Современная космологическая модель
Поможем в ✍️ написании учебной работы
Поможем с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой

 

Несмотря на успехи физики в понимании истории Вселенной, рассуждения ученых по этому вопросу можно назвать игрой фантазии, рожденной современными знаниями, экстраполированными на первые мгновения жизни Вселенной. В полном объеме эти знания не могут быть применимы к моменту рождения Вселенной, так как это была сверхэкстремальная ситуация. Тем не менее, основные принципы, рассмотренные нами, вероятно, уже действовали. То есть сразу же наметились две тенденции в жизни Вселенной: разрушение вакуума (ничто есть идеально упорядоченная структура) и созидание (самоорганизация) материи.

Мы не знаем, какими были самые первые структуры во Вселенной. Возможно, в первые моменты бытия Вселенной были реализованы такие первичные структуры, которые имеют прямые аналогии с идеальными образами, используемыми человеком в процессе мышления. Поэтому все древние космологические концепции рисуют творение Вселенной, как свободный волевой акт единого Творца.

Мы уже "догадались", что в ходе этих процессов уже на первых миллисекундах Вселенная стала почему-то электрически неоднородной, возникли условия для зарождения пар противоположно заряженных частиц. То есть Вселенную на этом этапе можно представить в виде своеобразного вакуумного конденсатора, рождающего "из ничего" пары частица-античастица. Откуда взялась энергия для рождения этих частиц? По этому поводу нет единого мнения. Любые рассуждения на эту тему являются лишь гипотезами. Если исходить из информационной модели Вселенной, то понятие энергии сводится к разности энтропий конечного (еще не реализованного, но потенциально возможного) и исходного (реализованного) состояний. Другими словами, энергия есть разность между тем, чего мы могли бы иметь, и тем, чего мы на самом деле имеем. Именно эта разность порождает движущую силу, приводящую в действие весь эволюционный процесс во Вселенной.

Мир элементарных частиц, вероятно, был очень разнообразен. Наши синхрофазотроны довольно грубо моделируют процессы того времени. С ростом количества частиц электрическая неоднородность сглаживалась (конденсатор разряжался). "Рождаемость" частиц сначала замедлилась, потом прекратилась. В этой стадии развития Вселенной наряду с рождением зарядов присутствовала и их смерть - аннигиляция частиц и античастиц с полным переходом их структуры в полевую форму. И вот "рождение" прекратилось, но аннигиляция осталась. Это была "первая экологическая катастрофа", известная нам. К счастью, ранняя Вселенная была почему-то асимметрична: электронов оказалось чуть больше, чем позитронов, а протонов больше, чем антипротонов. Поэтому на каждые 100 миллионов пар "выжила" одна частица. Этого оказалось достаточно для того, чтобы построить все вещество Вселенной, которой в ту пору было несколько секунд от роду.

Эпоха элементарных частиц закончилась. В итоге Вселенная "открыла" устойчивые частицы, которые стали элементами для построения систем более высокого иерархического уровня. Если бы этого не произошло и разрушение элементарных частиц было бы полным, то Вселенная достигла бы максимума энтропии Smax (Вселенная, заполненная излучением) и, возможно, прекратила бы свое существование (хотя бы потому, что без вещества не определены понятия пространства и времени). “Изобретение” устойчивых частиц повысило максимально возможное значение энтропии Вселенной до какой-то величины S’max > Smax, то есть появилась возможность дальнейшего роста энтропии, но уже не за счет разрушения частиц, а за счет их рассеяния и перемешивания в разных комбинациях.

Этот алгоритм в дальнейшем повторяется. То есть в процессе стремления систем к максимуму энтропии Smax они обязаны найти устойчивые формы, которые смогут отодвинуть само значение Smax. Такие формы благополучно минуют преграды естественного отбора. В естественном отборе побеждает тот, кто дает наибольшие перспективы в плане дальнейшего развития Вселенной. А так как с каждым шагом вверх по иерархической лестнице системной организации количество элементов таких систем становится все меньше и меньше, то требуемый рост энтропии Вселенной может быть обеспечен только ростом сложности внутренней организации систем (закон цефализации). Чем сложнее система, тем большее количество подсистем содержится в ее структуре. При этом каждая частица (элемент) может входить одновременно во множество подсистем. Это значит, что возрастает количество реальных объектов (частиц, подсистем, систем и т.д.), которые являются слагаемыми энтропии, что и обеспечивает возрастание максимально возможного значения энтропии Smax. Этот процесс мы и называем эволюцией.

