авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ БИБЛИОТЕКА РОССИИ

КОНФЕРЕНЦИИ, КНИГИ, ПОСОБИЯ, НАУЧНЫЕ ИЗДАНИЯ

<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:   || 2 | 3 | 4 | 5 |   ...   | 6 |
-- [ Страница 1 ] --

Р.Е.РОВИНСКИЙ

Сегодня позитивное

познание вещей

отождествляется

с изучением их развития.

П.Тейяр де Шарден.

РАЗВИВАЮЩАЯСЯ ВСЕЛЕННАЯ

Дополненное издание.

2007 г.

ОТ АВТОРА

За 10 лет после выхода в Москве первого издания предлагаемой читателю

книги многое изменилось в научном видении нашего Мира, в научном мировоз-

зрении. Частично пробел в отражении произошедших изменениях устранен во втором издании, вышедшем в 2001 году в Иерусалиме. За прошедшие годы ав тором получены многочисленные положительные отзывы о книге, что стимули рует сделать е доступной для российского читателя и издать дополненный е вариант в Москве.

Вселенная намного сложнее наших представлений о ней, которые далеки от законченности. В данной книге автор в форме, доступной для широкого круга читателей, рассказывает о научной картине Мира сегодняшнего дня, о сформи ровавшейся на ее основе современной научной концепции развития Природы.

Охвачен широкий круг явлений – от микромира до вещественной Вселенной и человеческого общества. Выясняется, что мы живем в развивающемся Мире, в котором господствует недавно открытая субстанция невещественного характера.

Скорее всего, эта субстанция является базовой основой Мегамира. Изучавшаяся до сих пор астрономами и астрофизиками вещественная Вселенная представля ется производной от этой базовой формы материи, а процесс ее развития носит направленный характер – от исходного относительно «простого» состояния к нарастающей сложности и упорядоченности. Вещественная Вселенная предстает как самоорганизующаяся система, и появление на определенном этапе ее разви тия жизни и разума не может рассматриваться как случайность. Перед наукой ближайшего будущего встает проблема выяснения роли жизни и разума в про цессе развития Вселенной.

DEVELOPING UNIVERSE By Reomar E. Rovinsky Copyright ©2007 R.E. Rovinsky All rights reserved including the right of reproduction in whole or in part in any form and the right of using of the principal idea for mass For information write To Reomar E. Rovinsky E-mail: remrovinsky@yahoo.com ОГЛАВЛЕНИЕ Основы естественнонаучной концепции развития 1.

1.1. Человек в развивающемся мире.......................................... 1.2. Три кита, на которых стоит новая космология.............................. 1.3. Что же такое самоорганизация материи?................................... 1.4. Рождение нового научного направления................................... 2. Самоорганизация вещества в ранней Вселенной 2.1. Гипотезы о начале вещественной Вселенной................................ 2.2. Научные представления о строении вещества в сжатом изложении............ 2.3.Самоорганизуемость микромира в ранней Вселенной......................... 2.4.Завершение раннего периода развития Вселенной............................ 3.Структурная самоорганизация Вселенной и ее составных частей 3.1.Формирование структур как этап самоорганизации Вселенной.................. 3.2.Тяжелые элементы - зола ядерных костров................................. 3.3.Солнечная система - малая часть звездной пыли.......................... 3.4.Земля среди планет.................................................... 3.5.Оболочки Земли......................................................... 3.6.От химической эволюции к биохимической эволюции...................... 3.7.Биосфера и феномен человека............................................ 3.8.От биосферы к ноосфере?................................................ 4.Естественнонаучная концепция развития и антропный принцип 4.1 Развитие и информация............................................... 4.2. Феномен "тонкой подстройки........................................ 4.3..Антропный принцип................................................ Литература........................................................ 1.ОСНОВЫ ЕСТЕСТВЕННОНАУЧНОЙ КОНЦЕПЦИИ РАЗВИТИЯ 1.1 Человек в развивающемся мире Из всех обитающих на Земле живых существ только человек, захваченный картиной звездного ночного неба, способен оценить красоту открывающегося его взору зрелища, ощу тить желание познать устройство Мира и глубоко задуматься о своем предназначении в нем.

Более того, с незапамятных времен у людей укоренилась глубокая убежденность, что их жизнь, складывающаяся из повседневных житейских забот, как-то связана со звездами, плане тами и всем тем бескрайним простором, который называют Вселенной. В представлениях об устройстве Вселенной человек ищет ответ на вечный вопрос о смысле своего существования и его духовное развитие во многом определяется такими представлениями.

Знания людей обо всем, что их окружает, концентрируются и обобщаются наукой. И именно она в основном формирует наши представления о Мире и действующих в нем зако нах. По мере накопления и углубления знаний менялась и рисуемая наукой картина мира. Со временем первоначальный примитивизм такой картины сменялся все более сложной моделью и этот процесс далек от завершения. В истории современной науки отмечают несколько звездных моментов, характеризовавшихся переходами к принципиально новому видению ми ра. Последняя по времени кардинальная перестройка научной картины мира произошла в XX столетии, и она на протяжении жизни одного-двух поколений ученых полностью поменяла многие казавшиеся ранее незыблемыми убеждения.

В конце 20-х годов ХХ века выдающийся ученый и мыслитель Владимир Иванович Вер надский писал [1]: «Мы переживаем коренную ломку научного мировоззрения, происходя щую в течение жизни ныне живущих поколений, переживаем создание огромных новых об ластей знания, расширяющее научно охватываемый космос конца прошлого века, и в его про странстве, и в его времени, до неузнаваемости переживаем изменение научной методики, идущее с быстротой, какую мы напрасно стали бы искать в сохранившихся летописях и в за писях мировой науки».

Поскольку единое Знание пока остается раздробленным на отдельные научные дисципли ны, процесс ломки старого научного мировоззрения предстает как серия научных революций, совершающихся в каждой из таких дисциплин. Вот краткий перечень подобных событий.

На рубеже XIX - XX веков началась революция в физике, вызванная новыми знаниями о строении вещества, необычными с точки зрения классической физики законами микромира, новыми представлениями о свойствах пространства и времени и многим другим, что состави ло содержание современной физики. Внедрение новых идей и представлений в науку и в соз нание людей не закончилось и сегодня. Революция в физике – лишь звено в происходящем преобразовании единого знания.

В начале 20-х годов открытие расширения Вселенной, конечного времени ее существова ния, и историчности развития вызвало революционные изменения в космологии с далеко идущими последствиями. Вместо прежней Стационарной Вселенной, не способной к прогрес сивному развитию, появилась Развивающаяся Вселенная, обладающая огромным разнообра зием свойств и возможностей. Благодаря этому изменилось понимание наукой окружающего нас Мира и нашего места в нем.

В начале 30-х годов появились признаки наступления новых времен и в науках о Земле – геологии, геофизике, физике атмосферы, океанологии и других. Кульминация решительного обновления научных представлений о Земле и ее оболочках, включая внешнюю оболочку, называемую биосферой, наступила совсем недавно, в 60-х - 70-х годах. Новые данные о дина мике развития недр планеты, ее суши, гидросферы и атмосферы сформировали представления о Земле как о целостной системе, естественном теле, в своем развитии следующем как зако нам внешней среды – Космоса и Солнечной системы, так и своим автономным внутренним законам.

Наконец, в последние 4 десятилетия прошлого века проявились в полную силу революци онные перемены в биологических науках. Они вызваны, с одной стороны, фундаментальными открытиями в области генетики, молекулярной биологии, новым пониманием законов разви тия организмов и их сообществ, а также осознанием того, что жизнь на Земле предстает, по словам В.И.Вернадского, как геологическое явление, тесно связанное с общим процессом раз вития планеты, и образует системный объект, называемый биосферой.

Новая научная картина мира складывается под влиянием всех перечисленных дисциплин, но особая роль принадлежит здесь космологии, которая формирует наиболее общие представ ления о Мире. Замена представлений о стационарности Вселенной представлениями о ее ди намичном развитии вызвала еще одно важное следствие, а именно, рождение нового естест веннонаучного представления о развитии Природы и ее составных частей.

Термин научная картина Мира, возможно, вызывает невольную ассоциацию с огромным холстом, на котором художник (ученый) изобразил каждый из множества предметов на своем месте, объединив детали общим сюжетом. Но намного точнее отражает ситуацию аналогия научной картины с кинолентой, проекция которой дает представление не просто о движении, но об историческом развитии сюжета во времени. Продолжая эту аналогию, приходится отме тить, что каждый кадр нашей киноленты имеет дефекты в виде пробелов, а иные кадры и вовсе туманны. Дефекты вызваны неполнотой и несовершенством сегодняшних наших зна ний. Можно надеяться, что по мере развития науки кадры будут проясняться, хотя не исклю чено, что возникнет необходимость замены отдельных кадров и целых эпизодов.

