Космическая эволюция

История Вселенной, начиная с сингулярности и до настоящего времени, в общих чертах известна современным физикам и астрономам. Сингулярностью астрофизики назвали такое состояние Вселенной, при котором температура, плотность материи, напряженность гравитационного поля и другие физические переменные стремятся к бесконечности, а формулы физической теории перестают работать. Всего 200 лет назад человечество не знало об этом почти что ничего. Тогда не было ядерной физики, поэтому было абсолютно непонятно, как звезды дают столько тепла и света на протяжении многих миллионов лет. Не было больших телескопов, радиотелескопов и многих других приборов для точных исследований дальнего космоса. Считалось, что Вселенная бесконечна и всегда была примерно такая, как сейчас.

Только развитие физики и создание новых научных инструментов позволили измерить расстояние до звезд и других галактик, измерить их относительную скорость, вычислить их массу, выяснить возраст и состав, понять, что Вселенная эволюционирует. Успехи геологии и палеонтологии тоже сдвигали общественное сознание к признанию всеобщей эволюции. К этому же вело ускоренное развитие самого человечества, изобретение паровоза, самолетов, электричества, телефона.

Развитие Вселенной было окончательно признано в XX веке. Теория расширяющейся Вселенной основана на открытии в 1912-1914 В.М. Слайфером красного смещения – то есть, явления, при котором чем дальше звезда расположена от Земли, тем сильнее ее спектр сдвинут к красной части шкалы. В то время звезды наблюдали исключительно с помощью света, который они излучают. Радиоастрономия и тем более рентгеновская астрономия появятся намного позже. Красное смещение – это физический эффект, открытый К. Допплером в 1842 году и экспериментально подтвержденный Г. Фогелем в 1871 году, который состоит в том, что свет удаляющегося источника становится для неподвижного наблюдателя более красным, а свет приближающегося более синим. Если объяснить очень просто, то камень, брошенный в вашу сторону с удаляющегося поезда, будет иметь меньшую энергию, чем с приближающегося. Чтобы заметить красное смещение глазом, нужно, чтобы скорость удаляющихся галактик была сравнима со скоростью света, но спектроскопы и спектрометры (используемые вместе с телескопами) позволяют измерить очень небольшие сдвиги. Астрономам помогло еще и то, что тогда уже были известны спектры атомов (линии Фраунгофера), позволяющие проводить очень точные измерения.

Красное смещение было доказано, но непонятны были его причины. С научной точки зрения, предполагавшей тогда бесконечность Вселенной и ее однородность, было очень непонятно, почему все звезды и их скопления движутся в разные стороны именно от Солнечной системы. В 1922 году А. Фридман выдвинул гипотезу, основываясь на теории пространства Эйнштейна, что Вселенная расширяется, и поэтому галактики удаляются друг от друга, из-за чего и возникает смещение. Физики любят объяснять это такой моделью: нарисуем на воздушном шарике точки, обозначающие звезды. Начнем надувать его, и окажется, что расстояние между всеми этими точками увеличивается, причем чем дальше они друг от друга, тем больше скорость удаления, но при этом какой-то центральной точки не существует. В 1929 году астроном Э. Хаббл, обработав большое количество наблюдений, обнаружил разбегание галактик, которое тем быстрее, чем дальше они от Земли. Интересно, что примерно в те же годы происходил переход от волновой теории света (согласно которой свет – это электромагнитные волны, распространяющиеся в эфире) к квантовой, по которой свет - это особые частицы: фотоны. Но эффект Доплера укладывается и в волновую, и в квантовую теорию.

Отсюда физики-теоретики легко (для них) сделали вывод о том, что раз вся Вселенная расширяется, то некогда она была очень маленькой, и имела (как сжатый газ) очень высокую температуру. Выше, чем температура звезд. То есть, в начале был немыслимой (или как раз только абстрактно мыслимой) силы взрыв. Ни звезды, ни планеты в начальный период развития Вселенной еще не существовали – не могли существовать при тех температурах и плотностях материи. Основы этой теории заложил Георгий Гамов в 1946-1948 году.

В дальнейшем эта гипотеза проверялась различными способами более 100 лет, и нашла множество различных подтверждений, в том числе, открытие реликтового излучения А. Пензиасом и Р. Вильсоном в 1965 году, и более поздними измерениями конца XX - начала XXI веков недостижимой ранее точности, произведенными с помощью космических телескопов. Еще одна независимая линия, доказывающая ограниченный возраст Вселенной – это изучение эволюции звезд, в которых происходят термоядерные реакции, ведущие к возникновению все более тяжелых элементов. Если бы Вселенная была вечно такой, как сейчас, весь водород и даже гелий уже сгорели бы в звездах. До этого же большинство ученых (к неудовольствию священников) придерживались теории стационарной Вселенной, которая вечно была примерно такой же, как мы ее видим сейчас. Конечно, множество ученых все следующие 100 лет оспаривали и теорию расширяющейся Вселенной, и теорию Большого взрыва, но это были разрозненные возражения, которые не смогли создать некую непротиворечивую и экспериментально подтвержденную теорию.

