Вселенная и ее эволюция. Концепция "большого взрыва"

39

Санкт-Петербургская академия

управления и экономики

Контрольная работа по дисциплине:

«Концепции современного естествознания»

на тему: «Вселенная и ее эволюция.

Концепция "большого взрыва»

Санкт-Петербург

2008



Оглавление

Введение

1. Происхождение Вселенной

1.1 Донаучное рассмотрение происхождения Вселенной

1.2 Теория ХХ века о происхождении Вселенной

1.3 Современная наука о происхождении Вселенной

2. Модель расширяющейся Вселенной

3. Теория зарождения жизни во Вселенной

3.1 Самозарождение

3.2 Панспермия

3.3 Теория химической эволюции. Теория Опарина - Юри

4. Эволюция и строение галактик

5. Астрономия и космонавтика

Заключение

Список литературы



Введение

На всём протяжении своего существования Человек изучает окружающий его мир. Будучи мыслящим существом, Человек, как в отдалённом прошлом, так и сейчас, не мог и не может ограничиваться тем, что ему непосредственно дано на уровне его повседневной практической деятельности, и всегда стремился, и будет стремиться выйти за её пределы.

Характерно то, что познание окружающего мира человеком началось с космогонических размышлений. Именно тогда на заре умственной деятельности и возникла мысль о “начале всех начал”. История не знает ни одного народа, который рано или поздно в той или иной форме не задался этим вопросом и не пытался бы ответить на него. Ответы, конечно, были разными, в зависимости от уровня духовного развития данного народа. Развитие человеческой мысли, научно-технический прогресс позволили продвинуться в разрешении вопроса о возникновении Вселенной от мифологического мышления к построению научных теорий.

Мы уже привыкли, что пространство и время в физике мало соответствует нашим наглядным представлениям. Пока ещё привычным остаётся представление о существовании в природе объектов нецелочисленной размерности, фрактальных. Фрактальность уже нашла применение в физике и астрономии. Но можно пойти дальше и применить понятие фрактальности к самому пространству. Оказывается, что при этом можно разрешить некоторые астрономические проблемы, которые долго остаются без удовлетворительного объяснения. Для этого достаточно предположить, что размерность пространства меняется с расстоянием от привычной в земных масштабах трёхмерности до пространства с двумя измерениями на космологических расстояниях.



1. Происхождение Вселенной

Проблема “начала мира” - одна из тех немногих мировоззренческих проблем, которые проходят через всю интеллектуальную историю человечества. Появившись однажды на белый свет, идея “начала мира” с тех пор всегда занимала мысли ученых, и время от времени в том или ином обличии вновь и вновь всплывает на поверхность. Так, казалось бы, навсегда похороненная во времена средневековья, она нежданно-негаданно появилась на горизонте научной мысли второй половины XX столетия и стала всерьёз обсуждаться на страницах специальных журналов и на заседаниях проблемных симпозиумов.

За истёкшее столетие наука о Вселенной добралась до самых верхних этажей структурной организации материи - галактик, их скоплений и сверхскоплений. Современная космология активно взялась за проблему происхождения (формирования) этих космических образований.

Как же представляли себе образование Вселенной наши далёкие предки? Как объясняет происхождение Вселенной современная наука?

1.1 Донаучное рассмотрение происхождения Вселенной

У древних народов происхождение Вселенной наделялось мифологической формой, сущность которой сводится к одному - некое божество создало весь окружающий Человека мир. В соответствии с древнеиранской мифопоэтической космогонией Вселенная является результатом деятельности двух равносильных и взаимосвязанных творящих начал - бога Добра - Ахурамазды и бога Зла - Ахримана. Согласно одному из её текстов, прасуществом, разделение которого привело к образованию частей видимой Вселенной, был изначально существующий Космос. Мифологическая форма происхождения Вселенной присуща всем существующим религиям.

Многие выдающиеся мыслители далеких от нас исторических эпох пытались объяснить происхождение, строение и существование Вселенной. Заслуживают особого уважения их попытки при отсутствии современных технических средств посредством только своего ума и простейших приспособлений осмыслить сущность Вселенной. Если совершить небольшой экскурс в прошлое, то обнаружится, что идея эволюционирующей Вселенной, взятой на вооружение современной научной мыслью, выдвигалась ещё древним мыслителем Анаксагором (500-428 до н.э.). Заслуживает внимания и космология Аристотеля (384-332 до н.э.), и труды выдающегося мыслителя Востока Ибн Сины (Авиценна) (980-1037), пытавшегося логически опровергнуть божественное творение мира, и других, дошедших до нашего времени имён.

Человеческая мысль не стоим на месте. Вместе с изменением представления о строении Вселенной, менялось и представление о её происхождении, хотя в условиях существующей сильной идеологической власти религии это было связано с определённой опасностью.

Может этим и объясняется тот факт, что естествознание новоевропейского времени избегало обсуждения вопроса о происхождении Вселенной и сосредоточилось на изучении устройства Ближнего Космоса. Эта научная традиция надолго определила общее направление и саму методику астрономического, а затем и астрофизического исследований. В результате основы научной космогонии были заложены не естествоиспытателями, а философами.

Первым на этот путь ступил Декарт, который попытался теоретически воспроизвести “происхождение светил, Земли и всего прочего видимого мира как бы из некоторых семян” и дать единое механическое объяснение всей совокупности известных ему астрономических, физических и биологических явлений. Однако идеи Декарта были далеки от современной ему науки.