При всем несовершенстве сегодняшней киноленты с запечатленной на ней картиной Мира, ее просмотр оставляет сильное впечатление. Вырисовывается единство Вселенной и ее со ставных частей, выявляется цельная естественнонаучная концепция развития Природы. Ее не следует путать с философскими концепциями развития, которых может быть одновременно несколько и каждая противопоставляется всем другим. Естественнонаучная концепция разви тия – это прямой продукт достигнутого на данный момент времени уровня научного знания и степени его обобщения, она изменяется с изменением последних. Так, наука XIX века сфор мировала концепцию развития, близкую философской метафизической концепции. В наш век формируется концепция развития, которой близки диалектические представления о развитии материи. Философские проблемы развития Природы подробно обсуждаются профессиональ ными философами и в данной книге они не затрагиваются.

Цель данной книги – на основе просмотра сюжетных ключевых моментов киноленты под названием Современная научная картина Мира помочь читателю выяснить, что застав ляет нас отказаться от эволюционистских представлений недавнего прошлого и каковы осно вополагающие положения новой естественнонаучной концепции развития.

1.2. Три кита, на которых стоит новая космология.

К концу XIX века сложилась концепция развития Мира, опиравшаяся на космологические представления того времени и на представления, выработанные, в частности, в рамках двух научных дисциплин, оказавших глубокое воздействие на научное мышление не только недав него прошлого, но частично и наших дней. Имеются в виду классическая термодинамика и статистическая физика. В основе концепции лежали следующие положения.

Вселенная бесконечна в пространстве и во времени, к ней в целом, видимо, приложимы законы классической термодинамики, согласно которым ее базовым состоянием следует счи тать состояние термодинамического равновесия (ТДР). Это самое простое из всех возможных состояний системы, не обменивающейся с окружающей средой ни энергией, ни веществом.

Такие системы называют изолированными. ТДР характеризуется полным отсутствием упоря доченности, выражаясь житейским языком – это хаос. Наблюдаемая упорядоченность Все ленной наших дней возникла случайно, в результате непредсказуемого возмущения какой-то части хаоса. Такие возмущения называют флуктуациями. В результате появляется та или иная степень упорядоченности в этой части пространства. Если флуктуация гигантская, то упоря доченность может достигнуть высокого уровня, появляются галактики, звезды, планетные системы, то есть наблюдаемые астрономами крайне неравновесные образования с заметной организацией структур. Вероятность столь сильной флуктуации крайне мала, но при беско нечном времени существования Вселенной есть шанс на ее реализацию. Еще менее вероятное событие, – флуктуация, породившая на планете Земля жизнь. Феномен жизни почти невероя тен и потому противоестественен. Будучи изолированной системой, земная жизнь – явление преходящее, не связанное с процессами, протекающими в Космосе и в Солнечной системе.

Такими представлялись Вселенная и наше появление в ней ученым в конце XIX – начале ХХ веков.

Судьба любой флуктуации в изолированной системе предопределена: случайно возникшая упорядоченность неизбежно разрушится в ходе возвращения системы в базовое состояние, к ТДР. При этом высшие формы энергии деградируют, превращаясь в тепло, которое рассеива ется. Обобщение подобных представлений на Вселенную приводит к заключению, что ее бу дущее – это тепловая смерть.

На таких представлениях науки прошлого века была построена стационарная модель Все ленной, просуществовавшая до конца 20-х годов XX века. Развитие такой Вселенной и состав ляющих ее частей – это однонаправленный процесс деградации, разрушения случайно воз никшей упорядоченности на пути возврата к исходному базовому состоянию. Развитие любой изолированной системы – это ее последовательное разрушение. Стационарная модель Все ленной содержит следствие морально-этического плана: раз жизнь – случайное явление в Природе, то отрицается смысл человеческого существования в ней (в философском плане).

Научные открытия XX века привели к отказу от стационарной модели, вместо нее возник ла модель динамичной, развивающейся Вселенной, имеющей начало, прошлое, настоящее и будущее. Иначе говоря, Вселенная имеет историю. Человечество, пока единственный извест ный нам носитель Разума, существует в этой истории столь короткое время и занимает столь ничтожное пространство в объеме Вселенной, что ему физически не дано увидеть даже самый незначительный эпизод этой истории. Подобно фотовспышке, наши прямые наблюдения вы хватывают лишь ничтожное мгновение, в котором Вселенная кажется застывшей в непод вижности. Главная задача новой космологии состоит в том, чтобы создать надежный метод реконструкции прошлого Вселенной на основе ее современного состояния. Без этого нельзя построить динамичную модель. На что же может опереться наука сегодняшнего дня при про ведении столь масштабных реконструкционных работ?

Подобно тому, как Мир в некоторых древнейших мифах стоял, опираясь на трех китов, новейшая космология стоит на трех мощных опорах. Первая из них – наблюдательные данные астрономии и астрофизики, вторая опора – Общая теория относительности (ОТО), третья – физика высоких энергий, в частности Теория великого объединения.

Важнейшим вкладом наблюдательной астрономии в космологические представления сего дняшнего дня следует считать открытие в конце ХХ века существования господствующей в нашем мире субстанции, получившей название темной энергии. Открытие возникло в ходе проводившихся астрономами оценочных измерений масс различных галактик.

Существует два способа таких измерений. Во-первых, оценивается суммарная масса со ставляющих галактику звезд, к этой массе добавляются оценки масс газовых и пылевых обла ков и таких объектов, как предполагаемые черные дыры и остатки потухших звезд опреде ленного класса, так называемых темных карликов. Другой способ, получивший название оп ределения динамической массы, состоит в измерении силы притяжения галактики путем оп ределения скорости движения звезд или газовых облаков на ее периферии. К удивлению ис следователей динамическая масса оказалась в 10 раз больше, чем масса, оцененная по подсче ту суммарной массы вещественных объектов. У каждого способа существует своя погреш ность измерений, но не в такой же степени! Тем более, что никаких видимых или регистри руемых другими способами проявлений таинственной субстанции (кроме гравитации) на пе риферии галактик не обнаруживали. Для примера ограничусь приведением нескольких сооб щений из большого количества имеющихся публикаций о подобном открытии.

В 1933 году известный астроном Цвики сообщил о возможном существовании во Вселен ной «темной материи», но тогда на это сообщение не обратили внимания.

В 1986 году в [2] сообщалось как об установленном факте, что как эллиптические, так и спиральные галактики окружены гало из невидимой материи, и масса таких гало примерно в 10 раз превышает собственную массу самих галактик. В масштабе групп и скоплений галак тик динамическая масса также в 10 раз превышает массу видимых объектов. Остается неяс ным, какие частицы или объекты формируют эту скрытую массу.

В 1990 году в [3] опубликованы результаты, полученные итальянскими астрофизиками, исследовавшими ближайшую к нам галактику в созвездии Андромеды. Выяснилось, что в пределах 16 килопарсек измеренная масса остается примерно равной содержащейся там массе звезд. Но в сфере диаметром 26 килопарсек, то есть на периферии галактики, масса возрастает в 10 раз, хотя в промежутке между сферами звезды практически отсутствуют. Вывод: вся ги гантская добавочная масса связана с темным гало непонятной природы.

В ноябре 1993 года в обсерватории Ла Силла (Чили) была завершена работа по определе нию динамической массы у гигантской эллиптической галактики NGC 1399, находящейся на расстоянии 50 миллионов световых лет от нас [4]. Оцененная масса галактики оказалась в раз больше суммарной массы всех ее звезд.

Космологическая наука внезапно столкнулась с ситуацией, которую невозможно игнори ровать, но пока она не в состоянии ее разрешить. До сих пор астрономия в основном изучала вещественную часть Вселенной, то есть ту ее часть, в основе которой находятся три класса элементарных частиц: класс кварков, класс лептонов и класс бозонов. Для этих целей был создан могучий астрономический инструментарий – оптические и радиотелескопы, тончай шие приборы, способные регистрировать и исследовать приходящие из космоса излучения и корпускулярные частицы, а в последние десятилетия появились искусственные спутники Зем ли, способные выводить в космическое пространство все типы таких инструментов, что резко расширило астрономические возможности. Однако вдруг выяснилось, что вещество – это не большая часть Вселенной, всего порядка 5% тяготеющей ее массы. И непонятно, сможет ли существующий могучий инструментарий обеспечить проникновение в суть материи, которая составляет господствующую часть нашего Мира (95% тяготеющей массы). Не удивительно, что некоторые специалисты пессимистически изрекают: «Темные составляющие Вселенной – величайшая загадка современной космологии».

Предпринимаются попытки дать хотя бы общие объяснения явлений, с которыми мы столкнулись, опирающиеся на научные знания сегодняшнего дня. Достаточно ли таких знаний для решения столь непростой задачи? Возможности для этого ограничены. Тем не менее, об ратим внимание на то, что сегодня можно рассматривать, как вполне допустимые предполо жения.