Вселенная расширялась и охлаждалась, частицы теряли энергию и конденсировались в атомы, в основном, водорода. Правда, считается, что на этой же стадии присутствовал и гелий (порядка 30%). Более тяжелые элементы практически отсутствовали, они образовались на более поздних этапах эволюционного процесса.

Любые неоднородности плотности водорода усиливаются силами гравитации и водородно-гелиевое облако распадается на сгущения (протогалактики). Из сгущений внутри галактик рождаются звезды первого поколения. Здесь пока нет полной ясности. Возможно, звезды рождались по мере сжатия протогалактики. Возможна и другая версия, согласно которой сначала протогалактическое облако сжимается до критических размеров (квазары - огромные квазизвездные космические тела, соизмеримые с размерами солнечной системы, состоящие из вещества, вращающегося вокруг центра с огромной скоростью, обнаруженные на самых границах наблюдаемой части Вселенной; то есть мы видим их такими, какими они были миллиарды лет назад). Возможно, именно в квазарах синтезировался гелий. Может быть поэтому квазары становятся неустойчивыми и взрываются, а из продуктов взрыва в процессе их рассеяния вследствие гравитационного сжатия локальных сгущений и формируются звезды первого поколения. Так это было или не так, мы можем только догадываться, о квазарах мы знаем очень мало.

Газовое облако будущей звезды сжимается силами гравитации. Скоро это сжатие замедляется возрастающим давлением разогревающихся недр звезды, в которых начинаются реакции термоядерного синтеза, в процессе которого водород превращается в гелий, а из гелия синтезируются более тяжелые элементы, которые опускаются к центру звезды. Звезда это котел, в котором "варятся" тяжелые элементы, происходит усложнение структуры вещества. Это делает звезду нестабильной и она взрывается как сверхновая, формируя газово-пылевые облака, обогащенные тяжелыми элементами. Центральная часть звезды испытывает сильное сжатие, на ее месте образуется нейтронная звезда или черная дыра (если масса звезды превышала 50 масс Солнца). Раньше в нашей галактике звезды взрывались примерно раз в год, теперь раз в 30 лет.

Солнечная система родилась около пяти миллиардов лет назад путем конденсации газово-пылевого облака. Поэтому Солнце - это звезда второго поколения. Солнце и планеты формировались, по-видимому, одновременно. По мере сжатия газово-пылевого облака происходит соударение и слипание частиц пыли в более крупные образования (метеориты), из которых впоследствии формируются астероиды. Ближе к Солнцу могут образовываться тела только из тяжелых и тугоплавких материалов. Легкие вещества испаряются и улетучиваются на более дальние орбиты. Поэтому ближние к Солнцу планеты более твердые. Они образуются путем слияния астероидов и осаждения пыли на орбите данной планеты. Постепенно орбита очищается. Наблюдения показывают, что динамика образования кратеров на Меркурии, Марсе и Луне примерно 4,6 миллиардов лет назад была в сотни раз выше, чем сегодня. Дальние планеты-гиганты имеют меньшую плотность.

Орбиты планет близки к окружностям, диаметры которых подчинены правилу золотого сечения (закон Боде). Согласно закону Боде между Марсом и Юпитером должна находиться еще одна планета, вместо которой обнаружен пояс астероидов. Возникли разного рода фантастические предположения о гибели существовавшей когда-то на этой орбите планеты Фаэтона. Об этом же свидетельствуют и некоторые мифические сюжеты. Ученые же считают, что эта орбита является естественной границей между малыми плотными планетами и планетами-гигантами, что породило неустойчивость, не позволившую здесь сформироваться ни малой планете, ни планете-гиганту. Гравитационное воздействие соседних планет, особенно планет-гигантов, слишком рассеяло протопланетное сгущение будущей плотной планеты, разбросав астероиды на более вытянутые орбиты. Поэтому пояс астероидов остался практически в своем первозданном виде. Кстати, это несколько перекликается с легендой о Фаэтоне.

