Эволюция мира

    Старт был впечатляющим. За малую долю нашей секунды радиус Вселенной  увеличился в 10³⁰ раз. В теории этот этап носит название «раздувания» - физики не смогли придумать более точного названия для процесса, происходящего за доли секунды со все возрастающей скоростью. Но именно на этапе раздувания возникли те сущности, которые мы ныне называем пространством- временем, мировыми постоянными типа скорости света или гравитационной постоянной, законами Природы, веществом, излучением. Возникли и фундаментальные взаимодействия - ядерное, электромагнитное, гравитационное и, возможно, слабое.

    Через доли секунды скорость расширения упала. К этому моменту температура  всюду стала одинаковой - очень  большой, но уже не бесконечной. В  результате раздувания во Вселенной  возникло очень много вещества, что около 10⁸⁰ частиц. Рождалось вещество из энергии в виде пар «частица - античастица». Но где взять столько энергии? Закон сохранения энергии к этому времени уже возник и действовал абсолютно точно и безапелляционно. Дело в том, что полная энергия Вселенной скорее всего равно нулю. Просто энергия вещества - она положительна, а энергия гравитационного притяжения - отрицательна, и по модулю они равны друг другу. Чем больше вещества, тем больше у него положительной энергии, и во столько же раз больше отрицательной энергии гравитации, которая, как известно, линейно возрастает с увеличением размеров. Вспомните, как возрастает потенциальная энергия тела в поле тяжести Земли. Чем выше (то есть дальше), тем больше. И знак у ней - минус, потому что для того, чтобы поднять тело над поверхностью Земли, мы должны совершить работу. Так что фаза раздувания стартовала с нулевой энергией, ею же она и закончилась. Нуль превратился в положительную энергию вещества и отрицательную энергию гравитационного притяжения.

    Через секунду после взрыва температура  упала примерно до 10¹² К, уменьшилась и скорость расширения. Для сравнения: по современным данным, температура в центре Солнца сейчас около 10⁷ К, а скорость расширения Вселенной такова, что её размеры увеличиваются примерно на 5-10% за 10⁹ лет. В возрасте одна секунда Вселенная состояла из фотонов, а также электронов, протонов, нейтронов, нейтрино и их античастиц. При дальнейшем расширении и охлаждении, то есть уменьшении энергии частиц, аннигиляция стала преобладать над рождением пар. Это означает возрастание числа фотонов и уменьшение числа частиц с массой покоя, отличной от нуля. Осталось лишь сравнительно небольшое число протонов, нейтронов и электронов, их античастицы исчезли почти полностью. Такое неравенство физики объясняют тем, что при однонаправленном течение времени только вперед поведение частиц, к счастью, отличается от поведения античастиц. К счастью потому, что мы с вами, все наши галактики и звезды как раз из состоим из того, что осталось. Из того факта, что мы существуем, следует, что при обращении времени изменяются не только поведение частиц, но и законы Природы. В это трудно поверить, но пока что приходится принимать такую ситуацию как должное, иначе трудно объяснить существование человечества - мы все состоим из вещества! Антивещество и наша природа, и наши физики в лабораториях генерируют в очень малых количествах, достаточных лишь для того, чтобы мы поверили в реальность процессов аннигиляции. Есть и другие попытки объяснить преобладание вещества над антивеществом, например, введением предположения о том, что между веществом и антивеществом действуют гравитационные силы отталкивания, а не притяжения, как в нашем мире. Пока что такое предположение не проходит из-за недостатка времени для гравитационного разделения Вселенной и Антивселенной и из-за противоречий со знаками энергии взаимодействия. Коль скоро у нас пока нет возможностей провести прямой эксперимент по определению знаков гравитационного взаимодействия «частица - античастица», будем придерживаться принципа «бритвы Оккама».

    В возрасте около ста секунд Вселенная  остыла до 10¹⁰ К, частицы замедлились в своем движении и стали уже не в силах полностью противостоять действию ядерных сил притяжения. Пошел процесс образования ядер. Первыми возникли ядра дейтерия (протон + нейтрон), потом гелия (два протона + два нейтрона), затем более сложные ядра лития и бериллия. Загляните в таблицу Менделеева и уточните, сколько протонов и нейтронов в этих ядрах. Из-за наличия электрического отталкивания и некоторого дефицита нейтронов часть протонов (ядер водорода) осталась в свободном состоянии. Водород и гелий и сейчас преобладают во Вселенной.

