Итак, в настоящий момент Вселенная расширяется, ее вещество разлетается, наиболее далекие объекты, видимые в крупнейшие телескопы, удаляются от нас со скоростями, превышающими три четверти скорости света. Процесс расширения и рассеяния первоначальной огромной тепловой энергии привел к структурированию материи. Сейчас эволюция материи идет в направлении все большего местного усложнения диссипативных структур. По крайней мере в одной точке Вселенной - на нашей планете - появилась жизнь, которая продолжает усложняться. Усложняются как организмы так и биоценозы, разумная жизнь строит все усложняющиеся искусственные системы. Возможно, существуют и другие такие «точки роста» сложности, можно предположить появление каких-то связей между ними. Возникает вопрос: до чего же этот процесс может дойти? Что ожидает нас и всю нашу Вселенную вообще где-то в бесконечно отдаленном будущем?
Для Вселенной возможны два варианта, выбор между которыми зависит от средней плотности вещества в ней. Если плотность вещества меньше некоторой критической величины, Вселенная будет расширяться бесконечно. Если больше - силы гравитации смогут остановить разлет небесных тел и расширение сменится сжатием. Критическую плотность можно оценить, зная гравитационную постоянную G и постоянную Хаббла H:
r крит =3H 2 /8pG ~ 10 -32 кг/м 3
Какова действительная плотность вещества во Вселенной, точнее, больше или меньше она критической, неизвестно. Если учитывать только видимое, светящееся вещество, плотность оказывается значительно (в 30 раз) меньше критической. Однако, многие факты указывают на существование намного большей невидимой, «скрытой» массы. Сейчас считается, что средняя плотность Вселенной скорее всего все же немного меньше критической, но полной уверенности в этом нет. Не исключено, что она в точности равна критической и это не случайное совпадение. Так что имеет смысл рассмотреть оба варианта развития.
Рассмотрим сначала первый - «открытую», бесконечно расширяющуюся Вселенную.
Непрерывное расширение сопровождается рассеянием энергии. Локальные «резервуары» концентрированной энергии - звезды - расходуют свое ядерное горючее, сбрасывают и рассеивают в конце жизни часть своей массы и превращаются в мертвые, медленно остывающие остатки либо (при достаточной массе) в «черные дыры». Из сброшенного газа могут возникать звезды следующего поколения, но их становится все меньше и меньше, пока этот процесс не прекращается совсем. Полное угасание всех звезд должно завершиться примерно через 10 14 (сто триллионов) лет. Останутся мертвые остывшие звезды и черные дыры, образующие галактики, а также планеты, небольшое количество очень рассеянного газа и пыли и непрерывно теряющее энергию излучение.
На следующем этапе должна произойти потеря звездами своих планетных систем и потеря галактиками звезд. И то и другое будет результатом тесных сближений звезд, когда гравитационное взаимодействие приводит к обмену импульсом, так что отдельные объекты выбрасываются из связанной системы. При этом планеты будут оторваны от своих звезд, большая часть звезд (примерно 90%) будет выброшена, «испарится», из галактик, а оставшиеся, потеряв импульс, соберутся в массивную черную дыру. Этот процесс идет и сейчас, но очень медленно. Зкончиться он должен через 10 18 лет. К этому времени не будет галактик, останутся лишь равномерно рассеянные погасшие звезды и черные дыры.
Последние этапы эволюции связаны с квантовыми эффектами и следствиями еще во многом гипотетических представлений, вытекающих из теорий объединения фундаментальных взаимодействий. Теория «великого объединения» - объединения сильных и электрослабых взаимодействий - предсказывает конечное времени жизни протона, равное 10 30 -10 32 лет. Если это так, то через промежуток времени такого порядка протоны распадутся и все вещество звезд превратится в электроны, позитроны и нейтрино.
Останутся еще массивные черные дыры. Но оказалось, что и они не вечны. Черные дыры способны «испаряться» благодаря квантовым эффектам. В соответствии с принципом неопределенности вблизи «горизонта» на границе черной дыры возможно возникновение пар частиц, одна из которых остается под горизонтом, а вторая излучается, унося массу и энергию от черной дыры. Этот процесс для массивных черных дыр очень медленный (тем медленнее, чем больше масса дыры) и завершение его требует времени порядка 10 100 лет. После этого кроме невероятно разреженных электронов, позитронов, нейтрино и фотонов не останется ничего.
Что же будет, если средняя плотность превышает критическую? В этом случае расширение сменится сжатием. Как оно будет происходить зависит от того как долго перед этим будет продолжаться расширение. Если плотность лишь ненамного больше критической в процессе расширения (а реально, если она все-таки больше, то только ненамного), то к моменту начала сжатия Вселенная будет состоять лишь из мертвых звезд, черных дыр, нейтрино и фотонов. При сжатии энергия фотонов будет возрастать (благодаря «фиолетовому смещению») причем возрастать в большей степени, чем она убывала при расширении. Фотоны разогреют и испарят мертвые звезды. При увеличении плотности все рассеянное вещество будет поглощаться черными дырами, а в конце все черные дыры сольются в одну гигантскую. При этом не только все вещество сольется и коллапсирует, но само пространство свернется. Может ли такая коллапсирующая масса перейти в сингулярность с бесконечной плотностью и как бы она могла это сделать - неизвестно, современная наука описать это не может. Правда не исключено, что, прежде чем плотность станет бесконечно большой, какой-нибудь неизвестный нам пока механизм может привести к так называемому «отскоку» Вселенной, и снова начнется процесс ее расширения.
Возможность «отскока» рассматривалась и описывалась теоретиками. Здесь вероятна цикличность, когда циклы расширения и сжатия чередуются. При этом каждый следующий цикл оказывается примерно вдвое продолжительнее предыдущего. Таким образом продолжительность стадии расширения может стать такой большой, что захватит и этап распада протона. Тогда новое сжатие начнется в состоянии, когда отсутствуют адроны, а энергия определяется фотонами, образовавшимися при распаде протонов. В этом случае продолжительность следующего цикла уже не удвоится, а удлиннится по крайней мере в 1000 раз. В конце концов очередной цикл практически не будет отличаться от бесконечного расширения. Вообще теоретический анализ такой пульсирующей Вселенной приводит ко многим весьма интересным следствиям, но следует помнить, что сам «отскок» остается гипотезой.
Посмотрим теперь как во все эти сценарии эволюции Вселенной вписывается эволюция структур и, прежде всего, жизни. Динамический диссипативный характер структур требует для их существования потока рассеяния энергии и вещества и соответствующих градиентов концентрации. В начале расширения концентрация энергии и вещества очень высока, а градиенты малы, что препятствует образованию сложных структур. Уменьшение концентраций и усиление неоднородностей в распределении этих концентраций приводит к возникновению все более сложных структур - это мы видим вокруг себя сейчас. Однако, дальнейшее рассеяние вещества и энергии должно привести к уменьшению градиентов и интенсивности потоков энергии, которые окажутся недостаточными для обеспечения существования сложных структур, таких как жизнь. Очевидно, что в развитии расширяющейся Вселенной должен существовать некий пик структурной сложности , после которого она пойдет на убыль. Добралась ли наша Вселенная до такого пика, или максимум еще впереди? Точно сказать нельзя, но во всяком случае мы где-то в районе максимума, который должен быть очень пологим, растянутым на десятки миллиардов лет.
Надо сказать, что если наша Вселенная не «открытая» и расширение когда-то сменится сжатием, в развитии ее структурированности ничего не изменится. На стадии расширения точно так же будет пик максимальной сложности структур и затем упрощение. На стадии сжатия нового усложнения структуры уже не будет - цикл несимметричен. Для возникновения структур необходима диссипация.
Посмотрим теперь как может выглядеть наша собственная судьба, связанная с нашей маленькой планетой. Увеличение численности людей, разрастание искусственной среды обитания уже подошло к своему пределу. Необходима стабилизация как численности населения так и уровня потребления всевозможных первичных ресурсов. Причем для многих видов ресурсов необходима не стабилизация а резкое сокращение потребления. Например запасов руд металлов цинка, олова, ртути и свинца при нынешнем потреблении хватит лишь примерно лишь на 20 лет. Других - больше, но все так называемые невозобновимые ресурсы должны истощиться.
Это, вообще говоря, не очень страшно. Название «невозобновимые» условно. Любое вещество как-то измененное или рассеянное может быть снова сконцентрировано, очищено и вовлечено в оборот, только по мере истощения богатых природных концентратов - руд - это будет требовать все больше затрат энергии . Затраты энергии связаны с ее рассеянием, диссипацией. Это все тот же общий закон: возникновение и существование стабильных структур требует увеличения рассеяния энергии, понижения ее качества - производства избыточной энтропии. Необходимый поток энергии нам обеспечивает Солнце. Следовательно возможность усложнения структуры среды обитания человека, в принципе, ограничена величиной потока энергии от Солнца. И само существование этой структуры возможно лишь пока светит Солнце.
Солнце будет светить долго, но не вечно. Оно должно погаснуть, предварительно раздувшись и без взрыва или со взрывом сбросив значительную часть вещества. Если предположить, что человечество не исчезнет раньше и достигнет огромной технологической мощи, можно допустить, что оно сможет заблаговременно вместе со своей планетой (или без нее) перебраться к другой подходящей звезде, и так далее. Однако, каждое угасание звезды оставляет мертвый остаток, который исключается из дальнейших преобразований. Количество газа, из которого могут образовываться новые звезды, быстро уменьшается, и в конце-концов звезды погаснут все. Очень развитое человечество сможет держаться и тут еще очень долго, экономно сжигая в термоядерной топке запасы водорода больших планет, но в конце-концов и разумная жизнь и вся накопленная в созданных структурах информация исчезнет вместе с нашей Вселенной.
К такому выводу приводит современный уровень знаний. Что будет «потом»? «Потом» не будет, ибо вместе с нашей Вселенной умрет и наше время и наше пространство. Но современная наука говорит о том, что наша Вселенная не может быть единственной. Флуктуации чего-то первичного могут порождать бесконечное множество других вселенных, возможно с другой размерностью и вообще с другими свойствами, в которых тоже развитие может привести к самопознанию.
Мы пришли к выводу, что все реальное и конкретное вокруг нас конечно во времени и пространстве так же как конечна жизнь человека. Бесконечность отодвинулась в область принципиально недостижимого. Сейчас мы можем допустить существование множества миров, возможно и бесконечного множества, возникающих и вырастающих из флуктуаций в некоторой первичной сущности как пузыри в пенящейся жидкости. Эти миры независимы и неспособны обмениваться информацмей. Мы способны познать наш мир, который имеет свою специфическую метрику и пространственно-временную структуру. Он, очевидно, имеет «начало» и «конец». Мы ставим эти слова в кавычки, так как в «начале», по крайней мере, само понятие времени еще не существовало. С того момента, как появилось время в качестве характеристики нашего мира, он развивается от рождения к смерти как от начального бесструктурного состояния к конечному также бесструктурному через очень продолжительный этап «зрелости», характеризующийся возникновением очень сложной структуры. Сейчас идет процесс непрерывного усложнения структуры Вселенной, который, повидимому будет продолжаться еще много миллиардов лет.
Вопросы к главам 5 и 6.
1. Что мы знаем о проблеме возникновения жизни?
2. Как связана эволюция организмов, видов и биосферы?
3. Причина и механизм эволюции жизни по Дарвину. Трудности дарвиновской теории.
4. Как в настоящее время “подправлена” дарвиновсая теория?
5. Особенности биосферы как системы. Чем обеспечивается ее устойчивость?
6. Связь эволюции жизни с общей эвлюцией нашей Вселенной. Единство общих механизмов.
7. Особенности эволюции человека как биологического вида и эволюции биосферы после появления человека.
8. Каковы основные неблагоприятные результаты воздействия человека на биосферу?
9. Чем опасно создание искусственной благоприятной для жизни человека среды – интенсивное сельское хозяйство, культурные парки, “безотходная” промышленность с замкнутыми циклами, - к чему сремятся густонаселенные “развитые” страны?
10. Какие возможны варианты выхода из глобального экологического кризиса?
11. Есть ли жизнь на других планетах Солнечной Системы?
