Концепция современного естествознания: основы курса

Квантовая теория изменила представления о реальности. Во-первых, атомные явления представляют более сложную реальность, чем та, с которой сталкиваются в классической макроскопической физике. Чувствительность объекта к вмешательству приборов демонстрирует свойства, не наблюдающиеся у объектов макроскопических исследований. Значит, описание объекта нельзя считать, как раньше, "обособленным" от процесса наблюдения. Великим открытием квантовой физики явилось обнаружение индивидуальных квантовых состояний, каждое из которых представляет собой неделимое целое, пока не подвергается воздействию средств наблюдения (Вайскопф 1977: 39-40). Во-вторых, квантовая теория принесла идею тождественности, идентичности, точности, определённости веществ в природе. Атомным явлениям свойственны определённые формы в противоположность произвольно меняющимся формам в классической механике. В рамках классической физики трудно понять, почему бы не существовать электронам с немного меньшим зарядом, или с другой массой. В квантовой теории объекты квантованны, возможны не любые орбиты, а только определённые. Два атома железа идентичны, поскольку их орбиты квантованны. В классической физике имеется неограниченное число вариантов и нет объяснения определённости материи. Но определённость существует только до некоторого порога, существуют пороговые уровни энергии, выше которых атомы разрушаются, существует порог, выше которого и ядро атома разлетается на части (Вайскопф 1977: 36-37, 46-48). В третьих, то, что выводится из экспериментов, есть функция вероятности, которая описывает не определённое событие, а совокупность возможных событий. Переход от возможности к действительности совершается в процессе наблюдения (Гейзенберг 1989: 23-25). В четвёртых, квантовая механика изменила представление о "неизменных" частицах, неделимых атомах Ньютона -. атомы можно разрушить, открылся мир субатомных и виртуальных частиц.

Мир субатомных частиц В 1897 году английский физик Дж. Дж. Томсон при исследовании катодных лучей доказал существование электронов (от греч. янтарь), частиц отрицательного электричества, составных частей атома. Годом раньше французский физик А. Беккерель открыл радиоактивный распад урановой соли - испускание альфа-частиц (ядра гелия), эти частицы использовал Э. Резерфорд, экспериментально доказавший существование ядра атома. В 1919 году Э. Резерфорд осуществил и первую искусственную ядерную реакцию: облучая азот альфа-частицами, он получил изотоп кислорода и доказал, что в состав ядра атома азота входит протон (от греч. первичный, положительно заряженное ядро водорода). В 1932 году Дж. Чэдвик открыл ещё одну ядерную частицу - незаряженный нейрон и В. Гейзенберг, и независимо от него Д. Д. Иваненко, И. Е. Тамм, высказали гипотезу о строении атомного ядра из протонов и нейтронов (ядро углерода, например, состоит из шести протонов и шести нейтронов) (Фолта, Новы 1987).

В том же году Э. О. Лоуренс построил первый циклотрон (ускоритель элементарных частиц (Фолта, Новы 1987). Ускорители частиц - это установки, на которых осуществляется столкновение частиц высокой энергии. При столкновении субатомных частиц. движущихся с большими скоростями, достигается высокий уровень энергии и происходит рождение мира взаимодействий, полей и частиц, поскольку уровень элементарности зависит от уровня энергии (Дэвис 1989: 90-91). Частицы открывают и в природных ускорителях, космические лучи сталкиваются с атомами экспериментального устройства, а результаты воздействия исследуются (так были открыты предсказанные позитрон и мезон). С помощью ускорителей и исследований космического излучения открылся многочисленный и разнообразный мир субатомных частиц: "кирпичики" вещества и множество нестабильных, короткоживущих ("резонансы" живут 10 ~ с.) частиц, распадающихся на обычные частицы. Позже стало ясно, что новые частицы (резонансы, гипероны, мезоны) - возбуждённые состояния других частиц (протона, лептона) (Вайскопф 1977: 50), что частицы не распадаются, а взаимопревращаются, переходят в "своё иное", любая частица может быть составной частью любой другой. Частицы могут "исчезать" в излучение и проявлять волновые свойства.

