Этапы космической эволюции

Поскольку третья научная картина мира рассматривает Вселенную как результат глобальной мировой эволюции, то важной задачей нынешней науки является установление механизма или движущих сил этой эволюции. Почему в мире все развивалось по восходящей линии, шло путем прогресса, постепенно поднимаясь от более простого и менее совершенного к более сложному и более совершенному? К тому же существуют убедительные научные аргументы в пользу того, что развитие должно идти по нисходящей, Вселенная должна не совершенствоваться, а деградировать, то есть переходить ко все более простому, а в итоге — к простейшему состоянию. Эти аргументы вытекают из такой дисциплины как термодинамика (от греч. thermos — теплый и dynamis — сила). Она представляет собой науку о различных тепловых явлениях, о переходах и превращениях тепла. В термодинамике есть два начала или закона. Первый из них звучит так: теплота может как угодно переходить от любого тела к любому другому телу, лишь бы общее ее количество оставалось неизменным. Проще говоря, если где-то теплоты добавилось (одно тело, например, нагрелось на сколько-то градусов), то где-то ее должно в таком же количестве убавиться (другое тело остыло ровно на столько градусов, насколько первое нагрелось). Это первое начало термодинамики называют также законом сохранения и превращения энергии. Итак, в силу первого начала, теплота может переходить от тела к телу в любом направлении. Однако второе начало термодинамики является ограничением первого, и говорит, что переход тепла возможен не в любом, но только в одном направлении. Приведем простой пример. Допустим, перед нами находятся два тела, между которыми происходит теплообмен. Одно из них имеет температуру 100°С, а другое — 50°С. Возможно ли, чтобы второе тело отдало первому 25°С своей теплоты и остыло бы на эти 25° для того, чтобы второе на эту же величину нагрелось, то есть, чтобы первое стало иметь температуру 125°С, а второе — 25°С? Возможно ли, чтобы теплота самопроизвольно переходила от менее нагретого тела к более нагретому? Первый закон термодинамики такой переход не запрещает, лишь бы количество теплоты (энергии) сохранялось в прежнем объеме. Второе начало термодинамики говорит о невозможности этого перехода и звучит так: «Теплота не переходит самопроизвольно от холодного тела к более горячему». Все происходит наоборот: теплота всегда переходит только в одном направлении — от более горячего тела к менее горячему. В нашем примере первое тело непременно должно остыть на 25°С, а второе нагреться на эту же величину, после чего и у первого тела, и у второго будет одинаковая температура (по 75°С). Как видим, теплота стремится к равномерному распределению между телами, стремится к равновесию.

Из этой закономерности вытекает следующий печальный вывод. Если говорить о Вселенной в целом, то вся ее теплота (энергия) с течением времени должна будет равномерно распределиться между всеми ее частями. Стремление к тепловому равновесию называется возрастанием энтропии. Максимальная энтропия представляет собой хаос. Это значит, что макротела рассыплются на молекулы, молекулы — на атомы, а атомы — на элементарные частицы, которые будут хаотично носиться в мировом пространстве. Наступление теплового равновесия во Вселенной будет означать ее превращение в хаос или «тепловую смерть Вселенной». Для пояснения приведем пример.

Человеческое тело, как правило, теплее окружающей среды. Если установится тепловое равновесие между телом и средой (например, температура и среды, и тела равна +20°С), то это будет означать смерть тела. Так и тепловое равновесие во Вселенной равносильно ее смерти. Из хаоса, как утверждали древние греки, она родилась, в хаос же, по законам термодинамики, должна возвратиться.

Однако возникает закономерный вопрос: если Вселенная движется к хаосу, то каким образом она могла не только возникнуть, но и развиться до нынешнего сложного и упорядоченного состояния. Более того, мы наблюдаем дальнейшее усовершенствование мира: постоянно происходит увеличение его сложности, дальнейшая восходящая эволюция. Получается, что Вселенная вопреки прогнозам термодинамики стремится прочь от теплового равновесия и хаоса. Почему? Древние сказали бы, что существует некая разумная, бестелесная сила (Бог или Мировой Разум), которая не позволяет Вселенной рассыпаться в прах и постоянно поддерживает ее в состоянии гармонии и совершенства.

