Концепция бесконечности и космологическая эволюция

Парадигма самоорганизации может способствовать лучшему пониманию процессов  происхождения жизни и дальнейшей ее эволюции. Действительно, с ее помощью можно более адекватно объяснить, каким образом из неорганических молекул возникли органические, а из последних -- первые живые клетки. Согласно гипотезе немецкого физико-химика Манфреда Эйгена (р. 1927), процесс возникновения живых клеток тесно связан с взаимодействием нуклеотидов, являющихся материальными носителями информации, и протеинов (полипептидов), служащих катализаторами химических реакций. В процессе взаимодействия нуклеотиды под влиянием протеинов воспроизводят себя и в свою очередь передают информацию следующему за ним протеину, так что в результате возникает замкнутая авто каталитическая цепь, которую М. Эйген называет гиперциклом. В ходе дальнейшей эволюции из них возникают первые живые клетки, сначала без ядер, называемые прокариотами, а затем с ядрами -- эукариоты.

На предбиотической стадии эволюции до возникновения первых живых клеток, как показывают современные исследования, существовали материальные системы, обладавшие способностью к самовоспроизведению, метаболизму и развитию через мутации и конкуренцию с другими системами для отбора. Эти фундаментальные свойства, характеризующие жизнь, возникли из самоорганизации структур.

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

Парадигма самоорганизации позволяет установить связь между неживым и живым  в ходе эволюции, так что возникновение  жизни представляется отнюдь не чисто  случайной и крайне маловероятной  комбинацией условий и предпосылок  для ее появления, как заявляли некоторые  авторитетные биологи. Если самоорганизация  при наличии соответствующих  условий может возникнуть в самом  фундаменте здания материи, то вполне обоснованно предположить, что на более высоких уровнях организации  она может закономерно привести к возникновению жизни во Вселенной. Нельзя также не отметить, что жизнь  сама готовит условия для своей  дальнейшей эволюции. Предполагают, что  первыми стали осваивать Землю  растения, которые появились примерно 500 миллионов лет назад. Такое  предположение представляется достаточно обоснованным, так как именно растения способны к фотосинтезу и, следовательно, в состоянии накапливать энергию  и отдавать свободный кислород в  атмосферу. Спустя примерно 50 миллионов лет после растений появились первые животные -- гипертрофы, которые стали использовать растения в качестве пищи. В результате дальнейшей эволюции из этих основных царств живых систем возникло огромное разнообразие форм и видов растений и животных, которые, постепенно адаптируясь к окружающей среде, усложняли свою структуру и функции и влияли также на свою среду, главным образом через те экосистемы, в которые они входили.

Эволюцию  Вселенной принято разделять  на четыре эры: адронную, лептонную, фотонную и звездную.

а) Адронная эра. При очень высоких температурах и плотности в самом начале существования Вселенной материя состояла из элементарных частиц. 
Вещество на самом раннем этапе состояло, прежде всего, из адронов, и поэтому ранняя эра эволюции Вселенной называется адронной, несмотря на то, что в то время существовали и лептоны.

Через миллионную долю секунды с момента  рождения Вселенной, температура T упала  на 10 биллионов Кельвинов (1013K). Средняя  кинетическая энергия частиц kT и фотонов h? составляла около миллиарда Мэв (103 Мэв), что соответствует энергии покоя барионов. В первую миллионную долю секунды эволюции Вселенной происходила материализация всех барионов неограниченно, так же, как и аннигиляция. Но по прошествии этого времени материализация барионов прекратилась, так как при температуре ниже 1013 K фотоны не обладали уже достаточной энергией для ее осуществления. Процесс аннигиляции барионов и антибарионов продолжался до тех пор, пока давление излучения не отделило вещество от антивещества. Нестабильные гипероны (самые тяжелые из барионов) в процессе самопроизвольного распада превратились в самые легкие из барионов (протоны и нейтроны). Так во вселенной исчезла самая большая группа барионов - гипероны. Нейтроны могли дальше распадаться в протоны, которые далее не распадались, иначе бы нарушился закон сохранения барионного заряда. Распад гиперонов происходил на этапе с 10-6 до 10-4 секунды.