12. Есть ли жизнь в других частях Вселенной?
13. Какова дальнейшая судбба нашей Вселенной?
14. Какой может быть дальнейшая судьба человечества?
Общее заключение
Мы нарисовали современную научную картину мира и показали в самом общем виде каким образом она строилась человеком. Представление о мире в целом, как об упорядоченной системе и понимание своего места в ней необходимо человеку для его существования. Человек начал упорядочивать окружающий мир как только осознал себя, создавая систему мифов. Позже основой системы мира стала наука.
Наука - сфера человеческой деятельности, функция которой - выработка и теоретическая систематизация объективных знаний о действительности. Потребность в таких систематических знаниях, в упорядочении окружающего мира заложена в самой природе человека.
Две стороны науки - добывание фактов, характеризующих окружающий мир и их систематизация - связаны неразрывно. Получение новых объективных научных данных при отсутствии какой-либо исходной теоретической концепции так же невозможно, как и построение чисто умозрительной теории. С первого взгляда представляется, что научная деятельность должна начинаться с «непредвзятого» накопления фактов, но присмотревшись внимательнее нетрудно заметить, что это практически неосуществимо. Ответ на вопрос: «с чего следует начинать?» столь же труден, как ответ на вопрос: «что было раньше: курица или яйцо?».
Наука отвечает на вопрос: «как устроен мир?». Работа науки заключается в поисках связей между фактами, в обнаружении закономерностей , которые позволяют предсказывать новые факты. При этом наука опирается на определенные фундаментальные концепции, которые в известной мере находятся за пределами собственно науки и играют примерно такую же роль как основные постулаты в геометрии. Это концепции объективного существования, единства и простоты мира.
Знание закономерностей позволяет объяснять и предсказывать новые факты посредством логических умозаключений , однако логическая экстраполяция закономерности за пределы той области, в которой она была установлена эмпирически, рано или поздно приводит к противоречиям с существующими фактами. Новые факты не всегда удается вообще логически увязать со старыми путем простого эмпирического обобщения в рамках существующего общего взгляда на мир. В этом случае движение вперед возможно только с помощью радикального пересмотра основных положений, включения новых идей, рождающихся интуитивно, на основе подсознательной обработки всего предшествовавшего опыта.
Конкретным продуктом науки является последовательность теоретических моделей природных процессов и явлений. Модель всегда приближенно отражает явление, так как исчерпывающе полное знание об объекте не достижимо за конечный промежуток времени. Но, несмотря на это, возможно построение адекватных, то есть правильно описывающих все важные для нас стороны явления,моделей, что вытекает из фундаментальных концепций.
В построении картины окружающего мира участвуют более конкретные концепции, главные из которых это концепции стационарности и нестационарности , элемента, континуальная икорпускулярная, пространства, времени, взаимодействия.
Пространство и время согласно современным представлениям образуют единый пространственно-временной континуум, свойствакоторого неразравно связаны со свойствами материи . В то же время для описания устройства и эволюции множества структур нашего мира обычно достаточно рассматривать материю, распределенную в независящим от нее пространстве, и изменяющуюся в независимо текущем времени.
Сейчас можно считать доказанным, что наш мир нестационарен , однако, при описании большого количества процессов и явлений успешно используется концепция стационарности, поцессы и явления описываются в рамках стационарной модели .
Концепции континуальная икорпускулярная стали выглядеть по-новому после появления квантовой механики. Основная идея квантовой механики - пространственно-временная дискретность всех свойств материи. Но в то же время принцип неопределенности, принципиально вероятностный характер квантовых процессов размазывает эту дискретность в соответствии с непрерывным распределением плотности вероятности проявления того или иного свойства.
Основные свойства объектов макромира могут быть выведены из свойств элементарных частиц и их взаимодействий на основе корпускулярной концепции, но успешно описываются и анализируются с помощью континуальной концепции при использовании усредненных характеристик.
Связи , возникающие в результате взаимодействий , приводят к возникновению структур. Закономерное, упорядоченное расположение элементов и тел в пространстве мы называем пространственной структурой, упорядоченный процесс изменения пространственной структуры во времени может быть назван временной структурой. В едином пространстве-времени наш мир образует пространственно-временную структуру.
Хотя в основе всех сложных взаимодействий лежат лишь четыре фундаментальных , используя только законы этих фундаментальных взаимодействий, невозможно объяснить образование всех наблюдаемых структур. В больших, многочастичных системах возникают коллективные эффекты, приводящие к качественно новым явлениям. Изучением больших систем с помощью их обобщенных характеристик занимается термодинамика. Изучение коллективных эффектов и механизма образования макроструктур - предмет синергетики.
Основными понятиями термодинамики являются энергия и энтропия. Энергия определяется как фундаментальное, сохраняющееся во всех процессах свойство материи, количественно измеряемое величиной механической работы, в которую она при определенных условиях может быть превращена. Энтропию можно определить как меру качества энергии, содержащейся в системе, или меру ее реальной способности произвести работу без привлечения внешних воздействий или меру вероятности состояния системы (степени ее неупорядоченности).
Через эти понятия формулируются два основных закона или начала термодинамики - закон сохранения энергии и закон возрастания энтропии . Второй из них гласит, что в изолированной системе могут протекать только процессы, связанные с увеличением ее энтропии.
Наша Вселенная в целом представляет собой изолированную систему и поэтому энтропия ее должна возрастать, что мы и наблюдаем. Возрастание энтропии означает возрастание беспорядка, сглаживание всех неоднородностей, градиентов, понижение качества энергии, исчезновение структур. Однако, реально мы видим, что Вселенная глубоко структурирована, а непосредственно вокруг нас эволюция идет в сторону повышения сложности. Такова эволюция географической оболочки Земли и биосферы.
Причина этого в том, что расширение Вселенной порождает направленный поток диссипации, котрый приводит к катастрофическому росту отдельных флуктуаций и возникновению диссипативных структур. Возникающие структуры связаны с избыточным производством энтропии, хотя локально и наблюдается ее уменьшение. Диссипативные структуры представляют собой динамические системы, далекие от равновесия, существующие благодаря непрерывному обмену энергией и веществом с окружающей средой. На определенных этапах они могут переходить в метастабильные или кавзиравновесные системы.