Возникает предположение, что, по крайней мере, часть темной материи все-таки является вещественной, но скрытой от наблюдательных возможностей. Для такого допущения есть ос нования. Прежде всего, речь идет о лептонных частицах нейтрино, образующихся в огромных количествах в процессах, главным образом связанных со слабыми взаимодействиями. Лишь в последние годы появились косвенные данные о том, что эти частицы обладают небольшой массой, примерно в 500 тысяч раз меньшей массы электрона. По оценкам концентрация ней трино в космосе достигает от 200 до 500 частиц в кубическом сантиметре. Это на десятки по рядков больше, чем концентрации барионных частиц – протонов и нейтронов. Поэтому в це лом суммарная масса нейтрино в космосе оказывается вполне заметной, по разным оценкам она составляет от 0,5 до 16% тяготеющей массы Вселенной. Сильный разброс в оценках свя зан с тем, что пока точно определить массу нейтрино не удалось. Далее без серьезных обосно ваний предполагается, что вместе с нейтрино субстанция, получившая название «темной ма терии», также может иметь вещественную основу и, исходя из не вполне понятных предпосы лок, ее тяготеющая масса оценивается в 20% и даже более.

По публикуемым данным для выяснения подлинной природы темной материи возник рос сийско-итальянский проект «Рим – Памела». В основе проекта – созданный в России уни кальный летный образец спектрометра, получивший название «Памела». Прибор будет выве ден в космос на космическом аппарате «Ресурс ДК-1», где сможет проникнуть в мир темной материи путем измерения массы частиц, если этот мир состоит из элементарных частиц. В проекте кроме России и Италии участвуют Германия и Швеция. Но даже если выяснится ве щественная природа темной материи, остается не менее 70% субстанции явно невеществен ной природы. Эта субстанция получила название темной энергии. Именно она доминирует во Вселенной [5].

Обращает на себя внимание, что эта господствующая во Вселенной субстанция реагирует с веществом только через гравитационные взаимодействия, и пока никаких других связей не обнаружено. Возникает предположение, что природа этой субстанции отлична от веществен ной. Это не должно нас удивлять, ведь давно изучаемая субстанция, названная физическим вакуумом, также проявляет признаки невещественной природы. Это выражается, в частности, в том, что излучения и вещественные тела проходят через такую среду, не испытывая замет ных физических воздействий. Но на микроуровне именно вакуум взаимодействует с элемен тарными частицами, снабжая их массой и определяя характер их взаимодействия между со бой.

Без сомнения природа, как вещества, так и вакуума, материальна. Но философский термин «материя» носит слишком абстрактный характер. Еще Аристотель утверждал, что в реальном мире материя неразрывно связана с формой своего существования. В нашем мире явно разли чаются две такие формы – вещество и физический вакуум. Свойства темной энергии, на сколько можно судить по их проявлениям, таковы, что дают основания для отнесения ее к той же форме, к которой относится физический вакуум. Более того, допустимы обобщающие предположения, что темная энергия является составной частью физического вакуума В этой связи допустимо предположить, что существует некое общее понятие термина «Вселенная», включающее все известные и, возможно, пока неизвестные формы материи. В рамках такой Вселенной существует небольшая, но очень важная ее часть, которую можно назвать вещественной Вселенной. А в целом вырисовывается некая иерархия уровней, прояв ляющаяся во Вселенной. Существует базовый уровень, состоящий из господствующей суб станции, названной темной энергией. Можно предполагать, что от этого уровня исходят все выше лежащие уровни. С этих уровней начинается вещественная составляющая Вселенной.

Это уровень Микромира, за ним идет уровень Макромира (зона нашего существования), за которым следует уровень Мегамира с неопределенной верхней границей. Каждый последую щий уровень иерархии опирается на нижележащие уровни. Особая роль в таком построении принадлежит базовому уровню, таинственной темной энергии В современных представлениях Мегамир – это галактики, их скопления и сверхскопления.

Масштаб сверхскоплений порядка 100 мегапарсек (Мпс)*. Новейшие данные указывают на то, что это гигантское образование обнаруживает ячеистую структуру. Пока еще не все ясно в получаемой картине, но возникает убеждение, что Вселенная не есть случайное хаотическое скопление отдельных частей, а нечто цельное в структурном плане. Масштаб скопления га лактик порядка 10 Мпс. Затем идут галактики с масштабом порядка 30 килопарсек (кпс), да лее, составляющие галактики звезды. Диаметры звезд меняются от десятка километров в слу чае нейтронных звезд до десятков и даже сотен миллионов километров в случае звезд гигантов (например, таких как Бетельгейзе). Звезды – это как бы атомы дискретной струк туры Мегамира. Существуют более крупные образования типа газовых и пылевых туманно стей и более мелкие структурные единицы, известные пока что в своих локальных формах, составляющих Солнечную систему (планеты, астероиды, кометы и другие небесные тела).

Они дополняют эту далекую от завершения классификацию.

В 20-х годах XX века было установлено, что многочисленные наблюдаемые астрономами небольшие слабо светящиеся расплывчатые туманности на самом деле представляют собой гигантские звездные скопления, удаленные от нас на огромные расстояния. Эти звездные сис темы назвали галактиками.

Физики знают, что нагретые атомы химических элементов излучают свет, который, если разложить его по длинам волн с помощью спектрографа, предстает в виде отдельных разно * 1 парсек (пс) равен 3,26 световых лет или 3,0861013 км цветных линий, разделенных темными промежутками. Расположение таких линий по длинам волн у каждого элемента является строго индивидуальным, что позволяет по расположению линий в спектре определить сам излучающий элемент. Благодаря этому астрофизикам удается определить химический состав звездных атмосфер и любых светящихся туманностей.

Приступив к изучению химического состава галактик по излучаемым спектрам, астрономы с удивлением обнаружили, что расположение спектральных линий по длинам волн ни на что не похоже. Напрашивалось предположение, что весь удаленный от нас мир состоит из неве домых химических элементов. Но загадка разрешилась просто: хорошо знакомые серии линий (например, водорода) оказались сдвинутыми как одно целое в длинноволновую сторону, в сторону, занимаемую красными линиями. Отсюда и название – красное смещение. Одновре менный сдвиг всех спектральных линий в сторону длинных волн объясняется оптическим эф фектом Доплера, возникающим при удалении светящегося объекта от наблюдателя. Такой сдвиг тем сильнее, чем выше скорость удаления. Известный американский астрофизик Хаббл (в его честь назван крупнейший телескоп, выведенный на околоземную орбиту) обобщил к 1929 году многочисленные астрономические данные такого рода и пришел к выводу, что га лактики разбегаются равномерно во все стороны, а это означает, что вещественная Вселен ная в целом расширяется. Это стало революционным открытием века, положившим начало кардинальным изменениям наших представлений об устройстве Вселенной.

Среди знаменательных астрономических открытий конца ХХ века необходимо отметить наблюдательное подтверждение существования в Природе, помимо сил гравитационного при тяжения тел, обладающих массами, сил отталкивания. Носителем таких сил считают физиче ский вакуум, получивший название антигравитирующего вакуума. Из предположения, что темная энергия является важнейшей составляющей вакуумной субстанции, следует, что силы отталкивания имеют непосредственное отношение к этой субстанции.

Идею о существовании во Вселенной сил отталкивания впервые высказал Эйнштейн в 1917 году, когда он решил распространить уравнения общей теории относительности (ОТО) на стационарную Вселенную. Только при таком допущении удалось решить проблему совме щения стационарности с существованием сил гравитационного притяжения. Тяготение, как известно, проявляет себя как однополярное явление. В отличие, например, от электричества или магнетизма, гравитация создает только притяжение, но не создает эффектов отталкива ния. От гравитации невозможно защититься никакими известными нам экранами. Априори ясно, что в мире, где господствует тяготение, стационарность невозможна. Гравитация не по зволит звездам, галактикам и любым другим объектам Вселенной оставаться в неподвижности на своих исходных местах.

В уравнения своей теории Эйнштейн ввел константу, названную космологической по стоянной, учитывавшую интенсивность антигравитирующего отталкивания. Эта постоянная равнялась мизерной величине, несоизмеримой с постоянной тяготения G. Но ускорение, со общаемое телам под действием силы отталкивания, растет пропорционально расстоянию, в то время как ускорение под действием сил притяжения уменьшается обратно пропорционально квадрату расстояния. Поэтому на расстояниях, превышающих примерно один миллиард све товых лет, силы отталкивания должны выделяться среди сил притяжения.

В результате открытия расширения Вселенной большинство космологов предпочло похо ронить идею антигравитирующего вакуума и считать в уравнениях нестационарной Вселен ной космологическую постоянную равной нулю. Однако эта идея была отвергнута не всеми.

Начиная с 30-х годов прошлого века периодически на научных конференциях и в физических журналах возникали обсуждения тех последствий для Вселенной, которые вытекают из пред положений об отличии космологической постоянной от нуля.

