Концепции современного естествознания (стр. 3 )

Теория тяготения (общая теория относительности). Современная физическая теория пространства, времени и тяготения создана А. Эйнштейном в 1916 году под названием «Общая теория относительности». Сегодня этот термин постепенно исчезает из литературы. Общую теорию относительности, как правило, называют теорией тяготения. В этой теории А. Эйнштейн расширил принцип относительности и распространил его на неинерциальные системы. В основе этого лежал известный еще в классической механике факт пропорциональности инертной и гравитационной масс. А. Эйнштейн сформулировал так называемый принцип эквивалентности:

·  силы инерции в ускоренной системе отсчета эквивалентны гравитационному полю.

Экспериментальным подтверждением этого является тот факт, что не обнаружено различие между гравитационной и инертной массой. В противном случае наблюдатель мог бы выяснить, находится он в поле силы тяжести Земли или же ускоряется в космическом пространстве. Таким образом, принцип эквивалентности требует, чтобы mи = mг. Равенство масс означает, что действие тяготения и изменение энергии описывают одно и то же явление.

А. Эйнштейну удалось показать, что математическое оформление принципа эквивалентности приведет к искривленному четырехмерному пространству–времени, так называемому пространству–времени Минковского. Это означает, что в трехмерном пространстве геометрия не будет евклидовой, а время в разных точках будет течь по-разному. Таким образом, в теории тяготения Эйнштейна истинное гравитационное поле является не чем иным, как проявлением искривления четырехмерного пространства–времени.

Пространство–время искривляют массы, создающие поле тяготения. В отсутствие тяготения движение тела по инерции изображается прямой линией, или на математическом языке экстремальной (геодезической) линией. В поле тяготения все тела также будут двигаться по геодезическим линиям, но искривленным. Наблюдатель воспримет это движение как движение по искривленным траекториям в трехмерном пространстве с переменной скоростью. Поэтому искривление траектории и закон изменения скорости – это свойства пространства–времени, свойства геодезических линий в нем. При таком подходе поле тяготения есть отклонение свойств пространства–времени от свойств плоского (неискривленного) пространства–времени в релятивистской механике (специальной теории относительности).

Вторая идея, лежащая в основе теории тяготения: искривление пространства–времени определяется не только массами вещества, слагающего тело, но и всеми видами энергии, присутствующими в системе. Следовательно, тяготение зависит не только от распределения масс в пространстве, но и от их движения, от давления и напряжений в телах, от электромагнитного поля и всех других физических полей.

Наконец, в теории тяготения обобщается вывод релятивистской механики о конечной скорости распространения всех взаимодействий. Изменения гравитационного поля распространяются в вакууме со скоростью света.

Основной задачей теории тяготения является определение гравитационного поля, в теории А. Эйнштейна это соответствует нахождению взаимосвязи пространства и времени с характеристиками материи. Внешне уравнения подобны уравнениям классической механики для потенциала гравитационного поля. Однако, у Эйнштейна они нелинейны, значит, не удовлетворяют принципу суперпозиции. Физически это означает гораздо более сложную связь между материей и пространством. Материя создает искривленное пространство–время, которое в свою очередь влияет на движение материи, создающей это искривление. В случае слабых гравитационных полей пространство мало отличается от евклидового, и уравнения Эйнштейна переходят в ньютоновские.

Космологические модели Вселенной

Космологическая модель А. Эйнштейна – А. Фридмана. Первая современная космологическая теория была предложена Эйнштейном в 1917 г. в качестве следствия его формулировки ОТО. Эйнштейн показал, что ОТО однозначно объясняет возможность существования статической Вселенной, которая не изменяется со временем. Как мы сейчас понимаем, этого не может быть, но в то время казалось, что это важный успех ОТО. Этот парадокс, по-видимому, был связан с тем, что еще из представлений ученых Древней Греции и Египта утвердилось мнение о незыблемости, стационарности Вселенной, и модель Эйнштейна как будто подтвердила это. Обосновывая в 1917 г. ОТО, А. Эйнштейн ввел понятие космологического члена λ (постоянной) как раз для обоснования статичности его модели Вселенной. Космологическая постоянная была не чем иным, как абсолютно субъективной подгонкой к тому объективному решению, которое ему хотелось получить. Этот «коэффициент» позволил его уравнениям дать желаемый А. Эйнштейну результат.