К моменту, когда возраст Вселенной достиг одной десятитысячной секунды (10-4 с.), температура ее понизилась до 1012 K, а энергия частиц и фотонов представляла лишь 100 Мэв. Ее не хватало уже для возникновения самых легких адронов - пионов. Пионы, существовавшие ранее, распадались, а новые не могли возникнуть. Это означает, что к тому моменту, когда возраст Вселенной достиг 10-4 с., в ней исчезли все мезоны. На этом и кончается адронная эра, потому что пионы являются не только самыми легкими мезонами, но и легчайшими адронами. Никогда после этого сильное взаимодействие 
(ядерная сила) не проявлялась во Вселенной в такой мере, как в адронную эру, длившуюся всего лишь одну десятитысячную долю секунды.

б) Лептонная  эра. Когда энергия частиц и фотонов  понизилась в пределах от 100 Мэв до 1 Мэв в веществе было много лептонов. Температура была достаточно высокой, чтобы обеспечить интенсивное возникновение электронов, позитронов и нейтрино. Барионы (протоны и нейтроны), пережившие адронную эру, стали по сравнению с лептонами и фотонами встречаться гораздо реже.

Лептонная эра начинается с распада последних  адронов - пионов - в мюоны и мюонное нейтрино, а кончается через несколько секунд при температуре 1010 K, когда энергия фотонов уменьшилась до 1 Мэв и материализация электронов и позитронов прекратилась. Во время этого этапа начинается независимое существование электронного и мюонного нейтрино, которые мы называем “реликтовыми”. Всё пространство Вселенной наполнилось огромным количеством реликтовых электронных и мюонных нейтрино. Возникает нейтринное море.

в) Фотонная эра или эра излучения. На смену  лептонной эры пришла эра излучения, как только температура Вселенной  понизилась до 1010 K, а энергия гамма  фотонов достигла 1 Мэв, произошла только аннигиляция электронов и позитронов. Новые электронно-позитронные пары не могли возникать вследствие материализации, потому, что фотоны не обладали достаточной энергией. Но аннигиляция электронов и позитронов продолжалась дальше, пока давление излучения полностью не отделило вещество от антивещества. Со времени адронной и лептонной эры Вселенная была заполнена фотонами. К концу лептонной эры фотонов было в два миллиарда раз больше, чем протонов и электронов. Важнейшей составной Вселенной после лептонной эры становятся фотоны, причем не только по количеству, но и по энергии.

Для того чтобы можно было сравнивать роль частиц и фотонов во 
Вселенной, была введена величина плотности энергии. Это количество энергии в 1 куб.см, точнее, среднее количество (исходя из предпосылки, что вещество во Вселенной распределено равномерно). Если сложить вместе энергию h? всех фотонов, присутствующих в 1 куб.см, то мы получим плотность энергии излучения Er . Сумма энергии покоя всех частиц в 1 куб.см является средней энергией вещества Em во Вселенной.

Вследствие  расширения Вселенной понижалась плотность  энергии фотонов и частиц. С  увеличением расстояния во Вселенной  в два раза, объём увеличился в  восемь раз. Иными словами, плотность  частиц и фотонов понизилась в  восемь раз. Но фотоны в процессе расширения ведут себя иначе, чем частицы. В  то время как энергия покоя  во время расширения Вселенной не меняется, энергия фотонов при  расширении уменьшается. Фотоны понижают свою частоту колебания, словно “устают” со временем. Вследствие этого плотность  энергии фотонов (Er) падает быстрее, чем плотность энергии частиц (Em). 
Преобладание во вселенной фотонной составной над составной частиц (имеется в виду плотность энергии) на протяжении эры излучения уменьшалось до тех пор, пока не исчезло полностью. К этому моменту обе составные пришли в равновесие (то есть Er=Em). Кончается эра излучения и вместе с этим период 
“большого взрыва”. Так выглядела Вселенная в возрасте примерно 300 000 лет. 
Расстояния в тот период были в тысячу раз короче, чем в настоящее время.

“Большой  взрыв” продолжался сравнительно недолго, всего лишь одну тридцатитысячную нынешнего  возраста Вселенной. Несмотря на краткость  срока, это всё же была самая славная эра Вселенной. Никогда после этого эволюция Вселенной не была столь стремительна, как в самом её начале, во время “большого взрыва”. Все события во Вселенной в тот период касались свободных элементарных частиц, их превращений, рождения, распада, аннигиляции. Не следует забывать, что в столь короткое время (всего лишь несколько секунд) из богатого разнообразия видов элементарных частиц исчезли почти все: одни путем аннигиляции (превращение в гамма-фотоны), иные путем распада на самые легкие барионы (протоны) и на самые легкие заряженные лептоны (электроны).