Сомнения по этому поводу разрешились в 1988 году, когда две независимые группы ис следователей опубликовали результаты своих многолетних исследований взрывающихся в разных галактиках звезд типа Сверхновые 1. Группу, работавшую в США, возглавлял профес сор Саул Перлмутер, а работавшую в Австралии – профессор Бриан Шмидт. Взрыв Сверхно вой – это окончание жизненного пути звезды, масса которой в несколько раз превышает массу Солнца. После взрыва возникает остаточная нейтронная звезда, которую также называют пульсаром. В момент максимального блеска Сверхновой ее светимость в десять миллиардов раз превышает светимость Солнца. Светимостью звезды называют энергию, которую она из лучает во всем диапазоне электромагнитных волн за одну секунду. При такой светимости Сверхновая обнаруживает себя даже в отдаленных галактиках, находящихся на периферии видимой Вселенной. Сегодня известно, что взрывы Сверхновых – достаточно редкое явление.

В одной галактике такое событие в среднем происходит один раз за 360 лет. Но галактик очень много, и при нынешних инструментальных возможностях в год удается зафиксировать до 20 таких событий.

Важная особенность Сверхновой 1 состоит в том, что ее светимость в максимуме и в по следующее время практически идентична у всех таких звезд. Это позволяет непосредственно определить ее абсолютную светимость. Сравнение абсолютной светимости с относительной светимостью, измеренной на входе телескопа, позволяет определить расстояние до звезды, а тем самым и расстояние до галактики, в которой она взорвалась. Такое определение расстоя ния не связано с привлечением тех или иных модельных представлений.

Другой способ определить расстояние до галактики – измерить в ее излучении красное смещение в сериях линий, испускаемых определенными атомами и молекулами, например, водородом или гелием. Красное смещение – это результат оптического эффекта Доплера, воз никающий при удалении галактики от наблюдателя. По величине смещения определяется скорость удаления. Существует эмпирический закон Хаббла, утверждающий, что расстояние до удаляющейся галактики пропорционально ее скорости. Но эмпирический закон Хаббла прямо связан с моделью Вселенной, в которой космологическая постоянная равна нулю. Если во всех случаях расстояния до удаляющихся галактик, измеренные обоими способами, совпа дут между собой, то это означает, что = 0, и об антигравитирующем вакууме следует за быть. Но подобные совпадения наблюдаются у сравнительно близких галактик, то есть в об ласти, где силы отталкивания теряются на фоне более могучих сил притяжения. Что же каса ется периферийных галактик, расстояния до которых превышает примерно миллиард свето вых лет, то, как показали обе группы исследователей, расстояния до Сверхновых в таких га лактиках превышает расстояние, определенное по закону Хаббла. Периферийные галактики убегают ускоренно, что доказывает наличие сил отталкивания. Тем самым можно считать ус тановленным, что космологическая постоянная равна небольшой положительной величине.

Существование в Природе, наряду с гравитационным притяжением, сил отталкивания имеет огромное значения для космологии. За такими силами вырисовывается некий источник мощнейшей энергии, о наличии которого наука подозревала, но ничего конкретного до этого не знала. Благодаря таким силам естественным образом удается объяснить природу перво толчка, приведшего к возникновению вещественной части Вселенной, что рассматривается в инфляционной теории, предполагающей описание самой начальной фазы процесса, предше ствовавшего тому, что получило название Большого Взрыва. Ускоренное движение перифе рийных галактик дает основание для предположений о далеком будущем Вселенной. Некото рыми теоретиками уже сегодня выдвигаются идеи о Большом Разрыве, завершающем исто рию, начавшуюся Большим Взрывом. И во всем этом вырисовывается тесная взаимосвязь от крытия сил отталкивания с открытием темной энергии. В таких представлениях темная энер гия предстает тем, что, по определению П.Дэвиса [22], можно назвать «суперсилой», доста точной для создания вещественной Вселенной, наделения ее веществом, светом, энергией и придания ей наблюдаемой структуры.

Существующая космологическая парадигма остается справедливой лишь для веществен ной части Вселенной. Но отсутствует общая космологическая парадигма для Вселенной в це лом, и она сможет сформироваться только в результате существенного возрастания научного уровня понимания последних астрономических открытий, а также возможных в будущем но вых, не менее значимых открытий.

В дальнейшем изложении ограничусь тем, что напрямую относится к вещественной Все ленной, которая для краткости будет пониматься под термином Вселенная. Наблюдательные данные астрономии и астрофизики дают немало сведений, необходимых как для построения модели Развивающейся Вселенной, так и для проверки ее справедливости. Об этом речь впе реди. Но на одном наблюдательном материале невозможно представить себе прошлое состоя ние Вселенной. Необходимы надежные знания о гравитации и ее законах, так как гравитация тормозит разбегание галактик, необходимо также разобраться в силах, сообщивших галак тикам начальную скорость движения и нужную для этого энергию. Современной ступенью таких знаний стала разработанная в 1915 году Альбертом Эйнштейном Общая теория относи тельности. Со школьной скамьи нас знакомят с более ранней теорией – с классической теори ей тяготения Исаака Ньютона. В ней на основании наблюдательных данных устанавливается, что между любыми двумя телами действует сила взаимного притяжения (тяготения), пропор циональная произведению масс взаимодействующих тел и обратно пропорциональная квадра ту расстояния между ними. Классическая теория тяготения позволяет с высокой точностью вычислять взаимные перемещения двух тяготеющих тел, если скорость их движения много меньше скорости распространения света.

Но в рамках классической теории тяготения решить задачу о гравитационном взаимодей ствии многих тел удается лишь в некоторых частных случаях. Например, в Солнечной систе ме очень массивное центральное тело, Солнце, на долю которого приходится ~99% всей мас сы системы, взаимодействует с каждой из планет, комет и другими небесными телами, массы которых на несколько порядков меньше солнечной, так, как будто других участников не су ществует. С каждым из своих подданных Солнце без помех осуществляет парное взаимо действие. Влияние же подданных друг на друга на фоне такого взаимодействия выглядит как слабое возмущение, учитываемое в форме поправки к основному взаимодействию. Соот ветствующие расчетные методы составляют предмет классической небесной механики, осно ванной на ньютоновской теории тяготения.

Классическую небесную механику, блестяще проявившую себя в масштабе Солнечной системы, невозможно распространить на Вселенную. Дело здесь не только в великом множе стве взаимодействующих массивных систем, а в качественно новой ситуации. Представления классической теории тяготения опираются на постулат, что пространство и время – это неза висимые фундаментальные физические понятия, существующие вне связи с веществом. Тяго тение определяется силой, которая мгновенно распространяет свое действие на любые тела, обладающие массами. Теория Эйнштейна вносит два принципиальных новшества в классиче ские представления. Известно, что масса тела выступает в двух обличиях. Она либо представ ляет собой меру притяжения телом других тел (масса тяготения), либо ее следует рассматри вать как меру противодействия тела силе, сообщающей ему ускорение (масса инерции). Еще в XIX веке обратили внимание на тот факт, что величины этих двух масс у одного тела одни и те же. Классическая теория не могла объяснить этот факт, и совпадение сочли случайным.

Эйнштейн исходил из того, что обе массы эквивалентны, это два проявления одного феноме на. Утверждение об эквивалентности массы тяготения и инерционной массы означает, что эффекты гравитации и ускоренного движения неразличимы. Отсюда напрашивается вывод, что тяготение – это кажущаяся сила, и эффект тяготения можно создавать или устранять вы бором соответствующей системы отсчета. Вывод подтверждается нашим опытом. Мы знаем, что при тренировках космонавтов эффект невесомости на время создается внутри самолета, движущегося по соответственно выбранной траектории его «падения» к Земле. Гравитация как бы исчезает. И наоборот, при ускорении самолета пилот и пассажиры ощущают увеличе ние своего веса. Перегрузка, в зависимости от величины ускорения, может быть сколь угодно большой.

Второе новшество состоит в том, что теория Эйнштейна рассматривает пространство и время как единый четырехмерный континуум, геометрические свойства которого определя ются наличным веществом. Массивное вещество искривляет пространство-время, а радиус кривизны оказывается обратно пропорциональным корню квадратному из плотности массы. В таком пространстве прямая линия не является кратчайшим расстоянием между двумя точка ми, а траектории световых лучей и движущихся частиц становятся криволинейными. То, что мы считаем силой, вызывающей эффект гравитации, является всего лишь проявлением осо бенностей геометрических свойств пространства–времени. Тяготение – это следствие геомет рических свойств пространственно-временного континуума вблизи массивных тел. Новая гра витационная теория, опирающаяся на такие представления, позволяет математически описать динамику и геометрию любых систем в зависимости от плотности и распределения вещества в них. В том числе это можно сделать и для такой системы, как Вселенная, если только опре делены ее исходные данные.