Однако уже в 1922 г. А. Фридман (1888–1925) показал, что из самих уравнений общей теории относительности следует нестационарность, т. е. развитие Вселенной. А. Фридман утверждал, что искривленное пространство не должно быть стационарным, оно должно или расширяться или сжиматься. И Эйнштейн был вынужден публично согласиться с выводами Фридмана. По свидетельству Г. Гамова А. Эйнштейн считал «введение космологической постоянной самой грубой ошибкой своей жизни».

Модель расширяющейся Вселенной. Наиболее общепринятой в космологии является

модель однородной изотропной нестационарной горячей расширяющейся Вселенной, построенной на основе общей теории относительности и релятивистской теории тяготения. В основе этой модели лежат два предположения: (1) свойства Вселенной одинаковы во всех точках (однородность) и направлениях (изотропность): (2) наилучшим известным описанием гравитационного поля являются уравнения Эйнштейна. Из этого следует так называемая кривизна пространства и связь кривизны с плотностью массы (энергии). Космология, основанная на этих постулатах, называется релятивистской.

Поскольку релятивистская космология сформировалась на основе идей и принципов общей теории относительности, то на первом ее этапе она уделяла главное внимание геометрии Вселенной и, в частности, кривизне четырехмерного пространства–времени.

Важным пунктом данной модели является ее нестационарность. Это определяется двумя постулатами теории относительности: (1) принцип относительности, гласящий, что во всех инерциальных системах все законы сохраняются вне зависимости от того, с какими скоростями равномерно и прямолинейно движутся эти системы друг относительно друга: (2) экспериментально подтвержденное постоянство скорости света.

Из теории относительности следовало, что искривление пространства не может быть стационарным: оно должно или расширяться или сжиматься. В результате решения космологических уравнений А. Фридман впервые теоретически доказал, что Вселенная, заполненная тяготеющим веществом, не может находиться в стационарном состоянии – она должна либо расширяться, либо сужаться. Вскоре теория расширяющейся Вселенной была подтверждена экспериментально. Из оптических наблюдений звезд было установлено, что кроме нашей Галактики, звездного скопления в виде Млечного пути, существует огромное количество других галактик. Оказалось, что по смещению световых лучей к красному концу видимого спектра можно определить скорость движения объекта относительно наблюдателя. В более общем виде – это так называемый эффект Доплера при распространении волны любой природы и движении источника этой волны относительно наблюдателя. С помощью эффекта Доплера экспериментально наблюдали и измеряли радиальные движения (от нас или к нам) отдельных звезд, а затем и галактик. Было установлено, что если звезда движется к нам, то спектральные линии смещаются к фиолетовому концу спектра, если от нас – то к красному.

При анализе изучения далеких галактик получили удивительный результат: у всех галактик наблюдали красное смещение! (Красное смещение – это понижение частот электромагнитного излучения: в видимой части спектра – линии смещаются к его красному концу). Поэтому можно считать, что они удаляются от нас. Причем величина этого красного смещения и, следовательно, скорость «разбегания» галактик – больше для более удаленных галактик (что само по себе чрезвычайно удивительно, и до сох пор причина этого не выяснена). Американский астрономом Эдвин Хаббл (1889–1953) установил в 1929 г. закон:

V = Hr,

где V – лучевая скорость, r – расстояние до объекта, H – постоянная Хаббла, равная ~ (3–5) 10-18 с-1 и названная так в его честь. Этот закон экспериментально подтвердил расширение Вселенной. Из H можно определить возраст Вселенной (t ~ 1/H), который оценивается в 10–20 миллиардов лет. По данным радиоактивного распада некоторых веществ возраст Земли оценивается в 5 миллиардов лет.

Таким образом, красное смещение надежно подтверждает теоретический вывод о нестационарной области нашей Вселенной с линейными размерами порядка нескольких миллиардов парсек (1 парсек равен 3 светового года; световой год – это расстояние, проходимое светом в вакууме за один земной год) на протяжении, по меньшей мере, нескольких миллиардов лет. В то же время кривизна пространства не может быть измерена, оставаясь только теоретической гипотезой.

