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.

По мере расширения и охлаждения во Вселенной происходили процес сы разрушения существовавших раньше симметрий и возникновения на этой основе новых структур.

Тот факт, что любая эволюция сопровождается разрушением симметрий, непосредственно следует из принципа положительной обратной связи, согласно которому неравновесность и неустойчивость, возникающие в открытой системе вследствие взаимодействия системы со средой, со временем не исчезают или ослабляются, а, наоборот, усиливаются. Это приводит в конечном счете к разрушению прежних симметрий и, как следствие, к возникновению новой структуры. Очевидно, что о первоначальной эволюции Вселенной мы можем судить

¹ См.: Jantsch E. The Self-Organizing Universe. Oxford, 1980. P. 84.

только на основании тех результатов, которые известны нам сегодня. Поэтому любая модель Вселенной, которая строится для объяснения современного ее состояния, в частности «разбегания галактик», сопровождающегося расширением Вселенной, должна учитывать эти факты. Другими словами, о ранней эволюции Вселенной мы можем делать заключения только путем экстраполяции, или распространения известного на неизвестное, и выдвижения гипотез о неизвестных этапах ее развития.

Предполагают, что одним из первых результатов расширения и соответственно охлаждения Вселенной было нарушение симметрии между веществом и антивеществом, например такими одинаковыми по свойствам, но разноименно заряженными материальными частицами, как электрон, несущий отрицательный заряд, и позитрон с противоположным положительным зарядом. Как возникло подобное нарушение симметрии, остается только догадываться. Неясным остается также то, каким способом антивещество оказалось отделенным от вещества и что удерживает их от аннигиляции, или уничтожения.

В общих чертах формирование Вселенной, согласно стандартной модели, представляется следующим образом. Пока температура была далека от точки перехода, первоначальная смесь вещества и антивещества находилась в тепловом равновесии и количество частиц разного рода оставалось приблизительно одинаковым. Между частицами происходили непрерывные столкновения, в результате чего возникали пары фотонов, а из столкновения последних - электрон и позитрон.

На этой стадии происходило непрерывное превращение вещества в излучение и, наоборот, излучения в вещество. Вследствие этого между веществом и излучением сохранялась симметрия.

По-видимому, этот период существования Вселенной можно образно представить как периодическую смену темноты светом. Нарушение этой симметрии произошло после дальнейшего расширения Вселенной и соответственно понижения ее температуры. Именно на этой стадии возникли более тяжелые ядерные частицы — протоны и нейтроны. Самым же главным результатом этой стадии микроэволюции нашей области Вселенной было образование крайне незначительного перевеса вещества. Как раз из этого излишка в процессе дальнейшей эволюции возникло то огромное богатство и разнообразие материальных образований, явлений и форм, начиная от атомов, молекул, кристаллов, минералов и кончая разнообразными горными образованиями, планетами, звездами и звездными ассоциациями, галактиками и скоплениями галактик.

Разумеется, в стандартной гипотезе имеется еще немало неясного и даже спорного, но она опирается на такой твердо установленный факт, как смещение спектральных линий света, идущего от далеких галактик, который интерпретируется как удаление, или «разбегание», их от наблюдателя. Кроме того, эта гипотеза основывается на такой фундаментальной идее, как нарушение симметрии в процессе образования все новых и более сложных материальных структур и систем, которая лежит в фундаменте современной концепции системного подхода и синергетической самоорганизации. Этим, однако, не ограничивается связь синергетики со стандартной моделью Вселенной. Процессы микроэволюции Вселенной, продолжавшиеся не менее 10 млрд лет, привели к образованию молекул и тем самым явились предпосылкой для начала макроэволюции Вселенной. Микро- и макроэволюции взаимно обусловливали и дополняли друг друга, вот почему они представляют собой две ветви единого процесса.

Однако наиболее важным для понимания места человека во Вселенной является возникновение жизни на Земле и социально-экономическая и культурно-историческая эволюция человечества.

Биологическая и экологическая эволюции представляют собой необходимые предпосылки для возникновения общества, не говоря уже о том, что многие наши интуитивные представления об эволюции вообще заимствованы из существовавших в разное время биологических знаний. Поэтому нам особенно важно познакомиться с ними, во-первых, для того, чтобы выявить в дальнейшем специфику социальных процессов, а во-вторых, показать ошибочность редукционистских и социал-дарвинистских взглядов на общество.

Собственно биологической эволюции предшествовала длительная предбиотическая эволюция, связанная с переходом от неорганической материи к органической, а затем к элементарным формам жизни. Началом предбиотической эволюции было постепенное возникновение органических молекул из неорганических. Предполагают, что по мере охлаждения Земли возникали все условия для образования сложных органических молекул из молекул неорганических. Такая возможность действительно была доказана экспериментально, и поэтому указанная гипотеза представляется достаточно обоснованной. Но ранее существовавшие гипотезы, защищая автономность элементарной системы жизни, слишком изолировались от взаимодействия с окружающей средой. Даже гипотеза, выдвинутая в 1938 г. А.И. Опариным (1894—1980), хотя и постулировала процесс возникновения биополимеров из мономеров, все же недостаточно подчеркивала роль среды в дальнейшей эволюции жизни.

Парадигма самоорганизации может помочь лучшему пониманию процессов происхождения жизни и дальнейшей ее эволюции. Действительно, с ее помощью можно более адекватно объяснить, каким образом из неорганических молекул возникли органические молекулы, а из последних — первые живые молекулы и клетки. Согласно гипотезе немецкого биофизика М. Эйгена (р. 1927), процесс возникновения живых клеток тесно связан с взаимодействием нуклеотидов, являющихся материальными носителями информации, и протеинов (полипептидов), служащих катализаторами химических реакций. В процессе взаимодействия нуклеотиды под влиянием протеинов воспроизводят себя и, в свою очередь, передают информацию следующему за ним протеину, так что в результате возникает замкнутая автокаталитическая цепь, которую Эйген называет гиперциклом.

В ходе дальнейшей эволюции появляются первые живые клетки: сначала без ядер, называемые прокариотами, а затем клетки с ядрами — экуариоты.

На предбиотической стадии эволюции до возникновения первых живых клеток, как показывают современные исследования, существовали материальные системы, обладавшие способностью к самовоспроизведению, метаболизму и развитию через мутации. Эти фундаментальные свойства, характеризующие жизнь, возникли в результате самоорганизации структур.

В ходе эволюции принцип автокатализа, или самоускорения, химических реакций дополняется принципом самовоспроизведения целого циклически организованного процесса в гиперциклах, предложенных Эйгеном. Воспроизведение компонентов гиперциклов, так же как и их объединение в новые гиперциклы, сопровождается быстрорастущим метаболизмом, связанным с синтезированием богатых энергией молекул и выведением как «отбросов» бедных энергией молекул. Примечательно, что вирусы, лишенные способности к метаболизму, внедряются в клеточные организмы и начинают пользоваться их метаболической системой. Особо следует отметить, что в ходе самоорганизации постоянно возникают мутации, а с ними неизбежно связан отбор.

Парадигма самоорганизации позволяет установить связь между неживым и живым в ходе эволюции, так что возникновение жизни представляется отнюдь не чисто случайной и крайне маловероятной комбинацией условий и предпосылок для ее появления, как заявляли некоторые авторитетные биологи. Нельзя также не отметить, что жизнь сама готовит условия для своей дальнейшей эволюции. Предполагают, что первыми стали осваивать Землю растения, которые появились примерно 50 млн лет назад. Такое предположение представляется доста-

точно обоснованным, так как именно растения способны к фотосинтезу и, следовательно, в состоянии накапливать энергию и отдавать свободный кислород в атмосферу. Затем появились первые животные — гипертрофы, которые стали использовать растения в качестве пищи. В результате дальнейшей эволюции из этих основных царств живых систем возникло огромное разнообразие форм и видов растений и животных, которые, постепенно адаптируясь к окружающей среде, усложняли свою структуру и функции и влияли также на свою среду, главным образом через те экосистемы, в которые они входили.

10.4. Антропный принцип в космологии

Анализируя мировые физические постоянные, или константы, такие, как постоянную Планка, массу протона, заряд электрона, скорость света и другие, ученые задались вопросом: что случилось бы с Вселенной, если бы значения этих постоянных изменились? Например, если бы масса протона возросла на треть, тогда был бы невозможен ядерный синтез, а следовательно, микро- и макроэволюция Вселенной не пошли бы по тому сценарию, который был рассмотрен выше. Аналогично этому при равенстве вещества и антивещества Вселенная превратилась бы в чистое излучение. Негативные последствия могли бы произойти от увеличения или уменьшения значений других физических постоянных.

В связи с этим невольно возникает впечатление о необъяснимом совпадении значений мировых констант. Совокупность таких совпадений называют «тонкой подстройкой Вселенной». Является ли такая подстройка случайной или же она вызвана какими-то неизвестными нам закономерными процессами?

Признание закономерности приводит к выводу, что на какой-то стадии эволюции неминуемо должен появиться человек, который в состоянии наблюдать эти процессы и оценивать значения мировых физических постоянных. Выходит, что Вселенная как-то подстраивается к возможности появления в будущем человека-наблюдателя. Некоторые сторонники крайних взглядов допускают даже, что появление такого наблюдателя является целью развития Вселенной и заложено в ней потенциально с самого начала. Многие ученые, привыкшие рассматривать природу как господство стихийных сил, считают «тонкую подстройку» чисто случайным совпадением.

Эти дискуссии в 70-х гг. XX в. привели к выдвижению так называемого антропного принципа, который существует в двух вариантах. Сто-

ронники сильного антропного принципа, например английский математик Б. Картер, считают, что Вселенная должна быть такой, чтобы в ней на определенной стадии неминуемо появился наблюдатель.

П. Девис в своей книге «Случайная Вселенная», критикуя сильный вариант антропного принципа, утверждает, что его сторонники считают, что Вселенная изначально приспосабливалась для существования жизни. Поэтому и начальные условия, и законы физики подстраивались так, чтобы гарантировать возникновение жизни и появление наблюдателя.

Защитники слабого варианта считают, что появление наблюдателя должно быть связано с определенной стадией эволюции Вселенной, когда сложатся условия, которые допускают такую возможность.

Таким образом, антропный принцип должен объяснить, почему Вселенная именно такова, какой мы ее наблюдаем. Поиски такого объяснения предполагают использование не только философско-ми-ровоззренческих, но и естественнонаучных аргументов. Поэтому антропный принцип включает разнородное содержание. С философской точки зрения можно утверждать, что объективно существующие фундаментальные свойства Вселенной таковы, что на определенном этапе ее эволюции они привели к появлению наблюдателя.

С естественнонаучной точки зрения возникновение антропного принципа следует рассматривать в тесной связи с происхождением жизни во Вселенной, а также принципиальной возможностью появления других, отличных от нашей Вселенной миров. По мнению Р. Дикке, жизнь во Вселенной не может появиться раньше, чем сменится первое поколение звезд, в результате разрушения которых появится вещество, содержащее углерод, кислород и другие химические элементы, необходимые для возникновения жизни. Только после возникновения звезд второго поколения начинается отсчет звездного времени и появляется возможность зарождения жизни. Таким образом, рассматривая зависимость появления человека от универсальных мировых констант, в частности от возраста Вселенной, Дикке попытался дать биологическое объяснение антропному принципу.

Дискуссии вокруг антропного принципа в космологии, как нетрудно заметить, приобретают философский характер, поскольку они касаются проблемы предопределенности развития Вс

⇐ Предыдущая10111213141516171819Следующая ⇒

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: