3. 4 НЕКОТОРЫЕ ПРИЛОЖЕНИЯ КОНЦЕПЦИЙ СОВРЕМЕННОГО ЕСТЕСТВОЗНАНИЯ
Цели и задачи раздела:
1.Проиллюстрировать идеи синергетики на примерах самоорганизации
иэволюции космических, планетарных, биологических и социальных систем (Вселенная, Земля, человек, общество).
План
1.Самоорганизация и эволюция Вселенной
2.Эволюция звезд и звездно-планетных систем
3.Самоорганизация и эволюция Земли
4.Самоорганизация и эволюция живого вещества
5.Самоорганизация и антропогенез
6.Самоорганизация, организация и социогенез
3.4. 1 САМООРГАНИЗАЦИЯ И ЭВОЛЮЦИЯ ВСЕЛЕННОЙ
1.Структура Вселенной
По оценкам современной науки возраст Вселенной около 15-20 млрд. лет. Она состоит из огромного числа метагалактик. Метагалактикой называ- ют ту область Вселенной, которая доступна на сегодняшний день для наблю- дения современными методами. Метагалактика состоит из галактик, про- странство между которыми заполнено чрезвычайно разреженным межгалак- тическим газом. Оно пронизывается космическими лучами, в нем существу- ют гравитационные и электромагнитные поля. Одиночные галактики практи- чески не встречаются. Как правило, они образуют скопления размерами до 106 парсек (1 пс = 3*1013км). В масштабах 109пс и выше Вселенную можно считать однородной и изотропной.
Наша Галактика — Млечный Путь представляет спиралеобразное обра- зование, сбоку напоминающее диск, в ней насчитывается порядка триллиона (1012) звезд. Диаметр этого диска 3*104 парсек. Пространство между спираль- ными рукавами заполнено пылью, газом, излучениями, которые составляют около 1% от массы Галактики. Галактика вращается вокруг своего оси с пе- ременной угловой скоростью. В центре Галактики и ее спиральных рукавах интенсивно идут процессы звездообразования, достаточно часто отмечаются вспышки сверхновых звезд. Наша звезда Солнце — маленький желтый кар- лик — находится далеко от центра Галактики. Земля, на которой мы живем и вовсе песчинка в океане Вселенной.
Если принимать Вселенную как открытую термодинамическую систему, то везде и всюду идет глобальный процесс самоорганизации материи, модель которого описана в разделе 3. 2. 3. Ежедневно где-то гаснут старые и загора- ются новые звезды, рождаются и умирают планеты, рассыпается и превраща- ется в хаос микрочастиц вещество, а потом снова организуется в зримые мак- ротела.
148
Как устроена Вселенная, как живет и развивается, конечна она или бес- конечна, каков ее возраст, было ли у нее начало и будет ли конец — эти во- просы издавна волновали человечество. И сегодня на большинство этих во- просов наука не может дать однозначных ответов. Несмотря на огромные достижения в исследованиях Вселенной, она лишь приоткрыла краешек зана- веса, за которым скрыта ее тайна.
История науки знает множество моделей эволюции Вселенной и отдель- ных ее частей. К концу XIX века сформировалась убежденность в том, что Вселенная неизменна и бесконечна в пространстве и времени (стационарная космологическая модель). Для построения такой модели были использованы принципы классической механики и евклидовой геометрии.
Однако, к началу ХХ века появились данные о том, что звездные скоп- ления и туманности не остаются на месте, а удаляются от Земли с различны- ми скоростями. Американский астроном П. Ловелл (1855-1916) измерил лу- чевые скорости некоторых из них по величине красного смещения в их спек- трах. Это был первый сигнал о том, что мир, в котором мы живем далек от статичности.
В начале ХХ века А. Эйнштейном была создана общая теория относи- тельности, которая стала прародительницей нескольких моделей Вселенной.
1.Модель Шварцшильда. Возможна такая тяготеющая система, у кото- рой все массы сосредоточены внутри сферы радиуса r; из-за мощного притя- жения никакое излучение не может выйти за пределы этой сферы. У большей части звезд нашей Вселенной (за исключением черных дыр) радиус Шварц- шильда меньше их размеров, вследствие чего они излучают энергию в разных диапазонах длин волн и являются видимыми. Применив теорию Эйнштейна ко всей Вселенной, Шварцшильд нашел, что она является замкнутой.
