Концепция Вселенной и космическая эволюция

Представление об открытых системах, введенное неклассической термодинамикой, явилось основой для утверждения в современном естествознании общей концепции эволюции природы. Хотя отдельные эволюционные теории появились в конкретных науках еще в прошлом веке (теория возникновения Солнечной системы Канта—Лапласа, теория геологической эволюции Ч. Лайеля и эволюционная теория Дарвина), тем не менее никакой глобальной эволюционной теории развития Вселенной до XX в. не существовало. Это и неудивительно, поскольку классическое естествознание ориентировалось преимущественно на изучение не динамики, а статики систем. Такая тенденция наиболее рельефно была представлена атомистической концепцией классической физики как лидера тогдашнего естествознания. Атомистический взгляд, как подробно показано в предыдущих главах, опирался на представление, что свойства и законы движения различных природных систем могут быть сведены к свойствам тех мельчайших частиц материи, из которых они состоят. Вначале такими простейшими частицами считались молекулы и атомы, затем элементарные частицы, а в настоящее время кварки.

Бесспорно, что атомистический подход имеет большое значение для объяснения явлений природы, но он акцентирует внимание на строении и структуре различных систем, а не на их возникновении и развитии. В последние годы постепенно получают распространение также теории, касающиеся скорее системного и эволюционного характера взаимодействий между элементами систем, чем анализа свойств тех элементов, из которых они состоят. Благодаря широкому распространению системных идей, а в недавнее время и представлений о самоорганизации открытых систем сейчас все настойчивее выдвигаются различные гипотезы и модели возникновения и эволюции Вселенной. Они усиленно обсуждаются в рамках современной космологии — науки о Вселенной как едином целом и всей, охваченной ас-

трономическими наблюдениями ее области, называемой Метагалактикой. Мы коснемся здесь в основном принципов космологии с точки зрения бесконечности и конечности моделей Вселенной и ее эволюции.

10.1. Космологические модели Вселенной

Модели Вселенной, как и любые другие, строятся на основе тех теоретических представлений, которые существуют в данное время в космологии. Современная космология возникла после появления общей теории относительности, и поэтому ее в отличие от прежней, классической, космологии называют релятивистской. Эмпирической базой для нее послужили открытия внегалактической астрономии, важнейшим из которых, несомненно, было обнаружение явления «разбегания» галактик. В 1929 г. американский астроном Э.П. Хаббл (1889—1953) установил, что свет, идущий от далеких галактик, смещается в сторону красного конца спектра. Это явление, получившее название красного смещения, согласно принципу Доплера, свидетельствовало об удалении («разбегании») галактик от наблюдателя.

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

Новый этап ее развития был связан с исследованиями русского ученого А.А. Фридмана (1888—1925), которому удалось впервые теоретически доказать, что Вселенная, заполненная тяготеющим веществом, не может быть стационарной, а должна периодически расширяться или сжиматься. Этот принципиально новый результат нашел свое подтверждение после обнаружения Хабблом красного смещения, которое было истолковано как явление «разбегания галактик», свидетельствующее о расширении Вселенной. В связи с этим на первый план выдвигаются именно проблемы исследования расширения Вселенной и определения ее возраста по продолжительности этого расширения.

Наконец, третий период развития космологии связан с исследованием физических процессов, происходивших на разных стадиях расширяющейся Вселенной. Начало им положили работы известного американского физика Г.А. Гамова (1904—1968), русского по происхождению. В них он пытался раскрыть картину происхождения химических элементов во Вселенной.

Особенности развития космологии нашли отражение в различных моделях Вселенной. Общим для них 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 стадий 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.

Перечисленные 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 массы вещества. С точки зрения общей теории относительности кривизна пространства-времени, как мы знаем, определяется распределением тяготеющих масс. Но независимо от этого модели можно рассматривать и чисто геометрически.

В зависимости от кривизны пространства-времени различают:

открытую модель, в которой кривизна отрицательна или равна нулю, а расстояния между скоплениями галактик со временем непрерывно увеличиваются, что соответствует бесконечной Вселенной;

замкнутую модель с положительной кривизной, в которой Вселенная оказывается конечной, но столь же неограниченной, так как, двигаясь по ней, нельзя достичь какой-либо границы.

Независимо от того, рассматриваются ли открытые или замкнутые модели Вселенной, все ученые сходятся в том, что для объяснения расширения Вселенной необходимо допустить, что первоначально Вселенная находилась в условиях, которые трудно вообразить на Земле. Такое расширение должно начаться с некоторой сингулярной точки, в которой должна быть сконцентрирована вся материя. Поэтому состояние материи в этой точке должно удовлетворять специфическим условиям, которые трудно обнаружить где-либо в мире.

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, когда она находилась в очень горячем состоянии и постепенно охлаждалась по мере расширения. Такая модель «горячей» Вселенной впоследствии была названа стандартной.