С понятием структура тесно связано понятие устойчивость , которое означает сохранение всех основных качественных характеристик системы при любых изменениях управляющих параметров в пределах некоторого конечного диапазона.Без устойчивости потеряло бы смысл само понятие структура.
Эволюция структур происходит через потерю устойчивости путем скачкообразного перехода в новое устойчивое состояние, к новой структуре. Скачки при эволюции означают дискретность во времени - неминуемое следствие самого наличия структур - дискретности в пространстве. Можно сказать и наоборот, что дискретность в пространстве есть следствие дискретности во времени. пространственно-временная структурированность – это общее свойство нашего мира.
Эволюция сейчас идет в сторону повышения сложности структур, но более сложные структуры охватывают все меньшую часть материи. Простейшие макроструктуры - первоначальные гравитационные неоднородности – охватывали все вещество; объединенные в галактики звезды главной последовательности включают лишь какие-то проценты всей массы Вселенной; возникшие вместе со звездами второго поколения планеты земной группы составляют лишь малую долю процента от массы звезд; и, наконец, наиболее сложная структура – жизнь – составляет лишь тонкую пленку на поверхности, ничтожную долю процента от массы некоторых планет земной группы. А может быть и не "некоторых", а всего одной, хотя это кажется маловероятным, противоречащим концепции единства мира. Но доказательств обратного – более широкой распространенности жизни во Вселенной – пока нет.
Последний структурный скачок усложнения связан с появлением разумной жизни, осознавшей себя и начавшей переделывать остальную биосферу, превращая ее в ноосферу. Этот скачок еще не завершился. Какой будет ноосфера и возникнет ли такая устойчивая структура вообще пока неизвестно. Главная проблема стоящая перед человеком – это не погибнуть в результате потери устойчивости биосферы и ее разрушения из-за его деятельности прежде чем возникнет новая устойчивая структура.
Из теории Фридмана следует, что возможны различные сценарии эволюции Вселенной: неограниченное расширение, чередование сжатий и расширений и даже тривиальное стационарное состояние. Какой из этих сценариев реализуется - зависит от соотношения между критической и фактической плотностью вещества во Вселенной на каждом этапе эволюции. Для того, чтобы оценить значения этих плотностей, рассмотрим сначала, как астрофизики представляют себе структуру Вселенной.
В настоящее время считается, что материя во Вселенной существует в трех формах: обычное вещество, реликтовое излучение и так называемая «темная» материя. Обычное вещество сосредоточено в основном в звездах, которых только в нашей Галактике насчитывается около ста миллиардов. Размер нашей Галактики составляет 15 килопарсек (1 парсек = 30,8 10 12 км). Предполагается, что во Вселенной существует до миллиарда различных галактик, среднее расстояние между которыми имеет порядок одного мегапарсека. Эти галактики распределены крайне неравномерно, образуя скопления (кластеры). Однако, если рассматривать Вселенную в очень большом масштабе, например, «разбивая» ее на «ячейки» с линейным размером, превышающим 300 мегапарсек, то неравномерность структуры Вселенной уже не будет наблюдаться. Таким образом, в очень больших масштабах Вселенная является однородной и изотропной. Вот для такого равномерного распределения вещества можно рассчитать плотность в, которая составляет величину 310 -31 г / см 3 .
Эквивалентная реликтовому излучению плотность р 510 -34 г / см 3 , что много меньше в и, следовательно, может не приниматься в расчет при подсчете общей плотности материи во Вселенной.
Наблюдая за поведением галактик, ученые предположили, что помимо светящегося, «видимого» вещества самих галактик в пространстве вокруг них существуют, по-видимому, значительные массы вещества, наблюдать которые непосредственно не удается. Эти «скрытые» массы проявляют себя только тяготением, которое сказывается на движении галактик в группах и скоплениях. По этим признакам оценивают и связанную с этой «темной» материей плотность т, которая, по расчетам, должна быть примерно в ~ 30 раз больше, чем в. Как будет видно из дальнейшего, именно «темная» материя является, в конечном счете, «ответственной» за тот или иной «сценарий» эволюции Вселенной 1 .
Чтобы убедиться в этом, оценим критическую плотность вещества, начиная с которой «пульсирующий» сценарий эволюции сменяется «монотонным». Такую оценку, хотя и достаточно грубую, можно произвести на основании классической механики, без привлечения общей теории относительности. Из современной астрофизики нам потребуется только закон Хаббла.
Вычислим энергию
некоторой галактики, имеющей массу m,
которая находится на расстоянии L
от «наблюдателя» (рис.10.2). Энергия Е
этой галактики складывается из
кинетической энергии
и потенциальной энергии
,
которая связана с гравитационным
взаимодействием галактикиm
с веществом массы M
,
находящимся внутри шара радиуса L
(можно показать, что вещество, находящееся
вне шара, не вносит вклада в потенциальную
энергию). Выразив массу M
через плотность ,
,
и учитывая закон Хаббла, запишем выражение
для энергии галактики:
Рис. 10.2 К расчету критической плотности вещества Вселенной
Из этого выражения видно, что в зависимости от значения плотности энергия Е может быть либо положительной (Е 0), либо отрицательной (Е 0). В первом случае рассматриваемая галактика обладает достаточной кинетической энергией, чтобы преодолеть гравитационное притяжение массы М и удалиться на бесконечность. Это соответствует неограниченному монотонному расширению Вселенной (модель «открытой» Вселенной).Во втором случае (Е < 0) расширение Вселенной в какой-то момент прекратится и сменится сжатием (модель «замкнутой» Вселенной). Критическое значение плотности соответствует условию Е = 0, поэтому получаем
Подставив в это выражение известные значения Н = 15 ((км/с)/10 6 световых лет) и G = 6,6710 -11 м 3 /кг с 2 , получаем значение критической плотности к 10 -29 г / см 3 . Таким образом, если бы Вселенная состояла только из обычного “видимого” вещества с плотностью в 310 -31 г / см 3 , то ее будущее было бы связано с неограниченным расширением. Однако, как было сказано выше, наличие «темной» материи с плотностью т в может привести к пульсирующей эволюции Вселенной, когда период расширения сменяется периодом сжатия (коллапсом) (рис.10.3). Правда, в последнее время ученые все больше приходят к мысли, что плотность всей материи во Вселенной, включая и «темную» энергию, в точности равна критической. Почему это так? На этот вопрос ответа пока нет.
Рис. 10.3. Расширение и сжатие Вселенной
10.5 Иерархичность структуры ВселеннойФундаментальные константы играют важную роль в построении масштабов нашего мира. Они позволяют дать некую иерархическую картину структуры Вселенной. Это можно пояснить графически представлениями изменения размеров тел и расстояний, а также их масс (рис. 10.4 и 10.5). Действительно, наиболее естественными и наглядными квалификационными признаками являются размер объекта и его масса. Выделяют
Микромир с характерными размерами меньше, чем 10 -8 м (частицы, ядра, атомы, молекулы),
Макромир (макромолекулы, кристаллы жидкости, газы, живые организмы, человек, объекты техники, т.е. макротела)
Мегамир (планеты, звезды, галактики).
Понятно, что границы микро- и макромира подвижны, и не существует отдельного микромира и отдельного макромира. Естественно, что макрообъекты и мегаобъекты, построены из микрообъектов и в основе макро- и мегаявлений лежат микроявления. Это наглядно видно на примере построения Вселенной из взаимодействующих элементарных частиц в рамках космомикрофизики. На самом деле мы должны понимать, что речь идет лишь о различных уровнях рассмотрения вещества. Микро-, макро- и мегаразмеры объектов соотносятся друг с другом как макро/микро ~ мега/макро. В классической физике отсутствовал объективный критерий отличия макро- от микрообъекта. Это отличие ввел М. Планк: если для рассматриваемого объекта минимальным воздействием (квант действия) на него можно пренебречь, то это макрообъекты, если нельзя - это микрообъект.
Кварки «являются» составной частью протонов и нейтронов, затем из них образуются ядра атомов. Атомы объединяются в молекулы. Если двигаться дальше по шкале размеров тел, то далее следуют обычные макротела, планеты и их системы, звездные скопления галактик и метагалактик, т.е. можно представить переход от микро-, макро- и мега- как в размерах, так и моделях физических процессов. Фундаментальные мировые константы определяют масштабы иерархической структуры материи нашего мира. Очевидно, что сравнительно небольшое их изменение и должно приводить к формированию качественно иного мира, в котором стало бы невозможным образование ныне существующих микро-, макро- и мегаструктур и в целом высокоорганизованных форм живой материи. Имеющая место «подгонка» мировых констант, т.е. определенные их значения и взаимоотношения между ними, по существу, и обеспечивает структурную устойчивость нашей Вселенной. Поэтому проблема, казалось бы, абстрактных мировых констант имеет глобальное мировоззренческое значение.
Антропный принцип требует также, чтобы средняя плотность вещества Вселенной ρ ср была бы близка к критической ρ кр, так как при ρ ср << ρ кр следует, что время существования нашего мира было бы настолько мало, что за это время жизнь не могла бы возникнуть.
Однако современная наука не дает однозначного ответа, какое из этих отношений между ρ кр и ρ ср справедливо, поскольку часть вещества находится в «невидимом» состоянии. Оценка же дает близкие значения ρ кр ≈ 10 -29 г/см 3 , ρ ср ≈ 10 -30 г/см 3 , откуда следует, что уже в рамках ньютоновской механики следует возможность нестационарной или, как мы уже знаем, пульсирующей Вселенной. Из таких вариантов эволюции Вселенной можно сделать следующие выводы: из термодинамических соображений следует, что Вселенную в целом можно рассматривать как открытую систему, в которой происходят необратимые и неравновесные процессы. Во всяком случае, ρ ср и ρ кр близки по своим значениям, и, следовательно, антропный принцип выполняется. Заметим также, что радиус R не должен быть больше критического R кр = 2Gm/c 2 , поскольку в нашем миропонимании и признании ОТО скорость разбегания Галактик не должна превышать скорость света (ν < с ). Показано, что при ρ кр ≈ ρ ср пространство может считаться псевдоевклидовым и число пространственных измерений опять же сводится к трем. Это вообще не удивительно, так как модель развита в рамках теории Ньютона. Заметим еще один интересный результат, полученный в 20-х годах П. Эренфестом (1880-1933): при четном числе пространственных координат не должно существовать замкнутых орбит планет и невозможна передача информации путем волн, что может служить дополнительным свидетельством в пользу трехмерности пространства и правильности антропного принципа.
Наука выделяет четыре основных пути, на которых Вселенная может встретить свою судьбу:
1. Большое Замерзание.
2. Большой Хруст.
3. Большое Изменение.
4. Большой Разрыв.
Первый намек на возможный конец Вселенной приходит к нам из термодинамики, науке о тепле. Термодинамика — это такой проповедник физики с дикими глазами, который держит картонный транспарант с простым предупреждением: «Тепловая смерть грядет».
Несмотря на свое название, тепловая смерть Вселенной не представляется огненным адом. Напротив, это смерть всех уровней тепла. Звучит не очень страшно, но тепловая смерть — это хуже, чем запечься до корочки. Это потому, что почти все в повседневной жизни требует определенных разниц температур, прямо или косвенно. Когда Вселенная достигнет тепловой смерти, везде будет одна температура. Это означает, что ничего интересного больше никогда не произойдет. Все звезды умрут, вся материя распадется, все превратится в редкий бульон из частиц и излучения. Даже энергия этого бульона будет уменьшаться с течением времени в результате расширения Вселенной, оставляя все с температурой едва ли выше абсолютного нуля.
В этом процессе Большого Замерзания Вселенная станет равномерно холодной, мертвой и пустой.
После разработки теории термодинамики в начале 1800-х годов, тепловая смерть выглядит как единственным возможным путем конца Вселенной. Но через 100 лет общая теория относительности Эйнштейна провозгласила, что у Вселенной может быть куда более интересная судьба.
Общая теория относительности говорит, что материя и энергия искривляют пространство и время. Это отношение между пространством-временем и материей-энергии — между сценой и актерами на ней — распространяется на всю Вселенную. Все, что есть во Вселенной, по мнению Эйнштейна, определяет конечную судьбу самой Вселенной.