Выводы.

1. К моменту образования Земли эволюция Вселенной подготовила возможность зарождения земной жизни.

2. Расширяясь, Вселенная быстро остывает, что приводит к возникновению фрактальных структур, объединяющих в себе порядок и случайность, хаос. Во фрактальных структурах сложность достигается повторением по определенному алгоритму более простых структур (фрактальных генов). Примерами фрактальных структур являются снежинки, морозные узоры на стекле, береговые линии морей, ветви дерева, спиральная формы ракушек и т.п. Особенно типичными фрактальными структурами являются биосистемы. Обычно фрактальные структуры возникают при сравнительно быстрой потери энергии в открытой системе, когда элементы системы не успевают перестроиться в симметричные упорядоченные структуры, типа правильных кристаллов, поэтому в них сохраняется доля хаоса.

3. При остывании появляется возможность устойчивого существования все более сложных структур, которые разрушились бы при более высоких энергиях.

4. По мере расширения Вселенной усложняются формы организации материи, то есть сложность форм как-то связана с объемом Вселенной.

5. Пока Вселенная расширяется, эволюцию не остановить. Не известно, является ли именно расширение Вселенной движущей силой глобального эволюционного процесса, но эти два процесса, вероятно, тесно связаны друг с другом.

 

Эволюция жизни на Земле

 

Существует несколько теорий появления жизни на Земле. Из них можно выделить три наиболее известные:

1) теория креационизма (от английского слова create - создавать) - жизнь создана высшим существом - Богом;

2) теория панспермии - жизнь принесена на Землю из космоса; так уже в метеоритах находят белковые соединения;

3) теория эволюции - жизнь на Земле народилась вследствие естественных законов усложнения форм организации материи.

У каждой теории есть свои плюсы и минусы, свои сильные и слабые стороны. Так теория панспермии многое объясняет, но не решает вопроса о происхождении жизни во Вселенной вообще, вопрос лишь отодвигается на более далекие космические объекты. К тому же существует ряд веских аргументов в пользу земного происхождения жизни. Например, известно, что только земная биоорганика обладает оптической асимметрией. Так если раствор сахара, полученного из свеклы (“живой сахар”), осветить лучом поляризованного света, то плоскость поляризации луча на выходе оказывается смещенной вправо на некоторый угол. Если же сахар синтезирован искусственным путем, то такой раствор не поворачивает плоскость поляризации света. Вся биоорганика Земли поворачивает плоскость поляризации света. Вся “космическая” и искусственная органика оптически нейтральна.

Известно также, что вся биоорганика Земли имеет единый генетический код. Информация о строении белков организма хранится в закодированном виде в структуре молекул ДНК. Правила кодировки нам известны, но они не поддаются какой-либо логике. Похоже, что природа установила эти правила произвольным образом, как, например, в компьютерной таблице кодировки символов. Но однажды принятый “стандарт” един для всех биосистем Земли и никогда не нарушается.

Теория креационизма хорошо вписывается в принцип роста энтропии и легко объясняет природу целесообразности в устройстве Вселенной. В то же время теория эволюции подтверждается огромным количеством научных фактов. Слабым местом эволюционизма является отрицание всякого рода целесообразности в природе и признание случайности, господствующей в эволюционном процессе, что никак не согласуется с данными статистического анализа, который говорит, что всего времени существования Выселенной не хватит на то, чтобы воспроизвести существующие формы случайным образом. В то же время новые достижения синергетики (наука о самоорганизации) и неравновесной термодинамики позволяют надеяться на то, что в научном понимании жизни уже в ближайшее время ожидается существенный прорыв. Мы уже понимаем механизмы самоорганизации. И все же целесообразность Вселенной не вписывается в концепции "слепых законов природы". На мой взгляд, необходимо всегда помнить о принципе дополнительности. Теория эволюции, безусловно, идет по верному пути, но эмерджентные свойства природы оказываются близкими к идеальным формам, до сих пор остающимся лишь в ведении религиозных и мистических культов и учений. На мой взгляд, земная жизнь является естественным следствием глобального эволюционного процесса, который в свою очередь достаточно однозначно “запрограммирован” в структуре изначальных принципов существования Вселенной.