Из результатов наблюдения следует, что скорость разбегания галактик увеличивается примерно на 75 км/с на каждый миллион парсек. При данной скорости экстраполяция к прошлому приводит к выводу: возраст Вселенной составляет около 15 млрд. лет, а это означает, что вся Вселенная была сосредоточена в очень маленькой области. Предполагается, что в то время плотность вещества Вселенной была не меньше плотности атомного ядра и вся Вселенная представляла собой огромную ядерную каплю. По каким-то причинам ядерная капля оказалась в неустойчивом состоянии и взорвалась. Это предположение лежит в основе концепции Большого Взрыва.

Произведением времени жизни Вселенной на скорость света определяется радиус космологического горизонта – граница познания Вселенной посредством астрономических наблюдений. Несложный расчет показывает, что радиус космологического горизонта равен приблизительно 1026 м. Очевидно, что этот радиус ежесекундно увеличивается примерно на 300 тыс. км. Но такое увеличение ничтожно мало по сравнению с величиной радиуса космологического горизонта. Для наблюдения заметного расширения космологического горизонта нужно подождать миллиарды лет.

Итак, теория тяготения Эйнштейна привела к новым представлениям об эволюции Вселенной. А. Фридман нашел нестационарное решение уравнений гравитационного поля, соответствующее расширяющейся Вселенной. Этот результат был подтвержден наблюдениями Э. Хаббла. Теория тяготения предсказала искривление лучей света при прохождении вблизи тяжелой массы вдвое большее, нежели следовало из механики И. Ньютона. Этот результат был подтвержден наблюдениями с высокой точностью. Также зафиксировано увеличение длительности пребывания луча света в поле тяготения, как это следует из формул теории тяготения. Для луча света вблизи Солнца эта величина составила 0,0002 секунды. Наконец, подтвержден на примере Меркурия медленный поворот его эллиптической орбиты, предсказанный теорией для всех планет солнечной системы.

Модель Большого взрыва (Big Bang). Составной частью модели расширяющейся Вселенной является теория Большого Взрыва, которая смогла к настоящему времени объяснить почти все факты, связанные с космологией.

В основе этой теории лежит предположение, что физическая Вселенная образовалась в результате гигантского взрыва примерно 15–20 миллиардов лет назад, когда все вещество и энергия современной Вселенной были сконцентрированы в одном сгустке с плотностью свыше 1025 г/см3 и температурой свыше 1016 К. Такое представление соответствует модели горячей Вселенной. Модель Большого Взрыва (БВ) была предложена в 1948 г. нашим соотечественником (1904–1968).

Начальное состояние Вселенной (так называемая сингулярная точка): бесконечная плотность массы, бесконечная кривизна пространства и взрывное, замедляющееся со временем расширение при высокой температуре, при которой могла существовать только смесь элементарных частиц (включая фотоны и нейтрино). Горячесть начального состояния подтверждена открытием в 1965 г. реликтового излучения фотонов и нейтрино, образовавшихся на ранней стадии расширения Вселенной.

Возвращаясь к сгустку перед БВ отметим, что неизвестно достоверно, как этот сгусток образовался. Из чего? И откуда взялось такое гигантское количество изначальной энергии? Тем не менее, огромное радиационное давление внутри этого сгустка привело к необычно быстрому его расширению – Большому Взрыву. Составные части этого сгустка теперь образуют далекие галактики, очень быстро удаляющиеся от нас. Мы наблюдаем их сейчас такими, какими они были примерно 10–14 млрд. лет назад. Таким образом, расширение Вселенной оказывается естественным следствием теории Большого Взрыва. Заметим, что открытие расширяющейся Вселенной и принятие научным сообществом этого факта можно считать огромным мировоззренческим прорывом в интеллектуальном мире.

Как это ни удивительно, современная наука допускает (именно допускает, но не утверждает), что все могло быть создано из ничего. «Ничего» в научной терминологии называется вакуумом.

Вакуум, который физика XIX в. считала пустотой, по современным научным представлениям, является своеобразной формой материи, способной при определенных условиях «рождать» вещественные частицы без нарушения законов сохранения материи и движения.

Современная квантовая механика допускает (это не противоречит теории), что вакуум может приходить в «возбужденное состояние», вследствие чего в нем может образоваться поле, а из него (что подтверждается современными физическими экспериментами) – вещество.