Теория предсказывает, что Вселенная в целом должна либо расширяться, либо сжиматься. Она не может оставаться в прежнем размере. Эйнштейн понял это в 1917 году и так не хотел это признавать, что отказался от собственной теории.
Тогда в 1929 году американский астроном Эдвин Хаббл обнаружил неопровержимые доказательства того, что Вселенная расширяется. Эйнштейн изменил свое мнение, назвав свою предыдущую настойчивость относительно статической Вселенной «величайшей ошибкой» своей карьеры.
Если Вселенная расширяется, когда-то она должна была быть меньше, чем сейчас. Понимание этого привело к появлению теории Большого Взрыва: идеи о том, что Вселенная началась с невероятно малой точки и быстро расширилась. Мы можем увидеть это по «послесвечению» Большого Взрыва — в качестве космического микроволнового фона — постоянного потока радиоволн, идущих со всех направлений в небе.
Получается, судьба Вселенной зависит от очень простого вопроса: будет ли Вселенная расширяться дальше и как быстро?
Для Вселенной, содержащей обычную «начинку» — материю и свет, — ответ на вопрос зависит от количества этой начинки. Больше начинки — значит, больше гравитации, которая стягивает все назад и замедляет расширение. Пока количество начинки не превосходит критический порог, Вселенная будет расширяться вечно и в конечном итоге умрет тепловой смертью.
Но если начинки будет слишком много, расширение Вселенной замедлится и остановится. Тогда Вселенная начнет сжиматься. Сокращающаяся Вселенная будет становиться все меньше и меньше, плотнее и горячее, пока все не закончится в красочном компактном аду, противоположном Большому Взрыву и известном как Большое Сжатие.
На протяжении большей части 20 века астрофизики не были уверены, какой из этих сценариев возымеет действие. Большое Замерзание или Большое Сжатие? Лед или огонь? Они пытались провести космическую перепись, подсчитав количество начинки в нашей Вселенной. Оказалось, что мы до странного близко находимся к критическому порогу, и наша судьба остается под вопросом.
В конце 20 века все изменилось. В 1998 году две соперничающих группы астрофизиков сделали невероятное заявление: расширение вселенной ускоряется.
Обычная материя и энергия не могли бы повлиять на Вселенную таким образом. Это стало первым свидетельством существования нового фундаментального вида энергии, «темной энергии», поведение которой совершенно загадочно для нас.
Темная энергия расталкивает Вселенную в стороны. Мы пока не понимаем, что это такое, но порядка 70% энергии Вселенной приходится на темную энергию, и это число растет день ото дня. Существование темной энергии означает, что количество начинки во Вселенной не определяет ее конечную судьбу. Космосом управляет темная энергия, она ускоряет расширение Вселенной. Следовательно, сценарий Большого Сжатия маловероятен.
Но это не означает, что и Большое Замерзание неизбежно. Есть и другие возможные исходы.
Один из них произошел не в процессе изучения космоса, а из мира субатомных частиц. Это, пожалуй, наиболее странная из возможных судеб Вселенной: что-то фантастическое и при этом вероятное.
В классическом научно-фантастическом романе Курта Воннегута «Колыбель для кошки», «лед-девять» представляет собой новую форму водяного льда с интересными свойствами: он образуется при температуре 46 градусов, а не 0. Если кристалл льда-девять уронить в стакан с водой, вода вокруг кристалла примет его форму, так как его энергия ниже, чем у жидкой воды. Новые кристаллы льда-девять будут проделывать то же самое с водой вокруг себя, и в мгновение ока цепная реакция превратит всю воду в стакане — или в океанах Земли — в твердый лед-девять.
То же самое может случиться в реальной жизни с нормальным льдом и нормальной водой. Если вы наберете в очень чистый стакан очень чистой воды и охладите ее ниже нуля градусов, вода станет переохлажденной: она будет оставаться жидкой ниже естественной точки замерзания. В воде нет никаких примесей, а в стакане нет неровностей, чтобы начал образовываться лед. Но если вы уроните кристалл льда в воду, вода быстро замерзнет, как лед-девять.
Лед-девять и переохлажденная вода могут показаться мало связанными с судьбой Вселенной. Но что-то похожее происходит с самим пространством. Квантовая физика гласит, что даже в абсолютном вакууме присутствует небольшое количество энергии. Но тогда должен существовать другой тип вакуума, содержащий меньше энергии. Если это так, тогда вся Вселенная похожа на стакан с переохлажденной водой. И будет оставаться таковой, пока не покажется «пузырь» вакуума с низкой энергией.
К счастью, мы не знаем таких пузырей. К несчастью, квантовая физика утверждает, что если низкоэнергетический вакуум возможен, пузырь с таким вакуумом неизбежно появится где-то во Вселенной. Когда это произойдет, то подобно истории со льдом-девять новый вакуум «преобразует» старый вакуум вокруг себя. Пузырь будет расти со скоростью света, и мы никогда не увидим его приближения. Внутри пузыря все будет совершенно другим и явно не гостеприимным. Свойства фундаментальных частиц вроде электронов и кварков могут быть совершенно другими, переписывающими правила химии и, возможно, препятствующими образованию атомов. Люди, планеты и даже сами звезды могут быть уничтожены в процессе этого Большого Изменения. В работе 1980 года физики Сидни Коулман и Франк де Люччия назвали его «глобальной экологической катастрофой».
После Большого Изменения и темная энергия будет вести себя по-другому. Вместо того чтобы подталкивать расширение Вселенной, темная энергия может внезапно свернуть Вселенную саму в себя, заставив ее коллапсировать в Большом Сжатии.
Есть и четвертая возможность, и опять темная энергия занимает центральное место. Эта идея очень спорная и невероятная, но не стоит сбрасывать ее со счетов. Темная энергия может быть намного мощнее, чем мы думаем, и сама по себе привести Вселенную к концу без всяких Больших Изменений, Замерзаний и Сжатий.
У темной энергии есть своеобразное свойство. Когда Вселенная расширяется, ее плотность остается постоянной. Это означает, что со временем она разрастается, чтобы идти в ногу с увеличением объема Вселенной. Это необычно, хотя и не нарушает законы физики.