Так что в настоящее время в астрофизике господствует теория большого взрыва (или сингулярности), которая соответствует и той линии роста сложности систем во Вселенной, которая является частью моей системы идей. На ней я и буду основываться.

Главное для теории эволюции, что следует из космологии Большого взрыва, это то, что» в начале» не было ни звезд, ни планет; не было даже молекул и атомов. Все это появилось в процессе развития от простого к сложному, который занял миллиарды лет, и завершился (из того, что нам известно) возникновением жизни, общества, разума.

Но как все эти сложные явления возникли в результате беспорядочного движения элементарных частиц? Существует ли какой-то закон развития от простого к сложному, действующий и на уровне атомов, и на уровне государств?

Может быть, поняв этот закон, мы сможем ускорить развитие нашего государства?

После сингулярности

При температуре боле 10 триллионов градусов во Вселенной не было даже знакомых нам элементарных частиц: электронов, протонов и нейтронов. Имелись находящихся в тепловом равновесии кварк-антикварковые пары и фотоны очень высокой энергии (гамма-кванты) (Вайнберг , с. 203). Кварки – это элементарные частицы с очень сильными связями друг с другом, настолько сильными, что в настоящее время не существуют в свободном виде: все они соединились в разных комбинациях, образуя известные нам элементарные частицы. Чтобы разбить протон, к примеру, на кварки, необходимо использовать очень высокие энергии, такие, как в адронном коллайдере.

После того, как температура снизилась ниже 100 миллиардов градусов (примерно через сотую секунды после сингулярности), Вселенную составляли фотоны с двумя спиновыми состояниями, плюс три сорта нейтрино и их антинейтрино, каждое из которых находилось в одном спиновом состоянии, плюс электроны и позитроны и небольшое количество нуклонов Шаблон:Anchor (Вайнберг, , с. 180-181, 189).

И кварки, и элементарные частицы в первые секунды существования Вселенной двигались беспорядочно, как молекулы газа.

Через 14 секунд после Большого Взрыва температура за счет расширения пространства упала до трех миллиардов градусов, стало настолько холодно, что взаимодействие между протонами и нейтронами оказалось сильнее, чем удары налетающих частиц. Возникли ядра тяжелого водорода - дейтерия; возникла организованность, одинаковое устройство систем, целостностей, состоящих из элементарных частиц, более высокий, чем существовавшие до того.

Каковы источники этого общего?

Во-первых, общий исходный материал – протоны, нейтроны и электроны. Они могут соединяться ограниченным количеством способов, образуя атомы водорода, гелия, лития и так далее. Во-вторых, общие внешние условия, потому что температура - это тоже усредненный порядок отношения между частицами. В-третьих, общие законы взаимодействия элементарных частиц, являющиеся, скорее всего, свойством самого пространства [см., например, С. 201].

Через сто-двести секунд начали накапливаться ядра гелия, возникающие либо через промежуточное образование ядра сверхтяжелого водорода - трития, либо при соединении двух ядер дейтерия. Значительная часть гелия, присутствующего сейчас во Вселенной, образовалась в течение небольшого промежутка времени, когда температура и плотность были еще достаточно велики. Еще через несколько тысяч лет возникли настоящие атомы с электронной оболочкой.

В дальнейшем большую роль играет образование неоднородностей в космическом газе. Вероятно, существенную роль в этом играли ударные волны, порожденные самим Большим Взрывом. Этот процесс пока плохо понятен, но так или иначе, первоначальное равновесие было незначительно нарушено, далее его разрушение усиливало само себя. Более плотные зоны космического газа притягивали все новые атомы, продолжая уплотняться.

Предположим, что случайно плотность газа в некотором объеме превысила среднюю. За счет сил притяжения в этот объем начнут поступать новые массы газа, до тех пор, пока он не "высосет", как пылесос, все доступные, ему окрестности. Определенную роль играли, видимо, волновые и вихревые процессы, вновь вызывающие в памяти гераклитовский образ реки - вселенной.

Огромную роль в дальнейшей эволюции Вселенной играет космическая пыль, хотя ее происхождение пока обсуждается. Дело в том, что вероятность возникновения молекул в результате столкновения атомов в безвоздушном пространстве ничтожна, поскольку требуется столкновение, по меньшей мере, трех атомов сразу - два соединяются в молекулу, а третий уносит избыток энергии. Таким путем за все время существования атомов в космосе могло возникнуть лишь ничтожное количество молекул; но радиоастрономия показывает, что в космическом пространстве находится очень много молекул, в том числе и сложных органических, таких, как этиловый спирт или пропионитрил (стр. 102-103).

Космические молекулы возникают, вероятно, двумя основными способами - во-первых, в результате прилипания атомов к космическим пылинкам и, во-вторых, в плотных космических облаках, вещество которых в миллион раз плотнее средней межзвездной среды (там же, С.95-28).