Под действием сил гравитации протопланетное облако сжимается и недра планеты значительно разогреваются. Сейчас температура ядра Земли составляет порядка 4000-5000оС, по-видимому, там идут термоядерные реакции. Уплотнение протопланетного сгущения и нарастание температуры недр свидетельствует об уменьшении энтропии внутри планеты, а значит, и о процессах структурообразования (для тепловой энергии высокая температура является показателем низкой энтропии). В соответствии с теорией самоорганизации это говорит о том, что планета является типичной устойчивой самоорганизующейся системой. Другими словами, это есть одна из форм небиологической жизни.

По мере возрастания температуры недр возрастает и поток энергии в космос, который выступает для разогревающейся планеты в роли “холодильника”. Согласно принципу Ле Шателье это приводит к формированию структур, аккумулирующих энергию, уменьшая темпы остывания планеты, то есть происходит формирование своего рода “теплоизолирующего” слоя планеты. Сначала идет кристаллизация минералов земной коры, потом - химическое усложнение вещества по цепи: органика-полимеризация-РНК-белки-ДНК (следует отметить, что органика начинает образовываться уже при соударении частиц пыли в процессе образовании метеоритов; на поверхности планеты долгое время сохраняются более стабильные условия, поэтому она является идеальной и очень мощной химической лабораторией). В результате вместе с возрастанием температуры недр планеты происходит уменьшение температуры на ее поверхности. То есть в недрах планеты формируется и поддерживается значительный температурный градиент. Это значит, что из одного слоя планеты в другой последовательно движется мощный поток энергии, который достигает поверхности планеты уже будучи практически полностью деградированным (низкотемпературным). На что же расходуется изначально заложенная в нем информация? Согласно теории самоорганизации, информация может расходоваться только на формирование и поддержание упорядоченных структур. Значит, недра планеты имеют достаточно сложную организацию. И эта организация усложняется по мере того, как разогреваются недра планеты и остывает ее поверхность.

Насколько мы знаем, в настоящее время недра планеты больше не разогреваются, то есть ее структура остается достаточно стабильной. Иная картина складывается на ее поверхности. Здесь можно выделить два основных источника энергии: энергия Солнца и энергия недр планеты. В период разогревания планеты, по-видимому, именно за счет возрастающего потока энергии из ее недр формировались и усложнялись первые формы биологической жизни. По мере ослабевания темпов разогрева недр планеты и роста мощности “теплоизолирующего” слоя понижается температура на поверхности и поток собственной энергии планеты уменьшался. Поэтому тем формам жизни на поверхности планеты, которые существуют за счет этого потока энергии, суждено, вероятно, постоянно уменьшать сферу своего присутствия. В наше время она представлена лишь хемосинтезирующими бактериями и некоторыми многоклеточными организмами в глубоководных впадинах. Чем ниже температура на поверхности планеты, тем интенсивней поток энергии, приходящей от Солнца. Именно это, по-видимому, является движущей силой эволюции на Земле. То есть сложность форм жизни в биосфере, судя по всему, находится в обратной зависимости от средней температуры поверхности Земли.

Динамика остывания поверхности планеты в условиях стабильности температуры Солнца обеспечивает однонаправленность процессов усложнения форм молекул. Возможно, существует еще немало подобных факторов, посредством которых планета, Солнце, космос и в конечном итоге вся Вселенная направляют, «руководят» процессами самоорганизации. В любом случае именно метасистема «отбирает» и «закрепляет» те формы макромолекул, которые претендуют на будущность. Когда наступает предел возможностей “неживой” органики по обеспечению энергобаланса, на поверхности планеты возникают сложные формы, которые мы по праву можем назвать живыми существами, точнее, биологической жизнью.

Уже на уровне макромолекул можно говорить о жизни в общепринятом понимании. Так молекула фермента лизоцима состоит из тысячи атомов, расположенных в форме шарика, напоминающего приоткрытую "пасть", которая захватывает полисахариды, входящие в состав оболочек бактерий, разрушая их. После этого молекула восстанавливает свою структуру и вновь "открывает пасть". Вершина эволюции молекул - вирусы, являющиеся сложными молекулярными комплексами, основами которых являются молекулы ДНК, окруженные белковыми оболочками.

