Происхождение Вселенной

2. Модель горячей вселенной.

Наиболее общепринятой в космологии является модель однородной изотропной нестационарной горячей расширяющейся Вселенной, построенная на основе общей теории относительности и релятивистской теории тяготения, созданной Альбертом Эйнштейном в 1916 году. В основе этой модели лежат два предположения: 1) свойства Вселенной одинаковы во всех ее точках (однородность) и направления (изотропность); 2) наилучшим известным описанием гравитационного поля являются уравнения Эйнштейна. Из этого следует так называемая кривизна пространства и связь, кривизны с плотностью массы. Космологию, основанную на этих постулатах называют релятивистской. Важным пунктом данной модели является ее нестационарность, это означает, что Вселенная не может находиться в статическом, неизменном состоянии.

Новый этап в развитии релятивистской космологии был связан с исследованиями русского ученого А.А. Фридмана (1888-1925), который математически доказал идею саморазвивающейся Вселенной. Работа А.А.Фридмана в корне изменила основоположения прежнего научного мировоззрения. По его утверждению космологические начальные условия образования Вселенной были сингулярными. Разъясняя характер эволюции Вселенной, расширяющейся начиная с сингулярного состояния, Фридман особо выделял два случая:

а) радиус кривизны Вселенной с течением времени постоянно возрастает, начиная  с нулевого значения;

б) радиус кривизны меняется периодически: Вселенная сжимается в точку (в ничто, сингулярное состояние), затем снова из точки, доводит свой радиус до некоторого значения, далее опять, уменьшая радиус своей кривизны, обращается в точку, и т.д.²

На этот вывод не было обращено внимания вплоть до открытия американским астрономом Эдвином Хабблом в 1929 году так называемого «красного  смещения». Красное смещение — это  понижение частот электромагнитного излучения: в видимой части спектра линии смещаются к его красному концу. Обнаруженный ранее эффект Доплера гласил, что при удалении от нас какого-либо источника колебаний, воспринимаемая вами частота колебаний уменьшается, а длина волны соответственно увеличивается. При излучении происходит «покраснение», т. е. линии спектра сдвигаются в сторону более длинных красных волн.

Так вот, для всех далеких источников света красное смещение было зафиксировано, причем, чем дальше находился источник, тем в большей степени. Красное смещение оказалось пропорционально расстоянию до источника, что и подтверждает гипотезу об удалении их, т. е. о расширении Метагалактики — видимой части Вселенной.

Составной частью модели расширяющейся Вселенной  является представление о Большом Взрыве, происшедшем где-то примерно 12 —18 млрд. лет назад.

Джордж  Лемер был первым, кто выдвинул концепцию «Большого взрыва»  из так называемого «первобытного  атома» и последующего превращения  его осколков в звезды и галактики. Конечно, со стороны современного астрофизического знания данная концепция представляет лишь исторический интерес, но сама идея первоначального взрывоопасного движения космической материи и ее последующего эволюционного развития неотъемлемой частью вошла в современную научную картину мира.

Принципиально новый этап в развитии современной эволюционной космологии связан с именем американского физика Г.А.Гамова (1904-1968), благодаря которому в науку вошло понятие горячей Вселенной. Согласно предложенной им модели «начала» эволюционирующей Вселенной «первоатом» Леметра состоял из сильно сжатых нейтронов, плотность которых достигала чудовищной величины - один кубический сантиметр первичного вещества весил миллиард тонн. В результате взрыва этого «первоатома» по мнению Г.А.Гамова образовался всоеобраэный космологический котел с температурой порядка трей миллиардов градусов, где и произошел естественный синтез химических элементов. Осколки первичного яйца - отдельные нейтроны затем распались на электроны и протоны, которые, в свою очередь, соединившись с нераспавшимися нейтронами, образовали ядра будущих атомов. Все это произошло в первые 30 минут после «Большого Взрыва.

Горячая модель представляла собой  конкретную астрофизическую гипотезу, указывающую пути опытной проверки своих следствий. Гамов предсказал существование в настоящее время остатков теплового излучения первичной горячей плазмы, а его сотрудники Дльфер и Герман еще в 1948 г. довольно точно рассчитали величину температуры этого остаточного излучения уже современной Вселенной. Однако Гамову и его сотрудникам не удалось дать удовлетворительное объяснение естественному образованию и распостраненности тяжелых химических элементов во Вселенной, что явилось причиной скептического отношения к его теории со стороны специалистов. Как оказалось, предложенный механизм ядерного синтеза не мог обеспечить возникновение наблюдаемого ныне количества этих элементов.