Дальнейшее развитие событий протекало так. В 1922-1923 годах петербургский ученый А.А. Фридман получил выдающийся результат, по достоинству оцененный не сразу и не все ми. Он получил нестационарное решение уравнений ОТО применительно к Вселенной, не прибегая к дополнительным постулатам. В последующем выяснилось, что только нестацио нарное решение устойчиво. Это означало, что Вселенная может либо расширяться, либо сжи маться, но не может пребывать в неподвижности. После небольшого спора с автором неста ционарного решения, Эйнштейн публично признал, что математически все безупречно и оста ется выяснить, имеет ли такое решение физический смысл. Когда же через семь лет после это го Э.Хаббл объяснил наблюдаемое красное смещение в спектрах галактик расширением Все ленной, физический смысл решения был определен, а в сознание людей начало проникать по нимание того, что мы живем в развивающемся Мире. Из наблюдательных данных Хаббл вы вел названный его именем закон, связывающий скорость v удаления галактики от наблюдате ля с расстоянием до нее R: v = HR. Коэффициент пропорциональности Н получил название постоянной Хаббла, его размерность [км/(сМпс)]. При этом размерность скорости км/с, а рас стояния – Мпс. Значение Н определяется на основе наблюдательных данных.

Нестационарное решение уравнений ОТО для Вселенной позволило обратить время назад, прокрутить киноленту в обратном направлении – от Вселенной сегодняшнего дня к ее дале кому прошлому. Теоретический экскурс в прошлое показал, что расширение началось много миллиардов лет назад из одной точки, в которой первоначально концентрировалось все веще ство. В математической интерпретации точка не имеет размера и, следовательно, плотность вещества в ней должна быть бесконечно большой. Точка, в которой физический или матема тический параметр обращается в бесконечность, называют сингулярностью. В данном случае сингулярность выступает как начало Вселенной, она получила название космологической сингулярности. К этому феномену мы вернемся позже. Но независимо от того, идет ли речь о космологической сингулярности как о физической реальности или она есть продукт неоправ данной математической экстраполяции ОТО на область, в которой ее исходные уравнения не работают, расширение Вселенной началось из особого состояния. В этом состоянии свойства вещества и связанного с ним пространственно-временного континуума были совсем иными, чем в современной Вселенной. В исходном состоянии должны были возникнуть могучие си лы, произведшие некий взрыв и сообщившие веществу огромную кинетическую энергию, разорвавшую цепи гравитации. Только так можно понять наблюдаемое расширение вещества Вселенной в наши дни.

Нестационарное решение уравнений ОТО предсказывает три возможных варианта ее ди намического развития из исходной сингулярности. Выбор конкретного варианта определяется начальными условиями, в первую очередь отношением кинетической энергии разлетающихся частиц вещества к гравитационной энергии, стремящейся затормозить разлет до полной оста новки с последующим возвратом частиц в исходное положение. Так и произойдет, если гра витационная энергия превысит кинетическую. Для наблюдателя момент перехода от расши рения к сжатию будет отмечен сменой в спектрах галактик красного смещения на синее сме щение, то есть на сдвиг линий химических элементов в сторону более коротких длин волн.

Вселенную такого типа назвали закрытой. Если же кинетическая энергия будет преобладать над гравитационной, то разлет никогда не будет остановлен. Это Вселенная открытого типа.

Наконец, в граничном случае, при точном равенстве энергий обоих видов, расширение не прекратится, но его скорость будет стремиться к нулю и через несколько десятков миллиардов лет наступит квазистационарное состояние.

Кинетическая энергия вещества в единичном объеме при прочих равных условиях про порциональна плотности вещества. Гравитационная энергия в таком объеме также пропор циональна плотности вещества. В конкретной ситуации равенство гравитационной и кинетической энергий имеет R k 1 место только при вполне определенном значении плотно сти, называемом критической плотностью: к=1,61033 Н k 1 г/см3, где Н – постоянная Хаббла. В современной Вселен ной наиболее вероятное значение Н~55км/(сМпс) и если реальная плотность вещества во Вселенной больше кри k 1 тической плотности к, то гравитационная энергия превы сит кинетическую. Соответствующее условие записывает ся так: к 1, это условие реализации закрытой Все tp tb tc t ленной. Если же реальная плотность вещества меньше Рис. 1.1. Зависимость радиуса критической, то преобладает кинетическая энергия, гра Вселенной R от времени t после витация не сможет остановить разлет частиц и реализует начала расширения: tp - современ ся открытая Вселенная. Условие запишется так: к 1.

ный момент времени;

tb - момент Наконец, в граничном случае, когда к 1 наша Вселен остановки расширения открытой ная станет со временем квазистационарной. Три возмож Вселенной и перехода к ее сжатию;

/k tc - момент возврата в точку сингу- ных варианта развития Вселенной представлены на гра лярности. фике рис.1.1. Возникает естественный вопрос: какой из t трех вариантов реализуется во Вселенной? Ответ на него остается за наблюдательной астрономией. Она должна оценить среднюю плотность вещества в современной Вселенной и уточнить значение постоянной Хаббла, определяемое данными наблюдений. Достаточно надежные оценки этих величин пока отсутствуют. Современные данные создают впечатление, что средняя плотность тяготеющих масс во Вселенной близка к критическому значению, она либо немного больше, либо немного меньше критической плот ности к. Однако, от этого немного зависит будущее Вселенной, правда, весьма отдаленное будущее. Остается добавить, что в последние годы разрабатываются модели ранней Вселен ной, из которых следует, что в начальный момент ее возникновения существовало точное ра венство значений кинетической и гравитационной энергий, то есть выполнялось равенство к = 1. Если будет получено подтверждение такого допущения, то разрешатся многие фун даментальные затруднения космологии в вопросе о ранней Вселенной.

Постоянная Хаббла позволяет оценить время tp от начала расширения до наших дней. Для этого можно воспользоваться простым приближенным соотношением: tp = 31019H. Если в формулу подставляется Н в единицах км(Мпсс), то время выразится в секундах. Считая Н постоянной, не меняющейся со временем, в пределах существующего разброса в оценках этой величины время существования Вселенной определяется интервалом от 12 до 18 миллиардов лет. Наиболее вероятный возраст Вселенной полагают равным 15 миллиардам лет, но появ ляются данные, говорящие о том, что возраст на самом деле не менее 20 миллиардов лет. Эти данные обсудим позже.

Расширением вещества не исчерпываются важнейшие процессы, которые необходимо учитывать при создании модели динамичной Вселенной. Возникают, по меньшей мере, еще две проблемы. Прежде всего – проблема начала, ставящая ряд трудных вопросов: каким было исходное состояние Мира перед взрывом, каков механизм взрыва, откуда получена необхо димая энергия и как она передана веществу, что было с пространственно-временным конти нуумом в экстремальных условиях начала и другие. Рассмотрение наукой этих вопросов пока находится на уровне гипотез. История самого раннего периода расширяющейся Вселен ной наиболее уязвима для критики.

Другая проблема состоит в том, что вещество в начальный период расширения было со всем не таким, как в наше время. Согласно наиболее продвинутой гипотезе горячей Вселен ной предполагается, что вначале появился сгусток очень плотного и очень горячего вещест ва, сосредоточенного в области с предельно малыми размерами. Температура частиц в сгустке оценивается фантастически высоким значением порядка 1028 К при предельной плотности вещества 1094 г см3. Такие условия невоспроизводимы в земных лабораториях, они не встре чаются и в известных астрономам космических объектах. Самая высокая температура в не драх наиболее горячих стабильных звезд порядка 109 К, а самые высокие плотности вещества (в недрах нейтронных звезд) достигают 1015 гсм3. Эти сами по себе внушительные цифры, не идут ни в какое сравнение с тем, что предполагается в концепции горячей Вселенной в каче стве ее исходных параметров. Состояние вещества в таких условиях кардинально отличается от современного, микромир оказывается представленным своими простейшими формами, ко торые назовем протовеществом. По мере расширения Вселенной снижались температура и плотность сгустка, что сопровождалось преобразованием исходных форм вещества во все бо лее сложные. Подобные процессы трансформации вещества одних форм в другие в зависимо сти от состояния среды, изучаются разделом науки, называемым Физикой высоких энергий.

Уровень знаний в этой дисциплине обеспечивает возможность обоснования соответствующей части модели расширяющейся Вселенной и ее следует считать еще одним, третьим китом космологии. Преобразование вещества из одних форм в другие происходит при точно извест ных значениях двух параметров сгустка – температуры (она же служит мерой кинетической энергии частиц) и плотности. Теория определяет закон снижения со временем этих парамет ров в ранней Вселенной. В определенные моменты времени температура и плотность расши ряющегося вещества достигали критических значений, при этом совершались преобразования вещества. Характерная особенность трансформации: чем ниже температура, тем появлялись все более сложные формы вещества, тем в большей степени нарастала упорядоченность сис тем. Это позволяет говорить о направленности процесса развития Вселенной. В частности, раз общим направлением эволюции Мира является движение по восходящей, а не по нисходящей линии, как считалось раньше, то материи должна быть присуща не только разрушительная, но и созидательная тенденция.

Современная наука сумела установить существо и механизм действия созидательной тен денции, и произошло это на наших глазах, во второй половине ХХ века. В основе созидатель ной тенденции лежит способность материи к самоорганизации.

1.3. Что же такое самоорганизация материи?

Под влиянием величайших научных открытий ко второй половине ХХ века возникла но вая ситуация, заставившая пересмотреть ряд, казалось бы, основополагающих мировоззренче ских представлений недавнего прошлого, занимавших относительно стабильное положение в науке на протяжении значительной части его первой половины.

Классическая физика ввела понятие об обратимости основных физических законов. Край ним выражением этого понятия стал лапласовский детерминизм, согласно которому знание некоторых начальных условий любой развивающейся системы позволяет определить как все ее прошлые состояния, так и предсказать все будущие состояния. Оставалось непонятным, как при этом могут существовать необратимые процессы, «стрела времени», то есть однонаправ ленное во времени развитие событий, как в таких условиях в принципе может возникать новое в мире.

Термодинамика, в противовес классической динамической физике, признала необрати мость существующей реальностью, а вторым началом закреплялось реальное существование стрелы времени. Противоречие двух мировоззренческих представлений удалось устранить ко второй половине ХХ века. В классической физике произошло освобождение от таких предпо сылок, как понятие обратимости во времени фундаментальных законов, как детерминистиче ский характер динамических процессов и линейный характер подавляющего большинства протекающих в природе процессов. На смену пришло понимание, что при определенных ус ловиях в Мире господствуют нелинейные, необратимые процессы, обеспечивающие возмож ность спонтанного возникновения новых типов структур в сильно неравновесных условиях, в результате чего возникает возможность перехода от беспорядка к нарастающему порядку [6].


Здесь речь не идет об отмене законов классической физики, они остаются неприкосновенны ми в той области, которой ограничивается их применимость. Меняются мировоззренческие представления, касающиеся процессов развития открытых неравновесных систем.

Но и термодинамика к этому времени претерпела серьезные изменения. Эта наука изучает процессы преобразования одних видов энергии в другие, что сопровождается совершением работы. Раздел, получивший название равновесной или классической термодинамики, изучал подобные процессы, происходящие в изолированных системах, не обменивающихся с внеш ней средой энергией и/или веществом, и находящихся при этом в состояниях, близких к рав новесным. Каждый акт совершения внутри системы работы сопровождался необратимыми потерями части энергии, превращавшейся в тепло, равномерно рассеивавшегося в системе.

При отсутствии притока энергии извне система вынужденно деградировала, достигая, в ко нечном счете, состояния полного термодинамического равновесия, самого простого состояния конкретной системы. На пути к термодинамическому равновесию в системе разрушалась вся кая упорядоченность, всякая структурная организованность. Термодинамическое равновесие характеризуется полным отсутствием упорядоченности в нем.

Классическая термодинамика утвердила в науке представление о единственном пути раз вития подобных систем, деструктивном пути, завершающимся «тепловой смертью» системы.

Ко второй половине ХХ века выяснилось, что все разномасштабные развивающиеся системы, изучаемые в разных научных дисциплинах, являются открытыми неравновесными системами.

Это означает, что все такие системы в той или иной степени взаимодействуют с внешней сре дой, обмениваясь с ней энергией и/или веществом. В нашем Мире не встречаются изолиро ванные системы, такие представления есть идеализация, допустимая в случаях, когда взаимо действие реальной системы с окружающей средой настолько слабое, что в первом приближе нии им можно пренебречь. Большинство сложных развивающихся систем далеки от таких до пущений, к ним неприменимы представления классической термодинамики. Пригожиным и руководимой им брюссельской школой термодинамики были разработаны основы нового раз дела этой дисциплины, получившего название неравновесной термодинамики.

Не меньшее влияние на мировоззрение недавнего прошлого оказала статистическая физи ка, опирающаяся на атомно-молекулярную модель строения вещества. Любое макротело со стоит из огромного множества микрочастиц. Предсказать поведение каждой частицы в сооб ществе невозможно, но при статистическом подходе удается выяснить точные законы, опре деляющие свойства и параметры макротела как целого. Например, статистическое рассмотре ние хаотичного движения микрочастиц газа в замкнутом объеме позволяет определить основ ные макропараметры газа, такие как температура, давление, теплопроводность, теплоемкость, вязкость и некоторые другие. Статистическая физика приучила считать Мир состоящим из квазиизолированных макросистем, взаимодействием которых с окружением можно пренеб речь, и она же прочно внедрила в сознание ученых представление о статистическом характере основных физических законов.

Интересно проследить на одном примере, как новое знание начало менять установившиеся классические представления термодинамики и статистической физики. В 1944 году выдаю щийся физик-теоретик Эрвин Шредингер, находившийся в годы войны в Англии, издал там маленькую книжку под названием Что такое жизнь с точки зрения физики?. В русском пе реводе книга появилась несколько позже [7]. Книга вызвала большой интерес в научных кру гах. Считают, что она дала начало формированию новой научной дисциплине на стыке физи ки и биологии – биофизике. Автор анализирует причины, по которым феномен жизни проти воречит господствующим физическим представлениям, сформировавшимся еще в XIX веке.

Суть противоречия сформулирована в книге так:

Невероятно маленькие группы атомов, слишком малые, чтобы они могли проявить точ ные статистические законы, играют главенствующую роль в весьма упорядоченных и законо мерных явлениях внутри живого организма. Законы физики, как мы их знаем, это статистиче ские законы. Они связаны с естественной тенденцией вещей переходить к неупорядоченности... Жизнь представляет собой упорядоченное и закономерное поведение материи, осно ванное не только на одной тенденции переходить от упорядоченности к неупорядоченности, но частично и на существовании упорядоченности, которая поддерживается все время.

В этом ключевом высказывании обращают на себя внимание три момента. Первый мо мент, жизнь противоречит сложившемуся в XIX веке представлению о единственности “есте ственной” тенденции развития – возврату системы со случайно возникшей в ней упорядочен ностью к исходному хаосу. Второй момент, жизнь разрушает рожденный классической ста тистической физикой постулат о господстве в макромире статистических законов. Так, важ нейшие жизненные процессы, обеспечивающие высочайшую организованность живых систем любой степени сложности, управляются сравнительно небольшими группами молекул, не подпадающими под действие законов больших чисел, иначе говоря, статистических законов.

Третий момент, Шредингер даже не ставит вопрос, как могли возникнуть столь высокие уровни упорядоченности вещества в мире, где господствует однонаправленное деградацион ное развитие? Он только констатирует способность биоорганизмов поддерживать как-то дос тигнутый ими высокий уровень организованности вопреки тенденции к деградации.

Высказанные Шредингером идеи были восприняты научным сообществом. Но создалась любопытная ситуация: за живым веществом признавалась способность проявлять как тен денцию к разрушению упорядоченности, так и тенденцию к ее сохранению. А за неживой природой по-прежнему признавалась только одна тенденция – неизбежное разрушение лю бой упорядоченности, возникающей в результате случайных отклонений от состояния равно весности. И лишь сравнительно недавно вдруг стало ясно, что тенденция к созиданию, к переходу из менее в более упорядоченные состояния, то есть самоорганизация, присуща не живой природе в той же мере, что и живой. Для ее проявления нужны лишь подходящие условия.

В биологии появление дарвиновского учения прочно ввело в обиход представление о су ществовании процессов развития живых организмов. Это было выдающееся достижение. Ме ханизм биологической эволюции базировался на известной дарвиновской триаде: изменчи вость – наследственность – естественный отбор. Основной силой, способной рождать новое, стали считать естественный отбор, действие которого даже пытались распространить далеко за пределы биологической науки. При этом культивировалось представление о том, что зако ны биологического развития принципиально отличаются от законов развития неорганических систем. Но в свете новых открытий ко второй половине ХХ века исходная теория Дарвина претерпела изменения, ее заменила так называемая синтетическая теория биологической эво люции. В ней учтены новые представления об изменчивости и наследственности, но сохране но представление о плавном характере развития, способном создавать качественно новые со стояния биологических систем путем накопления последовательных мелких изменений. Со хранено также представление о естественном отборе, как главной движущей силе биологиче ской эволюции. Вопреки таким утверждениям высказывается мнение, что современные науч ные открытия меняют подобные представления. Полагают, что естественный отбор обеспечи вает популяции адаптацию к среде обитания, однако он не занимает ведущего положения в процессах, сопровождающихся качественными изменениями объектов. Иначе говоря, естест венный отбор не способен создавать принципиально новое, например, создавать новые виды.

Принципиально новое в биологии возникает так же, как и в неорганических развивающихся системах, то есть не плавно, а скачкообразно, в кризисные этапы развития. Создается убежде ние о единстве законов развития сложных систем как в органическом, так и в неорганическом мирах.

Решающую роль в наступивших переменах играет открытие в 70-х годах явления, полу чившего название самоорганизации материи. Это понятие означает экспериментально откры тую способность материи в определенных условиях осуществлять созидательные процессы, повышающие степень организованности развивающейся системы. Утверждение о существо вании в природе созидательных процессов высказывалось задолго до указанного открытия, но теперь удалось понять механизмы, которые реализуют способность материи осуществлять созидательную деятельность. Отсюда более узкое понимание термина самоорганизация, предполагающее описание самого процесса перехода системы из менее в более организован ное состояние. Следовательно, самоорганизация проявляет себя лишь в условиях, когда осу ществляются подобные качественные переходы. Для пояснения сказанного полезно рассмот реть общие закономерности развития сложных систем.

Различают два последовательных этапа в их развитии. Первый этап стационарен, на всем его протяжении возникающие изменения не носят качественного характера, не меняют его устойчивого протекания. Эволюционный процесс жестко детерминирован и в принципе пред сказуем. Чтобы добиться такого состояния, требуется, чтобы в системе протекали определен ные внутренние и внешние взаимодействия, обеспечивающие сохранение устойчивого внут реннего равновесия при сильной неравновесности системы относительно окружающей среды.


Например, любой живой организм в принципе неравновесен по отношению к окружающей среде, но при этом на стационарном этапе развития сохраняет внутреннее устойчивое равно весие. Такое состояние обеспечивается протеканием внутри организма определенного ком плекса биохимических реакций при активном обмене энергией и веществом с окружающей средой. Для биологических систем такие взаимодействия называют гомеостазом. В случае развивающихся неорганических систем внутреннее равновесие поддерживается либо посто янной выработкой энергии внутри системы, либо постоянным притоком необходимой энергии извне. Примером первого случая служит стационарная звезда, устойчиво сохраняющая внут реннее равновесие благодаря протеканию ядерных реакций, сопровождающихся выделением необходимого количества энергии. Такая внутренняя деятельности устанавливает равновесие между стремлением к сжатию массы звезды под действием сил гравитации, и стремлением расшириться под действием давления, создаваемого выделяющейся энергией. Один из много численных примеров второго случая – лазер, стационарно испускающий высокоорганизован ное оптическое излучение при постоянной его накачке энергией от внешнего источника пита ния. Самоорганизации нечего делать на стационарном этапе развития, она там не проявляет ся.

Но под влиянием внешних воздействий, или в результате развития внутренних противоре чий стационарное состояние рано или поздно заканчивается, система достигает состояния крайней внутренней неравновесности, в ней начинаются внутренние перестройки, она теряет устойчивость. Наступает кризис, из которого необходим выход в одно из возможных устой чивых состояний. Это и есть второй этап развития. Параметры системы, при которых возни кает кризис, называют критическим этапом развития. На этом этапе совершается переход в качественно новое состояние одним из двух способов: либо деструктивным путем, разру шающим упорядоченную систему, либо конструктивным путем перехода в устойчивое со стояние с более высоким уровнем организации, чем в предшествующем стационарном со стоянии. Затем начинается новый стационарный этап развития качественно видоизмененной системы вплоть до следующей критической точки.

Потенциально возможное раздвоение выхода системы из кризисного состояния (деструк тивное или конструктивное) привело к введению в оборот понятия «точки бифуркации». В синергетике смысл такого понятия несколько иной по сравнению с принятым в литературе его математизированным определением. В Нобелевской лекции И. Пригожин так определил си нергетическое представление о бифуркации:

«Обнаружение феномена бифуркации ввело в физику элемент исторического подхода.

… Любое описание системы, претерпевшей бифуркацию, требует включения, как вероят ностных представлений, так и детерминизма. Находясь между двумя точками бифуркации, система развивается закономерно, тогда как вблизи точек бифуркации существенную роль играют флуктуации, которые и определяют какой из ветвей кривой будет далее определяться поведение системы» [8].

Речь идет о том, что на кризисном этапе развития системы заканчивается однозначный эволюционный путь, характерный для ее предыдущего стационарного этапа. Возникает не сколько ветвей потенциально возможных продолжений развития после выхода из кризиса.

Количество таких переходов определяется особенностями развивающейся системы и усло виями ее взаимодействия с внешней средой. «Выбор» одной из таких ветвей определяется воздействием на систему одной из возникающих в этот период времени флуктуаций.

Что же происходит на этапе бифуркации, как протекают процессы перехода в качественно новые состояния исторически развивающейся системы?

В том, как протекают такие переходные процессы, не вс до конца ясно. В случае сложных систем решающее значение имеет их открытость, взаимодействие с внешней средой, откуда поступает энергия и/или вещество, обеспечивающие выход из состояния кризиса. Из класси ческой термодинамики известно, что при отсутствии такого взаимодействия (изолированные системы) любые процессы преобразования одних видов энергии в другие, сопровождаемые совершением работы, завершаются необратимыми переходами части участвующей энергии в тепло, которое равномерно рассеивается внутри системы. Необратимые потери энергии соз дают увеличение неупорядоченности, численно характеризуемое увеличением энтропии. Так что в изолированных системах неизбежен исторический процесс производства энтропии вплоть до достижения ею максимального значения в состоянии термодинамического равнове сия, которое является самым простым состоянием данной системы.

В открытой системе, попавшей в кризисную ситуацию, при наличии внешнего источника энергии в систему осуществляется приток свежей энергии. Если величина поступающей энер гии не превысит потерь энергии внутри системы, то выход из кризиса произойдет деструк тивным путем, путем частичного или полного разрушения упорядоченного состояния систе мы. Деструктивный путь выхода из кризиса реализуется механизмами достижения равновес ных состояний. Переход неравновесной системы в некоторое промежуточное равновесное состояние сопровождается ростом энтропии, что означает снижение уровня организованно сти. При деструктивном выходе из кризиса нередко наблюдается однозначность перехода.

Например, после выработки в недрах звезды ядерного горючего катастрофический ее переход в качественно новое состояние однозначно определяется исходной массой. В новом облике белого карлика или нейтронной звезды достигается неустойчивое состояние внутреннего рав новесия при более низком уровне организованности, чем в исходном стационарном состоя нии. Другой пример: любой многоклеточный организм, исчерпавший свои жизненные воз можности, завершает жизненный путь летальным выходом из кризиса, достижением полного равновесия с окружающей средой.

Неожиданностью для ученых стало открытие конструктивного пути выхода системы из кризиса. Существование такого пути означает, что материи изначально присуща не только разрушительная тенденция развития, но также созидательная тенденция, без которой невоз можно объяснить возникновение нового в этом мире. И если механизм деструктивной тен денции развития заложен в стремлении систем к достижению равновесия, то самоорганизация предстает в качестве физической основы механизма созидания. Основное условие для прояв ления самоорганизации – поступающая извне энергия должна уверенно перекрывать проте кающую в системе диссипацию энергии. Это необходимое, но недостаточное условие для конструктивного выхода из кризиса.

Выход из кризисного этапа считается конструктивным, если система приобретает качест венно новое состояние с более высоким уровнем организации, чем до ее вступления в этап бифуркации. Такой переход может протекать в форме гигантской коллективной флуктуации, во время которой элементы системы, до того проявлявшие лишь способность к хаотическим близкодействиям, вдруг обретают способность к дальнодействиям, объединяющую элементы в единый когерентный коллектив. Отсюда следует, что существуют ситуации, в которых про являются коллективные действия элементов сложных систем, приводящие к возникновению новых качественных состояний с повышением уровня организованности. Ничего подобного прежняя наука не знала. Пригожин образно расценивает ситуацию так [19]: «Можно сказать, что в равновесии материя слепа, а вне равновесия прозревает». К смыслу слова «прозревает»

мы еще вернемся.

Гигантская коллективная флуктуация, входящая в понятие самоорганизации как один из существующих механизмов рождения нового, не является единственной флуктуацией, возни кающей на кризисном этапе развития системы. Естественный вопрос – откуда берутся и что собой представляют иные флуктуации?

Значительная часть спонтанно возникающих флуктуаций вносится в систему извне. Мно гие такие флуктуации статистически обосновываются и носят вероятностный характер. Их выявление требует конкретного рассмотрения в каждом отдельном случае. Например, зако номерный процесс биологического развития сложного организма может прерываться болез нью или несчастным случаем. Возможность заболевания, а также возможность того или иного исхода конкретного заболевания, как и возможность несчастного случая и его последствий, поддаются статистической обработке и определяются вероятностно. Такие флуктуации соз дают кризисный этап исторического развития организма, выход из которого рассматривается как проявление случайности. Наряду с этим кризисные этапы развития могут возникнуть из-за неизвестных науке одноразовых флуктуаций, вызывающих особые формы выхода из кризиса.

Такие флуктуации не носят вероятностного характера, и их появление создает состояние не определенности выхода, который невозможно оценить вероятностными понятиями. Соответ ственно и выход системы из кризиса носит неопределенный, непредсказуемый характер.

Разветвление эволюционных путей в кризисных точках развития, случайный или неопре деленный характер «выбора» послекризисного пути дальнейшего развития, исключают воз можность точного предсказания будущего системы на основании тенденций, наблюдаемых на предшествовавшем стационарном этапе [9,10].

В своей совокупности новые мировоззренческие представления в науке позволяют решить старый спор о становлении нового в Мире в пользу существования процессов, в которых воз никают качественно новые объекты и состояния [11]. Так что в широком смысле этого поня тия самоорганизация выступает, как присущее материи свойство осуществлять созидательные процессы в Мире.

1.4. Рождение нового научного направления.

Открытие кризисного этапа развития сложных систем, на котором совершаются переходы в качественно новые состояния, открытие явления самоорганизации материи, благодаря кото рому в Природе рождается новое, – все это заставляет серьезно исследовать, что и как проис ходит в кризисных ситуациях. Так в семидесятых годах прошлого века была осознана необхо димость появления нового научного направления, целью которого становится изучение раз нообразных переходов систем в качественно новые состояния, и, в частности, изучения фено мена самоорганизации материи.

Провозвестниками такого научного направления стала появившиеся в 1977 году книга Г.Хакена под названием «Синергетика» [12], и вышедшая несколько раньше книга руководи теля брюссельской школы термодинамики И. Пригожина [13], в которой излагались основы неравновесной термодинамики. Пока наиболее употребительным названием нового направле ния стало заглавие книги Хакена Синергетика. Через шесть лет, когда работы в новом направ лении уже приняли широкий размах, появилась статья Данилова Ю.А. и Кадомцева Б.Б. под названием «Что такое синергетика» [14]. Авторы определили синергетику как одно из воз можных обозначений некоей «Х-науки», для которой пока еще нет установившегося названия.

Эта наука занимается исследованием процессов самоорганизации, а также процессов образо вания, поддержания и распада структур в системах, природа которых изучается в различных научных дисциплинах. По словам авторов [14], необходимость такой науки давно назрела, но она пока делает первые шаги, в ней еще не выработана единая общепризнанная терминология, отсутствует единая теория, она «существует сразу в нескольких вариантах, отличающихся не только названиями, но и степенью общности и акцентами в интересах».

С тех пор прошло более 30 лет, но то основное, что сказано в [14] в отношении незавер шенности и проблем синергетики, можно повторить и сегодня. Наряду с положительными результатами активно ведущихся исследований продолжаются споры вокруг многочисленных проблем и трудностей нового научного направления. Диапазон споров широк, от отрицания синергетики как науки, от нежелания признавать универсальный характер ее подходов, ее междисциплинарности, до утверждений о бесплодности попыток ее практических приложе ний. Последние утверждения, как правило, вызваны неправомерными попытками приложить далекую от завершения Х-науку к задачам биологии и социологии. Вместе с тем наблюдается широкий интерес к синергетике не только со стороны представителей естественных наук, но также и со стороны гуманитариев. Интерес вызывается тем, что «Х-наука» в перспективе обещает создание универсальной теории, описывающей переходы любых развивающихся систем в качественно новые состояния, определяющие возникновение нового в мире.

В начале 70-х годов выяснилось, что все разномасштабные самоорганизующиеся системы независимо от того, каким разделом науки они изучаются, будь то физика, химия, биология или социальные науки, реализуют одинаковый способ перехода в более сложные и более упо рядоченные состояния. Тем самым открывается возможность единого теоретического описа ния подобных процессов во времени и в пространстве. Тогда же наметились три разных под хода к описанию переходного скачка от исходного неустойчивого состояния системы к ус тойчивому качественно новому ее состоянию. Это разрабатываемая Г.Хакеном Синергетика (синергизм буквально переводится как совместное действие), Термодинамика неравновесных процессов, созданная под руководством И.Пригожина, и Математическая теория катастроф, основатель – французский математик Р.Том.

В предисловии к своей основополагающей книге «Синергетика» Г.Хакен так определил предмет разрабатываемой им теории: Синергетика занимается изучением систем, состоящих из многих подсистем самой различной природы, таких как электроны, атомы, молекулы, клет ки, нейроны, механические элементы, фотоны, органы животных и даже люди... Мы со средоточим внимание на тех ситуациях, когда структуры возникают в результате самооргани зации, и попытаемся выяснить, какие причины управляют процессами самоорганизации без относительно к природе подсистем. [12].

Синергетика рассматривает возникновение упорядоченных макроструктур как рождение коллективных типов поведения огромного числа входящих в макроструктуру элементов. Та кие типы поведения, называемые модами, появляются под действием флуктуаций в момент потери макросистемой устойчивости. Они конкурируют между собой, и выживает форма, наиболее приспособленная к внешним условиям. Можно сказать, - отмечает Хакен, - что в определенном смысле мы приходим к своего рода обобщенному дарвинизму, действие кото рого распространяется не только на органический, но и на неорганический мир [12]. Это вы сказывание Хакена навеяно традиционной убежденностью многих людей науки в универсаль ном характере дарвиновских представлений об эволюции. Но такое утверждение, как было сказано выше, неправомерно.

В точных науках теоретический подход к любому новому явлению считается состоявшим ся, если удается создать математический аппарат, способный адекватно отобразить главные закономерности изучаемого феномена. В случае синергетики следует обеспечить математиче ское описание поведения открытых систем при потере ими устойчивости и скачкообразном переходе в качественно новое устойчивое состояние. Такая задача осложняется тем обстоя тельством, что скачок – это крайне нелинейный процесс, при котором малые изменения управляющих параметров вызывают очень сильные изменения состояния системы, ее переход в новое качество. Здесь напрашивается аналогия с фазовыми переходами, ведущими к изме нению агрегатного состояния вещества. Процесс перехода начинается при незначительном изменении управляющего параметра вблизи от критической точки. Классическая физика, как правило, стремится иметь дело с плавными, линейными процессами, для описания которых отработан надежный математический аппарат. При слабой нелинейности удается использо вать тот же линейный аппарат с поправками на нелинейность. Процессы переходов систем в качественно новые состояния не укладываются в такие рамки, они требуют использования сугубо нелинейного математического аппарата, который в готовом виде отсутствует.

В рамках Синергетики Хакен разработал такой аппарат в виде системы нелинейных диф ференциальных уравнений, названных им эволюционными уравнениями. Они учитывают роль внешних факторов, толкающих систему к переходу в качественно новое состояние, это потоки энергии и вещества, и роль случайных, непредсказуемых факторов, определяющих выбор одного из возможных устойчивых конечных состояний. Математический аппарат теории очень сложен и пользование им сопряжено с большими и не всегда преодолимыми трудностями.

Первоначально сферой приложения Синергетики была квантовая электроника и радиофи зика, области узкопрофессиональных интересов Хакена. Поэтому в качестве примера самоор ганизации выберем объект, изучаемый этими дисциплинами, а именно, лазер. Этот квантовый прибор, получивший в последние десятилетия широкую известность, создает высокооргани зованное оптическое излучение. Особенность квантового прибора состоит в том, что процесс самоорганизации реализуется в нем на уровне микромира. Само название прибора представ ляет собой аббревиатуру полного английского наименования, содержащего два ключевых по нятия, определяющих принцип его действия: вынужденное излучение и усиление света.

В самом начале ХХ века наука открыла для себя новый мир – мир микрочастиц и проте кающих в этом мире процессов. Одним из следствий прорыва в новую область знания явилось понимание глубинных механизмов поглощения и излучения света вещественными средами.

Активными участниками таких процессов выступают атомы, молекулы и ионы, а сами про цессы протекают при обменах строго определенными порциями энергий (квантами энергии) между микрочастицами, включая в их число частицы света – фотоны. При определенных ус ловиях атом (молекула, ион) способен получить определенную дозу энергии в процессе взаи модействия с другими микрочастицами, что переводит его в возбужденное состояние. Такое состояние неустойчиво, и через небольшой промежуток времени, определяемый вероятност но, атом освобождается от лишней энергии, испуская фотон. Такой процесс называют спон танным излучением возбужденного атома. В вещественной среде, содержащей большое коли чество возбужденных атомов, спонтанные фотоны излучаются в случайных направлениях, со случайными фазами и в определенных пределах с разными длинами волн.

Характерный пример используемого спонтанного излучения – традиционные источники света – лампы накаливания и более современные газоразрядные лампы. Во время работы они пребывают в состоянии, близком к равновесному, а в таком состоянии для самоорганизации нет места. Нагретая до высокой температуры нить накаливания или нагретый электрическим разрядом газ содержат большое количество возбужденных атомов (молекул, ионов). Степень возбуждения частиц различна, соответственно они непредсказуемо (спонтанно) излучают фо тоны во всех направлениях с различными длинами волн. Уровень организации подобных сред низкий, упорядоченность излучаемого света мала.

Но в 1907 году Альберт Эйнштейн теоретически установил существование другого вида излучения, названного вынужденным излучением. Вскоре этот вывод получил эксперимен тальное подтверждение. Вынужденное излучение возникает, когда вблизи возбужденного атома (молекулы, иона) пролетает фотон определенной длины волны. Между фотоном и внешним электроном возбужденного атома возникает взаимодействие волнового характера. В результате возбужденный атом вынужденно испускает фотон с той же частотой, с той же фа зой и поляризацией, как и у фотона-инициатора, и такой фотон-близнец движется по направ лению движения исходного фотона.



Pages:   || 2 | 3 | 4 | 5 |   ...   | 6 |
 





 
© 2013 www.libed.ru - «Бесплатная библиотека научно-практических конференций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.