Рождение Вселенной из «ничего» означает с современной научной точки зрения ее самопроизвольное возникновение из вакуума, когда в отсутствие частиц происходит случайная флуктуация. Если число фотонов равно нулю, то напряженность поля не имеет определенного значения (по «принципу неопределенности» Гейзенберга): поле постоянно испытывает флуктуации, хотя среднее (наблюдаемое) значение напряженности равно нулю.

Флуктуации представляют собой появление виртуальных частиц, так называемых квантов релятивистских волновых полей, которые непрерывно рождаются и сразу же уничтожаются, но так же участвуют во взаимодействиях, как и реальные частицы. Виртуальные частицы возникают в промежуточных состояниях процессов перехода и взаимодействия частиц. Они имеют те же квантовые числа, что и обычные реальные частицы, но для них не выполняется релятивистское соотношение между энергией и импульсом. Возможность такого нарушения вытекает из соотношения неопределенностей между энергией и временем и может происходить лишь на малом промежутке времени, что препятствует экспериментальной регистрации виртуальных частиц. Благодаря флуктуациям, физический вакуум приобретает особые свойства, проявляющиеся в наблюдаемых эффектах. Физический вакуум рассматривается как особый вид вещества, состоящий из виртуальных частиц и ответственный за квантовые и релятивистские свойства всех вещественных тел.

Итак, Вселенная могла образоваться из «ничего», т. е. из «возбужденного вакуума». На этом удивительное в современной физике не кончается. Излагая суть теории относительности в одной фразе, Эйнштейн сказал: «Раньше полагали, что если бы из Вселенной исчезла вся материя, то пространство и время сохранились бы; теория относительности утверждает, что вместе с материей исчезли бы пространство и время». Перенося этот вывод на модель расширяющейся Вселенной, можно заключить, что до образования Вселенной не было ни пространства, ни времени.

Особо отметим, что для различных моделей Вселенной, общим является представление о нестационарном изотропном и однородном характере ее моделей.

Нестационарность означает, что Вселенная не может находиться в статическом, неизменном состоянии, а должна либо расширяться, либо сжиматься. “Разбегание” галактик, по-видимому, свидетельствует о ее расширении, хотя существуют модели, в которых наблюдаемое в настоящее время расширение рассматривается как одна из фаз так называемой пульсирующей Вселенной, когда вслед за расширением происходит ее сжатие.

Изотропность указывает на то, что во Вселенной не существует каких-либо выделенных точек и направлений, т. е. ее свойства не зависят от направления.

Однородность характеризует распределение в среднем вещества во Вселенной.

Последние утверждения часто называют космологическими постулатами. К ним добавляют также правдоподобное требование об отсутствии во Вселенной сил, препятствующих силам тяготения. При таких предположениях модели оказываются наиболее простыми. В их основе лежат уравнения общей теории относительности Эйнштейна, а также представления о кривизне пространства–времени и связи этой кривизны с плотностью вещества.

Из теории горячей Вселенной , или теории БВ, следует, что пространственно–временные свойства Вселенной с большой степенью точности описываются одно из трех моделей Фридмана – открытой, замкнутой или плоской. Если пространство Вселенной имеет положительную кривизну (риманово пространство), то такая Вселенная будет замкнутой, она расширяется до определенного размера, а затем начнет сжиматься. Вселенная с отрицательной кривизной (геометрия ) будет открытой, ее судьба – постоянное расширение. Если же Вселенная плоская, т. е. обладает нулевой кривизной и евклидовой геометрией, то она также будет открытой с постоянным расширением. Тип геометрии пространства, а, следовательно, и судьба Вселенной зависят от средней плотности материи. Вселенная окажется закрытой, и со временем будет сжиматься, если средняя плотность превосходит критическую величину. В противном случае при величине плотности ниже критической открытую Вселенную ожидает постоянное расширение. По современным оценкам мы живем в открытой Вселенной, однако есть основания считать, что средняя плотность материи занижена. Существует проблема так называемой скрытой материи, масса которой не учитывается в расчетах.

