Характеристика эволюционных этапов развития биосферы

Для Вселенной возможны два варианта, выбор между которыми зависит от средней плотности вещества в ней. Если плотность вещества меньше некоторой критической величины, Вселенная будет расширяться бесконечно. Если больше - силы гравитации смогут остановить разлет небесных тел и расширение сменится сжатием. Критическую плотность можно оценить, зная гравитационную постоянную G и постоянную Хаббла H:

крит=3H2/8G ~ 10-32 кг/м3

Какова действительная плотность вещества во Вселенной, точнее, больше или меньше она критической, неизвестно. Если учитывать только видимое, светящееся вещество, плотность оказывается значительно (в 30 раз) меньше критической. Однако, многие факты указывают на существование намного большей невидимой, «скрытой» массы. Сейчас считается, что средняя плотность Вселенной скорее всего все же немного меньше критической, но полной уверенности в этом нет. Не исключено, что она в точности равна критической и это не случайное совпадение. Так что имеет смысл рассмотреть оба варианта развития.

Рассмотрим сначала первый - «открытую», бесконечно расширяющуюся Вселенную.

Непрерывное расширение сопровождается рассеянием энергии. Локальные «резервуары» концентрированной энергии - звезды - расходуют свое ядерное горючее, сбрасывают и рассеивают в конце жизни часть своей массы и превращаются в мертвые, медленно остывающие остатки либо (при достаточной массе) в «черные дыры». Из сброшенного газа могут возникать звезды следующего поколения, но их становится все меньше и меньше, пока этот процесс не прекращается совсем. Полное угасание всех звезд должно завершиться примерно через 1014 (сто триллионов) лет. Останутся мертвые остывшие звезды и черные дыры, образующие галактики, а также планеты, небольшое количество очень рассеянного газа и пыли и непрерывно теряющее энергию излучение.

На следующем этапе должна произойти потеря звездами своих планетных систем и потеря галактиками звезд. И то и другое будет результатом тесных сближений звезд, когда гравитационное взаимодействие приводит к обмену импульсом, так что отдельные объекты выбрасываются из связанной системы. При этом планеты будут оторваны от своих звезд, большая часть звезд (примерно 90%) будет выброшена, «испарится», из галактик, а оставшиеся, потеряв импульс, соберутся в массивную черную дыру. Этот процесс идет и сейчас, но очень медленно. Зкончиться он должен через 1018 лет. К этому времени не будет галактик, останутся лишь равномерно рассеянные погасшие звезды и черные дыры.

Последние этапы эволюции связаны с квантовыми эффектами и следствиями еще во многом гипотетических представлений, вытекающих из теорий объединения фундаментальных взаимодействий. Теория «великого объединения» - объединения сильных и электрослабых взаимодействий - предсказывает конечное времени жизни протона, равное 1030-1032 лет. Если это так, то через промежуток времени такого порядка протоны распадутся и все вещество звезд превратится в электроны, позитроны и нейтрино.

Останутся еще массивные черные дыры. Но оказалось, что и они не вечны. Черные дыры способны «испаряться» благодаря квантовым эффектам. В соответствии с принципом неопределенности вблизи «горизонта» на границе черной дыры возможно возникновение пар частиц, одна из которых остается под горизонтом, а вторая излучается, унося массу и энергию от черной дыры. Этот процесс для массивных черных дыр очень медленный (тем медленнее, чем больше масса дыры) и завершение его требует времени порядка 10100 лет. После этого кроме невероятно разреженных электронов, позитронов, нейтрино и фотонов не останется ничего.

Что же будет, если средняя плотность превышает критическую? В этом случае расширение сменится сжатием. Как оно будет происходить зависит от того как долго перед этим будет продолжаться расширение. Если плотность лишь ненамного больше критической в процессе расширения (а реально, если она все-таки больше, то только ненамного), то к моменту начала сжатия Вселенная будет состоять лишь из мертвых звезд, черных дыр, нейтрино и фотонов. При сжатии энергия фотонов будет возрастать (благодаря «фиолетовому смещению») причем возрастать в большей степени, чем она убывала при расширении. Фотоны разогреют и испарят мертвые звезды. При увеличении плотности все рассеянное вещество будет поглощаться черными дырами, а в конце все черные дыры сольются в одну гигантскую. При этом не только все вещество сольется и коллапсирует, но само пространство свернется. Может ли такая коллапсирующая масса перейти в сингулярность с бесконечной плотностью и как бы она могла это сделать - неизвестно, современная наука описать это не может. Правда не исключено, что, прежде чем плотность станет бесконечно большой, какой-нибудь неизвестный нам пока механизм может привести к так называемому «отскоку» Вселенной, и снова начнется процесс ее расширения.

Возможность «отскока» рассматривалась и описывалась теоретиками. Здесь вероятна цикличность, когда циклы расширения и сжатия чередуются. При этом каждый следующий цикл оказывается примерно вдвое продолжительнее предыдущего. Таким образом продолжительность стадии расширения может стать такой большой, что захватит и этап распада протона. Тогда новое сжатие начнется в состоянии, когда отсутствуют адроны, а энергия определяется фотонами, образовавшимися при распаде протонов. В этом случае продолжительность следующего цикла уже не удвоится, а удлиннится по крайней мере в 1000 раз. В конце концов очередной цикл практически не будет отличаться от бесконечного расширения. Вообще теоретический анализ такой пульсирующей Вселенной приводит ко многим весьма интересным следствиям, но следует помнить, что сам «отскок» остается гипотезой.

Посмотрим теперь как во все эти сценарии эволюции Вселенной вписывается эволюция структур и, прежде всего, жизни. Динамический диссипативный характер структур требует для их существования потока рассеяния энергии и вещества и соответствующих градиентов концентрации. В начале расширения концентрация энергии и вещества очень высока, а градиенты малы, что препятствует образованию сложных структур. Уменьшение концентраций и усиление неоднородностей в распределении этих концентраций приводит к возникновению все более сложных структур - это мы видим вокруг себя сейчас. Однако, дальнейшее рассеяние вещества и энергии должно привести к уменьшению градиентов и интенсивности потоков энергии, которые окажутся недостаточными для обеспечения существования сложных структур, таких как жизнь. Очевидно, что в развитии расширяющейся Вселенной должен существовать некий пик структурной сложности, после которого она пойдет на убыль. Добралась ли наша Вселенная до такого пика, или максимум еще впереди? Точно сказать нельзя, но во всяком случае мы где-то в районе максимума, который должен быть очень пологим, растянутым на десятки миллиардов лет.

Надо сказать, что если наша Вселенная не «открытая» и расширение когда-то сменится сжатием, в развитии ее структурированности ничего не изменится. На стадии расширения точно так же будет пик максимальной сложности структур и затем упрощение. На стадии сжатия нового усложнения структуры уже не будет - цикл несимметричен. Для возникновения структур необходима диссипация.

Посмотрим теперь как может выглядеть наша собственная судьба, связанная с нашей маленькой планетой. Увеличение численности людей, разрастание искусственной среды обитания уже подошло к своему пределу. Необходима стабилизация как численности населения так и уровня потребления всевозможных первичных ресурсов. Причем для многих видов ресурсов необходима не стабилизация а резкое сокращение потребления. Например запасов руд металлов цинка, олова, ртути и свинца при нынешнем потреблении хватит лишь примерно лишь на 20 лет. Других - больше, но все так называемые невозобновимые ресурсы должны истощиться.

Это, вообще говоря, не очень страшно. Название «невозобновимые» условно. Любое вещество как-то измененное или рассеянное может быть снова сконцентрировано, очищено и вовлечено в оборот, только по мере истощения богатых природных концентратов - руд - это будет требовать все больше затрат энергии. Затраты энергии связаны с ее рассеянием, диссипацией. Это все тот же общий закон: возникновение и существование стабильных структур требует увеличения рассеяния энергии, понижения ее качества - производства избыточной энтропии. Необходимый поток энергии нам обеспечивает Солнце. Следовательно возможность усложнения структуры среды обитания человека, в принципе, ограничена величиной потока энергии от Солнца. И само существование этой структуры возможно лишь пока светит Солнце.

Солнце будет светить долго, но не вечно. Оно должно погаснуть, предварительно раздувшись и без взрыва или со взрывом сбросив значительную часть вещества. Если предположить, что человечество не исчезнет раньше и достигнет огромной технологической мощи, можно допустить, что оно сможет заблаговременно вместе со своей планетой (или без нее) перебраться к другой подходящей звезде, и так далее. Однако, каждое угасание звезды оставляет мертвый остаток, который исключается из дальнейших преобразований. Количество газа, из которого могут образовываться новые звезды, быстро уменьшается, и в конце-концов звезды погаснут все. Очень развитое человечество сможет держаться и тут еще очень долго, экономно сжигая в термоядерной топке запасы водорода больших планет, но в конце-концов и разумная жизнь и вся накопленная в созданных структурах информация исчезнет вместе с нашей Вселенной.

К такому выводу приводит современный уровень знаний. Что будет «потом»? «Потом» не будет, ибо вместе с нашей Вселенной умрет и наше время и наше пространство. Но современная наука говорит о том, что наша Вселенная не может быть единственной. Флуктуации чего-то первичного могут порождать бесконечное множество других вселенных, возможно с другой размерностью и вообще с другими свойствами, в которых тоже развитие может привести к самопознанию.

Мы пришли к выводу, что все реальное и конкретное вокруг нас конечно во времени и пространстве так же как конечна жизнь человека. Бесконечность отодвинулась в область принципиально недостижимого. Сейчас мы можем допустить существование множества миров, возможно и бесконечного множества, возникающих и вырастающих из флуктуаций в некоторой первичной сущности как пузыри в пенящейся жидкости. Эти миры независимы и неспособны обмениваться информацмей. Мы способны познать наш мир, который имеет свою специфическую метрику и пространственно-временную структуру. Он, очевидно, имеет «начало» и «конец». Мы ставим эти слова в кавычки, так как в «начале», по крайней мере, само понятие времени еще не существовало. С того момента, как появилось время в качестве характеристики нашего мира, он развивается от рождения к смерти как от начального бесструктурного состояния к конечному также бесструктурному через очень продолжительный этап «зрелости», характеризующийся возникновением очень сложной структуры. Сейчас идет процесс непрерывного усложнения структуры Вселенной, который, повидимому будет продолжаться еще много миллиардов лет.

Список литературы

1. Горелов А.А. Концепции современного естествознания: Курс лекций. М., Центр, 2007 - 208 с.

2. Грушевицкая Т.Г., Садохин А.П. Концепции современного естествознания: Учебное пособие. - М.: Высшая школа, 2007. - 383 с.

3. Данилова В.С., Кожевников Н.Н. Основные концепции современного естествознания: Учебн. пособие для вузов.-М.:Аспект Пресс, 2007. -256 с.

4. Дубнищева Т.Я., Пигарев А.Ю. Современное естествознание. Уч. пособие.-М. «Маркетинг», 2007. - 160 с.

5. Карпенков С.Х. Концепции современного естествознания: Учебник.-М. Высшая школа. 2007. - 334 с.

6. Клинк Н.Ю. Краткий конспект лекций по КСЕ.- кафедра современного естествознания СПб ИНЖЭКОН ( филиал в г.Чебоксары), 2009.

7. Конспект лекций по КСЕ. - Сост. Ревская Н.В.- СПб: Альфа. 2008.-160 с.

8. Концепции современного естествознания. - Под ред. В.Н.Лавриненко.: М.ЮНИТИ, 2008.- 303 с.

9. Концепции современного естествознания.: учебник для вузов под ред.С.И.Самыгина.- Ростов-н-Д.: Феникс, 2008, 2003.-576 с.

10. Липовко П.О. Практикум по естествознанию - Ростов-на-Дону/ Феникс. 2008.- 320 с.

11. Лось В.А. Основы современного естествознания. Уч. пособие. М., ИНФРА, 2007. - 192 с.

12. Масленникова И.С., Дыбов А.М., Шапошникова Т.А. Концепции современного естествознания. - СПб, СПбГИЭУ. 2008.-283 с.

13. Найдыш В.М. Концепции современного естествознания. М.:Высшая школа, 2009.

14. Рузавин Г.И. Концепции современного естествознания: Учебник для вузов.-М.:ЮНИТИ,2009.-287 с.

15. Торосян В.Г. Концепции современного естествознания. М.:Высшая школа, 2009.- 208 с.

Размещено на Allbest.ru