Все известные частицы Вселенной можно разделить на две группы: частицы вещества и частицы-переносчики взаимодействий ("окинг 1990: 63). Частицы вещества делятся на адроны (участвующие в сильном взаимодействии) и лептоны - лёгкие (Дэвис 1989: 93-102). В 1963 году М. Гелл-Манн и Дж. Цвейг предложили гипотезу кварков (слово "кварк" взято из стихотворной строки Дж. Джойса). Все адроны построены из более мелких частиц, кварков. Из трёх кварков состоят протон и нейтрон (их ещё называют барионами - тяжёлыми или нуклонами - ядерными частицами). Протон стабилен, заряжен положительно, нейтрон нестабилен, превращается в протон. Пары кварк-антикварк (у каждой частицы есть античастица) образуют мезоны (промежуточные по массе между электроном и протоном). Известно шесть ароматов (типов) кварков. Большинство физиков считает их подлинно элементарными, не обладающими структурой. В соответствии же с бутстрэпной гипотезой природа не может быть сведена к "кирпичикам" материи типа кварков, но должна пониматься на основе связности. С бутстрэпной картиной частиц как динамических паттернов во взаимосвязанной сети событий был согласен В. Гейзенберг, который не верил в модель кварков (Капра 1996: 43-49).

К лепгонам относятся электрон, мюон, таулептон и три типа нейтрино. Сегодня принято считать электрон элементарным, точечным объектом (Вайскопф 1997: 79, Дэвис 1989: 93). Электрон отрицательно заряжен, в 1836 раз легче протона. В 1931 году В. Паули (1900-1958) предсказал существование нейтральной частицы нейтрино, в 1955 году в ядерном реакторе нейтрино родилась из протона сообразованием электрона и нейтрона. Эго самая удивительная частица. Её масса меньше одной десятитысячной массы электрона, но она является самой распространённой частицей во Вселенной и может вызвать её коллапс. Нейтрино почти не взаимодействует с веществом, проникая через него, как будто его вообще нет, пример существования неодномерных форм. Есть три типа нейтрино, электронное, мюонное и тау. В 1936 году в продуктах взаимодействия космических лучей обнаружили мюон, нестабильную частицу, распадающуюся на электрон и два нейтрино. В конце 70-х открыли самый тяжёлый лепгон, тау-лептон (Дэвис 1989: 93-95).

В 1928 году П. Дирак предсказал, а в 1932 году открыли анти-электрон или позитрон (из одного гамма-кванта рождаются электрон и позитрон, положительно заряженный электрон). Позже оказалось, что все частицы имеют античастицы, взаимодействуя, частицы и античастицы аннигилируют с образованием квантов энергии. В ранней Вселенной частиц было больше, чем античастиц, иначе бы аннигиляция наполнила Вселенную излучением и вещества не было ("окинг 1990: 64, 71-72, Силк 1982: 123-125). "арактеризуются частицы наличием или отсутствием массы, электрического заряда, спином (вращательная характеристика, частицы вещества имеют спин +1/2,-1/2, частицы-переносчики взаимодействий 0, 1 и 2) и временем жизни (Дэвис 1989: 38-41, 92, "окинг 1990: 62-63). Состояние электрона в атоме определяется квантовыми числами (радиус, форма орбиты-поля, зарядом поля и спином). Частицы вещества подчиняются принципу запрета В. Паули: две одинаковые частицы не могут находится в одном и том же состоянии, т. е. не могут иметь одинаковые координаты, скорости, квантовые числа. Без принципа Паули не было бы чёпсо организованных структур, частицы превратились бы в однородное и плотное желе ("окинг 1990: 64). Но есть частицы, не подчиняющиеся принципу запрета В. Паули (отсутствует ограничение для числа обмениваемых частиц, сила взаимодействия может оказаться большой), частицы- переносчики или виртуальные частицы, создающие силы между частицами вещества ("окинг 1990: 65).