Поэтому историю научной космогонии справедливее было бы начать не с Декарта, а с Канта, нарисовавшего картину “механического происхождения всего мироздания”. Именно Канту принадлежит первая научно-космогоническая гипотеза о естественном механизме возникновения материального мира.

В безграничном пространстве Вселенной, воссозданной творческим воображением Канта, существование бесчисленного количества других солнечных систем и иных млечных путей столь же естественно, как и непрерывное образование новых миров и гибель старых.

Именно с Канта начинается сознательное и практическое соединение принципа всеобщей связи и единства материального мира.

Вселенная перестала быть совокупностью божественных тел, совершенных и вечных.

Теперь перед изумлённым человеческим разумом предстала мировая гармония совершенно иного рода - естественная гармония систем взаимодействующих и эволюционирующих астрономических тел, связанных между собой как звенья одной цепи природы.

Однако необходимо отметить две характерные особенности дальнейшего развития научной космогонии.

Первой из них является то, что послекантовская космогония ограничила себя пределами Солнечной системы и вплоть до середины ХХ века речь шла только о происхождении планет, тогда как звёзды и их системы оставались за горизонтом теоретического анализа.

Второй особенностью является то, что ограниченность наблюдательных данных, неопределённость доступной астрономической информации, невозможность опытного обоснования космогонических гипотез, в конечном счете, обусловили превращение научной космогонии в систему абстрактных идей, оторванных не только от остальных отраслей естествознания, но и от родственных разделов астрономии.



1.2 Теории ХХ века о происхождении Вселенной

Следующий этап в развитии космологии относится к ХХ веку, когда советский учёный А.А.Фридман (1888-1925) 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:

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

b) 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.

В чисто математическом смысле сингулярное состояние предстаёт как ничто - геометрическая сущность нулевого размера. В физическом же плане сингулярность предстаёт как весьма своеобразное состояние, в котором плотность вещества и кривизна пространства-времени бесконечны. Вся сверхгорячая, сверхискривлённая и сверхплотная космическая материя буквально стянута в точку и может, по образному выражению американского физика Дж.Уилера, “протискиваться сквозь игольное ушко”.

Переходя к оценке современного взгляда на сингулярное начало Вселенной, необходимо обратить внимание на следующие важные особенности рассматриваемой проблемы в целом.

Во-первых, понятие начальной сингулярности имеет достаточно конкретное физическое содержание, которое по мере развития науки всё больше детализируется и уточняется. В этом отношении его следует рассматривать не как понятийную фиксацию абсолютного начала “всех вещей и событий”, а как начало эволюции того фрагмента космической материи, который на современном уровне развития естествознания стал объектом научного познания.

Во-вторых, если, по современным космологическим данным, эволюция Вселенной началась 15-20 миллиардов лет назад, то это вовсе не значит, что до того Вселенная ещё не существовала или же пребывала в состоянии вечного застоя.

Достижения науки расширяли возможности в познании окружающего Человека мира. Предпринимались новые попытки объяснить с чего же всё началось. Жорж Леметр был первым, кто поставил вопрос о происхождении наблюдаемой крупномасштабной структуры Вселенной. Им была выдвинута концепция “Большого Взрыва” так называемого “первобытного атома” и последующего превращения его осколков в звёзды и галактики. Конечно, с высоты современного астрофизического знания данная концепция представляет лишь исторический интерес, но сама идея первоначального взрывоопасного движения космической материи и её 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 своеобразный космологический котёл с температурой порядка трёх миллиардов градусов, где и произошёл 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. Всё 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 Альфер и Герман ещё 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 распространённости тяжёлых 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.

Учёные 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 звёзд 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.

Почти в то же время группа американских исследователей во главе с физиком Робертом Дикке, не зная об опубликованных результатах работы Гамова, Альфера и Германа, возродила исходя из иных теоретических соображений горячую модель Вселенной. Посредством астрофизических измерений Р.Дикке и его сотрудники нашли подтверждение существования космического теплового излучения. Это эпохальное открытие позволило получить важную, ранее недоступную информацию о начальных порах эволюции астрономической Вселенной. Зарегистрированное реликтовое излучение есть не что иное, как прямой радиорепортаж об уникальных общевселенских событиях, имевших место вскоре после “Большого Взрыва” - самого грандиозного по своим масштабам и последствиям катастрофического процесса в обозримой истории Вселенной.

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.

1.3 Современная наука о происхождении Вселенной

На нынешней стадии развития физической космологии на передний план выдвинулась задача создания тепловой истории Вселенной, в особенности сценария образования крупномасштабной структуры Вселенной.

Последние теоретические изыскания физиков велись в направлении следующей фундаментальной идеи: в основе всех известных типов физических взаимодействий лежит одно универсальное взаимодействие; электромагнитное, слабое, сильное и гравитационное взаимодействия являются различными гранями единого взаимодействия, расщепляющегося по мере понижения уровня энергии соответствующих физических процессов. Иначе говоря, при очень высоких температурах (превышающих определённые критические значения) различные типы физических взаимодействий начинают объединяться, а на пределе все четыре типа взаимодействия сводятся к одному единственному протовзаимодействию, называемому “Великим синтезом”.