Ученые стали искать иные физические модели «начала». В 1961 году академик Я.Б. Зельдович выдвинул альтернативную холодную модель, согласно которой  первоначальная плазма состояла из смеси холодных ( с температурой ниже абсолютного нуля) вырожденных частиц - протонов, электронов и нейтрино. Три года спустя астрофизики И.Д. Новиков и А.Г. Дорошкевич произвели сравнительный анализ двух противоположных моделей космологических начальных условий - горячей и холодной и указали путь опытной проверки и выбора одной из них. Было предложено с помощью изучения спектра излучений звезд и космических радиоисточников попытаться обнаружить остатки первичного излучения. Открытие остатков первичного излучения подтверждало бы правильность горячей модели, а если таковые не существуют, то это будет свидетельствовать в пользу холодной модели.

В конце 60-х годов группа американских ученых во главе с Р. Дикке приступила к попыткам обнаружить реликтовое излучение. Но их опередили Л. Пепзиас и Р. Вильсон, получившие в 1978 г. Нобелевскую премию за открытие микроволнового фона (это официальное название реликтового излучения) на волне 7,35 см.

Примечательно, что будущие лауреаты Нобелевском премии не искали реликтовое излучение, а в основном занимались отладкой радиоантенны, для работы по программе спутниковой связи. С июля 1964 г. по апрель 1965 г они при различных положениях антенны регистрировали космическое излучение, природа которого первоначально была им не ясна. Этим излучением и оказалось реликтовое излучение.

Таким образом, в результате астрономических  наблюдений последнего времени удалось  однозначно решить принципиальный вопрос о характере физических условий, господствовавших на ранних стадиях  космической эволюции: наиболее адекватной оказалась горячая модель «начала». Сказанное, однако, не означает, что подтвердились все теоретические утверждения и выводы космологической концепции Гамова. Из двух исходных гипотез теории - о нейтронном составе «космического яйца» и горячем состоянии молодой Вселенной - проверку временем «выдержала «только «последняя, указывающая на количественное преобладание излучения над веществом у истоков ныне наблюдаемого космологического расширения.

3. Жизнь и разум во Вселенной

В настоящее вpемя вся совокупность наук человеческой цивилизации позволяет  сделать неопpовеpжимый вывод  о возможности и большой веpоятности существоания жизни, в том числе pазумной, в подходящих для этого местах Вселенной, в частности в нашей Галактике.

Физика и астpофизика устоновили факт тождественности физических законов во всей видимой части Вселенной. Астpономия показала, что Солнце и наша Галактика по pазличным паpаметpам являются pядовыми, "сpедними" объектами Вселенной сpеди множества подобных.

Однако пока не удалось непосpедственно  увидеть планетные системы даже у ближайших к нам звёзд  из-за далеко недостаточных возможностей существующих телескопов. В настоящее  вpемя, по видимому, получены лишь косвенные указания на существование у ближайших звёзд планетных систем. Наблюдаемые пеpиодические колебания положения некотоpых звёзд могут быть обьяснены единственным обpазом - существованием достаточно больших юпитеpоподобных невидимых спутников звезды, т.е. планет.

Для того чтобы возникла жизнь, необходимо наличие опpеделённых атомов. Все живое состоит в основном из водоpода, кислоpода, азота, углеpода и незначительного количества более тяжёлых элементов от фосфоpа и кальция до железа. Эти элементы, как сейчас установлено астpофизикой, возникли в недpах пеpвичных звёзд, состоящих из водоpода и гелия. Элементы тяжелее водоpода обpазовывались в недpах звёзд пеpвичного поколения пpи их сжатии благодоpя вспыхивавшей теpмоядеpной pеакции. Затем следовали взpыв, сбpос оболочки звезды и обpазование звезд втоpичного поколения с планетами вокpуг них, что пpивело к созданию множества мест, богатых необходимыми элементами и их соединениями.

Оpганические соединения на обpазовавшихся  планетах могли возникать в ходе последующего теплового пpоцесса в  истоpии pазвития планет. Суть этого пpоцесса в pазогpеве недp планеты вследствие pадиоактивного pаспада уpана, тоpия, калия-40 и в выносе на повеpхность гоpячих pасплавленных масс. Взаимодействие с водой могло пpивести к обpазованию сложных оpганических соединений, послуживших основой для возникновения живой клетки.

Вопpос пpоисхождения оpганических соединений получил новое освещение, когда совpшенно неожиданно pадиоастpономические  методы позволили обнаpужить в туманностях около 50 pазличных, в том числе оpганических, соединений, содеpжащих более десятка атомов в молекуле. Были обнаpужены соединения, являющиеся основой белков живых оpганизмов. Есть основание полагать, что в этих туманностях идет интенсивное звёздообpазование и вполне возможно, что обpазуются планеты с уже подготовленными оpганическими соединениями, котоpые вовсе не обязательно должны pазpушаться в пpоцессе конденсации планет.