2.Модель Эйнштейна-Фридмана. Чтобы не отступать от общепринятой идеи статичности Вселенной Эйнштейну пришлось в выведенные им уравне- ния, описывающие ее состояние, искусственно ввести так называемую «кос- мологическую постоянную». В начале 20-х годов русский математик А. Фридман (1888-1925), пришел к выводу: если Вселенную считать однородной
иизотропной, должно наблюдаться ее непрерывное расширение или сжатие в зависимости от величины плотности материи Вселенной.
V, км/с
100
500
0 |
R, Мпс |
Рис. 12 Зависимость скоростей галактик от их рас-
стояний до Земли
149
И очень скоро нашлись подтверждения этой теории. В 1925 году амери- канский астрофизик В. Слайфер (1875-1969), измерил лучевые скорости уда- ления от Земли 41 галактики. В 1926 году другой американский астроном Э. Хаббл (1889-1953), наблюдая за блеском переменных звезд — цефеид, опре- делил расстояния до других галактик. Сравнение расстояний до галактик со скоростями их удаления позволило Хабблу в 1929 году установить следую- щую закономерность:
V = H*R,
где V — скорость удаления галактики, R — расстояние до нее, Н — по- стоянная Хаббла, причем Н = 1/Т0, где Т0 — возраст Вселенной (рис. 12).
Многочисленные исследования показали, что в среднем Н = 75 км/с*Мпс, а Т0 = 20 млрд лет!.
Но, если Вселенная расширяется, то какие же размеры она имела 15-20 млрд лет назад? Что это было, и как шла эволюция Вселенной?
2. Гипотеза Большого Взрыва
Одной из наиболее распространенных в научном мире является гипотеза «горячей Вселенной» или гипотеза «Большого взрыва». Идею Большого взрыва высказал каноник Леметр, президент папской академии в Риме, а тео- рию разработал в сороковых годах американец русского происхождения Г. Гамов (1904-1968) — личность выдающаяся для ХХ столетия. Он также раз- работал теорию α-распада, теорию образования химических элементов, пред- ложил первую модель генетического кода.
Теория Большого взрыва рисует перед нами грандиозный процесс эво- люции материи, бесконечный в пространстве и времени. По этой теории мо- дель эволюции Вселенной следующая. Вначале Вселенная представляла шар малых размеров — сингулярность, состоящий из элементарных частиц и фо- тонов. Под влиянием фундаментальных взаимодействий, которые были «сплавлены воедино», непрерывно протекал процесс их взаимного превраще- ния. Откуда взялась эта сингулярность, никто ни объяснить, ни предположить не может. В результате каких-то флуктуаций процесс взаимного превращения частиц и излучения стал нестационарным, произошел взрыв и началось рас- ширение. И вот уже 20 миллиардов лет мир летит, обретая новые качества. Схема этого процесса представлена на рис. 13.
При расширении уменьшалась плотность и температура газа. В рамках предложенной модели эти зависимости имеют вид:
ρ = 8*105/t2 , г/см3 Т = 1011/t, К,
где ρ — среднее значение плотности материи в момент времени t, а Т — температура. Буквально через доли секунды после взрыва температура Все- ленной была 1016-1018 К. При таких гигантских температурах вещество может существовать лишь в виде смеси элементарных частиц (плазмы). Для этого состояния характерны хаотическое движение частиц, высокая энтропия, от- сутствие обратной связи.
При высоких температурах энергии частиц (а, следовательно, и их ско- рости) настолько велики, что соединение частиц в более сложные образова-
150
ния (атомы) просто невозможно. При расширении Вселенной с понижением температуры и давления меняется качественный состав элементарных частиц.
