Стандартная модель эволюции Вселенной

Стандартная модель эволюции Вселеннойпредполагает, что начальная температура внутри сингулярности превышала 10¹³ градусов по шкале Кельвина, в которой начало шкалы отсчета соответствует -273 градусам шкалы Цельсия Плотность материи равнялась приблизительно 10⁹³ г/см³ В подобном состоянии неизбежно должен был произойти "большой взрыв", с которым связывают начало эволюции в стандартной модели Вселенной, называемой поэтому также моделью "большого взрыва". Предполагают, что такой взрыв произошел примерно 15-20 млрд. лет назад и сопровождался сначала быстрым, а потом более умеренным расширением и соответственно постепенным охлаждением Вселенной.

По степени этого расширения ученые судят о состоянии материи на разных стадиях ее эволюции. Например, что через 0,01 секунды после взрыва плотность материи с невообразимо большой величины должна была упасть до 10¹⁰ г/см³. В этих условиях в расширяющейся Вселенной, по-видимому, должны были существовать фотоны, электроны, позитроны, нейтрино и антинейтрино, а также небольшое количество нуклонов (протонов и нейтронов). При этом могли происходить непрерывные превращения пар электрон+позитрон в фотоны и обратно − фотонов в пару электрон+позитрон. Но уже через 3 минуты после взрыва из нуклонов образуется смесь легких ядер: 2/3 водорода и 1/3 гелия. Остальные химические элементы образовались из этого дозвездного вещества в результате ядерных реакций. В момент, когда возникли нейтральные атомы водорода и гелия, вещество сделалось прозрачным для фотонов, и они стали излучаться в мировое пространство. В настоящее время такой остаточный процесс наблюдается в виде реликтового излучения. Это явление находится в полном соответствии с моделью "горячей" Вселенной. Оно сохранилось до наших дней и наблюдается именно как реликт, или остаток, от той весьма отдаленной эпохи образования нейтральных атомов водорода и гелия.

По мере расширения и охлаждения во Вселенной происходили процессы разрушения существовавших раньше симметрии и возникновения на этой основе новых структур. Любая эволюция сопровождается разрушением симметрии, что 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 к разрушению прежних симметрии и, возникновению новой структуры.

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 охлаждения Вселенной было нарушение симметрии между веществом и антивеществом, а именно такими разноименно заряженными материальными частицами, как электрон, несущий отрицательный заряд е^-, и позитрон с положительным зарядом е⁺. Их взаимодействие при столкновении приводит к образованию двух фотонов.

Как возникло нарушение симметрии, остается неясным. Неясным остается также то, каким способом антивещество оказалось отделенным от вещества и что удерживает их от аннигиляции, или уничтожения. Здесь мы встречаемся с исторической реконструкцией. Так как частицы вещества и антивещества при взаимодействии аннигилируют, т.е. е^-+е⁺®2у, то предполагают, что в далеком прошлом наш вещественный мир каким-то образом оказался изолированным от мира антивещественного. Иначе он не мог бы существовать в силу процессов аннигиляции вещества и антивещества.

В общих чертах формирование Вселенной, согласно стандартной модели, представляется следующим образом. Когда температура Вселенной после взрыва упала до 6 млрд. градусов по Кельвину, первые 8 секунд после взрыва там существовала в основном смесь электронов и позитронов. Пока эта смесь находилась в тепловом равновесии, 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.

На этой стадии происходило непрерывное превращение вещества в излучение и наоборот, излучения в вещество. Вследствие этого между веществам и излучением сохранялась симметрия.

Нарушение этой симметрии произошло после дальнейшего расширения Вселенной и понижения ее температуры. На этой стадии возникли более тяжелые ядерные частицы-протоны и нейтроны. Главным результатом этой стадий микроэволюции Вселенной было образование крайне незначительного перевеса вещества над| излучением, которое оценивается примерно как излишек одного протона или нейтрона на миллиард фотонов. 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 образованьями планетами, звездами, галактиками и скоплениями галактик.

В стандартной гипотезе имеется еще много неясного и спорного, но она опирается на такой твердо установленный факт смещения спектральных линий света, идущего от далеких галактик, который интерпретируется как удаление, или "разбегание" 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 концепции системного подхода и синергетической самоорганизации.