Молекула же - это не что иное, как организованные в систему (целостность) атомы; ее нет, если нет этих атомов или этого порядка. Таким образом, одна организованность (например, атомы) помогает возникновению других (молекулы), один порядок рождает следующий.

Та организация материи ("идея звезды" по Платону), которую люди называют "звездой" возникает в результате соединения предшествующих ему организованностей (атомов). Общее в звездах внесено в них по определенным каналам предоставления строения, организации, порядка.

Один из них - исходное вещество. Об исходном материале привыкли думать, как о чем-то аморфном, но оно несет в себе форму, организацию, которая делает возможным или невозможным устройство из него того или иного объекта. Например, если бы исходным материалом для звезд были бы атомы железа, а не водорода, они сжались бы до гравитационного коллапса, так и не загоревшись. Второй путь передачи порядка к звездам - само пространство. Звезды загораются, горят и имеют шарообразный вид благодаря действию законов гравитации. Пока неизвестно, как устроена гравитация, но и ее законы передаются от одного участка пространства к другому вовсе не бесплотным образом.

В недрах звезд проходит еще одна важнейшая для Вселенной линия эволюции. Это линия, в которой возникают все более сложные атомы, причем атомы, не существовавшие ранее нигде; то есть, возникает новое.

Общая схема нуклеогенеза приблизительно такова:

(Примечание для тех, кто немного подзабыл атомную физику: p – протон; d – дейтрон (ядро дейтерия); e – электрон; е + - позитрон; γ – нейтрино; He - гелий; Li – литий; B – бор; Be - бериллий; C - углерод; O - кислород; Ne - неон; индексы означают число нуклонов (протонов и нейтронов) в составе ядер означенных элементов, то есть, в ядре гелия всего два нуклона, а в более сложном ядре неона уже 20, и так до урана, в ядре которого 235 нуклонов).

1. Два протона образуют ядро дейтерия – дейтрон.

р + р → d + е + + γ

Образовавшиеся при этом нейтрино и позитрон уносят лишний заряд и энергию; в

дальнейшем изложении вторичные продукты реакций будут опускаться.

2. d + р → ³Не

3. ³Не + р → ⁴Не

4. ³He + ⁴Не → ⁷Ве → ⁷Li

5. ⁷Ве + р → ⁸B → ⁸Be

6. ⁸Ве + ⁴Не → ¹²C

7. ¹²C + ⁴He → ¹⁶O

8. ¹⁶О + ⁴He → ²⁰Ne

и так далее до кремния (²⁸Si )

Элементы вплоть до железа образуются с выделением энергии в результате так называемого е-процесса. Элементы тяжелее железа образуются путем захвата нейтронов; еще более тяжелые элементы, вплоть до урана и тория возникают, вероятно, при взрывах сверхновых звезд. Некоторые элементы - например, свинец - возникают при распаде более тяжелых радиоактивных элементов.

С точки зрения передачи и усложнения организованности можно сделать следующие выводы:

1. Движение от простого к сложному постепенно, оно требует накопления, наследования организованности. Организация материи в том веществе или объекте, что предшествует создающемуся, оказывает решающее действие на последующее.

Переход от протонов, нейтронов и электронов непосредственно к железу без промежуточных ступеней также невозможен, как переход от амебы прямо к человеку. Природа совершает скачки, но не любит "больших скачков". В этом смысле звезды и атомы оказываются наследниками организованности, добытой на предыдущих стадиях эволюции. Нельзя получить углерод, пока нет гелия, натрий, пока нет углерода и железо - пока нет кремния. Сложность организации материи, внутреннего порядка вещей, растет постепенно, но неуклонно уже 14 миллиардов лет, и атомы железа такие же потомки атомов водорода и гелия, как современные млекопитающие – потомки примитивных существ, похожих на ланцетников.

2. Организованность высшего вырастает из организованностей низшего через случайное. Судьба протонов и нейтронов соединиться в данный атом не определена «от века». Они сталкиваются, образуя все возможные сочетания (в том числе нестабильные изотопы), но время выбирает немногие из них. Все действительное разумно (Гегель) даже в недрах звезд. Сами звезды образуются в результате сгущения космического газа вовсе не в отведенных заранее для этого местах. Но почему одни комбинации элементарных частиц устойчивы, а другие - нет, почему действительное разумно? Только потому, что закон, порядок атомов, да и всего устойчиво существующего соответствует закону, порядку внешнего мира, отражает его.

Возникновение звезд и планет

Идея о том, что звезды и планеты возникли из космических облаков (небулярная теория), которые постепенно сжимались под действием сил тяготения, была разработана И. Кантом в 1755 году и П. уточнена Лапласом в 1796 году. Существование космических туманностей было уже известно астрономам. В основе теории лежала механика И. Ньютона, в которой была предложена идея и математический закон всемирного притяжения. Лаплас внес то важное замечание, что при сжатии исходного облака, имеющего некий начальный момент вращения, оно будет приобретать дисковидную форму. Астрономы давно поняли, что все планеты солнечной системы вращаются в одной плоскости, и небулярная теория объясняла, почему так получилось.

Источники: