Взаимодействие микро- и макропроцессов в ходе эволюции Вселенной

Тот факт, что любая эволюция сопровождается разрушением симметрий, непосредственно следует из принципа положительной обратной связи, согласно которому неравновесность и неустойчивость, возникающие в открытой системе вследствие взаимодействия системы со средой, со временем не исчезают или ослабляются, а, наоборот, усиливаются. Это приводит в конечном счете к разрушению прежних симметрий и, как следствие, к возникновению новой структуры. Очевидно, что о первоначальной эволюции Вселенной мы можем судить только на основании тех результатов, которые известны нам сегодня. Поэтому любая модель Вселенной, которая строится для объяснения современного ее состояния, в частности «разбегания галактик», сопровождающегося расширением Вселенной, должна учитывать эти факты. Другими словами, о ранней эволюции Вселенной мы можем делать заключения только путем экстраполяции, или распространения известного на неизвестное, и выдвижения гипотез о неизвестных этапах ее развития.

Предполагают, что одним из первых результатов расширения и соответственно охлаждения Вселенной было нарушение симметрии между веществом и антивеществом, например такими одинаковыми по свойствам, но разноименно заряженными материальными частицами, как электрон, несущий отрицательный заряд, и позитрон с противоположным положительным зарядом. Как возникло подобное нарушение симметрии, остается только догадываться. Неясным остается также то, каким способом антивещество оказалось отделенным от вещества и что удерживает их от аннигиляции, или уничтожения.

В общих чертах формирование Вселенной, согласно стандартной модели, представляется следующим образом. Пока температура была далека от точки перехода, первоначальная смесь вещества и антивещества находилась в тепловом равновесии и количество частиц разного рода оставалось приблизительно одинаковым. Между частицами происходили непрерывные столкновения, в результате чего возникали пары фотонов, а из столкновения последних - электрон и позитрон.

По-видимому, этот период существования Вселенной можно образно представить как периодическую смену темноты светом. Нарушение этой симметрии произошло после дальнейшего расширения Вселенной и соответственно понижения ее температуры. Именно на этой стадии возникли более тяжелые ядерные частицы — протоны и нейтроны. Самым же главным результатом этой стадии микроэволюции нашей области Вселенной было образование крайне незначительного перевеса вещества. Как раз из этого излишка в процессе дальнейшей эволюции возникло то огромное богатство и разнообразие материальных образований, явлений и форм, начиная от атомов, молекул, кристаллов, минералов и кончая разнообразными горными образованиями, планетами, звездами и звездными ассоциациями, галактиками и скоплениями галактик.

Разумеется, в стандартной гипотезе имеется еще немало неясного и даже спорного, но она опирается на такой твердо установленный факт, как смещение спектральных линий света, идущего от далеких галактик, который интерпретируется как удаление, или «разбегание», их от наблюдателя. Кроме того, эта гипотеза основывается на такой фундаментальной идее, как нарушение симметрии в процессе образования все новых и более сложных материальных структур и систем, которая лежит в фундаменте современной концепции системного подхода и синергетической самоорганизации. Этим, однако, не ограничивается связь синергетики со стандартной моделью Вселенной. Процессы микроэволюции Вселенной, продолжавшиеся не менее 10 млрд лет, привели к образованию молекул и тем самым явились предпосылкой для начала макроэволюции Вселенной. Микро- и макроэволюции взаимно обусловливали и дополняли друг друга, вот почему они представляют собой две ветви единого процесса.

Однако наиболее важным для понимания места человека во Вселенной является возникновение жизни на Земле и социально-экономическая и культурно-историческая эволюция человечества.

Биологическая и экологическая эволюции представляют собой необходимые предпосылки для возникновения общества, не говоря уже о том, что многие наши интуитивные представления об эволюции вообще заимствованы из существовавших в разное время биологических знаний. Поэтому нам особенно важно познакомиться с ними, во-первых, для того, чтобы выявить в дальнейшем специфику социальных процессов, а во-вторых, показать ошибочность редукционистских и социал-дарвинистских взглядов на общество.