Согласно квантовой теории то, что остается после удаления частиц материи (к примеру, из какого-либо закрытого сосуда с помощью вакуумного насоса), вовсе не является пустым в буквальном смысле слова, как это считала классическая физика. Хотя вакуум не содержит обычных частиц, он насыщен “полуживыми”, так называемыми виртуальными тельцами. Чтобы их превратить в настоящие частицы материи, достаточно возбудить вакуум, например, воздействовать на него электромагнитным полем, создаваемым внесёнными в него заряжёнными частицами.

Но что же всё таки явилось причиной “Большого Взрыва”? Судя по данным астрономии физическая величина космологической постоянной, фигурирующей в эйнштейновских уравнениях тяготения, очень мала, возможно близка к нулю. Но даже будучи столь ничтожной, она может вызвать очень большие космологические последствия. Развитие квантовой теории поля привело к ещё более интересным выводам. Оказалось, что космологическая постоянная является функцией от энергии, в частности зависит от температуры. При сверхвысоких температурах, господствовавших на самых ранних фазах развития космической материи, космологическая постоянная могла быть очень большой, а главное, положительной по знаку. Говоря другими словами, в далёком прошлом вакуум мог находиться в чрезвычайно необычном физическом состоянии, характеризуемом наличием мощных сил отталкивания. Именно эти силы и послужили физической причиной “Большого Взрыва” и последующего быстрого расширения Вселенной.

Рассмотрение причин и последствий космологического “Большого Взрыва” было бы не полным без ещё одного физического понятия. Речь идёт о так называемом фазовом переходе (превращении), т.е. качественном превращении вещества, сопровождающимся резкой сменой одного его состояния другим. Советские учёные-физики Д.А.Киржниц и А.Д.Линде первыми обратили внимание на то, что в начальной фазе становления Вселенной, когда космическая материя находилась в сверхгорячем, но уже остывающем состоянии, могли происходить аналогичные физические процессы (фазовые переходы).

Дальнейшее изучение космологических следствий фазовых переходов с нарушенной симметрией привело к новым теоретическим открытиям и обобщениям. Среди них - обнаружение ранее неизвестной эпохи в саморазвитии Вселенной. Оказалось, что в ходе космологического фазового перехода она могла достичь состояния чрезвычайно быстрого расширения, при котором её размеры увеличились во много раз, а плотность вещества оставалась практически неизменной. Исходным же состоянием, давшим начало раздувающейся Вселенной, считается гравитационный вакуум. Резкие изменения, сопутствующие процессу космологического расширения пространства характеризуются фактическими цифрами. Так предполагается, что вся наблюдаемая Вселенная возникла из единственного вакуумного пузыря размером меньше 10^-33см! Вакуумный пузырь, из которого образовалась наша Вселенная, обладал массой, равной всего-навсего одной стотысячной доле грамма.

В настоящее время ещё нет всесторонне проверенной и признанной всеми теории происхождения крупномасштабной структуры Вселенной, хотя учёные значительно продвинулись в понимании естественных путей её формирования и эволюции. С 1981 года началась разработка физической теории раздувающейся (инфляционной) Вселенной. К настоящему времени физиками предложено несколько вариантов данной теории. Предполагается, что эволюция Вселенной, начавшаяся с грандиозного общекосмического катаклизма, именуемого “Большим Взрывом”, в последующем сопровождалась неоднократной сменой режима расширения.

Согласно предположениям учёных, спустя 10^-43секунд после “Большого Взрыва” плотность сверхгорячей космической материи была очень высока (10⁹⁴грамм/см³). Высока была и плотность вакуума, хотя по порядку величины она была гораздо меньше плотности обычной материи, а поэтому гравитационный эффект первобытной физической “пустоты” был незаметен. Однако в ходе расширения Вселенной плотность и температура вещества падали, тогда как плотность вакуума оставалась неизменной. Это обстоятельство привело к резкому изменению физической ситуации уже спустя 10^-35секунды после “Большого Взрыва”. Плотность вакуума сначала сравнивается, а затем, через несколько сверхмгновений космического времени, становится больше её. Тогда и даёт о себе знать гравитационный эффект вакуума - его силы отталкивания вновь берут верх над силами тяготения обычной материи, после чего Вселенная начинает расширяться в чрезвычайно быстром темпе (раздувается) и за бесконечно малую долю секунды достигает огромных размеров. Однако этот процесс ограничен во времени и пространстве. Вселенная, подобно любому расширяющемуся газу, сначала быстро остывает и уже в районе 10^-33секунды после “Большого Взрыва” сильно переохлаждается. В результате этого общевселенческого “похолодания” Вселенная от одной фазы переходит в другую. Речь идёт о фазовом переходе первого рода - скачкообразном изменении внутренней структуры космической материи и всех связанных с ней физических свойств и характеристик. На завершающей стадии этого космического фазового перехода весь энергетический запас вакуума превращается в тепловую энергию обычной материи, а в итоге вселенческая плазма вновь подогревается до первоначальной температуры, и соответственно происходит смена режима её расширения.

Не менее интересен, а в глобальной перспективе более важен другой результат новейших теоретических изысканий - принципиальная возможность избегания начальной сингулярности в её физическом смысле. Речь идёт о совершенно новом физическом взгляде на проблему происхождения Вселенной.

Оказалось, что вопреки некоторым недавним теоретическим прогнозам (о том, что начальную сингулярность не удаётся избежать и при квантовом обобщении общей теории относительности) существуют определённые микрофизические факторы, которые могут препятствовать беспредельному сжатию вещества под действием сил тяготения.