Эта модель предполагает, что начальная температура внутри сингулярности превышала 10¹³ градусов (10 трлн) по абсолютной шкале Кельвина, в которой начало шкалы соответствует 273 градусам шкалы Цельсия. Плотность материи равнялась бы приблизительно 10⁹³г/см³, огромная величина, которую трудно даже вообразить.

В подобном состоянии неизбежно должен был произойти «большой взрыв», с которым связывают начало эволюции в стандартной модели Вселенной, называемой также моделью «большого взрыва». Предполагают, что такой взрыв произошел примерно 15—20 млрд лет назад и сопровождался сначала быстрым, а потом более медленным расширением и соответственно постепенным охлаждением Вселенной. По степени этого расширения ученые судят о состоянии материи на разных стадиях ее эволюции. Полагают, например, что после 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 пары электрон+позитрон в пару фотонов и обратно, пары фотонов в пару электрон+позитрон. Но уже через 3 минуты после взрыва из нуклонов образуется смесь легких ядер: ²/з водорода и ¹/₃ гелия.

10.2. Космическая эволюция материи

По современным представлениям космическая эволюция дает начало всем процессам и формам развития материальных систем во Вселенной. Хотя в настоящее время существует множество различных гипотез ее происхождения и эволюции, но в качестве стандартной модели принимается гипотеза «большого взрыва». Она опирается на следующие эмпирические и теоретические данные:

во-первых, на эмпирические факты внегалактической астрономии о непрерывном удалении наиболее далеких от нас галактик;

во-вторых, на открытие в 1965 г. микроволнового излучения, названного впоследствии реликтовым, поскольку оно несет информацию о ранней истории Вселенной;

в-третьих, на постулат о разрушении симметрий между микрочастицами, с одной стороны, и силами, действующими между ними, — с другой.

По стандартной модели, как отмечено выше, первоначально Вселенная находилась в сверхплотном и сверхгорячем состоянии. После взрыва она начала быстро расширяться и постепенно охлаждаться. Эти процессы привели к разрушению прежней симметрии между материальными частицами и связывающими их силами, а также единства и простоты в природе.

Что собой представляла Вселенная до взрыва, никаких надежных данных пока не существует. Высказываются лишь некоторые предположения и гипотезы. Один из инициаторов гипотезы «большого взрыва» Г.А. Гамов считал, что вещество Вселенной вначале состояло из нейтронов, которые в дальнейшем превращались в протоны, а из них возникли сначала ядра атомов, а затем и атомы. Однако эта гипотеза оказалась теоретически несостоятельной. Поэтому в стандартной модели предполагается, что первоначально Вселенная могла состоять из электронов, позитронов и фотонов, а также нейтрино и антинейтрино. В настоящее время популярной становится кварковая модель в силу того, что эти гипотетические частицы считаются теперь основой для построения существующих элементарных частиц. Но такая модель, как указывалось выше, вызывает возражения многих специалистов прежде всего потому, что сами кварки являются лишь гипотетическими частицами и экспериментально непосредственно не обнаружены.

Относительно более надежными являются представления об эволюции Вселенной после взрыва и начавшегося ее расширения. Предполагают, что в первую сотую долю секунды после взрыва материя составляла своеобразную смесь вещества, состоящую из электронов и позитронов, и излучения, или фотонов, которые непрерывно взаимодействовали между собой. Электроны и позитроны превращались в фотоны, а последние в результате взаимодействия образовывали пару электрон и позитрон.

Подобное превращение вещества в излучение и обратно продолжалось до тех пор, пока существовало термодинамическое равновесие между ними. Вследствие этого существовала также и симметрия между веществом и излучением, с одной стороны, и веществом и антивеществом — с другой.

Как возникло впоследствии отделение антивещества от вещества и разрушение симметрии между веществом и излучением, остается только догадываться. Поэтому здесь можно прибегнуть лишь к исторической реконструкции. Поскольку доказано, что частицы вещества и антивещества при взаимодействии «аннигилируют», а точнее, превращаются в излучение, постольку предполагают, что в далеком прошлом наш вещественный мир каким-то образом оказался изолированным от антивещественного, ибо в противном случае все превратилось бы в излучение.

С падением температуры и дальнейшим расширением Вселенной возникли условия сначала для образования ядер легких атомов — водорода и гелия, а затем и соответствующих нейтральных атомов за счет захвата ядрами электронов. В общих чертах процесс космической эволюции и формирование Вселенной, по мнению нобелевского лауреата С. Вайнберга, можно представить в виде следующей последовательности кадров кинофильма¹.

Первый кадр. Начиная с ¹/₁₀₀ секунды после взрыва, когда температура стала равной 100 млрд градусов по Кельвину (в дальнейшем температура будет указываться по этой шкале), Вселенная была «заполнена везде одинаковым, однородным по свойствам супом из вещества и излучения, причем каждая частица в нем очень быстро сталкивается с другими частицами»².