Тем не менее все может быть намного страннее. Что, если плотность темной энергии увеличивается по мере расширения Вселенной? Точнее, что, если количество темной энергии во Вселенной увеличивается быстрее, чем расширяется сама Вселенная?
Эту идею выдвинул Роберт Колдуэлл из Дартмутского колледжа в Ганновере, Нью-Гемпшир. Он назвал это «фантомной темной энергией». И она приводит нас к невероятно странной судьбе Вселенной.
Если фантомная темная энергия существует, тогда нас ждет темная сторона силы, выражаясь языком «Звездных войн». Сейчас плотность темной энергии чрезвычайно низка, намного ниже плотности материи на Земле или даже плотности галактики Млечный Путь, которая намного менее плотная, чем Земля. Однако с течением времени плотность фантомной темной энергии может нарастать и разрывать Вселенную на части. В работе 2003 года Колдуэлл и его коллеги представили сценарий под названием «космический конец света». Как только фантомная темная энергия становится более плотной, чем конкретный объект, этот объект разрывается в клочья.
Сначала фантомная темная энергия разорвет Млечный Путь, отправив его звезды в полет. Затем разорвется Солнечная система, поскольку притяжение темной энергии станет мощнее, чем притяжение Солнца относительно Земли. Наконец, за несколько минут Земля просто взорвется. Сами атомы начнут распадаться, и уже через секунду Вселенная будет разорвана. Колдуэлл называет это Большим Разрывом. Большой Разрыв, по признанию самого Колдуэлла, «весьма диковинный» сценарий.
Фантомная темная энергия бросает вызов фундаментальным идеям Вселенной, вроде допущения о том, что материя и энергия не могут двигаться быстрее скорости света. Это хорошие аргументы против Большого Разрыва. Наблюдения за расширением Вселенной, а также эксперименты с физикой частиц показывают, что в качестве конца света более вероятно Большое Замерзание, за которым последует Большое Изменение, а затем и Большое Сжатие.
Но это довольно мрачный портрет будущего — века холодной пустоты, которые ждут вакуумного распада и финального взрыва, переходящего в небытие. Есть ли какой-нибудь другой вариант? Или мы обречены?
Очевидно, конкретно у нас нет причин переживать о конце Вселенной. Все эти события произойдут через триллионы лет в будущем, за исключением разве что Большого Изменения, так что пока все идет по плану. Также нет причин беспокоиться за человечество. Если не случится иное, генетический разрыв изменит наших потомков до неузнаваемости задолго до этого. Однако смогут ли разумные существа любого вида, люди или нет, выжить в принципе?
Физик Фримен Дайсон из Института перспективных исследований в Принстоне, Нью-Джерси, рассмотрел этот вопрос в классической работе 1979 года. В то время он пришел к выводу, что жизнь сможет изменить себя, чтобы пережить Большое Замерзание, которое, как считал физик, будет менее проблемным, чем ад Большого Сжатия. Но в наши дни он менее оптимистичен, благодаря открытию темной энергии.
«Если Вселенная ускоряется, это плохие новости, — говорит Дайсон. Ускоренное расширение означает, что мы в конечном итоге потеряем контакт со всем, кроме горстки галактик, что резко ограничит количество доступной нам энергии. — В долгосрочной перспективе такая ситуация будет весьма печальной».
Однако положение вещей может измениться. «Мы на самом деле не знаем, будет ли расширение продолжаться и почему оно ускоряется, — говорит Дайсон. — Оптимистичный взгляд на вещи состоит в том, что ускорение будет замедляться по мере расширения Вселенной. Если это произойдет, будущее будет более благоприятным».
Но что, если расширение не будет замедляться или станет известно, что грядет Большое Изменение? Некоторые физики предлагают решение, безумное в принципе. Чтобы избежать конца Вселенной, мы должны построить собственную Вселенную в лаборатории и удрать в нее.
Один из физиков, работавших над этой идее, это небезызвестный Алан Гут из Массачусетского технологического института в Кембридже; он известен своими работами на тему юной Вселенной.
«Не могу сказать, что законы физики допускают возможность такого, — говорит Гут. — Если это возможно, потребуются технологии, выходящие за пределы всего, что мы можем представить. Это потребует гигантского количества энергии, которую еще нужно будет добыть и удержать».
Первый шаг, по мнению Гута, заключается в создании невероятной плотной формы материи — такой плотной, что она будет на грани коллапса в черную дыру. Если сделать это правильно, а затем быстро убрать материю за пределами этого сгустка, можно получить регион пространства, который начнет быстро расширяться.
По сути, вы провоцируете скачок создания совершенно новой Вселенной. По мере расширения области пространства, граница будет сокращаться, создавая пузырь искривленного пространства внутри чего-то большего. Фанатам «Доктора Кто» это может показаться знакомым, и по словам Гута, TARDIS это довольно точная аналогия того, о чем идет речь. В конце концов, «снаружи» сожмется до нуля, и новорожденная Вселенная начнет собственное существование, независимое от судьбы предыдущей Вселенной. Очевидно, как эта схема сработает на самом деле, совершенно непонятно. Мы даже не знаем, возможно это или нет.
Впрочем, у Гута есть другой источник надежды на лучшую судьбу для нашего мира — проблеск надежды. Гут первым предположил, что в самой юности Вселенная расширилась чрезвычайно быстро за долю секунды, эта идея известна как «инфляция». Многие космологи считают, что инфляция является самым точным описанием расширения юной Вселенной, и Гут предлагает создать новую Вселенную, опираясь именно на этот процесс быстрого расширения.
Инфляция имеет интригующие последствия для конечной судьбы Вселенной. Согласно этой теории, наша Вселенная — это малая часть мультивселенной, множества карманных вселенных, которые плавают вокруг.
«В таком случае, даже если мы убедимся, что наша отдельная Вселенная умрет в процессе замерзания, мультивселенная будет жить вечно, и новая жизнь будет рождаться в каждой отдельной карманной Вселенной, — говорит Гут. — Мультивселенная воистину бесконечная, а в бесконечном будущем отдельные Вселенные могут жить и умирать сколько им вздумается».
