). Физически такой наблюдаемый факт означал всестороннее расширение системы звезд, или разбегание галактик. Тем самым было экспериментально подтверждено, что решения Фридмана - не каприз ума ученого, а реальность. Радиус Вселенной непрерывно увеличивается. Но если это так, то логично предположить, что когда-то Вселенная была очень маленькой, и тогда у неё должна быть «дата рождения». Она же – дата рождения пространства и времени, ибо, как писал Эйнштейн, « никакой пространственно-временной континуум не может существовать без порождающей его материи». По измерениям Хаббла начало расширения было всего лишь 10⁹ лет тому назад. В дальнейшем более точные эксперименты дали для возраста Вселенной величину около 13^.10⁹ лет. 13 миллиардов земных лет, но это не означает, что наша планета родилась тогда же. Это произошло намного позже, а спустя ещё чуть люди научились измерять время и понимать, что такое «раньше» и что такое «позже»…

    В первой половине 20-го столетия физики, астрономы, астрофизики путем обобщения  экспериментальных данных по спектрам светового излучения небесных объектов установили, что химический состав вещественной части материи во всей Метагалактике (наблюдаемой Вселенной) идентичен. Везде одни и те же химические элементы, известные землянам по таблице  Менделеева. «Вселенское» единство вещества означало, что оно либо имеет один и тот же источник, либо возникает  всюду по одним и тем же законам.

    В 1948 году Георгий Анатольевич Гамов (он же Дж. Гамов, гражданин США с 1934 г.) вместе с Гансом Бете и Ральфом Альфером опубликовал работу, в которой была построена непротиворечивая картина «горячей Вселенной», возникшей в результате «Большого Взрыва». Анализируя созданную физико-математическую модель, Гамов пришел к выводу, что фотоны, излученные в пространство на одной из ранних стадий развития Вселенной, должны «быть живы» до сих пор, хотя это реликтовое излучение порядком остыло («состарилось»). В 1965 году это излучение было обнаружено экспериментально. Его экспериментально измеренная температура оказалась около 2,7 К, а возраст близким к 10¹⁰ лет, то есть к тем же значениям, что были получены из анализа красного смещения в линиях излучения разбегающихся во все стороны галактик. Это означало, что модель Гамова вполне правдоподобна.

    Наблюдаемые факты: однородность химического состава Вселенной, наличие непрерывного расширения и наличие реликтового излучения вместе составили естественное обоснование горячей модели большого взрыва, модели рождения нашего мира. В этой модели принято, что от рождения до наших дней эволюция Вселенной описывается теорий Фридмана. Все-таки это здорово: развитие мира дошло до того, что люди, как высшее достижение эволюции, смогли воссоздать картину, которую они не видели и никогда не увидят.

    В теории большого взрыва и его последствий  расширение Вселенной сопровождается охлаждением вещества и излучения. Температура падает обратно пропорционально  размерам Вселенной. Как известно из школьной физики, температура есть мера средней энергии движения частиц (их скорости). Если корпускулы двигаются  очень быстро, то они имеют возможность  «не обращать внимания» на силы притяжения между ними. Можно провести такой  опыт: закрепив на стойке магнит, ронять мимо него железный гвоздь. Если гвоздь падает с большой высоты и его  скорость велика, то он пролетает мимо магнита, практически не отклоняясь от вертикали. И гвоздь, и магнит останутся сами по себе, без изменений. Если же отпустить гвоздь совсем рядом  с магнитом, то он прилипнет к  магниту, и в результате возникнет  новая покоящаяся система «магнит  плюс гвоздь». Если же вместо гвоздя взять  капельку магнитной жидкости, химически активной по отношению к материалу магнита, то в результате опыта при малых скоростях пролета мы получим вообще качественно новую систему, в которой ни магнита, ни капельки уже не будет. Очень похожие процессы происходили и при остывании Вселенной. При охлаждении системы частиц силы притяжения вызывали слияние частиц и их превращение в новые системы. Это означает, что не только энергии частиц, но и сам тип частиц будут зависеть от температуры и, тем самым, от возраста Вселенной. Иными словами, с увеличением возраста должен изменяться уровень организации материи. Чем ниже температура, тем вероятнее появление все более сложных образований и, соответственно, все более сложных «жизненных» процессов в таких системах. Вплоть до появления жизни без кавычек.

    На  старте размеры Вселенной были близкими к нулю, а плотность материи, кривизна пространства и температура - огромными, быть может, даже бесконечными, как  в математических моделях. Такие  системы называются сингулярностями, для их описания создан специальный математический аппарат, базирующийся на понятии «дельта-функции». Мы пока не знаем, почему именно взорвалась исходная сингулярность, и зачем именно это произошло. Но это произошло. Любопытен факт: христианская церковь полагает, что эволюцию Вселенной после большого взрыва изучать можно и даже нужно, греха в этом нет. Но не следует стремиться понять его причины и цели, ибо это есть деяние Создателя. Таким образом, церковь согласилась отодвинуть момент творения на 13 миллиардов лет назад. А мы упорно стремимся понять цели и причины, поскольку достоверно знаем, что после старта все происходило без участия Создателя, в соответствии с законами нашего нынешнего естествознания.