Собственно биологической эволюции предшествовала длительная предбиотическая эволюция, связанная с переходом от неорганической материи к органической, а затем к элементарным формам жизни. Началом предбиотической эволюции было постепенное возникновение органических молекул из неорганических. Предполагают, что по мере охлаждения Земли возникали все условия для образования сложных органических молекул из молекул неорганических. Такая возможность действительно была доказана экспериментально, и поэтому указанная гипотеза представляется достаточно обоснованной. Но ранее существовавшие гипотезы, защищая автономность элементарной системы жизни, слишком изолировались от взаимодействия с окружающей средой. Даже гипотеза, выдвинутая в 1938 г. А.И. Опариным (1894—1980), хотя и постулировала процесс возникновения биополимеров из мономеров, все же недостаточно подчеркивала роль среды в дальнейшей эволюции жизни.

Парадигма самоорганизации может помочь лучшему пониманию процессов происхождения жизни и дальнейшей ее эволюции. Действительно, с ее помощью можно более адекватно объяснить, каким образом из неорганических молекул возникли органические молекулы, а из последних — первые живые молекулы и клетки. Согласно гипотезе немецкого биофизика М. Эйгена (р. 1927), процесс возникновения живых клеток тесно связан с взаимодействием нуклеотидов, являющихся материальными носителями информации, и протеинов (полипептидов), служащих катализаторами химических реакций. В процессе взаимодействия нуклеотиды под влиянием протеинов воспроизводят себя и, в свою очередь, передают информацию следующему за ним протеину, так что в результате возникает замкнутая автокаталитическая цепь, которую Эйген называет гиперциклом.

В ходе дальнейшей эволюции появляются первые живые клетки: сначала без ядер, называемые прокариотами, а затем клетки с ядрами — экуариоты.

На предбиотической стадии эволюции до возникновения первых живых клеток, как показывают современные исследования, существовали материальные системы, обладавшие способностью к самовоспроизведению, метаболизму и развитию через мутации. Эти фундаментальные свойства, характеризующие жизнь, возникли в результате самоорганизации структур.

В ходе эволюции принцип автокатализа, или самоускорения, химических реакций дополняется принципом самовоспроизведения целого циклически организованного процесса в гиперциклах, предложенных Эйгеном. Воспроизведение компонентов гиперциклов, так же как и их объединение в новые гиперциклы, сопровождается быстрорастущим метаболизмом, связанным с синтезированием богатых энергией молекул и выведением как «отбросов» бедных энергией молекул. Примечательно, что вирусы, лишенные способности к метаболизму, внедряются в клеточные организмы и начинают пользоваться их метаболической системой. Особо следует отметить, что в ходе самоорганизации постоянно возникают мутации, а с ними неизбежно связан отбор.

Парадигма самоорганизации позволяет установить связь между неживым и живым в ходе эволюции, так что возникновение жизни представляется отнюдь не чисто случайной и крайне маловероятной комбинацией условий и предпосылок для ее появления, как заявляли некоторые авторитетные биологи. Нельзя также не отметить, что жизнь сама готовит условия для своей дальнейшей эволюции. Предполагают, что первыми стали осваивать Землю растения, которые появились примерно 50 млн лет назад. Такое предположение представляется достаточно обоснованным, так как именно растения способны к фотосинтезу и, следовательно, в состоянии накапливать энергию и отдавать свободный кислород в атмосферу. Затем появились первые животные — гипертрофы, которые стали использовать растения в качестве пищи. В результате дальнейшей эволюции из этих основных царств живых систем возникло огромное разнообразие форм и видов растений и животных, которые, постепенно адаптируясь к окружающей среде, усложняли свою структуру и функции и влияли также на свою среду, главным образом через те экосистемы, в которые они входили.

Концепции космологии.

Космология – это наука о свойствах и эволюции вселенной.

Вселенная – это совокупность всех форм материи и наблюдаемых явлений.

Метагалактика – это часть Вселенной, которая доступна нашим наблюдениям. Расширение границ идёт за счет усовершенствования приборов. Сужающая часть – это время прихода света от отдалённых частей.

Галактика (Туманность) – это скопление звезд и планет. Есть гигантские галактики, включающие 10¹³-10¹⁵ звезд.