Дело в том, что видимые, т. е. излучающие или отражающие объекты не исчерпывают всю материю Вселенной. Галактики в скоплениях вращаются быстрее, чем предсказывает теория, особенно звезды на краях скопления. Есть предположение, что их удерживает невидимая материя. Многие астрономы полагают, что невидимое вещество может существовать в виде планет типа Юпитера, либо множества черных карликов. Кроме того, темную материю могут составлять и элементарные частицы. Поэтому окончательный вывод о характере эволюции Вселенной, открытая она или закрытая, еще не сделан.

Независимо от того, рассматриваются ли открытые или замкнутые модели Вселенной, все ученые сходятся на том, что первоначально Вселенная находилась в условиях, которые трудно вообразить на Земле.

Эти условия характеризуются наличием высокой температуры и давления в сингулярности, в которой была сосредоточена материя. Такое допущение вполне согласуется с установлением расширения Вселенной, которое могло начаться с некоторого момента, когда она находилась в очень горячем состоянии и постепенно охлаждалась по мере расширения.

Такая модель горячей Вселенной, впервые предложенная Г. А. Гамовым, впоследствии была названа стандартной.

Стандартная модель эволюции Вселенной

С точки зрения теории Вселенная должна была родиться в сингулярном состоянии с бесконечно большими плотностями и температурой в некоторый начальный момент времени (модель Большого Взрыва). При последующем расширении ее температура должна была падать до современных значений. Многие выводы из теории горячей Вселенной оказались несовместимыми с данными наблюдений, хотя в целом она остается основной космологической теорией. Часть проблем удалось решить в рамках теории раздувающейся Вселенной (РВ), согласно которой Вселенная в начальной стадии находилась в вакуумоподобном состоянии, или состоянии «ложного вакуума» с большой плотностью энергии. Эта стадию называют стадией раздувания или инфляции.

Стадия инфляции продолжалась примерно 10-35 секунды при температурах свыше 1028 градусов Кельвина. Вспомним, что физический вакуум это наинизшее состояние всех полей, в нем нет вещества и излучения, но имеются возникающие и уничтожающиеся виртуальные частицы. «Ложным вакуумом» назвали возбужденное состояние вакуума, при котором вместо сил гравитационного тяготения возникли силы гравитационного отталкивания. Именно эти силы вызвали расширение Вселенной с высочайшей скоростью. Такой тип раздувания, при котором расширение носит характер взрывного, назвали инфляцией. В конце этого периода плотность энергии поля стала переходить в плотность массы частиц и античастиц, движущихся с огромными (ультрарелятивистскими) скоростями. Несмотря на свою незавершенность, инфляционная модель объясняет однородность и изотропность Вселенной и образование структур галактик и их скоплений из малых первичных возмущений плотности. В этой стадии могли родиться гравитоны. Существовало лишь одно фундаментальное взаимодействие – супергравитация, остальные появились позже.

Следующий этап рождения Вселенной называют эрой Великого объединения. Температура снизилась до 1027 градусов Кельвина. Во Вселенной имелось большое количество очень массивных частиц, называемых X– и Y–бозонами, осуществлявших единое сильное и электрослабое взаимодействие. С участием этих частиц кварки могли превращаться в лептоны, а лептоны – обратно в кварки. Предполагается, что количество частиц и античастиц было совершенно одинаковым. По мере снижения температуры в расширяющейся Вселенной X– и Y–бозоны, а также их античастицы, стали распадаться. В результате распада появился некоторый избыток частиц по сравнению с античастицами. По мере остывания Вселенной античастицы аннигилировали с частицами, большая часть вещества исчезла, т. е. превратилась в излучение. В конечном счете, это излучение «остыло» и превратилось в фотоны.

Спустя 10-12 секунды после Большого Взрыва температура превышала 1015 градусов Кельвина, а вещество состояло в основном из кварков. В этих условиях пары адронов (протонов, нейтронов, мезонов и др.) не могли существовать в обычном виде. При охлаждении ниже 1015 К произошло отделение слабого взаимодействия от электромагнитного. Промежуточные векторные бозоны, кварки и лептоны приобрели массу, а фотон остался безмассовым. В результате появились известные нам частицы – электроны, нейтрино, фотоны.