Такими частицами были электрон и позитрон, а также фотон, нейтрино и антинейтрино. Кроме того, там существовало небольшое число ядерных частиц, около одного протона или нейтрона на каждый миллиард фотонов.

Второй кадр. Температура Вселенной упала до 30 млрд градусов, но качественно ее состав не изменился. Вселенная по-прежнему состоит из электронов, позитронов, фотонов, нейтрино и антинейтрино, которые находятся в тепловом равновесии. Небольшое число ядерных частиц все еще не объединяются в атомные ядра.

Третий кадр. Со времени первого кадра прошло чуть больше секунды, и температура Вселенной упала до 10 млрд градусов. К этому времени уменьшение плотности и температуры настолько увеличили среднее свободное время существования нейтрино и антинейтрино, что они начинают вести себя как свободные частицы и перестают находиться в тепловом равновесии с другими частицами. Однако существующая температура все еще не позволяет протонам и нейтронам объединиться в атомные ядра.

¹ См.: Вайнберг С. Первые три минуты. М., 1981.

² Там же. С. 99.

Четвертый кадр. Температура Вселенной теперь понизилась до 3 млрд градусов, которая ниже пороговой для электронов и позитронов. Поэтому они начинают быстро исчезать, превращаясь в излучение. Уменьшение температуры создает также условия для образования небольшого числа стабильных легких ядер, например, гелия. Нейтроны продолжают превращаться в протоны, хотя и значительно медленнее.

Пятый кадр. Теперь температура Вселенной упала до 1 млрд градусов, что, однако, в 70 раз выше, чем в центре Солнца. При этих условиях уже могут удерживаться ядра трития и гелия-3, а позднее и ядра дейтерия. Однако ядра тяжелее гелия в заметном количестве не образуются. Со времени первого кадра проходит чуть больше 3 минут.

Шестой кадр. Теперь температура Вселенной упала до 300 млн градусов, а со времени первого кадра прошло свыше 34 минут. В этот период все электроны и позитроны исчезают, за исключением небольшого количества электронов, необходимых для компенсации зарядов протонов. Но температура еще слишком высока, чтобы могли возникнуть стабильные ядра.

Пройдет еще свыше 700 000 лет, когда электроны и ядра начнут образовывать устойчивые атомы легких элементов, преимущественно водорода и гелия. В этот период происходит разъединение вещества и излучения. Одним из первых его следствий стало образование звезд, состоящих на три четверти из водорода и одну четверть из гелия. Другим следствием было то, что Вселенная стала прозрачной для излучения. Именно тогда возникает ставшее теперь широко известным космическое микроволновое излучение с температурой 3 градуса по Кельвину, которое часто называют реликтовым, ибо оно напоминает об истории возникновения Вселенной.

Самым главным результатом на стадии микроэволюции Вселенной бьио образование крайне незначительного перевеса над антивеществом вещества. Из него в результате дальнейшей эволюции возникло все богатство и разнообразие материальных образований и форм, начиная от атомов, молекул, кристаллов, минералов и кончая галактиками.

Разумеется, в стандартной гипотезе образования Вселенной много еще неясного и спорного. Прежде всего, остается нерешенным вопрос о структуре и состоянии материи первоначальной Вселенной. Ведь, кроме тех элементарных частиц, которые рассматриваются в стандартной модели, существуют и другие «кандидаты» на эту роль. Популярной остается также кварковая модель. Такая модель значительно проще объяснила бы состояние ранней Вселенной. Однако са-

11-925

ми кварки в свободном состоянии пока не обнаружены, и, как указывает С. Вайнберг, отсутствие изолированных, свободных кварков есть одна из самых важных проблем, с которыми в настоящее время сталкивается теоретическая физика¹.

По этой причине наряду со стандартной моделью была предложена также гипотеза пульсирующей Вселенной, которая предполагает, что в ходе своей эволюции Вселенная подвергается периодическому расширению и сжатию. По мнению ее защитников, она удовлетворительно объясняет наличие гигантского количества фотонов во Вселенной во время циклов ее расширения и сжатия. Однако никаких эмпирических фактов, свидетельствующих о сжатии Вселенной, пока не обнаружено.