Поведение и свойства объектов вселенной описывается одинаковыми и не изменяющимися во времени физическими законами:

1. Закон сохранения энергии (ЗСЭ).
2. Закон всемирного тяготения.
3. Закон сохранения импульса, закон сохранения момента импульса.

А. Фридман (1868-1925) разработал модели на основании теории Эйнштейна, который считал, что вселенная стационарна во времени, предположил, что вселенная может или расширяться (в Римановском пространстве), или сужаться (сжиматься), или пульсировать. Он сам склонялся к модели расширения. В 1917 году Слайфер обнаружил красное смещение спектра, установив спектрограф на телескоп. Еще в середине XIX века Доплер обосновал смещение спектра в длинноволновые области при удалении от объекта. В 1929 году Э. Хаббл заинтересовался красным смещением Слайфера и обнаружил, что все объекты удаляются.

Закон Хаббла: Красное смещение спектральных линий галактик в сторону длинных волн тем больше, чем дальше от нас находятся галактики.

V=HR, где V – скорость галактики, H – постоянная Хаббла, R – расстояние до галактики. H= , лежит в пределах от 50 до 100, обычно около 75.

1 Пк (парсек) = 3,26 светового года=3,08·10¹⁶ м.

H= , где τ – время жизни Вселенной. τ=13 млрд. лет.

На основании этой модели Гамов в 30-40-ее гг. разработал теорию Большого Взрыва на основании теории Хаббла. Должен быть эпицентр, или момент взрыва. Это случилось 13-15 млрд. лет назад. Вселенная находилась в сверхплотном и сверхгорячем состоянии:

ρ=10¹⁹ г/см³

Т=10³² К.

По этой модели выделены четыре эры развития вселенной:

1. Адронная (τ=10^-4 с)
2. Лептонная (τ=0,2 с)
3. Фотонная (τ=1 млн. лет)
4. Звездная (пока не закончилась)

1. Эта эра образования тяжелых частиц (барионов, или адронов) из кварков. Вселенная состояла из барионов и антибарионов, происходили реакции аннигиляции. Потом стали распадаться на нейтроны и протоны (их больше). Эти протоны существуют до сих пор, положительный барионный заряд – тоже.

1. Лептонная – эра лёгких частиц (электронов, фотонов, позитронов).

Реликтовое нейтрино (ν) образовали в эту эру, но обнаружить их пока не удалось. В конце лептонной эры протонов и нейтронов стало примерно одинаковое количество.

1. Фотонная эра, или эра излучения.

Энергия фотонов уменьшается по сравнению с первыми двумя эрами, длина волны увеличиваются, и они переходят в рентгеновское и ультрафиолетовое излучение. В фотонную эру вещество отделяется от антивещества, и фотоны отделились от вещества в виде различных электромагнитных излучений (ЭМИ) – рентгеновского, ультрафиолетового (УФ), светового, инфракрасного… Вселенная становится прозрачной для излучения, появляется свет. В этой же эре произошел первичный нуклеосинтез. Начинают образовываться ядра:

Реликтовое фотонное излучение, которое отделилось от вещества, было обнаружено в 1964-м году Вильсоном и ??????????. Температура этого излучения равна средней температуре космоса 2,7К, длина волны составляет порядка 1 мм. Сильное фотонное излучение, которое до сих пор находится в космосе. К концу фотонной эры гамма-фотонов стало в 1 млрд. раз больше, чем протонов и нейтронов вместе взятых. До сих пор сохраняется это соотношение. Называется безразмерной энтропией:

1. Звездная эра начинается после фотонной с появлением атомов H и He.

Водородно-гелиевая вселенная, однородная и изотропная. Атомов водорода образовалось в 3 раза больше, чем атомов гелия. Так было 500 тысяч лет. Вселенная, как самоорганизующаяся система, начала расслаиваться, образуя флуктуации плотности вещества, которое начало закручиваться под действием гравитационных сил. Ньютон утверждал, что из-за гравитации могли быть изменения, приводящие к образованию звезд, галактик и т.п. В 1992 году Зельдович расширил теорию гравитационной неустойчивости (образование «блинов», продолжение сжатия). Модель Гамова удачно описывает многие явления во вселенной, например, эксперименты Хаббла, открытие фотонного реликтового излучения. Однако же, она не в состоянии объяснить:

1. Скручивание галактик, «блинов». В частности, однообразное крупномасштабное закручивание.
2. Образование вихрей во вселенной, которые двигаются со скоростью 100-300 км/с.