Следующий фазовый переход произошел спустя 10-3 секунды, когда температура снизилась до 1013 К. Кварки начали объединяться в адроны (протоны, нейтроны и другие, сильно взаимодействующие частицы)

Через 0,2 секунды при температуре 2.1010 градусов электронные нейтрино перестали взаимодействовать с частицами. Вселенная для них стала прозрачной, образовавшиеся к тому времени нейтрино остались навечно. Подобно реликтовым фотонам они постепенно теряют свою энергию, т. е. охлаждаются.

В конце первой секунды температура снизилась до 1010 градусов, все пространство было заполнено хаотически движущимися протонами, нейтронами вместе с электронами, нейтрино и фотонами. Для образования сложных ядер температура еще оставалась достаточно высокой. Через минуту, однако, температура снизилась примерно в 100 раз, протоны и нейтроны стали объединяться в основном в ядра гелия. Через несколько минут этот период закончился, поскольку температура упала ниже уровня, при котором возможны ядерные реакции. Образовавшаяся плазма состояла из 10% ядер гелия и на 90% из ядер водорода. Именно последние образовали водород, без которого не светили бы звезды, включая Солнце, не было бы воды и жизни.

Только по истечении нескольких сотен тысяч лет стали появляться атомы водорода и гелия среди водородно-гелиевой плазмы. До этого охлаждающаяся и расширяющаяся Вселенная состояла главным образом из электромагнитного излучения с примесью нейтронов, протонов, электронов, нейтрино и наилегчайших ядер атомов. Горячая плазма находилась в равновесии с излучением вплоть до температур около 4000 градусов Кельвина. При этой температуре началась рекомбинация протонов и электронов с образованием водорода и гелия. Равновесие с излучением нарушилось – его кванты уже не обладали необходимой для ионизации вещества энергией и проходили через него как через прозрачную среду. Излучение обособилось, его температура снижалась и к нашей эпохе составила 3 градуса Кельвина. Реликтовое фоновое излучение предсказал в 1953 г. Г. А. Гамов, а в 1965 г. оно было обнаружено А. Пензиасом и Р. Уилсоном, за что были удостоены в 1978 г. Нобелевской премии.

Реликтовое излучение – это фоновое изотропное излучение со спектром, близким к спектру излучения абсолютно черного тела с температурой около 3 К. Оно наблюдается на волнах длиной от нескольких миллиметров до десятков сантиметров. Это явление находится в полном соответствии со Стандартной моделью эволюции Вселенной и моделью горячей Вселенной.

Первоначально почти однородная плазма должна была распадаться на отдельные сгустки, так как материя не могла быть распределена с постоянной плотностью. В дальнейшем из сгустков образовались скопления галактик, под действием гравитационных сил с отдельных местах сжатие преобладало над расширением, и из скоплений возникли протогалактики, внутри них – протозвезды. Образование звезд из протозвезд – диффузной межзвездной среды – продолжается и в настоящее время. Вокруг звезд происходило и формирование планетных систем и т. д.

В результате эволюции Вселенной возникли все существующие формы материи, включая живые и разумные существа. Оказалось, что универсальные физические константы (это константы гравитационного, электромагнитного, сильного и слабого взаимодействий) имеют значения, обеспечивающие возникновение жизни на нашей планете. Расчеты показывают, что даже незначительные отклонения известных постоянных воспрепятствовали бы появлению тяжелых металлов, галактик и живых существ. Разумеется, речь идет о водно-углеродной форме жизни. Этот факт носит название антропного принципа.

Антропный принцип. Антропный принцип впервые в 1958 году был предложен нашим соотечественником Г. Идлисом и затем Б. Картером в 1974 году, но в неявном виде он уже функционировал и раньше в виде антропоморфизма. Этот принцип применяется в слабом и сильном вариантах.

Слабый антропный принцип. На свойства Вселенной накладываются ограничения наличием нашей разумной жизни. То, что наблюдают астрономы, зависит от присутствия наблюдателя.

Сильный антропный принцип. Свойства Вселенной должны быть такими, чтобы в ней обязательно была жизнь.

Согласно этим принципам между фундаментальными свойствами Вселенной и возможностью существования в ней жизни установлены строго определенные отношения. Как мы уже отмечали, фундаментальные свойства мира количественно выражается через фундаментальные постоянные, и при их незначительном изменении может сильно измениться сценарий развития Вселенной и самой жизни во Вселенной, естественно, в нашем понимании. Таким образом, антропный принцип, по сути, превращает факт появления человека во Вселенной из случайного, незначительного в центральный, приоритетный. Любая физическая теория, которая противоречит существованию человека, очевидно, не верна.