После “большого взрыва” наступила  продолжительная эра вещества, эпоха  преобладания частиц. Мы называем её звездной эрой. Она продолжается со времени  завершения “большого взрыва” (приблизительно 300 000 лет) до наших дней. По сравнению  с периодом “большим взрыва” её развитие представляется как будто  слишком замедленным. Это происходит по причине низкой плотности и температуры. Таким образом, эволюцию Вселенной можно сравнить с фейерверком, который окончился. Остались горящие искры, пепел и дым. Мы стоим на остывшем пепле, вглядываемся в стареющие звезды и вспоминаем красоту и блеск Вселенной. Взрыв суперновой или гигантский взрыв галактики - ничтожные явления в сравнении с большим взрывом. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

3. Рождение сверхгалактик и скоплений галактик

Во время  эры излучения продолжалось стремительное  расширение космической материи, состоящей  из фотонов, среди которых встречались  свободные протоны или электроны  и крайне редко - альфа-частицы. (Не надо забывать, что фотонов было в миллиард раз больше чем протонов и электронов). В период эры излучения протоны  и электроны в основном оставались без изменений, уменьшалась только их скорость. С фотонами дело обстояло намного сложнее. Хотя скорость их осталась прежней, в течение эры излучения  гамма-фотоны постепенно превращались в фотоны рентгеновские, ультрафиолетовые и фотоны света. Вещество и фотоны к концу эры остыли уже настолько, что к каждому из протонов мог, присоединится один электрон. При этом происходило излучение одного ультрафиолетового фотона (или же нескольких фотонов света) и, таким образом, возник атом водорода. Это была первая система частиц во Вселенной.

С возникновением атомов водорода начинается звездная эра - эра частиц, точнее говоря, эра  протонов и электронов.

Вселенная вступает в звездную эру в форме  водородного газа с огромным количеством  световых и ультрафиолетовых фотонов. Водородный газ расширялся в различных  частях Вселенной с разной скоростью. Неодинаковой была также и его  плотность. Он образовывал огромные сгустки, во много миллионов световых лет. Масса таких космических  водородных сгустков была в сотни  тысяч, а то и в миллионы раз  больше, чем масса нашей теперешней Галактики. Расширение газа внутри сгустков шло медленнее, чем расширение разреженного водорода между самими сгущениями. Позднее из отдельных участков с помощью собственного притяжения образовались сверхгалактики и скопления галактик. Итак, крупнейшие структурные единицы Вселенной - сверхгалактики - являются результатом неравномерного распределения водорода, которое происходило на ранних этапах истории Вселенной. 
 
 
 

4. Рождение галактик

Колоссальные  водородные сгущения - зародыши сверх  галактик и скоплений галактик - медленно вращались. Внутри их образовывались вихри, похожие на водовороты. Их диаметр  достигал примерно ста тысяч световых лет. Мы называем эти системы протогалактиками, т.е. зародышами галактик. Несмотря на свои невероятные размеры, вихри протогалактик были всего лишь ничтожной частью сверхгалактик и по размеру не превышали одну тысячную сверхгалактики. Сила гравитации образовывала из этих вихрей системы звезд, которые мы называем галактиками. Некоторые из галактик до сих пор напоминают нам гигантское завихрение.

Астрономические исследования показывают, что скорость вращения завихрения предопределила форму  галактики, родившейся из этого вихря. Выражаясь научным языком, скорость осевого вращения определяет тип будущей галактики. Из медленно вращающихся вихрей возникли эллиптические галактики, в то время как из быстро вращающихся родились сплющенные спиральные галактики.

В результате силы тяготения очень медленно вращающийся  вихрь сжимался в шар или несколько  сплюнутый эллипсоид. Размеры такого правильного гигантского водородного  облака были от нескольких десятков до нескольких сотен тысяч световых лет. Нетрудно определить, какие из водородных атомов вошли в состав рождающейся эллиптической, точнее говоря эллипсоидальной галактики, а какие остались в космическом  пространстве вне нее. Если энергия  связи сил гравитации атома на периферии превышала его кинетическую энергию, атом становился составной  частью галактики. Это условие называется критерием Джинса. С его помощью  можно определить, в какой степени  зависела масса и величина протогалактики от плотности и температуры водородного газа.