Теория газодинамического образования вихрей (Ударная волна, образованная при столкновении «блинов», закручивание галактик в одну сторону).

В конце XX века была обнаружена ячеистая структура вселенной. По границам ячеек распространено вещество, а в середине – пустота (???) или так называемая скрытая масса. Предположительный объем одной ячейки -1 миллион кубических парсеков. Поэтому в настоящее время вселенную считают однородной и изотропной по распространению в ней вещества. Модель Гамова не может объяснить такую Изотропность вещества вселенной.

Сейчас разработана новая теория – теория инфляции, или теория раздувания вселенной. Гут (80-е гг.). Основывается на последних достижениях по экспериментам с элементарными частицами. Все произошло из ничего, из физического вакуума, в котором не было вещества, но была огромная энергия. Ячейка физического вакуума, не сдерживаемая гравитацией из-за отсутствия вещества, за 10^-35 секунды раздувается до размеров метагалактики, после чего через 10^-31 секунды энергия переходит в вещество. Это и было изначальной точкой, из которой образовалась вселенная, с ρ=10⁴² г/см³ и Т=10²⁸ К.

Самое фундаментальное, что нам дала эта теория – это то, что вещество вышло из вакуума и рано или поздно исчезнет снова в этом вакууме. Исходя из этой теории, следует, что модель пульсирующей вселенной Фридмана возможна, но только при условии распада протонов. По теории инфляции в точке образования вещества соединяются все четыре фундаментальных взаимодействия (Теория Великого Объединения, Суперсила).

По современным представлениям расширяющаяся вселенная состоит из:

1. Светящееся вещество (галактики, звезды, планеты, межзвездный газ [пыль из атомов водорода, гелия и примесей других элементов]) – барионная форма существования материи.
2. Реликтовое излучение (фотоны).
3. Темная (скрытая) материя – вещество, пока неизвестное учёным, этой массы в несколько раз больше.

Модель Хойла (50-е гг.) – взаимопревращение вещества и антивещества, модель стационарной вселенной.

Модель Зельдовича (1992) – модель «холодной» вселенной.

Модель Альфена (90-е гг.) – считает, что роль играет не только гравитационное, но и электромагнитное излучение. Вся вселенная пронизана плазмой. Экспериментально установлено, что электромагнитные силы участвуют в образовании квазаров. Реликтовое излучение – микроволновой фон, окружающий плазму.

Галактики – изучение на компьютерном практикуме.

Звёзды. Основные звездные характеристики.

1. Возраст (от сотен тысяч до 13-15 миллиардов лет).
2. Светимость
3. Температура
4. Масса
5. Химический состав

Светимость – полное количество энергии, излучаемой звездой за 1 секунду. L_c=4·10²⁶ Вт.

Абсолютная звездная светимость – это светимость звезды при отнесении ее на расстояние 10 Пк.

Видимая звездная величина – величина, характеризующая звезду с точки зрения визуального наблюдения. Чем ярче звезда, тем более отрицательна её величина.

Наше Солнце: -26,72

Альфа Центавра +0,3

Температура поверхности влияет на цвет звезды, то есть, связана со спектром. Классы звезд по температуре (цвету):

O B A F G K M

Варианты мнемонического запоминания:

Один Бритый Англичанин Финики Жевал Как Морковку

Oh, Be A Fine Girl, Kiss Me!

Самые горячие звезды – белые и голубые, самые холодные – красные.

Зависимость между абсолютной светимостью звезды и ее температурой (классом) отражает диаграмма Герцшпрунга-Рессела.