Космология довольно надёжно установила пути эволюции вещества во Вселенной от нуклесинтеза тяжёлых атомов до обpазования неоpганических соединений. Но науке пока совеpшенно не ясен пеpеход от неживых оpганических соединений к живым, т.е. способным к самовоспpоизведению по опpеделённому pецепту - генетическому коду. Этот пеpеход к высшей оpганизации вещества остаётся тёмным местом в цепи общей эволюции матеpии.³

Сказанное об эволюционном pазвитии  вещества во Вселенной по совpеменным  пpедставлениям можно изобpазить  в схематическом виде: _ Элементаpные частицы ® Ядpа ® Атомы ® Молекулы ® Макpомолекулы ® Микpобы ® Колонии микpобов ® Оpганизмы ® Социальные стpуктуpы.

Все изложенные аpгументы совpеменной  науки в пользу существования множества обитаемых миpов пpиведены ниже:

Важнейшим условием для зарождения жизни на планете является наличие  на ее поверхности достаточно большого количества жидкой среды. В такой  среде находятся в растворенном состоянии органические соединения и могут создаваться благоприятные условия для синтеза на их основе сложных молекулярных комплексов. Кроме того, жидкая среда необходима только что возникшим живым организмам для защиты от губительного воздействия ультрафиолетового излучения, которое на начальном этапе эволюции планеты может свободно проникать до ее поверхности.

Можно ожидать, что такой жидкой оболочкой может быть только вода и жидкий аммиак, многие соединения которого, кстати, по своей структуре  аналогичны органическим соединениям, благодаря чему в настоящее время рассматривается возможность возникновения жизни на аммиачной основе. Образование жидкого аммиака требует сравнительно низкой температуры поверхности планеты. Вообще значение температуры первоначальной планеты для возникновения на ней жизни весьма велико. Если температура достаточно велика, например 100⁰С, а давление атмосферы не велико, на ее поверхности не может образоваться водяная оболочка, не говоря уже об аммиачной. В таких условиях говорить о возможности возникновения жизни на планете не приходится. Исходя из сказанного, мы можем ожидать, что условия для возникновения в отдаленном прошлом жизни на Марсе и Венере могли быть, вообще говоря, благоприятными. Жидкой оболочкой могла быть только вода, а не аммиак, что следует из анализа физических условий на этих планетах в эпоху их формирования. В настоящее время эти планеты достаточно хорошо изучены, и ничто не указывает на присутствие даже простейших форм жизни ни на одной из планетах Солнечной системы, не говоря уже о разумной жизни. Однако получить явные указания на наличие жизни на той или иной планете путем астрономических наблюдений очень трудно, особенно если речь идет о планете в другой звездной системе. Даже в самые мощные телескопы при наиболее благоприятных условиях наблюдения размеры деталей, еще различимых на поверхности Марса, равны 100 км.

До этого мы только определили самые  общие условия, при которых во Вселенной может (не обязательно  должна) возникнуть жизнь. Такая сложная  форма материи, как жизнь, зависит  от большого числа совершенно не связанных между собой явлений. Но все эти рассуждения касаются только простейших форм жизни. Когда мы переходим к возможности тех или иных проявлений разумной жизни во Вселенной, мы сталкиваемся с очень большими трудностями.

Жизнь на какой-нибудь планете должна проделать огромную эволюцию, прежде чем стать разумной. Движущая сила этой эволюции - способность организмов к мутациям и естественный отбор. В процессе такой эволюции организмы все более и более усложняются, а их части - специализируются. Усложнение идет как в качественном, так и в количественном направлении. Например у червя имеется всего около 1000 нервных клеток, а у человека около десяти миллиардов. Развитие нервной системы существенно увеличивает способности организмов к адаптации, их пластичность. Эти свойства высокоразвитых организмов являются необходимыми, но, конечно, недостаточными для возникновения разума. Последний можно определить как адаптацию организмов для их сложного социального поведения. Возникновение разума должно быть теснейшим образом связано с коренным улучшением и усовершенствованием способов обмена информацией между отдельными особями. Поэтому для истории возникновения разумной жизни на Земле возникновение языка имело решающее значение. Можем ли мы, однако, такой процесс считать универсальным для эволюции жизни во всех уголках Вселенной? Скорее всего - нет! Ведь в принципе при совершенно других условиях средством обмена информацией между особями могли бы стать не продольные колебания атмосферы (или гидросферы), в которой живут эти особи, а нечто совершенно другое. Почему бы не представить себе способ обмена информацией, основанный не на акустических эффектах, а, скажем на оптических или магнитных? И вообще - так ли уж обязательно, чтобы жизнь на какой-нибудь планете в процессе ее эволюции стала разумной?