В общем, ничего хорошего нас не ждет.
Будущее Вселенной – один из основных вопросов космологии, ответ на который зависит, в первую очередь, от таких характеристик и свойств Вселенной как ее масса, энергия, средняя плотность, а также скорость расширения.
Что мы знаем о Вселенной?
Для начала следует определить само понятие «Вселенная», которое имеет место быть как в астрономии, так и философии. В области астрономии Вселенной называют Метагалактикой или просто астрономической Вселенной. Однако, с теоретической точки зрения, которая учитывается большинством моделей и сценариев развития Вселенной, она представляет собой колоссальную систему, выходящую за пределы возможного наблюдения.
Одним из важнейших свойств Вселенной, которое было открыто относительно недавно – это практически однородное и изотропное расширение, которое также оказалось ускоренным. В зависимости от продолжительности этого расширения история Вселенной может принять один из двух предполагаемых сценариев.
В первом случае расширение будет продолжаться до бесконечности, вместе с этим средняя плотность вещества во Вселенной будет стремительно падать, приближаясь к нулю. Коротко говоря, вся начнется с распада скоплений галактик, а закончится делением протона на кварки.
Второй сценарий учитывает постулаты общей теории относительности (ОТО), которая гласит о том, что при значительном росте плотности вещества искривляется пространство-время. Если расширение все же начнет замедляться, то вероятнее всего в какой-то момент оно обернется сжатием. Тогда Вселенная начнет сжиматься, а средняя плотность ее вещества – стремительно расти. При таком ходе событий, согласно ОТО, пространство-время будет постепенно искривляться до тех пор, пока Вселенная не замкнется сама на себе, вроде поверхности обычной сферы, но с большим количеством измерений, чем мы привыкли себе представлять.
Космологические эпохи Вселенной
В попытках предсказать дальнейшую судьбу астрономической Вселенной, ученые разделили ее существование на следующие этапы:
Несмотря на то, что вещество Вселенной постепенно аннигилирует, само пространство может эволюционировать по четырем гипотетическим сценариям:
- Если со временем расширение Вселенной замедлится, а после — обернется в сжатие, то конечным этапом ее жизни станет Большое сжатие. В результате чего все вещество коллапсирует и вернется в изначальное свое состояние – сингулярность.
- Иной сценарий — средняя плотность вещества Вселенной точно определена и является таковой, что расширение постепенно замедляется.
- Наиболее вероятная, в силу современных результатов наблюдений, модель. Подразумевает равномерное расширение Вселенной, по инерции.
- Стремительный рост скорости расширения Вселенной, который приведет наш мир к так называемому .
Есть два взгляда на то, как возник материальный мир. Религии приписывают Богу руководящую роль в мироустройстве. В частности, Библия говорит о нескольких днях, за которые Бог создал сначала свет, потом воду, потом твердь, следом живые существа - вплоть до человека. Сейчас Церкви утверждают, что «шесть дней» - термин метафорический, где день не равен суткам, а длится намного дольше. Другой, кардинально противоположный взгляд на происхождение видимого, материального мира - научный. Эволюция Вселенной, согласно исследованиям ученых, началась с Большого Взрыва (его еще обозначают термином Big Bang), который произошел 10-15 миллиардов лет тому назад.
Что было до того, как возникло всё существующее? Современная астрономия полагает, что это была сжавшаяся до минимальных размеров сфера, внутри которой под действием высочайших температур и давления двигались свободные Все материальное, которое сейчас заполняет собой безбрежный космос, было сжато в пределах стремящейся к нулю по величине точке, с которой и началось происхождение и эволюция Вселенной. До сих пор неясно, что послужило причиной Большого Взрыва. Однако сам этот взрыв привел к расширению Вселенной, и этот процесс продолжается и сейчас. Что это значит? Что одно и то же количество материальных частиц со временем занимает все больший объем.
Будет ли расширяться материальный мир вечно, или когда-нибудь его разрастание в объеме замедлится, прекратится вовсе, наподобие того, как мы наблюдаем при взрыве гранаты? Возможно, вслед за этим эволюция Вселенной прекратится, и заменится этапом «сворачивания», сужения к первоначальной точке. Мы пока не готовы ответить на этот вопрос с определенностью. Но картина мира, созданная учеными, уже может описать последовательные фазы в разрастании и преображении материи. Первая эра - адронная - длилась всего одну миллионную часть секунды, но за это время произошел процесс аннигиляции антибарионов и барионов, образовались протоны и нейроны.
Второй и третий этапы эволюции Вселенной - лептонный и фотонный - также длились всего несколько секунд. В конце второй эры образовалось нейтринное море, а эпоха фотонов завершилась отделением вещества от антивещества (что произошло вследствие аннигиляции позитронов и электронов). Вселенная все расширялась, что привело к понижению плотности энергии частиц и фотонов. Фотонная стадия сменилась звездной, которая продолжается и сейчас. Однако формирование звезд, галактик и групп галактик происходило (да и происходит) неравномерно.
Прошли миллионы лет после Большого Взрыва, пока простейшие частицы превратились в атомы - преимущественно водорода и гелия (эти атомы являются основной составляющей Вселенной), атомы соединились в молекулы, которые вошли в соединения и образовали кристаллы, вещества, минеральные породы. На протяжении звездной эры, которой на данном этапе заканчивается эволюция Вселенной, были сформированы галактики, планеты, зародилась жизнь на нашей Земле. Можно ли сказать, что «эпический фейерверк» закончился, и мы стоим на остывающих углях среди рассеивающегося дыма?
Ученые пришли к выводу, что эволюция Вселенной продолжается. Завихрения гигантского скопления водорода сплющивают вещество, преображают эти скопления в водовороты. Так рождаются сферические, эллиптические и сплющенные галактики (в зависимости от скорости вращения колоссального - в сто тысяч световых лет - круговорота). К последнему типу галактик принадлежит и наша - Млечный Путь. Внутри галактик под давлением сгустков водорода формируются звезды. Они также проходят длительные стадии эволюции: от раскаленных добела сверхновых до «красных гигантов», «белых карликов» и Те же процессы происходят и с нашим Солнцем, в то время, как Космос продолжает расширяться.