Ещё в конце тридцатых годов было теоретически обнаружено, что звёзды с массой, превышающей массу Солнца более чем в три раза, на последнем этапе своей эволюции неудержимо сжимаются до сингуляторного состояния. Последнее в отличии от сингулярности космологического типа, именуемой фридмановской, называется шварцшильдовским (по имени немецкого астронома, впервые рассмотревшего астрофизические следствия эйнштейновской теории тяготения). Но с чисто физической точки зрения оба типа сингулярности идентичны. Формально они отличаются тем, что первая сингулярность является начальным состоянием эволюции вещества, тогда как вторая - конечным.

Согласно недавним теоретическим представлениям гравитационный коллапс должен завершиться сжатием вещества буквально “в точку” - до состояния бесконечной плотности. По новейшим же физическим представлениям коллапс можно остановить где-то в районе планковской величины плотности, т.е. на рубеже 10⁹⁴грамм/см³. Это значит, что Вселенная возобновляет своё расширение не с нуля, а имея геометрически определённый (минимальный) объём и физически приемлемое, регулярное состояние.

Академик М.А.Марков выдвинул интересный вариант пульсирующей Вселенной. В логической рамке этой космологической модели старые теоретические трудности, если не решаются окончательно, то, по крайней мере, освещаются под новым перспективным углом зрения. Модель основана на гипотезе, согласно которой при резком уменьшении расстояния константы всех физических взаимодействий стремятся к нулю. Данное предположение - следствие другого допущения, согласно которому константа гравитационного взаимодействия зависит от степени плотности вещества.

Согласно теории Маркова, всякий раз, когда Вселенная из фридмановской стадии (конечное сжатие) переходит в стадию деситтеровскую (начальное расширение), её физико-геометрические характеристики оказываются одними и теми же. Марков считает, что этого условия вполне достаточно для преодоления классического затруднения на пути физической реализации вечно осциллирующей Вселенной.



2. Модель расширяющейся 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 её 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 (энергии). Космология, основанная на этих постулатах, - релятивистская.

Важным пунктом данной модели является её нестационарность. Это определяется двумя постулатами теории относительности: 1) принципом относительности, гласящим, что во всех инерционных системах все законы сохраняются вне зависимости от того, с какими скоростями, равномерно и прямолинейно движутся эти системы друг относительно друга; 2) экспериментально подтверждённым постоянством скорости света.

Из принятия теории относительности вытекало в качестве следствия (первым это заметил петроградский физик и математик Александр Александрович Фридман в 1922 году), что искривлённое пространство не может быть стационарным: оно должно или расширяться, или сжиматься. 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 гласит, что при удалении от нас какого-либо источника колебаний, воспринимаемая нами 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 далёких источников света красное смещение было зафиксировано, причём, чем дальше находился источник, тем в большей степени. Красное смещение оказалось пропорционально расстоянию до источника, что и подтверждало гипотезу об удалении их, т.е. о расширении Метагалактики - видимой части Вселенной.

Красное смещение надёжно подтверждает теоретический вывод о нестационарности области нашей Вселенной с линейными размерами порядка нескольких миллиардов парсек на протяжении, по меньшей мере, нескольких миллиардов лет. В то же время кривизна пространства не может быть измерена, оставаясь теоретической гипотезой.

Составной частью модели расширяющейся Вселенной является представление о Большом Взрыве, происшедшем где-то примерно 12-18 млрд. лет назад. “Вначале был взрыв. Не такой взрыв, который знаком нам на Земле и который начинается из определённого центра и затем распространяется, захватывая всё больше и больше пространства, а взрыв, который произошёл одновременно везде, заполнив с самого начала всё пространство, причём каждая частица материи устремилась прочь от любой другой частицы” (Вейнберг С. Первые три минуты. Современный взгляд на происхождение Вселенной. - М., 1981. - С.30).

Начальное состояние Вселенной (так называемая сингулярная точка): бесконечная плотность массы, бесконечная кривизна пространства и взрывное, замедляющееся со временем расширение при высокой температуре, при которой могла существовать только смесь элементарных частиц (включая фотоны и нейтрино). Горячесть начального состояния подтверждена открытием в 1965 году реликтового излучения фотонов и нейтрино, образовавшихся на ранней стадии расширения Вселенной.

Возникает интересный вопрос: из чего же образовалась Вселенная? Чем было то, из чего она возникла. В Библии утверждается, что Бог создал всё из ничего. Зная, что в классической науке сформулированы законы сохранения материи и энергии, религиозные философы спорили о том, что значит библейское “ничего”, и некоторые в угоду науке полагали, что под ничем имеется в виду первоначальный материальный хаос, упорядоченный Богом.

Как это ни удивительно, современная наука допускает (именно допускает, но не утверждает), что всё могло создаться из ничего. “Ничего” в научной литературе называется вакуумом. Вакуум, который физика ХIХ века считала пустотой, по современным научным представлениям является своеобразной формой материи, способной при определённых условиях “рождать” вещественные частицы.

Современная квантовая механика допускает (это не противоречит теории), что вакуум может приходить в “возбуждённое состояние”, вследствие чего в нём может образоваться поле, а из него (что подтверждается современными физическими экспериментами) - вещество.

Рождение Вселенной “из ничего” означает с современной научной точки зрения её самопроизвольное возникновение из вакуума, когда в отсутствии частиц происходит случайная флуктуация. Если число фотонов равно нулю, то напряжённость поля не имеет определённого значения (по “принципу неопределённости” Гейзенберга): поле постоянно испытывает флуктуации, хотя среднее (наблюдаемое) значение напряжённости равно нулю.

