31126-1 (Курс Концепции современного естествознания), страница 6

температура связана со звуком, от "начального взрыва" должно остаться реликтовое излучение. Экспериментально обнаружить реликтовый фон микроволнового радиоизлучения из космоса удалось в 1965 году (А. Пензиас, Р. Вилсон), что означало не только расширение, но и остывание Вселенной. В 1970 году Р. Пенроуз и С. "окинг, исследуя так называемые чёрные дыры (коллапсирующие в сингулярность звёздя), доказали существование сингулярности, "дофизической" формы материи в модели Большого взрыва ("окинг 1990: 75-89).

С конца 70-х разрабатывается перспективное направлен,ие в космологии, реконструирующее квантовое рождение Вселенной посредством флуктуаций вакуума, инфляционная модель Вселенной (С. "окинг, А. Д. Линде, П. Дэвис): эволюция Вселенной приводит к возникновению многих областей, где действует инфляция (расширение). В одних областях расширение уменьшается, в других - квантовая флуктуация влечег за собой рост инфляции, быстрое расширение Вселенной. Мы живём в одной из "долин", где пространство больше не "инфлирует" (Павленко 1997: 183).

4. 9 Космическая эволюция ' Исследованию ранней Вселенной помогают эксперименты с помощью гигантских ускорителей элементарных частиц, где достигают таких энергий, которые были в ранней горячей Вселенной. Данные физики элементарных частиц теоретически экстраполируют в прошлое и строят модели космической эволюции (Вайнберг 1981: 12-15, Силк 1982: 102-146, Гут, Стейнхардт 1984: 56-59, Дэвис 1985: 41-51, 1989: 186-225, "окинг 1990: 103-106, Леще 1990, Новиков 1991). На современных ускорителях элементарных частиц удается в течение очень короткого времени воспроизводить физические условия, существовавшие в столь ранние моменты времени, как 10 'и с после Большого взрыва, когда температура достигала 10мК, а Вселенная была размером с Солнечную систему. Это предел энергии, дос~игнутый в настоящее время в физике. За этим пределом путеводной нитью может служить только теория (Дэвис 1985; 44, 1989: 192).

Уровень элементарности (макромолекулы и кристаллы, молекулы и атомы, ядра и нуклоны, кварки и лепгоны) зависит от уровня энергии. Квантовый характер системы ограничен, порог возбуждения зависит от характера системы, он всегда тем выше, чем меньше пространственные размеры системы. Требуется очень малая энергия, чтобы изменить кванговое состояние большой молекулы, больше энергии необходимо для изменения атома и в тысячу раз больше для изменения атомного ядра. Эгу последовательность условий В. Вайскопф назвал квантовой лестницей. Квантовая лестница позволяет раскрывать структуру Вселенной шаг за шагом (Вайскопф 1977: 42).

Наивысшая ступень - газ из протонов, нейтронов и электронов при исключигельно высокой температуре, когда их кинетическая энергия составляет много миллионов электроновольт. Проблема существования "последней" ступеньки квантовой лестницы не решена (Вайскопф 1977: 52, "окинг 1990: 141-142): возможно, природа неисчерпаема, но может быть это и не так (В. Вайскопф), гравитация может, по-видимому, наложить ограничение на последовательность вложенных одна в другую "матрёшек" (С. "окинг). Движение протонов, нейтронов и электронов носит случайный, хаотический характер. При более низкой температуре меньше миллиона электронвольт, адроны группируются и образуют атомные ядра. Десятки ядер и изотопов представляют собой определённые индивидуальные состояния, но движение ядер и электронов всё ещё случайно и неупорядоченно. При ещё более низкой температуре (как на поверхности Солнца) электроны попадают в упорядоченные квантовые состояния, локализованные вокруг атомных ядер - появляется разнообразный мир химических элементов (атомов). На уровне тысяч градусов Цельсия атомы образуют простые молекулы, ещё более разнообразный мир неорганических химических систем. Дальнейший спуск по лестнице приводит нас в энергетическую область, где молекулы группируются в гигантские цепеобразные "живые" молекулы. Для существования живой материи требуется относительно узкий диапазон температур. Самая низкая ступень - нулевая температура, жизнь замрёт и вся материя образует большой кристалл, в котором разнообразие форм будет сохранено, но заморожено в неактивном состоянии.

Весьма вероятно, чго образование материи во Вселенной шло в соответствии со спуском по квантовой лестнице: от высокой энергии к низкой с добавлением нового качества. Если Большой взрыв имел какое-то отношение к действительности, то некоторые из его ранних фаз могли произойти на самой последней ступени квантовой лестницы (Вайскопф 1977: 43-45, 48-53).

Судя по современной скорости расширения Вселенной, оно началось примерно 15-20 млрд. лет назад (Дэвис 1985: 41). В фазе сверхрасширения, каждые 10 ~~ с все области Вселенной удваивали свои размеры, процесс удвоения продолжался в геометрической прогрессии. Чрезвычайно быстрое и непрерывно ускоряющееся сверхрасширение (инфляция) и есть Большой взрыв. Когда инфляция иссякла, Вселенная стала чрезвычайно горячей (энергия вакуума), состояние вакуума распалось, энергия высвободилась в виде излучения, которое нагрело Вселенную до 10' К (Гут, Стейнхардт 1984, Дэвис 1989: 211-212). В момент Большого взрыва размеры Вселенной были равны по радиусу 10 м~ см, а сама она была бесконечно плотной и горячей, но по мере расширения температура излучения понижалась ("окинг 1990: 103).

Историю ранней Вселенной характеризуют последовательностью эпох (эры Планка и великого объединения, адронная и лептонная, плазменная и современная) (Дэвис 198~: 45). Самая ранняя эпоха Планка продолжалась 10 ~~ с, температура 10~~ К, плотность 10~~ кг!ь~, вероятно, были значительными эффекты квантовой гравитации, флуктуации кривизны пространства-времени (Дэвис 1985: 44, 57-58). До 10 и~ с - эра великого объединения: космос заполнен "супом" из счранных, неведомых нам частиц (однообразные, не имеющие индивидуальных свойств), плотность "супа" 10 вв1ь~, температура 10" К, свет не успел пройти и миллиардную долю поперечника протона. Сверхмассивные "-частицы (двойки тяжёлых кварков) "супа" вызвали ассиметрию вещество-антивещество - (10 +1):10, аннигиляция привела к крошечному остатку вещества и гамма-излучению, реликтовый фон которого сегодня равен 3К (моделирование данной фазы основано на экспериментах и теории великого обьединения) (Дэвис 1989: 196-200).

Следующая адронная эра длится до 10 ~ с. Падение температуры вызывает фазовый переход, напоминающий замерзание воды и образование льда, столь же внезапно (через 10 'н с, Т=10" К, Вселенная сжата до размеров Солнечной системы) обретают индивидуальность кварки и лептоны, их античастицы и фотоны. Симметрия продолжает нарушатся. Сильное взаимодействие спустя 10 ~ с создаёт ещё один фазовый переход: самоорганизуются субьядерные структуры, конгломерат быстро движущихся кварков конденсируется, образуя адроны (протоны, нейтроны, мезоны), объединения кварков попарно или по три (устойчивость субьядерных частиц достигалась за счёт энергии внутренних связей, сильных взаимодействий). Ещё одно нарушение симметрии - разделение электромагнитного и слабого взаимодействий. Аннигиляция приводит к исчезновению античастиц и излучению (лептонная эра, до 1с после инфляции, Т=10м~ К). Пространство заполнено хаотически движущимися протонами и нейтронами (отбор на устойчивость 3-х кварковых частиц), электронами и нейтрино (лептонов во много раз больше) и тепловым излучением. Ранняя Вселенная расширялась очень быстро, через минуту температура упала до 10 К, спустя ещё несколько минут - ниже уровня, при котором возможны ядерные реакции

(плазменная эра). Начинается синтез лёгких ядер гелия (два протона и два нейтрона), Избыгок протонов (ядра водорода) привёл к образованию плазмы, состоявшей из 10% ядер гелия и 90% ядер водорода (Дэвис 1985: 41-46, 1989: 186-200).

Далее космическая эволюция временно теряет свой импульс. Примерно 100 тысяч лет после Большого взрыва космическое вещество сохраняло форму разогрегой плазмы из ионизированных водорода и гелия (Дэвис 1989:189). Через 10 лет температура достигает 10 К, образуется атомарньф водород (протон и электрон), вещество разъединяется с излучением. Охлаждение, расширение, падение давления газа вводит в игру гравитацию на макроскопической ветви эволюции. Охлаждающийся газ образовывал сгустки-облака, области повышенной плотности, которые притягивали дополнительное вещество. Сила тяготения увеличивалась, в газовых облаках начинается процесс звёздообразования (Дэвис 1985: 46~7). Именно гравитация отвечает за мезогранулярность Вселенной (планеня и планетные системы, звёзды и звёздные скопления, галактики и скопления галактик). Гравитация обусловила коэволюцию макро- и микрокосма в звёздах. В недрах звезд первого поколения из протонов синтезируется дейтерий (протон и нейтрон, тяжёлый водород) с высвобождением энергии, реакции синтеза превращают дейтерий в гелий, из лёгких ядер образуются тяжёлые (ядра лития, углерода, кислорода). Онтогенез звёзд заканчивается взрывом, выбрасывая в пространство следовые количества элементов, необходимых для образования планет, дальнейшей химической и биологической эволюции. Наш организм состоит из реликтовых осколков давно погасших звёзд (Дэвис 1989: 188-189).