Современная наука говорит, что материя обладает не только разрушительными свойствами, но и созидательными, что она — не пассивное начало мира, способное только к распаду, но, скорее, активное, способное осуществлять работу и против термодинамического равновесия, могущее самоорганизовываться и самоусложняться. В нынешнем столетии появилась уже упоминавшаяся научная дисциплина — синергетика (от греч. synergos — совместно действующий), которая изучает механизмы и законы самоорганизации различных материальных объектов и систем. Иначе говоря, синергетика пытается ответить на вопрос о том, как из хаоса рождается порядок. В качестве примера синергетического эффекта можно вспомнить замысловатую и необыкновенно красивую форму снежинки, которая представляет собой не что иное, как замерзшую каплю воды. Эта капля может быть охарактеризована в качестве хаоса: в ней происходит беспорядочное движение молекул. Однако при замерзании и превращении в ледяной кристаллик — снежинку — из данного хаоса частичек воды рождается упорядоченная структура, удивляющая нас безупречной правильностью своей формы (когда мы разглядываем снежинку, нам представляется, что она создана в соответствии с какой-то геометрической идеей или художественным замыслом; самым невероятным и удивительным в этом случае нам кажется то, что это всего лишь замерзшая капля воды). Современное естествознание описывает все большее количество явлений природы с помощью синергетической интерпретации. Вселенная в целом также поддается подобного рода объяснению.

Вселенная — это самая большая материальная система из всех возможных. По современным научным представлениям она эволюционировала от простейшего состояния к все более сложному, прошла в своей самоорганизации огромное количество этапов. Наиболее крупными вехами космической эволюции были следующие. 20 млрд лет назад произошел Большой взрыв, в результате которого, условно говоря, из «ничего» родилось «нечто». Всего лишь через одну сотую секунды после взрыва Вселенная имела температуру порядка 100 миллиардов градусов. При такой температуре (которая выше температуры центра самой горячей звезды) ни молекулы, ни атомы, ни даже ядра атомов существовать не могут. Поэтому вещество Вселенной пребывало в виде появившихся в результате Большого взрыва элементарных частиц, среди которых преобладали электроны, позитроны, нейтрино, фотоны, а также в относительно малом количестве протоны и нейтроны. Плотность вещества Вселенной спустя одну сотую секунды после взрыва была колоссальной — в 4 миллиарда раз больше, чем у воды. В конце первых трех минут после взрыва температура вещества Вселенной, непрерывно снижаясь, достигла 1 миллиарда градусов. При этой все еще очень высокой температуре, но уже не такой большой, как сразу после взрыва, стало возможным образование из элементарных частиц ядер атомов. В большинстве своем это были ядра водорода и гелия. Однако вещество Вселенной в конце первых трех минут состояло в основном из фотонов, нейтрино и антинейтрино (то есть из разрозненных элементарных частиц). И только через несколько сотен тысяч лет начали образовываться первые атомы, главным образом, атомы водорода и гелия, которые образовали водородно-гелиевую плазму. Как уже говорилось, в 1965 г. было обнаружено так называемое реликтовое излучение Вселенной, представляющее собой излучение горячей плазмы, сохранившееся с того времени, когда звезд и галактик еще не было. В то время Вселенная была умеренно нагретой плазмой (с температурой около 4000 градусов), заключенной в небольшой области с радиусом в 15 млн. световых лет. Мы говорим «небольшой», потому что ныне расстояние до самой удаленной из наблюдаемых галактик исчисляется 10 миллиардами световых лет. Из этой простейшей плазмы, являвшейся смесью водорода и гелия, в процессе эволюции возникло все многообразие Вселенной. С течением времени под действием гравитационных и электромагнитных сил первоначально почти однородная плазма распалась на огромные сгустки, из которых в дальнейшем образовались галактики и их скопления. Появление галактик произошло приблизительно 17—19 миллиардов лет назад. Примерно 15 миллиардов лет назад появились звезды, а также атомы других элементов (помимо водорода и гелия). Около 5 миллиардов лет назад родилось Солнце. Земля образовалась примерно 4,6 миллиарда лет назад. Приблизительно 3,8 миллиарда лет назад на нашей планете зародилась жизнь. Около 450 миллионов лет назад появились растения, а 150 миллионов лет назад — млекопитающие животные. Примерно 2 миллиона лет назад начался антропогенез (от греч. anthropos — человек и genesis — происхождение) — эволюция человека. Приблизительно 40 тысяч лет назад, как мы уже знаем, появился человек разумный, или homo sapiens.

Мы рассмотрели основные этапы космической эволюции в наиболее обобщенном виде. Понятно, что все указанные временные рамки являются приблизительными. Дальнейшее развитие науки будет все более прояснять и уточнять картину грандиозной истории Вселенной.

Вопросы для самопроверки

В чем заключается одно из главных отличий третьей научной картины мира от второй? Почему третью научную картину мира можно сравнить с цветной кинолентой?

Каковы два начала термодинамики? Какие выводы о будущем Вселенной следуют из второго начала?

Как современная наука объясняет тот факт, что Вселенная вопреки прогнозам термодинамики не деградирует, а совершенствуется? Что такое синергетика?

Какие основные этапы прошла эволюция Вселенной по современным научным представлениям?