Флуктуация представляет собой появление виртуальных частиц, которые непрерывно рождаются и сразу же уничтожаются, но так же участвуют во взаимодействиях, как и реальные частицы. Благодаря флуктуациям, вакуум приобретает особые свойства, проявляющиеся в наблюдаемых эффектах.

Итак, Вселенная могла образоваться из “ничего”, т.е. из “возбуждённого вакуума”. Такая гипотеза, конечно, не является решающим подтверждением существования Бога. Ведь всё это могло произойти в соответствии с законами физики естественным путём без вмешательства извне каких-либо идеальных сущностей. И в этом случае научные гипотезы не подтверждают и не опровергают религиозные догмы, которые лежат по ту сторону эмпирически подтверждаемого и опровергаемого естествознания.

На этом удивительное в современной физике не кончается. Отвечая на просьбу журналиста изложить суть теории относительности в одной фразе, Эйнштейн сказал: “Раньше полагали, что если бы из Вселенной исчезла вся материя, то пространство и время сохранились бы; теория относительности утверждает, что вместе с материей исчезли бы также пространство и время”. Перенеся этот вывод на модель расширяющейся Вселенной, можно заключить, что до образования Вселенной не было ни пространства, ни времени.

Отметим, что теория относительности соответствует двум разновидностям модели расширяющейся Вселенной. В первой из них кривизна пространства-времени отрицательна или в пределе равна нулю; в этом варианте все расстояния со временем неограниченно возрастают. Во второй разновидности модели кривизна положительна, пространство конечно, и в этом случае расширение со временем заменяется сжатием. В обоих вариантах теория относительности согласуется с нынешним эмпирически подтверждённым расширением Вселенной.

Досужий ум неизбежно задаётся вопросами: что же было тогда, когда не было ничего, и что находится за пределами расширения. Первый вопрос, очевидно, противоречив сам по себе, второй выходит за рамки конкретной науки. Астроном может сказать, что как учёный он не вправе отвечать на такие вопросы. Но поскольку они всё же возникают, формулируются и возможные обоснования ответов, которые являются не столько научными, сколько натурфилософскими.

Так, проводится различие между терминами “бесконечный” и “безграничный”. Примером бесконечности, которая не безгранична, служит поверхность Земли: мы можем идти по ней бесконечно долго, но тем не менее она ограничена атмосферой сверху и земной корой снизу. Вселенная также может быть бесконечной, но ограниченной. С другой стороны, известна тачка зрения, в соответствии с которой в материальном мире не может быть ничего бесконечного, потому что он развивается в виде конечных систем с петлями обратной связи, которыми эти системы создаются в процессе преобразования среды.

Но оставим эти соображения области натурфилософии, потому что в естествознании, в конечном счете, критерием истины являются не абстрактные соображения, а эмпирическая проверка гипотез.

Что же было после Большого Взрыва? Образовался сгусток плазмы - состояния, в котором находятся элементарные частицы - нечто среднее между твёрдым и жидким состоянием, который и начал расширяться всё больше и больше под действием взрывной волны. Через 0,01 сек, после начала Большого Взрыва во Вселенной появилась смесь лёгких ядер (2/3 водорода и 1/3 гелия). Как образовались все остальные химические элементы?



3. Теория зарождения жизни во Вселенной

Физик Филипп Моррисон заметил, что в случае обнаружения жизни на других планетах она превратится из чуда в статистику. Открытие жизни за пределами Земли расширило бы представление о её происхождении. Оно помогло бы нам ответить на целый ряд вопросов, которые нельзя решить другим путём, позволило бы проверить наше убеждение в том, что жизнь должна быть основана именно на химии углерода. И если бы в основе новых форм жизни, как и предполагается, находился углерод, то это помогло бы выяснить, могут ли генетические системы строиться из каких-либо иных молекул, чем известные нам нуклеиновые кислоты и белки. Это позволило бы также ответить на вечный вопрос, может ли какой-то другой растворитель заменить воду в живой системе. И так далее по всему длинному списку загадок, связанных с проблемой происхождения жизни.

Если бы обнаруженные за пределами Земли организмы коренным образом отличались от нас по своему химическому составу, то это свидетельствовало бы о том, что жизнь в различных частях Солнечной системы зародилась независимо, по крайней мере дважды. Но если бы внеземные организмы оказались в своей основе похожими на нас - со сходными белками и нуклеиновыми кислотами, с той же оптической изомерией и с таким же генетическим кодом, - то мы столкнулись бы с новой проблемой. В этом случае пришлось бы заключить, что жизнь либо зародилась независимо дважды, либо один раз, на затем живые организмы были перенесены с одной планеты на другую. Причём последнее предположение кажется более вероятным. Но какими бы ни были в действительности эти открытия, очевидно, что обнаружение внеземных форм жизни представляет огромный интерес с точки зрения фундаментальной биологии.

Со времён Аристотеля только три естественнонаучные теории о происхождении жизни смогли овладеть умами людей. Это теория самозарождения, панспермия и теория химической эволюции. В историческом и научном планах они составляют важную основу, на которой строятся поиски жизни в Солнечной системе.

3.1 Самозарождение

Сущность гипотезы самозарождения заключается в том, что живые предметы непрерывно и самопроизвольно возникают из неживой материи, скажем из грязи, росы или гниющего органического вещества. Она же рассматривает случаи, когда одна форма жизни трансформируется непосредственно в другую, например зерно превращается в мышь. Эта теория господствовала со времен Аристотеля (384-322 г. до н.э.) и до середины XVII в., самозарождение растений и животных обычно принималось как реальность. В последующие два столетия высшие формы жизни были исключены из списка предполагаемых продуктов самозарождения - он ограничился микроорганизмами.

На XVI в., эпоху государства религиозных суеверий, приходится расцвет классического учения о самозарождении. Его очень активно развивал в это время врач и естествоиспытатель Парацельс (1493-1541) и его последователь Ян Баптист ван Гельмонт (1579-1644). Последний предложил “метод производства” мышей из пшеничных зёрен, помещённых в кувшин вместе с грязным бельём, на который многократно ссылались в дальнейшем.

В своей работе, впервые опубликованной в 1558г. под названием “Магия природы”, Джамбатиста делла Порта приводит ещё больше сведений о самозарождении, которыми было столь богато его время. Этот неаполитанский учёный-любитель был основателем и вице-президентом Академии деи Линчей - одного из самых первых в мире научных обществ. Его книга, содержавшая популярное описание некоторых технических диковин, чудес природы и всяких розыгрышей, была переведена на несколько языков.

Классическое учение о самозарождении вместе со многими другими освящёнными веками фантастическими представлениями было похоронено в эпоху Возрождения. Его ниспровергателем стал Франческо Реди (1626-1697), физик-экспериментатор, известный поэт и один из первых учёных-биологов современной формации, он был фигурой, типичной для эпохи позднего Возрождения. Книгу Реди “Опыты по самозарождению насекомых” (1668), которая в основном и создала ему научную репутацию, отличают здоровый скептицизм, тонкая наблюдательность, прекрасная манера изложения результатов. Хотя главным объектом его исследований были насекомые, он изучал также зарождение скорпионов, жаб, лягушек, пауков и перепелов. Реди не только не подтвердил распространенное тогда мнение о самозарождении перечисленных животных, а, напротив, в большинстве случаев продемонстрировал, что на самом деле они рождаются из оплодотворённых яиц. Таким образом, результаты его тщательно проведённых опытов опровергли представления, сформировавшиеся в течение 20 столетий.

Книга Реди в течение 20 лет переиздавалась пять раз, и в результате знакомства с ней всё более широкого круга образованных людей вера в возможность самозарождения животных постепенно исчезла. Однако этот вопрос снова возник, хотя уже на другом уровне, примерно в 1675г., вслед за открытием микроорганизмов голландцем Антони ван Левенгуком (1632-1723). Это открытие стало возможным благодаря усовершенствованию в XVII в. техники изготовления линз. Сам Левенгук был одновременно и опытным мастером по изготовлению линз, и исследователем, увлечённо работающим с микроскопом. Ряд важных открытий, сделанных Левенгуком в течение его долгой жизни, создали ему известность, и он по праву считается одним из основоположников научной микроскопии.

Микроорганизмы настолько малы и, кажется, так просто организованы, что с самого их открытия широко распространилось мнение, будто они представляют собой продукты распада, принадлежащие к нечетко обозначенной промежуточной области между живым и неживым. Таким образом, вопрос о самозарождении вновь оказался в центре внимания в знаменитой полемике XVIII в., разгоревшейся между английским священником Дж. Т. Нидхемом (1713-1781) и итальянским натуралистом аббатом Ладзаро Спалланцани (1729-1799). Нидхем утверждал, что если баранью подливку и подобные ей настои сначала нагреть, а затем герметически закрыть в сосуде с небольшим количеством воздуха, то в течение нескольких дней они обязательно порождают микроорганизмы и разлагаются. Он полагал, что раз нагревание исследуемого объекта убивает все ранее существовавшие в нём организмы, то, следовательно, полученный результат служит доказательством самозарождения. Повторяя эксперименты Нидхема, Спалланцани показал, что если колбы нагреть после закупоривания, то в них не возникает никаких организмов и не происходит гниения, как долго бы они ни хранились.

Нидхем заявил в ответ, что чрезмерное нагревание разрушило внутри закрытого сосуда содержащийся в воздухе жизненно важный элемент, без которого самозарождение невозможно. Методы газового анализа в то время были ещё недостаточно развиты, чтобы разрешить этот спор. В действительности оказалось, что результат, полученный Нидхеном, был следствием скрытой ошибки, обнаружить которую не удалось в течение целого столетия.

Поскольку проблема самозарождения имела большое общемировоззренческое и практическое значение, разгорелись бурные дискуссии.

Страсти достигли кульминации в 1859г., когда Филекс Пуше (1800-1872), директор Музея естественной истории в Руане, опубликовал книгу, где вновь сообщалось об экспериментальном подтверждении самозарождения.

Тиндаль изобрел метод стерилизации растворов, содержащих споры бактерий, способные выживать в кипящей воде; этот метод до сих пор известен под названием “тиндализация”. Суть его заключается в том, что стерилизуемый раствор несколько раз нагревается в течение ряда дней: не проросшие споры выдерживают нагревание, а проросшие гибнут. Таким образом, после нескольких последовательных нагреваний раствор становится стерильным. Опыты Тиндаля были столь оригинальными, а его поддержка взглядов Пастера столь энергичной, что он по праву разделяет с Пастером славу ниспровергателя учения о самозарождении.

Исследования Пастера и Тиндаля нашли ещё одно практическое применение. Его предложил их современник хирург Листер (1827-1912), хорошо знакомый с работами этих ученых, Листер высказал мысль, что если бы операционное поле на теле больного удалось изолировать от микроорганизмов, попадающих из воздуха, то это спасло бы жизнь многим оперируемым. В те времена в английских больницах смертность при ампутации достигала 25-50% - главным образом вследствие заражения. При операциях в полевых условиях во время военных кампаний дело обстояло ещё хуже. Так, в ходе франко-прусской войны из 13 тыс.ампутаций, проведённых французскими хирургами, не менее 10 тыс. имело смертельный исход! Пока сохранялось вера в самозарождение микробов, не было причин удалять их из раны. Однако после открытия Пастера Листер понял, что носителей инфекции необходимо уничтожать прежде, чем они попадут на операционное поле. И Листер добился успеха, применив карболовую кислоту (фенол) в качестве антибактериального средства. Он стерилизовал инструменты, опрыскивал кабинет и даже пропитывал одежду больного раствором фенола. Принятие меры дали отличные результаты, что привело к рождению антисептической хирургии.

3.2 Панспермия

Крушение учения о самозарождении привело некоторых известных ученых к мысли, что жизнь никогда не возникала, а, как материя или энергия, существовала вечно. Согласно этому представлению, “зародыши жизни” блуждают в космическом пространстве до тех пор, пока не попадают на подходящую по своим условиям планету - там они и дают начало биологической эволюции. Эту идею поддерживали Герман ван Гельмгольц (1821-1894) и Уильям Томсон (позднее лорд Кельвин; 1824-1907) - самые знаменитые физики XIX в. Гельмгольц, лично ставивший опыты по изучению самозарождения бактерий, в лекции, прочитанной в 1871г., говорил:

Я не смогу возразить, если кто-нибудь будет считать данную гипотезу в большой или очень большой степени неправдоподобной. Но мне кажется, что в случае, если все наши попытки получить живые организмы из неживой материи провалятся, с научной точки зрения правомочно задать вопрос:

Возникала ли жизнь когда-нибудь вообще или же её зародыши переносятся из одного мира в другой и развиваются повсюду, где есть подходящие условия?

Эта идея была тщательно разработана в 1908г. шведским химиком Сванте Аррениусом (1859-1927), который назвал свою теорию панспермией. Развивая идеи Гельмгольца и Кельвина, он высказал несколько собственных соображений, предположив, что бактериальные споры и вирусы могут уноситься с планеты, где они существовали, под действием электростатических сил, а затем перемещаться в космическое пространство под давлением света звёзд. Находясь в космическом пространстве, спора может осесть на частицу пыли, увеличив тем самым свою массу и преодолев давление света, она может попасть в окрестности ближайшей звезды и будет захвачена одной из планет этой звезды. Таким образом, живая материя способна переноситься с планеты на планету, из одной звёздной системы в другую. Как указывал Аррениус, из этой теории, в частности, следует, что все живые существа во Вселенной должны быть химически родственны.

Теория панспермии опирается на два утверждения. Первое из них заключается в том, что жизнь существовала всегда, т.е. она неразрывно связана с материей. Сейчас мы можем с уверенностью сказать, что эта мысль ошибочна. Жизнь в отличие от материи и энергии не относится к числу фундаментальных свойств Вселенной; она скорее представляет собой проявление определённых комбинаций молекул, которые не могли существовать вечно, поскольку не всегда существовали даже элементы, из которых они состоят. Космологи считают, что Вселенная первоначально состояла из самого легкого элемента - водорода или из нейтронов - фундаментальных частиц, имеющих примерно такую же массу, как атом водорода. Все элементы тяжелее водорода образовались (и образуются в звёздах до сих пор) из водорода в реакциях ядерного синтеза. Эти реакции служат главным источником звёздной энергии. Хотя за время существования наблюдаемой Вселенной (по оценкам 10-15 млрд. лет) часть водорода была израсходована, он до сих пор остаётся наиболее распространённым элементом. Около 90% атомов наблюдаемой Вселенной (что составляет около 60% её массы) приходится на водород, остальная часть это в основном гелий, элемент, следующий по массе за водородом. Но поскольку кроме водорода для организации живой материи необходимы и другие элементы, жизнь не может быть “ровесницей” вселенной - она должна была возникнуть гораздо позднее.

Второе утверждение теории панспермии, согласно которому споры могут и должны переноситься через космическое пространство, в наши дни представляется гораздо менее правдоподобным, чем это казалось Аррениусу. Совместное воздействие ультрафиолетового и рентгеновского излучений, а также космических лучей, которым организмы неизбежно должны подвергаться в космосе, намного опаснее, а межзвёздные расстояния и, следовательно, время, необходимое для перемещения, значительно больше, чем предполагал Аррениус. Но сейчас мы располагаем также эмпирическими данными, свидетельствующими о том, что споры, которые бы могли засеивать Вселенную, не способны ни покидать Землю, ни проникать в её окрестности. В образцах грунта, доставленных с Луны американскими астронавтами во время полётов кораблей “Аполлон”, не обнаружено микроорганизмов, хотя предполагалось, что Луна может “улавливать” значительное число частиц, покидающих Землю или попадающих в её окрестности из других областей космического пространства. Биологические анализы образцов лунного грунта не выявили никаких организмов, способных выжить в долгих космических путешествиях, и до сих пор все подобные исследования дают лишь отрицательные результаты. За время существования Солнечной системы (около 4,5 млрд.лет) споры - если они существуют - должны были попасть и на Марс.

Несмотря на факты, свидетельствующие против теории панспермии, она продолжает жить.

3.3 Теория химической эволюции

Теория химической эволюции - современная теория происхождения жизни - также опирается на идею самозарождения. В основе её лежит не внезапное возникновение живых существ на Земле, а образование химических соединений и систем, которые составляют живую материю. Она рассматривает химию древнейшей Земли, прежде всего химические реакции, протекавшие в примитивной атмосфере и в поверхностном слое воды, где, по всей вероятности, концентрировались лёгкие элементы, составляющие основу живой материи, и поглощалось огромное количество солнечной энергии. Эта теория пытается ответить на вопрос: каким образом в ту далёкую эпоху могли самопроизвольно возникнуть и сформироваться в живую систему органические соединения?

Теория Опарина-Юри.

Общий подход к химической эволюции первым сформулировал советский биохимик А.И.Опарин (1894-1980). В 1924г. в СССР была опубликована его небольшая книга, посвящённая этому вопросу; в 1936г. вышло в свет её новое, дополненное издание (в 1938г. она была переведена на английский язык). Опарин обратил внимание на то, что современные условия на поверхности Земли препятствуют синтезу большого количества органических соединений, поскольку свободный кислород, имеющийся в избытке в атмосфере, окисляет углеродные соединения до диоксида углерода (углекислого газа, СО). Кроме того, он отмечал, что в наше время любое органическое вещество, “брошенное на произвол” на земле, используется живыми организмами (подобную мысль высказывал ещё Чарлз Дарвин). Однако, утверждал Опарин, на первичной Земле господствовали иные условия. Можно полагать, что в земной атмосфере того времени отсутствовал кислород, но в изобилии имелись водород и газы, содержащие водород, такие, как метан (СН4) и аммиак (МН3). По мнению Опарина, такие условия создавали прекрасные возможности для самопроизвольного синтеза органических соединений.

Обосновывая свою идею о восстановительном характере примитивной атмосфере Земли, Опарин выдвигал следующие аргументы.

1. Водород в изобилии присутствует в звёздах.

2. Углерод обнаруживается в спектре комет и холодных звёзд в составе радикалов СН и CN, а окисленный углерод проявляется редко.

3. Углеводороды, т.е. соединения углерода и водорода, встречаются в метеоритах.

4. Атмосферы Юпитера и Сатурна чрезвычайно богаты метаном и аммиаком.

Как указывал Опарин, эти четыре пункта свидетельствуют о том, что Вселенная в целом находится в восстановительном состоянии. Следовательно, на первобытной Земле углерод и азот должны были находиться в таком же состоянии.

5. В вулканических газах содержится аммиак. Это, считал Опарин, говорит о том, что азот присутствует в первичной атмосфере в виде аммиака.

6. Кислород, содержащийся в современной атмосфере, вырабатывается зелеными растениями в процессе фотосинтеза, и, следовательно, по своему происхождению это биологический продукт.

На основании этих рассуждений Опарин пришёл к заключению, что углерод на примитивной Земле впервые появился в виде углеводородов, а азот - в виде аммиака. Далее он высказал предположение, что в ходе известных ныне химических реакций на поверхности безжизненной Земли возникали сложные органические соединения, которые по прошествии довольно продолжительного периода времени, по-видимому, и дали начало первым живым существам. Первые организмы, вероятно, представляли собой очень простые системы, способные лишь к репликации (делению) за счёт органической среды, из которой они образовались. Выражаясь современным языком, они были “гетеротрофами”, т.е. зависели от окружающей среды, которая снабжала их органическим питанием. На противоположном конце этой шкалы находятся “автотрофы” - например, такие организмы, как зелёные растения, которые сами синтезируют все необходимые органические вещества из диоксида углерода, неорганического азота и воды. Согласно теории Опарина, автотрофы появились только после того, как гетеротрофы истощили запас органических соединений в примитивном океане.

В 1952г. Гарольд Юри (1893-1981), занимаясь не собственно проблемами происхождения жизни, а эволюцией Солнечной системы, самостоятельно пришёл к выводу, что атмосфера молодой Земли имела восстановленный характер. Подход Опарина был качественным. Проблема, которую исследовал Юри, была по своему характеру физико-химической: используя в качестве отправной точки данные о составе первичного облака космической пыли и граничные условия, определяемые известными физическими и химическими свойствами Луны и планет, он ставил целью разработать термодинамически приемлемую историю всей Солнечной системы в целом. Юри, в частности, показал, что к завершению процесса формирования Земля имела сильно восстановленную атмосферу, так как её основными составляющими были водород и полностью восстановленные формы углерода, азота и кислорода: метан, аммиак и пары воды. Гравитационное поле Земли не могло удержать лёгкий водород - и он постепенно улетучился в космическое пространство. Вторичным следствием потери свободного водорода было постепенное окисление метана до диоксида углерода, а аммиака - до газообразного азота, которые через определённое время превратили атмосферу из восстановительной в окислительную. Юри предполагал, что именно в период улетучивания водорода, когда атмосфера находилась в промежуточном окислительно-восстановительном состоянии, на Земле могло образоваться в больших количествах сложное органическое вещество. По его оценкам, океан, по-видимому, представлял тогда собой однопроцентный раствор органических соединений. В результате возникла жизнь в её самой примитивной форме.