Четверть века назад была выдвинута гипотеза, которая рассматривает Вселенную как гигантскую флуктуацию вакуума и пытается объяснить разрушение в ней симметрий между веществом и антивеществом, а также между различными силами взаимодействия частиц и полей. В последние годы она приобрела особую популярность потому, что пытается раскрыть состояние Вселенной до взрыва. Согласно такой модели, Вселенная возникла из первоначального вакуума, который обладал огромной энергией, но находился в неустойчивом состоянии. Поскольку в этом вакууме, который называют возбужденным или ложным, господствовали космические силы отталкивания, постольку они и «раздували» занимаемое им пространство, а выделившаяся при этом энергия быстро нагревала Вселенную. В конце концов огромное повышение температуры и давления в процессе быстрого расширения возбужденного вакуума привело к взрыву сверхгорячей материи. После взрыва наступило резкое понижение температуры и давления, и в дальнейшем расширение Вселенной происходило по сценарию стандартной модели.

Стандартная гипотеза хотя и не раскрывает причин «большого взрыва» и первоначального состояния материи до этого, но отличается от многих гипотез в первую очередь тем, что, во-первых, опирается на важные эмпирические данные внегалактической астрономии; во-вторых, учитывает фундаментальную роль нарушения симметрий в процессе формирования все более сложных материальных систем; в-третьих, в ее основе лежит концепция самоорганизации синергетики об образовании и усложнении материальных систем.

¹ См.: Вайнберг С. Первые три минуты. С. 132.

10.3. Взаимодействие микро- и макропроцессов в ходе эволюции Вселенной

Как уже указывалось выше, эволюция Вселенной началась приблизительно 15—20 млрд лет назад, и соответственно она охватывает две стадии: микро- и макроэволюцию.

Микроэволюция привела к образованию атомов и молекул, а тем самым явилась предпосылкой для возникновения макроэволюции, в результате которой появились окружающие нас макротела и их системы вплоть до систем галактических и внегалактических. Однако для их формирования существенное значение имело нарушение симметрий между различными физическими взаимодействиями.

В настоящее время различают четыре основных типа физических взаимодействий, которые мы подробно рассматривали в 7-й главе. Здесь мы обсудим, какую роль они играли в становлении Вселенной.

Сильные взаимодействия, присущие ядерным частицам, в отличие от гравитационных, действуют на чрезвычайно коротких расстояниях, которые существуют между частицами в ядрах атомов. Без таких взаимодействий не могли бы начаться термоядерные реакции синтеза, следовательно, процессы функционирования звезд, звездных систем и галактик.

Слабые взаимодействия участвуют в радиоактивном распаде, без них, как мы отмечали, также невозможна была бы деятельность Солнца и других звезд.

Гравитационные взаимодействия, т.е. силы притяжения между массивными небесными телами, действующие на больших расстояниях, сыграли ключевую роль в возникновении первых звезд и галактик в далеком прошлом. В настоящее время они определяют закономерности движений существующих небесных тел. Предполагают, что первые галактики появились почти миллиард лет после «большого взрыва» в результате конденсации газообразных облаков, состоящих на три четверти из водорода. В процессе дальнейшего уплотнения газопылевой материи и последующего ее сжатия в глубинах звезд и галактик начались термоядерные реакции синтеза и превращения водорода в гелий.

Электромагнитные силы сыграли свою роль при образовании атомов, молекул, химических соединений, кристаллов и других систем, которые занимают промежуточное положение между микромиром и мегамиром, состоящим из космических объектов и систем.

В ходе эволюции рассмотренные взаимодействия не оставались неизменными. На первоначальной стадии, когда Вселенная была достаточно горячей, сильные ядерные взаимодействия были в симмет-

н*

рии с гравитационными, а электромагнитные — со слабыми взаимодействиями. Только благодаря нарушению симметрии между ядерными и гравитационными силами стало возможным образование звезд, галактик и других космических объектов и систем. Полагают, что именно разрушение симметрии между ядерными и гравитационными силами было самым первым и важнейшим условием структурирования материи на микро- и макроуровне¹.

Аналогично этому, нарушение симметрии между электромагнитными и слабыми взаимодействиями привело к образованию огромного множества тел, форм и систем, которые составляют окружающий нас мир. Таким образом, благодаря разрушению симметрии между разными типами физических взаимодействий стало возможным не только возникновение микро- и макрообъектов, но и последующее взаимосвязанное развитие микроскопической и макроскопической ветвей эволюции. Микроэволюция обеспечила условия для развертывания макроэволюции, поскольку именно воздействие гравитационных сил привело к образованию звезд, галактик и других космических объектов и систем. В свою очередь, гравитационные силы и ударные волны способствовали возникновению и развитию ядерных реакций внутри звезд, ядер галактик и их скоплений. Следовательно, микро- и макроэволюция взаимно обусловливали и дополняли друг друга. Поэтому здесь допустимо говорить об их коэволюции. Отсюда становится ясным, что возникновение и эволюция физических, химических, геологических и других систем неорганической природы прочно укладываются в рамки космической и земной эволюции. Как уже отмечалось выше, первые атомы водорода и гелия возникли на стадии микроэволюции. Остальные химические элементы образовались в результате ядерных реакций из дозвездного вещества, состоящего из легких элементов.