Солнце, звезда второго поколения, также образовалась из облака вращающегося газа, в котором находились осколки более ранних сверхновых. Газ из этого облака пошёл на образование Солнца или был унесён взрывом, но небольшое количество более тяжёлых элементов, собравшись вместе, превратилось в планеты ("окинг 1990: 106). Уникальная совокупность условий, сложившихся более 4-х млрд. лет назад на Земле, положила начало новому этапу эволюции неравновесных процессов (Назаретян 1991: 74).

4.10. Проблемы современной космологии До появления моделей А. А. Фридмана в науке не стояли проблемы возникновения мира. В рамках модели эволюционирующей Вселенной наука должна ответить на вопросы: из чего рождается Вселенная? и почему произошёл Большой взрыв? Если для науки высшим идеалом является эксперимент и теоретическое доказательство, то как научно ответить на вопросы о происхождении мира7 Согласно мифу мир рождается как актуализация воли гипертрофированной силы природы, в религии есть внеприродный творец, для философии - мир рождается как актуализация воли познающего себя разума (Гегель), а в науке?

В науке проблему - чем вызван Большой взрыв? - удаётся решать с помощью исследований вакуума, теорий инфляции и космического бутстрэпа. Вселенная начала своё существование из состояния вакуума, мир рождается как актуализация вакуума. В современной физике вакуум рассматривается как состояние материи, как "фермент" квантовой активности, кишащий виртуальными частицами, сложными взаимодействиями и содержащий гигантскую потенциальную энергию. Вакуум лишён вещества и излучения, но содержит частицы и вещество потенциально, нераспакованно, в возможности. Взорвался вакуум, начал инфлировать самопроизвольно, под действием сил отталкивания, за счёт собственной энергии. Самосоздающаяся Вселенная вытянула сама себя за собственные "шнурки" без помощи внешних факторов (Дэвис 1989: 210-215, Павленко 1997: 206-213).

Вторая группа космологических проблем связана с объяснением удивительных совпадений фундаментальных постоянных как будто ради появления человека во Вселенной. Анализируя физические константы, П. Дирак обнаружил постоянное присутствие величины 10~, например, число нуклонов во Вселенной - 10~~, постоянная "аббла - 10и~, масса звезд ~ - 10~, число протонов в звезде - 10 (Павленко 1997: 236-237). П. Дэвис приводит 9 примеров с числом 40 (Дэвис 1985: 96-97). С другой стороны оказалось, что многие физические свойства и соотношения не выглядят теоретически необходимыми, и с точки зрения современного естествознания Вселенная могла бы обладать другими параметрами. Но если бы масса нейтрино была бы не 5'10 ~' кг, а 5'10 ~, то сила гравитации нейтрино вызвала бы радикальное изменение расширения и уже давно Вселенная начала бы коллапсировать, если бы соотношение количества нейтронов и протонов изменилось на десятую долю процента, то водорода было бы очень мало и не было бы ни воды, ни макромолекул жизни, если бы масса нейтрона была не 1, а 0,9998, то не было бы ни ядер, ни атомов (Дэвис 1985: 98-131). Если бы через секунду после Большого взрыва скорость расширения оказалась хоть на одну сто-тысяча-миллион-миллионную меньше, то произошло бы повторное сжатие Вселенной и она никогда бы не достигла современного состояния ("окинг 1990; 107).

Возникают вопросы: а случайны ли эти совпадения? Вселенная была изначально запрограмированна на возникновение жизни и человека? существуют ли другие формы интеллекта в физической Вселенной? почему существует корреляция мир- наблюдатель? и т. д. В 1973 году Б. Картер на основе совпадений физических постоянных сформулировал антропный космологический принцип: существование разумных существ сильно зависит от счруктуры физического мира, наше существование влечёт за собой строгий отбор типов Вселенной, мы видим Вселенную такой, как она есть потому что, будь она другой, нас бы здесь не было и мы бы не могли ее наблюдать. Есть два варианта объяснения антропного принципа - сильный и слабый. Сильный вариант: эволюция не случайна, а запрограмированна на появление жизни и человека. Слабый вариант: условия, необходимые для возникновения известных нам форм жизни и человека, выполняются только в некоторой области Вселенной. Существуют и иные варианты эволюции в других областях, где либо нет наблюдателей, либо наблюдатели другие. Слабый вариант согласуется инфляционной моделью. Философское осмысление антропного принципа.