Взаимодействия (силы) в природе с точки зрения современной физики всё, что происходит в природе, можно свести к четырём фундаментальным взаимодействиям (силам), которые являются источником всех изменений. Гравитация (сила тяготения) первой из четырёх сил стала предметом исследования науки, после появления в "Ч11 в. теории гравитации И. Ньютона (закон всемирного тяготения). Гравитация, по Ньютону, действует на любых расстояниях (дальнодействие), например, приливы океана вызваны притяжением Луны, сила тяготения зависит от массы и удалённости от источника силы. Гравитация удерживает планеты на орбитах, звёзды в галактиках, притягивает к Земле, вызывает вращение Земли вокруг Солнца. Каждая частица Вселенной испытывает действие гравитации и сама является источником этой силы притяжения. Несмотря на всеобщий характер гравитационного взаимодействия, это самая слабая сила природы, она не проявляется в мире микрочастиц, незаметна на уровне макроскопических объектов. Возрастает же гравитация по мере образования всё больших скоплений вещества.

В 1915 году А. Эйнштейн построил новую теорию гравитации - общую теорию относительности. По Ньютону гравитационное взаимодействие передается через пространство мгновенно, согласно же теории относительности, невозможно распространение сигнала со скоростью выше скорости света. Эйнштейн рассматривал гравитацию как поле, в котором могут зарождаться волны. По Эйнштейну тяготение связано не с массой, а с геометрией пространства, пространство испытывает воздействия масс, следовательно, если изменяется гравитационное поле, то изменяется и пространство (искривляется). Геометрия мира должна быть подобной геометрии искривлённых поверхностей. Гравитация влияет и на течение времени (Гейзенберг 1989: 72-73, Дэвис 1989: 83).

Сегодня считается, что сила гравитации между двумя частицами материи переносится безмассовой частицей со спином 2, которая называется гравитоном. Гравитоны распространяются в виде волн.

Между электрически заряженными частицами (электроны, кварки, ионы) действуют электромагнитные силы. Электромагнитные взаимодействия намного сильнее гравитационных и проявляются как притяжение (разные заряды) или отталкивание (одинаковые заряды). Если количество положительных и отрицательных зарядов одинаково, то они компенсируют друг друга. Электромагнитное притяжение есть результат обмена виртуальных частиц со спином 1, которые называются фотонами ("окинг 1990: 66-67).

Третий тип взаимодействия называется слабым взаимодействием (сильнее гравитации, слабее электромагнитного и ядерного взаимодействий). Слабое взаимодействие прекращается на расстоянии большем 10 " см от источника и не влияет на макроскопические объекты, действуя между всеми субатомными частицами. Физики долго не понимали, откуда берутся из ядер атомов частицы, которых там нет (из нейтрона - протон, электрон и нейтрино)? Превращение одних частиц в другие - главное проявление этого взаимодействия. При взрывах и коллапсах звёзд испускается огромное количество нейтрино. Слабовзаимодействующие нейтрино тем не менее разрывают наружные слои звезды и образуются клочья облаков расширяющегося газа. Слабое взаимодействие проявляется при испускании некоторыми атомами ядер гелия и электронов (радиоактивность) (А. Беккерель, Э. Резерфорд).

В 1967 году А. Салам и С. Вайнберг предложили объединить электромагнитное и слабое взаимодействия: кроме фотона существуют ещё три частицы со спином 1, так называемые тяжёлые векторные бозоны (%+, %- и "~), которые и переносят слабое взаимодействие. В основе гипотезы Вайнберга-Салама лежала идея о спонтанном нарушении симметрии; частицы,

разные при низких энергиях, при высоких энергиях оказываются одной частицей в разных состояниях. Гипотеза предсказывала, что при высоких энергиях фотоны и бозоны ведут себя одинаково, а при низких энергиях в обычных ситуациях эта симметрия нарушается. Через десять лет их гипотеза подтвердилась экспериментально, физикам была присуждена Нобелевская премия.

Сильное ядерное взаимодействие удерживает кварки внутри адронов, протоны и нейтроны внутри атомного ядра, действует на расстоянии не больше 10 'м см. Переносчиком ядерных сил считается ещё одна частица со спином 1, которая называется глюон (англ. клей). Сильное взаимодействие обладает свойством ограничения, удерживания в связном состоянии: кварки не могут существовать сами по себе, так как 99% энергии-массы кварка - это энергия связи. Сильное взаимодействие является источником огромной энергии, например энергии Солнца, энергии водородной бомбы. На мощных ускорителях, при высоких энергиях сильное взаимодействие ослабевает и кварки, глюоны ведут себя почти как свободные частицы. При столкновениях протона и антипротона высокой энергии рождаются кварки, "струи" треков которых можно наблюдать.