Этим, не ограничивается связь синергетики с 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 симметрии между различными физическими взаимодействиями. Сегодня различают четыре типа физических взаимодействий. Мы можем воспринимать два их типа:

гравитационные взаимодействия, т.е. силы тяготения, которые действуют на все макротела и на далеких расстояниях. Именно они, определяют движения планет, звезд, галактик и других космических систем;

электромагнитные силы, играют решающую роль при образовании молекул, кристаллов и всех тел и систем, которые занимают промежуточное положение между микромиром и мегамиром (космические объекты и системы).

Остальные два типа физических взаимодействий (ядерные и слабые) непосредственно не воспринимаются человеком, но играют существенную роль при образовании разнообразных объектов микромира.

Микроэволюция обеспечила условия для развертывания макроэволюции. Освобождение гравитационных сил, вследствие разрушения их симметрии с ядерными силами примерно 700 000 лет после взрыва, привело к образованию звезд, галактик, их скоплений 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. Следовательно, микро- и макроэволюции взаимно обусловливали и дополняли друг друга, вот почему они представляют собой две ветви единого процесса. Возникновение и эволюция физических, химических, геологических и др. систем неорганической природы укладывается в рамки космической и земной эволюции.

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.

Собственно биологической эволюции предшествовала длительная предбиотическая эволюция. Началом предбиотической эволюции было возникновение органических молекул из неорганических. Предполагают, что по мере охлаждения Земли возникали все условия для образования сложных органических молекул. Быть может, недоставало лишь высокой температуры для химического синтеза, но такую температуру могло вызвать воздействие ультрафиолетовых лучей или электрических разрядов, что доказано экспериментально. Но ранее существовавшие гипотезы, защищая автономность элементарной системы жизни, слишком изолировались от взаимодействия с окружающей средой. Даже гипотеза 1938 г. А.И. Опарина (1894-1980), хотя и постулировала процесс возникновения биополимеров из мономеров, все же недостаточно подчеркивала роль среды в дальнейшей эволюции жизни.

Из всех теорий происхождения жизни наиболее распространенной и признанной в научном мире является теория биохимической эволюции, предложенная в 1924 г. советским биохимиком академиком А.И. Опариным (в 1936 г. он подробно изложил ее в своей книге «Возникновение жизни»).

Сущность этой теории состоит в том, что биологической эволюции — т.е. появлению, развитию и усложнению различных форм живых организмов, предшествовала химическая эволюция — длительный период в истории Земли, связанный с появлением, усложнением и совершенствованием взаимодействия между элементарными единицами, «кирпичиками», из которых состоит все живое — органическими молекулами.

Парадигма самоорганизации может способствовать лучшему пониманию процессов происхождения жизни и дальнейшей ее эволюции. Действительно, с ее помощью можно более адекватно объяснить, каким образом из неорганических молекул возникли органические, а из последних − первые живые клетки. Согласно гипотезе немецкого физико-химика Манфреда Эйгена (р. 1927), процесс возникновения живых клеток тесно связан с взаимодействием нуклеотидов, являющихся материальными носителями информации, и протеинов (полипептидов), служащих катализаторами химических реакций.

В ходе 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 М. Эйген называет гиперциклом. В ходе эволюции из них возникают первые живые клетки, сначала без ядер (прокариоты), а затем с ядрами (эукариоты).

На предбиотической стадии эволюции до возникновения первых живых клеток, существовали материальные системы, обладавшие способностью к самовоспроизведению, метаболизму и развитию через мутации и конкуренцию с другими системами для отбора. Эти фундаментальные свойства, характеризующие жизнь, возникли из самоорганизации структур.

В ходе эволюции принцип автокатализа, или самоускорения химических реакций, дополняется принципом самовоспроизведения целого циклически организованного процесса в гиперциклах, предложенных М. Эйгеном. Воспроизведение компонентов 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 пользуются их метаболической системой. В ходе самоорганизации постоянно возникают мутации, а с ними и 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. Если самоорганизация при наличии соответствующих условий может возникнуть в самом фундаменте здания материи, то вполне обоснованно предположить, что на более высоких уровнях организации она может закономерно привести к возникновению жизни во Вселенной. Нельзя также не отметить, что жизнь сама готовит условия для своей дальнейшей эволюции.

Предполагают, что первыми стали осваивать Землю растения, которые появились примерно 500 миллионов лет назад. Такое предположение обоснованно, так как именно растения способны к фотосинтезу и, следовательно, в состоянии накапливать энергию и отдавать свободный кислород в атмосферу. Спустя примерно 50 миллионов лет после растений 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.