|
|
|
|
|
|
t = 105 лет |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ЭПОХА ГАЛАКТИК |
Т = 104 К |
|||
|
|
|
|
|
|
t = 20с, Т = 1010К |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ЭПОХА ИЗЛУЧЕНИЯ |
|
|||
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
t = 10-4с, Т = 1015К |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ЭПОХА ЛЕПТОНОВ |
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
ЭПОХА АДРОНОВ |
t = 10-23 с |
ХАОС |
t = 10-43 с |
|
|
сингулярность
Рис. 13 Процесс самоорганизации Вселенной
Уже через промежуток времени 10-23 с во Вселенной стали преобладать тяжелые частицы. До этого момента все четыре типа фундаментальных взаи- модействий были объединены, затем они стали постепенно разделяться. Со- временная наука может наблюдать их только по отдельности. Дальнейшее расширение было связано с превращением тяжелых частиц в легкие, и при- мерно через 10-4с наступила эпоха легких частиц. В этот период аннигиляция частиц и античастиц приводит к появлению мощного поля излучения и при- мерно через 10с от начала взрыва, когда температура стала 1010К, а плотность материи 8*103 г/см3, наступает эпоха излучения. К этому моменту во Вселен- ной еще оставалось относительно небольшое число тяжелых и легких частиц, между которыми «вяло» протекали процессы превращения. Примерно через 100с температура упала до 109К, а плотность до 80 г/см3 (но и сегодня на Земле нет ни одного вещества, которое бы имело такую плотность). Сниже- ние температуры привело к снижению скоростей частиц, а, следовательно, к увеличению времени их столкновения. Но так как энергия фотонов все еще
151
была значительно больше энергии связи электронов и ядер, образования ато- мов не происходило. Процесс синтеза легких атомов (преимущественно во- дорода и гелия и небольшого количества лития и бериллия) начался при тем- пературе 107К. При образовании атомарных систем преобладают сильные и электромагнитные взаимодействия, благодаря этому на микроуровне проис- ходит упорядочивание отдельных частиц, снижается энтропия микросистем, хотя в макромасштабе повышение энтропии продолжается. Через несколько часов от начала взрыва образование легких химических элементов закончи- лось.
Сверхплотная материя превратилась сначала в образование с плотно- стью, близкой к плотности воды, через несколько часов плотность стала сравнима с плотностью нашего воздуха, а сейчас средняя плотность материи во Вселенной составляет всего 10-31 г/см3 . Когда разные типы взаимодейст- вия разделились, произошло структурирование материи в атомы. Ведущую роль в масштабах Вселенной начали играть силы гравитации. Под их влияни- ем и происходит ее самоорганизация и структурирование. Эти детали удалось воспроизвести с помощью методов математического моделирования на ЭВМ.
Вселенная стала «прозрачной», но «эхо Большого взрыва» — остатки «реликтового» излучения должны были сохраниться до наших дней. И хотя его интенсивность очень слаба (всего 500 фотонов на 1 см3), а температура 2- 10 К оно, все-таки было обнаружено в шестидесятых годах ХХ столетия дву- мя американскими учеными А. Пензиасом и Р. Уилсоном. . Не менее важным подтверждением того, что именно так и происходило рождение Вселенной
служат исследования высокотемпературной плазмы и физики элементарных частиц, проводимые на Земле.
3. Образование галактик
Однородная прозрачная Вселенная просуществовала недолго. Уже через небольшой промежуток времени стали возникать флуктуации плотности ма- терии и области, где образовались уплотнения или протогалактики. Под действием сил гравитационного притяжения уплотнения увеличивались и на- чинали отставать от общего темпа расширения Вселенной. Некоторые уплот-
нения стали вращаться и с течением времени образовали дискообразные и спиральные галактики. Другие стали эллиптическими или вообще бесфор- менными (туманность Конская голова в созвездии Ориона, Большое и Малое Магеллановы облака и др. ).
Протогалактики также были неоднородны, в них существовали (и суще- ствуют) уплотнения — сгущения пылевых облаков, диффузные туманности, в которых концентрация материи более высока, чем в соседних областях. По мнению большинства астрономов в результате сгущения облаков и туманно- стей под действием сил гравитации, в них возникают уплотнения — зарож- даются протозвезды Со временем материя протозвезд еще более уплотняет- ся и разогревается так сильно, что начинаются реакции термоядерного синте- за с выделением большого количества тепла. С ростом температуры внутри
уплотнений возрастает давление и начинает уравновешивать давление сил
152
гравитации. Протозвезды превращаются в шаровые стационарные образова-
ния — звезды.