4.6. Концепции самоорганизации в физике В физике второй половины ""-ого века утверждается понимание сложности микромира, Вселенной. Изменяется и представление о Вселенной существующего - существующего без возникающего нет (Пригожин 1985). В рамках классической термодинамики известно много примеров эволюции систем различной природы к единственному состоянию равновесия, однообразия, однородности (необратимый обмен теплом и выравнивание температур, необратимое расширение газа, диффузия дымового облака, расплывание капли чернил в воде, движение по инерции и остановка, равномерное распределение молекул). Закон возрастания энтропии (меры степени беспорядка) утверждает, что в замкнутой системе энтропия всегда возрастает до своего максимального значения.

Но если воздействовать на систему извне, можно изменить степень её упорядоченности. Гакен приводит примеры самоорганизации при фазовых переходах, в которых обнаруживается удивительное сходство: с понижением температуры вода переходит от состояния хаоса (пар) к порядку (кащи, кристалл), нагревание и охлаждение магнита и сверхпроводников влияет на упорядочивание магнитных моментов, когерентное поведение атомов лазера. Лазер - стержень, в который внедрены атомы определённого типа, каждый атом возбуждается действием из вне (освещение). После этого атом действует как антенна, испуская волны света. Когда в лазер накачивается энергия, при малых мощностях накачки лазер работает как лампа, атомы излучают независимо друг от друга, хаотично. Но, при определённом значении мощности накачки, за порогом, возникает новое явление: похоже, что некий демон заставляет атомы испускать один гигантский свет (цуг) длина которого до 300 000 км! Что заставляет подсистемы (атомы) вести себя так организованно? Какие механизмы и принципы способны объяснить самоорганизацию атомов (антенн)? Если дальше накачивать лазер, снова внезапно происходит новое явление: стержень регулярно испускает световые вспышки очень короткой длительности. Известно множество других примеров самоорганизации неживой материи (упорядоченное макроскопическое движение в жидкости при определённом градиенте температур - образование цилиндрических или гексагональных ячеек, крупномасштабные вихри в атмосфере Юпитера, рисунки янтаря, мир кристаллов, вихри Тейлора, самоорганизация неорганических химических систем).

В 1973 году профессор тутгартского университета Гакен (р. 1927) для объяснения кооперативности, когерентности действия большого числа объектов, участвующих в самоорганизации, вводит термин синергетика (от греч. вупегде1а - совместное, кооперативное действие). Синергетика как междисциплинарное направление в науке исследует поведение сложных систем, выявляет общие законы самоорганизации. Основной вопрос синергетики: существуют ли общие принципы, управляющие возникновением самоорганизующикся структур и функций? Гакен рассматривает примеры самоорганизации не только из физики и химии, но и примеры из биологии, теории вычислительных систем, экономики, экологии, социологии. Во всех случаях система состоит из очень большого числа подсистем. При определённых условиях в системе образуются качественно новые структуры. Система переходит из однородного, недифференцированого состояния в неоднородное, но упорядоченное состояние. Бельгийский физико-химик русского происхождения И. Р. Пригожин (р. 1917) подвёл под явления самоорганизации теоретическую базу (понятия и модель перехода от хаоса к порядку). Коренной переворот во взглядах на необратимые процессы произошёл лишь недавно, и мы начали понимать конструктивную роль необратимых процессов в физическом мире (Пригожин 1985: 93). Центральное понятие теории И. Р. Пригожина - понятие диссипативной системы (диссипация - рассеяние вещества и энергии). Диссипативные системы отличаются открытостью, неравновесностью и нелинейностью. Существование таких систем поддерживается постоянным обменом веществом и энергией со средой, при прекращении обмена диссипативные системы разрушаются. Открытость системы является условием самоорганизации. В открытых системах неравновесие может порождать порядок. Хаос и порядок связаны и это главное изменение, которое происходит в нашем восприятии Универсума. Каждая, диссипативная система имеет свои управляющие параметры. Каждый параметр имеет своё критическое, пороговое значение, при достижении которого в эволюции системы происходит скачок в другую сеть мер. Точка разветвления эволюции называется точкой бифуркации (от англ. Гочс - вилка). Бифуркация определяет спектр возможных альтернатив, путей развития (тезаурус для отбора). В точке бифуркации, точке неустойчивости, точке разветвления эволюционной линии, существует несколько (как минимум два) путей развития сложных систем. Между точками бифуркации в системах выполняются детерминистические законы, но в точках бифуркации существенную роль играют большие, случайные флуктуации. Выбор - движение к разрушению или к усложнению - зависит от аттрактора Синергетика раскрывает общие механизмы усложнения: электроны и атомы, фотоны и молекулы, лазеры и жидкости, самоорганизуясь, подчиняются единым принципам (флуктуации открьггой системы до порога, точки бифуркации и переход к новому, более сложному порядку). Необратимость времени может рассматривается как конструктивный процесс, разрушился миф о неприродном факторе эволюции.