Главная звездная последовательность показывает связь температуры и светимости. Звезды рождаются из газопылевой туманности, состоящей из гелия и водорода. При закручивании туманности образуются участки, которые разделяются на фрагменты. Звезда не рождается одна. Чаще всего в одном месте туманности рождаются сразу несколько протозвезд. При отделение каждого фрагмента освобождается энергия в виде инфракрасного излучения. В 1957 году было обнаружено скопление источников инфракрасного излучения в туманности Ориона, то есть, там идет образование звёзд. Дальнейшее сжатие протозвезд под действием гравитационных сил повышает температуру звезд, и освободившаяся энергия излучается в виде красного (иногда почти коричневого – прим. авт. консп.) света, образуются красные гиганты. При дальнейшем сжатии звезд температура повышается настолько, то звезда «зажигается», то есть, начинаются реакции термоядерного синтеза.

Звезда «садится» на главную последовательность, там находятся все живые звезды (то есть, звезды, в которых идут термоядерные реакции). Когда кончаются запасы водорода, звезда начинает стареть, и процесс старения связан с массой звезды. Если масса звезды меньше или равна 1,2 массы Солнца, то образуется гелиевое ядро, на поверхности которого в тонком слое еще горит оставшийся водород. Само ядро начинает сжиматься под действием гравитационных сил, температура повышается, и образуется плотное горячее ядро из гелия. В этих условиях из гелия не образуется более тяжелых элементов. Внешняя оболочка постепенно расширяется, и образуется так называемая планетарная туманность. Оболочка горит красным светом, звезда становится красным гигантом. Белый карлик (ядро) горит еще несколько миллионов лет, после чего превращается в чёрного карлика. Такова судьба Солнца.

Судьба более массивных звезд, масса которых превышает 1,2 массы Солнца, значительно более «трагична». Такие звезды живут несколько сотен миллионов лет. Если масса звезды составляет примерно 2,5-3 массы Солнца, то после прекращения термоядерных реакций в ядре звезды гравитационные силы начинают очень быстро сжимать ядро звезды. В ядре крайне быстро, скачком, образуется железо, а давление повышается настолько, что электроны «вдавливаются» в ядра атомов, в результате чего образуется нейтронная железная звезда. Происходит взрыв, разлетается остаточное вещество, такой процесс называется взрывом сверхновой. В 1054 году астрономы зарегистрировали взрыв сверхновой. Остается очень слабо светящееся быстро вращающееся ядро. Оно стремительно сжимается до радиуса 8-10 км, плотность составляет ρ=10¹⁵ г/см³, период обращения – 1,3 секунды. Звезда становится пульсаром, излучающим пучки горячих электронов с четкой периодичностью. В середине XX века сигналы, идущие от пульсаров, приняли за сигналы внеземных цивилизаций, этот феномен тогда получил название GLM (Green Little Men - маленькие зеленые человечки). (Прим. авт. консп.).

Постепенно вращение замедляется, и звезда прекращает своё существование.

Если масса звезды меньше, чем три массы Солнца, то она находится на главной последовательности меньше всего – несколько сотен миллионов лет. Затем она превращается в красный гигант, после чего из-за гравитационных сил происходит гравитационный коллапс. Наружная оболочка с взрывом отходит от звезды – взрыв сверхновой. Ядро затем исчезает из поля зрения наблюдателей, то есть, превращается в чёрную дыру. Около больших масс по общей теории относительности (ОТО) идёт искривление пространства. Внутри черной дыры пространство-время замыкается само на себя.

R_{гравитационный}=2GM/c²

R_{гр.Солнца}=2,8-3 км

R_{гр.Земли}=9-10 мм.

Пульсар излучает, а черная дыра не заметна сама по себе. Время на границе чёрной дыры замедляется, а внутри останавливается полностью. Вокруг чёрной дыры действует сильное гравитационное поле, и любые объекты вселенной, попадающие в это поле (галактики, звезды, планеты), разогреваются до очень сильной температуры. Прежде чем исчезнуть в чёрной дыре, поглощаемый объект выбрасывает интенсивное рентгеновское излучение. В 1970 году «Ухуру» - американский спутник, настроенный на анализ рентгеновского излучения, заметил много невидимых источников рентгеновского излучения.

Объект Лебедь XI – первая открытая чёрная дыра, на расстоянии 8000 световых лет.

Спутник «Чандра», запущенный американскими и российскими учёными. Открыто, что в центре галактики находится мощнейшая чёрная дыра.