В 2000 г. сообщалось: сделан важный шаг на пути понимания самого раннего этапа эволюции Вселенной. В лаборатории Центра европейских ядерных исследований в Женеве получено новое состояние материи – кварк-глюонная плазма. Предполагается, что в таком состоянии пребывала Вселенная в первые 10 мкс после Большого Взрыва. До сих пор удавалось охарактеризовать эволюцию материи не ранее трех минут после взрыва, когда уже сформировались ядра атомов.

По мере расширения и охлаждения Вселенной происходили процессы разрушения существовавших раньше симметрий и возникновения на этой основе новых структур.

Тот факт, что любая эволюция сопровождается разрушением симметрий, непосредственно следует из принципа положительной обратной связи, согласно которому неравновесность и неустойчивость, возникающая в открытой системе, вследствие взаимодействия системы со средой со временем не ликвидируется, а наоборот, усиливается. Это приводит, в конечном счете, к разрушению прежних симметрий и, как следствие, к возникновению новой структуры.

Как возникло подобное нарушение симметрии, остается только догадываться. Самым главным результатом этой стадии микроэволюции нашей области Вселенной было образование крайне незначительного перевеса вещества над излучением. 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 симметрий в процессе образования все более 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, в результате которой и возникли окружающие нас макротела, разнообразные их системы вплоть до галактических. Здесь существенная роль принадлежит уже нарушению симметрий между различными физическими взаимодействиями.

На первоначальном этапе эволюции Вселенной ядерные силы находились в симметрии с гравитационными, а силы электромагнитного взаимодействия – со слабыми взаимодействиями. Только вследствие нарушения симметрии между сильными ядерными и гравитационными силами стало возможным образование небесных тел, галактик и других космических систем. В свою очередь гравитационные силы и ударные волны способствовали возникновению и развитию ядерных реакций внутри звезд и ядер галактик и их скоплений. Нарушение симметрии между электромагнитными силами и слабыми взаимодействиями привело к образованию огромного множества тел, структур и систем, которые составляют окружающий нас видимый мир. Таким образом, благодаря разрушению симметрии между разными типами физических взаимодействий стало возможно не только возникновение микро - и макрообъектов, но также последующая взаимосвязанная эволюция микроскопической и макроскопической ветвей развития. Следовательно, микро - и макроэволюции взаимно обусловливали и дополняли друг друга, вот почему они представляют собой ветви единого процесса. Отсюда становится ясным, что возникновение и эволюция физических, химических, геологических и других систем неорганической природы прочно укладывается в рамки космической и земной эволюции.

Главный итог современных космологических исследований состоит в том, что они показали, что Вселенная не находится в стационарном состоянии, она непрерывно изменяется вследствие понижения в ней температуры и связанного с этим процесса ее расширения. Именно в результате такого процесса происходит эволюция материи, связанная с появлением все новых и сложных структур.

Эволюция и строение галактик. Мы знаем, что наше Солнце дает необходимую для нашего существования энергию. А зачем нужны галактики? Оказывается и галактики, и Солнце не только обеспечивают нас энергией. Астрономические наблюдения показывают, что из ядер галактик происходит непрерывное истечение водорода. Таким образом, галактики являются фабриками по производству основного строительного материала Вселенной – водорода.

Водород, атом которого состоит из одного протона в ядре и одного электрона на его орбите, является самым простым «кирпичиком», из которого в недрах звезд образуются процессах атомных реакций более сложные атомы. Причем оказывается, что звезды совершенно не случайно имеют различную величину. Чем больше масса звезды, тем более сложные атомы синтезируются в ее недрах.

Наше Солнце как обычная звезда «производит» только гелий из водорода (который дают ядра галактик), очень массивные звезды «производят» углерод – главный «кирпичик» живого вещества. Вот для чего нужны галактики и звезды. А зачем нужна Земля? Она производит все необходимые вещества для поддержания жизни человека. А для чего нужен человек? На этот вопрос не может ответить наука, но она может заставить нас еще раз задуматься над ним.