Проблемы современной физики

Самая сложная проблема современной физики - объединение частных теорий, например, теория относительности не включает принцип неопределённости, теория гравитации не входит в теорию трёх взаимодействий, в химии не учитывают строение ядра атома. Проблема объединения есть проблема достижения высоких энергий, так как при высоких энергиях частицы перестают отличаться. До 30-х годов считали, что существуют два типа сил на макро-уровне - гравитационные и электромагнитные, но открыли слабое и сильное-ядерное взаимодействия. Был открыт мир внутри протона и нейтрона, но этот порог энергий выше, чем в центре звёзд. Будут ли открыты ещё более элементарные частицы, чем кварки и электроны?

До 1984 года большинство учёных верили в теорию суперсимметрии (супергравитации, суперсилы). Суть её в том, что все частицы (частицы вещества, гравитоны, фотоны, бозоны и глюоны) - разные виды одной "суперчастицы". Эта "суперчастица" или суперсила с понижением энергии предстаёт перед нами в разных ипостасях, как сильное и слабое взаимодействия, как электромагнитная и гравитационная силы (Дэвис 1989, "окинг 1990: 134). Но сегодня в эксперименте ещё не достигли энергий для проверки данной теории (нужен циклотрон размерами с Солнечную систему), проверка же на компьютере заняла бы более четырёх лет ("окинг 1990: 134, Налимов 1993: 16).

В математических моделях теории супергравитации возникает и проблема бесконечностей. В уравнениях, описывающих поведение микрочастиц, получаются бесконечные числа. Есть и другой аспект данной проблемы - старые философские вопросы: конечен или бесконечен мир в пространстве и времени? Вселенная взорвалась из сингулярности планковских размеров, куда она расширялась и расширяется? В 80-х годах становится популярной струнная теория. Микрочастицы это не точечные объекты, а тонкие кусочки струны, определяемые длиной и открытостью. Частицы - волны, бегущие по струнам, как волны по верёвке. Испускание частицы - соединение, поглощение частицы-переносчика - разъединение. Солнце действует на Землю через гравитон, бегущий по струне ("окинг 1990: 134-137).

В струнных теориях тоже сохраняются бесконечности, но возникает проблема многомерности пространства-времени, например, электрон - это малая вибрирующая струна планковской длины в шестимерном и даже в 27-мерном пространстве. Если есть иные меры, то почему развернулись только 3-пространственые и одна временная меры?