    Через несколько часов после взрыва образование ядер гелия, лития, бериллия прекратилось. Затем примерно 10⁶ лет (один миллион) Вселенная старела спокойно, в состоянии плазмы из положительных ядер и отрицательных электронов, медленно расширяясь и охлаждаясь. Плазма, вообще говоря, для излучения непрозрачна, даже сквозь обычное пламя ничего не видно. Поэтому в течение этого времени излучение находилось в равновесии с окружающим веществом, то есть оно непрерывно рождалось и поглощалось. Самое интересное началось тогда, когда температура упала до нескольких тысяч кельвинов (или градусов Цельсия). Скорости частиц упали настолько, что электроны и ядра уже не могли преодолеть электрического притяжения. Возникли новые системы - атомы. Как известно, атомы могут поглощать фотоны только определенных энергий, следовательно, сообщество атомов стало прозрачным. Излучение распространилось по всему пространству - именно его миллиарды лет спустя люди зафиксировали как реликтовое излучение. Физики называют его ещё микроволновым фоновым излучением. Вещество же сравнительно медленно расширялось, а его плотность медленно уменьшалась.

    Когда мы говорим о плотности вещества, то подразумевается обычно средняя  плотность. В реальных системах всегда возможно случайное образование  локальных «пустот» и локальных  уплотнений. При малых скоростях  движения атомов случайное более  плотное сообщество становится локальным  источником гравитационного притяжения. За счет такой гравитационной неустойчивости на фоне общего расширения Вселенной  некоторые её области начали сжиматься - возникла возможность коллапса, то есть процесса быстрого сжатия вещества с повышением температуры внутри коллапсирующей системы. Именно гравитационная неустойчивость привела к появлению галактических облаков, затем внутри них возникли горячие звезды. Здесь, видимо, пора сделать одно примечание: когда мы говорим: быстро, медленно, то следует помнить, что масштабы времени у нас и у галактик сильно различаются.

    При образовании звезд температура  внутри них повышалась до значений, достаточных для начала реакций  ядерного синтеза. Водород в звездах  обращается в гелий, звезда ярко светится. Но выделяющееся при этом тепло препятствует дальнейшему сжатию. При наличии  вращения сжатие, как известно, приводит к увеличению скорости вращения (закон  сохранения момента импульса). Различного рода неустойчивости в первые тысячи лет жизни звезды вызывают локальные  взрывы и выбросы более тяжелых  элементов, из которых могут образоваться планеты и их спутники. Так образовалось и наше Солнце - рядовая звезда среднего поколения. Оно не из самых старых звезд, но и немолодо, ему примерно пять миллиардов лет. Жить ему осталось, видимо ещё около восьми миллиардов лет. Ну, а что будет с нами дальше, сказать трудно. Поживем - увидим.

    Почти одновременно с Солнцем возникла и Солнечная система. Выбросы  тяжелых элементов вероятнее  всего должны происходить в экваториальных областях вращающихся звезд, именно поэтому все планеты солнечной  системы вращаются примерно в  одной плоскости. Взрывы и выбросы - явления высокотемпературные, поэтому  Земля вначале была горячей, и атмосферы на ней не было. Горные породы, остывая, выделяли много газов, прежде всего, сероводорода. Так что при своем рождении наша атмосфера была для нас ядовитой. Затем возникли океаны, в которых появились макромолекулы, способные к самовоспроизведению. Здесь интенсивно шли и процессы самоорганизации, и процессы деградации, но выживали формы, более адаптированные к тогдашним условиям. В эволюции наступала эра живого вещества. Первичные организмы потребляли все, что было вокруг, но выделяли преимущественно кислород. Состав атмосферы изменялся, что и способствовало появлению более сложных форм жизни, в том числе и появлению человека.

    В теории эволюции Вселенной ещё очень много белых пятен. Мы не знаем, почему именно эволюция шла так, а не иначе. Мы не знаем также, зачем все это было нужно, но пообсуждаем этот интересный вопрос в разделе о принципах.

    Если  ещё раз воспроизвести описанную  выше схему эволюции мира, то можно  заметить, что по мере остывания  возникали все более сложные  системы. Вначале в хаосе элементарных частиц образовались ядра. Это произошло  тогда, когда ядерные силы превысили  влияние температуры. Затем аналогичным  способом включилось электромагнитное взаимодействие - появились атомы  и молекулы. Затем настала очередь  гравитации. Именно гравитационные, самые  слабые по абсолютной величине силы привели  к появлению галактик, звезд и  планет. Пока речь идет о неживой  материи, все более или менее  ясно. Но возникновение и развитие живого - процесс значительно более  сложный. И система - человек- получилась очень сложной, способной понять, кто он есть, и что он должен делать дальше.  

СТРЕЛЫ  ВРЕМЕНИ

    Понятие времени со временем изменяется. Ныне мы считаем, что время неразрывно связано с наблюдателем. Абсолютного  времени нет. Реальное, относительное  время однонаправлено, оно идет только вперед. Как стрела. В науке анализируют  три базовых «стрелы времени». Общеизвестна стрела термодинамическая. Она указывает направление времени, в котором возрастает энтропия, или  мера беспорядка. Сразу же отметим, что возрастание беспорядка в  целом не исключает появление  локализованных высокоупорядоченных  систем. Мир фактически представляет собой весьма хаотическое сборище  упорядоченных систем. Как писал  поэт Поль Валери: «Мир беспорядочно усеян упорядоченными формами». Вторая стрела - психологическая. Мы, как наблюдатели, воспринимаем ход времени в направлении, в котором мы помним прошлое и не в состоянии помнить будущее, хотя и можем как-то его спрогнозировать. Третья стрела - космологическая. Это - то время, в котором Вселенная расширяется, а не сжимается. «Полет» космологической стрелы времени описан выше. Три стрелы - это не более чем прием научного анализа, когда требуется рассмотреть одну из граней сущности. Стивен Хокинг доказал, что направления этих стрел совпадают, иначе не могли бы реализоваться условия для зарождения и развития разумных существ, способных читать лекции по КСЕ.