4. Химическая эволюция
Одной из важнейших космологических проблем является проблема про- исхождения и относительного распределения химических элементов во Все- ленной. Как сложился универсальный химический состав космического ве- щества (70% Н, 25% Не, а остальное более тяжелые элементы), как возникло стандартное соотношение между водородом и гелием, двумя первыми эле- ментами менделеевской таблицы, — вот проблема в поисках решения кото- рой физики обратились к звездным недрам, где интенсивно протекают реак- ции превращения атомных ядер. Теоретические расчеты показывают, что при условиях, которые осуществляются в центральных областях звезд, подобных Солнцу, никакие элементы тяжелее гелия не могут образовываться в сколько- нибудь существенных количествах.
А что если элементы образовались не в звездах, а сразу во всей Вселен- ной на первых этапах космологического расширения? Универсальность хи- мического состава при этом автоматически обеспечивается. Внешние условия
— высокая плотность и температура, необходимые для реакций такого рода, были. Теория происхождения химических элементов потребовала трудоемких расчетов. В итоге стало очевидным, что космическая распространенность во-
дорода и гелия действительно может быть объяснена ядерными реакциями в горячем веществе ранней Вселенной. Более тяжелые элементы по-видимому должны синтезироваться другим путем, например, при вспышках сверхновых звезд.
5. Будущее Вселенной
Модель «горячей Вселенной» на сегодняшний день не является единст- венной моделью эволюции Вселенной. В 1948 г. астрофизики Х. Бонди, Т. Гоулд, Ф. Хойл высказали идею: несмотря на разбегание галактик, плотность материи в данной конкретной области не меняется. Рождается новое вещест- во, из которого образуются новые галактики, и Вселенная выглядит неизмен- ной, т. е. число галактик в любом заданном достаточно большом объеме ос- тается постоянным.
Что будет со Вселенной в будущем? Теория Эйнштейна — Фридмана
допускает различные варианты в зависимости от средней плотности материи (рис. 14) . Если она меньше, чем критическая (10-29 г/см3), то мы живем в от- крытой бесконечной Вселенной, в которой галактики всегда будут удаляться друг от друга. Средняя плотность материи при этом будет уменьшаться, а от- дельные компоненты ее — видоизменяться. Звезды будут остывать и все меньше будет вспыхивать новых и образовываться молодых звезд. Наконец, через 1014 лет остынут все карликовые звезды, исчерпав ядерное горючее.
153
R
Открытая Вселенная
Закрытая Вселенная
Начало Сегодня |
t |
|
Рис. 14 Модели развития Вселенной
Если средняя плотность вещества больше критической, то мы живем в закрытой, пульсирующей Вселенной. В этой модели расширение будет длиться около 1011 лет. Достигнув при этом очень большого разрежения, Вселенная начнет сжиматься, ее объем сократится до сверхплотной сингу- лярности. После этого возможно повторение цикла. Если средняя плотность вещества Вселенной сохраняется, мы живем в стационарной Вселенной. Од- нако этой модели противоречат экспериментальные наблюдения за разбега- нием галактик.
По современным оценкам масс, входящих в галактики, наиболее вероят- ная средняя плотность материи во Вселенной 10-31 г/см3. То есть по крайней мере на порядок не обеспечивается «закрытие» Вселенной. Но пока нет на- дежных данных о межгалактическом веществе. И все же большинство космо- логов склоняются к заключению, что Вселенная открыта.
Но и в случае «закрытого» мира Вселенная не имеет никаких границ — она конечна, но и безгранична. Такой парадокс связан с тем, что гигантские массы вещества искривляют пространство, оно становится римановым. В нем отсутствует представление о прямолинейности, к которому мы привыкли, проживая в трехмерном пространстве. Световые лучи в римановом простран- стве уже не распространяются прямолинейно, а прямая линия уже не будет кратчайшим расстоянием между двумя точками. Простейшим примером та- кого криволинейного двумерного пространства является поверхность сферы.
Новые понятия и термины: парсек, модель «расширяющейся Вселен- ной», гипотеза «Большого взрыва», сингулярность.
Ведущие идеи:
-Вселенная как самоорганизующаяся система; -глобальность процессов, протекающих во Вселенной; -гипотезы о происхождении Вселенной и их обоснование.
154