Пьер Тейяр де Шарден предполагал, что прежде, чем была создана первая живая клетка, на Земле существовала эра вирусов, которую он назвал "забытой эпохой". Вероятно, мы уже никогда не сможем найти реликтовые макромолекулы. Современные вирусы не могут жить автономно. Они либо вошли в состав более сложных живых организмов (клеток), либо стали паразитами. Шарден назвал этот закон "устранением эволюционных черешков": Современная жизнь даже в простейших формах в корне отличается от аналогичных форм в прошлом, так как во многом трансформирована современной реальностью. Раз возникнув и закрепившись, любая форма вплетается в ткань Вселенной и меняется до неузнаваемости.

В то же время зарождение принципиально новых форм будет уничтожено современной жизнью. Именно поэтому мы сейчас не наблюдаем явлений самозарождения жизни. По словам И.С. Шкловского, микроорганизмы и вирусы буквально съедят уже первые ростки новой жизни. По словам Шардена, появление биосферы обеднило первоначальный химизм планеты, поэтому данный феномен зарождения жизни больше не может повториться в естественных условиях. Поэтому одной из особенностей современной жизни является подчинение ее закону, окончательно доказанному Пастером и более известному под названием "принцип Реди": все живое происходит только от живого. Скорее всего, этот принцип действовал всегда. То есть единственным объяснением того, как могла возникнуть жизнь, является то, что вся Вселенная, породившая эту жизнь, сама является живым существом.

По теории Опарина, первые клетки возникли в результате эволюции коацерватных капель. Это пример агрегации (создание групп с определенной внутренней структурой) в мире макромолекул. Крупные молекулы имеют обычно довольно сложную форму. Поэтому энергетически более выгодно оказывается слияние этих молекул в каплю. Сложные капли способны улавливать и впитывать в свою структуру вполне определенные вещества из окружающего их раствора, поддерживая этим стабильность своей структуры и состава внутренней среды.

Агрегация клеток приводит к возникновению многоклеточных организмов. Эволюция многоклеточных сначала шла по линии усложнения физиологии, потом (а частью и одновременно) поведения по цепи: раздражимость-инстинкт-психика-сознание. Эволюция поведения свидетельствует об агрегации многоклеточных организмов, то есть о формировании и эволюции систем более высокого иерархического уровня: социальных систем типа стаи, общества и т.п., которые с полным правом можно назвать социальными живыми существами. Наиболее яркими примерами таких существ являются муравейники, пчелиные семьи, человеческая цивилизация и т.п. Здесь присутствуют все признаки органичной целостности и функциональной взаимозависимости, которую мы в своей жизни называем разделением труда. Наблюдая эволюцию социальных форм жизни, в частности на примере истории человечества, можно понять суть самого алгоритма эволюции.

Было время, когда жизнь на поверхности Земли развивалась только за счет разогревающихся недр планеты, потом она “открыла” новый источник энергии - Солнце. При этом она “изобрела” хлорофилл, позволивший связывать и аккумулировать солнечную энергию. Это дало энергетическую подпитку теплоизоляционному слою планеты, что позволило стабилизировать условия на ее поверхности (жизнь обладает средообразующей функцией, стабилизируя окружающую среду). Возможно, сейчас мы являемся свидетелями того, как планета пытается найти новый источник энергии. Может быть, для этого мы и созданы, для этого природа и наделила нас исследовательским даром? Мы даже очень преуспели, не только затормозив естественную тенденцию к остыванию поверхности планеты, но и, наоборот, повысив ее среднюю температуру. Но мы почему-то стали неуправляемыми. Нас не просили повышать температуру, нужно было только стабилизировать ее, то есть выполнить требования принципа Ле Шателье в ответ на остывание. К тому же найденные нами источники энергии достаточно быстро исчерпаются. Значит, это не выход. Значит, нам еще предстоит долгий поиск. Может быть, поэтому природа включила механизм безошибочного поиска, который мы наблюдаем сейчас в форме бурного всплеска нашей цивилизации? Кто-то из нас обязательно должен нащупать единственно верное решение, то есть найти новый неисчерпаемый экологически чистый источник энергии.

 

Дата: 2018-11-18, просмотров: 266.