    Рассмотрим  космологическую стрелу несколько  иначе. Для наглядности представим ситуацию на диаграмме рис.3. По оси  абсцисс отложено время как возраст  Вселенной. По оси ординат отложены в условных единицах размеры R, сложность  локальных систем Z и температура  Т. Фаза раздувания отмечена пунктиром. Кривая Т - падение температуры, то есть уменьшение со временем энергии движения частиц.

    Космологическая стрела фиксирует, что с течением времени размер Вселенной и сложность  её «подсистем» нарастают. Все остальные  «СТРЕЛЫ» будем рассматривать как  условно-наглядное представление  эволюции тех «вложенных друг в друга» подсистем, которые наиболее значимы  для нас, для человеческого познания. Их не следует воспринимать, как  «независимые» траектории развития. Все «ответвления» космологической  стрелы построены так, что их ранг в масштабе всей Вселенной уменьшается, а применительно к развитию и  жизни человека каждая новая стрела все более значима. Как заметил  Эльдар Баткаев, по мере продвижения стрелы становятся все более антропоцентричными. Рассмотрим наиболее существенное в этих стрелах.

    1. Вселенная. В естествознании под этим термином понимается часть материального мира, доступная наблюдению. В отличие от всех других систем Вселенная единична, своего рода уникальная и неповторимая надсистема. Мы полагаем, что известные человечеству фундаментальные законы природы действуют во всей Вселенной. Заметим, что эти законы не запрещают существования других виртуальных вселенных (параллельных миров).

    За  время жизни Вселенной свет в  состоянии пролететь определенное расстояние, которое и определяет радиус космологического горизонта. По современным данным, возраст Вселенной, точнее, возраст реликтового излучения, составляет 13,7 млрд. лет. Соответственно, радиус горизонта равен около 12500 Мпк. Вещество во Вселенной распределено чрезвычайно неравномерно. Например, в атомных ядрах плотность составляет около 10¹⁷ кг/м³, а в межзвездном пространстве нашей Галактики она равна 10^-21 кг/м³. С учетом «пустого пространства» между галактиками средняя плотность вещества во Вселенной близка к значению 4.5·10^-27 кг/м³. В это значение входит не только то вещество, которое светится, но и темная (скрытая) масса. То, что скрытая масса есть, мы знаем, но физическая сущность её пока не очень ясна. Наряду с неравномерно распределенным веществом вся Вселенная равномерно заполнена изотропным реликтовым электромагнитным излучением. Его энергетическая плотность составляет доли процента от энергетической плотности массы.

    В среднем Вселенная однородна  и изотропна, то есть, одинакова по всем направлениям. Но это в среднем. На самом деле Вселенная имеет более или менее упорядоченную структуру ячеисто-сетчатого типа. Структура эта образуется группами и скоплениями галактик, собранных в линейные «жгуты» (физики называют их филаментамино), которые образуют пространственную сетку. Узлами этой сетки служат скопления галактик; между филаментами – своеобразные «дыры», где нет нормальных галактик. Средний размер дыр пример в пять раз превышает толщину филаментов, которая составляет примерно 10 Мпк. Напомним, что один парсек равен 3.26 световых года. Что ждет Вселенную в будущем? Космология рассматривает две возможности: либо вечное расширение, либо смена разбегания на сжатие до сингулярности («все должно в природе повториться»…). Оба варианта дают, что фаза расширения продлится не менее 20 млрд. лет, что намного превышает время жизни Солнца. Поживем – увидим.

    2 и 3. Стрелы излучения и вещества. Ясно, что эти стрелы должны идти параллельно основной стреле. Фактически излучение и вещество – это два вида материи, той самой «плоти Вселенной». Уточним, что под «излучением» в естествознании понимается свободное электромагнитное поле (электромагнитные волны). В квантовой интерпретации электромагнитное поле трактуется как поток фотонов – частиц (квантов) электромагнитного поля, при этом масса покоя фотона равна нулю. Иногда к излучению относят и другие физические поля, но мы ограничимся электромагнитной сущностью излучения. Вещество в основе своей построено из электронов, протонов и нейтронов. Масса вещественных частиц всегда отлична от нуля. Можно сказать, что любая материальная сущность состоит из «веполей» - взаимодействующих доз вещества и поля.