Квазары.

Открыты Шмидтом в 1963 на краю метагалактики. НА краю галактики – светят с яркостью +11 - +13. Расстояние 600 МПк (около 2 миллионов световых лет). Квазары – квази-звезды – «похожие на звезды». Диаметр – несколько световых дней: много для звезды, мало для галактики. Квазары дают очень мощные электромагнитное излучение во всех диапазонах. В тысячи раз больше света, чем вся наша галактика. Любая звезда светится постоянно, квазар меняет своё излучение каждую неделю. Сейчас считают, что квазары – это гигантские чёрные дыры в центре образующихся галактик (в начале жизни вселенной).

Химический состав звёзд.

Из газопылевой туманности, сброшенной звездами после их горения, вновь образуются протозвезды, а затем звёзды нового поколения. В этих туманностях тяжелых элементов значительно больше, чем в предыдущей звезде, и в этом заключается эволюция вселенной – в накоплении тяжёлых элементов. Основная масса – водородно-гелиевая плазма.

На 10000 атомов водорода (H)приходится:

· 1000 атомов гелия (He)

· 5 атомов кислорода (O)

· 2 атома азота (N)

· 1 атом углерода (C)

· 0,3 атома железа (Fe)

Металличность звезды характеризуется отношением в звезде:

Это соотношение показывает возраст звезды. Чем меньше оно, тем старее звезда.

Тонкая подстройка вселенной – это совокупность многочисленных случайностей, которые привели к развитию именно такой вселенной, какой мы её наблюдаем, и которая привела к появлению разумной жизни. Эти случайности связаны с экспериментально доказанными законами физики и прежде всего с фундаментальными постоянными (ФП), входящими в выражения этих законов:

Скорость света, гравитационная постоянная, постоянна Планка, заряд электрона, масса электрона, масса протона, масса нейтрона, три координаты, безразмерная энтропия вселенной S~10⁹. Все фундаментальные постоянные имеют строго количественное значение (выражение). При изменении их численных значений мир был бы иным. При увеличении постоянной Планка на 15% протоны не объединялись бы с нейтронами, следовательно, не было бы первичного нуклеосинтеза. Если бы гравитационная постоянная была на 10% меньше, то все звезды были бы красными карликами, если на 10% больше, то все звезды были бы белыми и голубыми.

Вывод 1: Физические характеристики материальных структур нашей вселенной от элементарных частиц до метагалактики определяются строгими числовыми значениями физических постоянных.

Вывод 2: Структурные образования вселенной очень чувствительны к значениям фундаментальных постоянных, и небольшое их изменение привело бы к невозможности существования наблюдаемой вселенной.

Эти два вывода и называют иногда тонкой подстройкой вселенной.

В 1958-м году Идлисом (СССР) сформулирован антропный принцип. Фундаментальные постоянные имеют именно те значения, при которых становится возможным существование во вселенной живых углеродных систем.

В 1974 Картер: Слабый антропный принцип показывает возможность появления человека во вселенной: то, что мы предполагаем наблюдать, должно удовлетворять условиям, необходимым для присутствия человека в качестве наблюдателя развития вселенной, так как если бы мир был другим, человек бы не появился. Сильный антропный принцип утверждает необходимость: вселенная должна быть такой, чтобы в ней на некоторой стадии эволюции обязательно появился бы человек как наблюдатель, то есть, при зарождении вселенной.

Антропный принцип ничего не предсказывает, просто объясняет:

1. Границы применимости физических законов и фундаментальных постоянных пока ограничиваются близлежащими галактиками, и науке не известно, будут ли они выполняться при больших масштабах.

2. По этим физическим законам с физическими постоянными предполагается только углеродная жизнь с водой в качестве растворителя.

Методы изучения звёздного неба.

1. Визуально (до звездной величины +6)
2. Телескопы (самые современные – до +33)

А. Рефракторы

Б. Рефлекторы (1999 г. – 32 м в диаметре)

В. Фотометры – измеряют яркость во времени

Г. Спектрографы – разложение света, химический состав звезд

Д. Интерферометры – радиотелескопы

Е. Телескопы с термоэлементами