Проблема наблюдателя, возрождение идей панпсихизма, невозможность разделить субъект и объект в квантовой механике, антропный принцип в космологии, гипотезы о слабых формах сознания и космическом сознании, всё это свидетельствует, что и философская проблема сознание-материя становится серьёзной проблемой физики, ускользая из рук философов (Налимов 1993: 36-37, 61-64). Физики пытаются включить сознание в картину физического мира. В книге П. Дэвиса и Дж. Брауна "Дух в атоме" говорится о роли процесса измерения в квантовой механике. Наблюдение мгновенно изменяет состояние квантовой системы. Изменение ментального состояния экспериментатора вступает в обратную связь с лабораторной аппаратурой и, следовательно, с квантовой системой, изменяя её состояние (цит. по Налимов 1993: 41-42). Включённость сознания в общую связь всего сущего предполагает и бутстрэпная теория. Эта теория отрицает фундаментальные сущности ("кирпичики" материи, константы, законы, уравнения), Вселенная понимается как динамическая сеть взаимосвязанных событий.

В квантовой теории возникает проблема создания языка, наши обычные понятия не могут быть применены к строению атома. Математические схемы более однозначно отражают эксперимент (Гейзенберг 1989: 104-117).

Современная физическая картина мира принципиально не завершена. Но самое трудное в науке то, что нет никаких успехов включения человека в единую теорию. После Ньютона и Энштейна у нас нет четкой формулы мира. Какую роль в мире, который находится в процессе строительства, играют люди? Предопределено ли будущее и можем ли мы играть какую-то роль в формировании мира, если мы часть природы (И. Р. Пригожин)? Возникает потребность в универсальной теории коэволюции человека и природы.

Древнегреческая парадигма Космоса характеризуется (греч. гармония, порядок, красота): гармонией через число (Пифагор), одушевлённостью и подобием живому организму, вечностью (по Гераклиту мир всегда есть, был и будет вечно живым огнём), центризмом (неподвижная Земля в центре у Птолемея, Платона и Аристотеля, у Пифагора в центре - огонь, у Аристарха - Солнце) и бесконечностью (Демокрит).

Нововременная парадигма Вселенной: Н. Коперник (Солнце - центр мира, Вселенная - гармония и разумный порядок, движение небесных тел - вечное и круговое), И. Кеплер (планеты движутся по эллипсам вокруг Солнца), Дж. Бруно (нет центров, небо - безмерное пространство с бесчисленными мирами), Г. Галилей впервые увидел в телескоп миллиарды звёзд, вращение солнечных пятен, кольца Сатурна, спугники Юпи ра, И. Ньютон (Вселенная создана Богом по неизменным законам, число звёзд бесконечно и они равномерно распределены по бесконечному пространству, нет центральной точки, куда бы могли упасть звёзды под действием сил гравитации) (Дэвис 1989: 205).

А. Эйншгейн, под сильным влиянием Ньютона, сохранил стационарность Вселенной в работе "Вопросы космологии и общая теория относительности", 1917г., введя в уравнения силу отталкивания - лямбда-постоянную (в противовес силам притяжения Ньютона) и очень сожалел, когда под напором открытий в космологии теория стационарной Вселенной разрушилась. В 1922 году русский математик А. А. Фридман (1888-1925) в работе "О кривизне пространства" впервые выдвигает гипотезу расширяющейся Вселенной и в науке появляются проблемы сингулярности (точка с бесконечной плотностью, откуда рождается Вселенная), начала и будущего Вселенной (вечное расширение или коллапс). В 1929 году американский астроном Э. "аббл (1899-1953), составляя каталоги расстояний до галактик и изучая их спектры, установил смещение линий в спектрах галактик в направлении к "красному" краю ("красное смещение", проявление "эффекта Доплера"). Открытие "красного смещения" в спектрах галактик Э. "аббла экспериментально подтвердило расширение Вселенной. Величина "красного смещения" прямо пропорциональна расстоянию от нас, следовательно, чем дальше находится галактика, тем быстрее она удаляется. В 1947 году американский физик, уроженец России, ученик А. Фридмана Г. Гамов (1904-1968) предсказал: ранняя Вселенная была очень плотной, горячей и раскалённой добела, а поскольку температура связана со звуком, от "начального взрыва" должно остаться реликтовое излучение. С конца 70-х разрабатывается перспективное направление в космологии, реконструирующее квантовое рождение Вселенной посредством флуктуаций вакуума, инфляционная модель Вселенной: эволюция Вселенной приводит к возникновению многих областей, где действует инфляция (расширение). В одних областях расширение уменьшается, в других - квантовая флуктуация влечет за собой рост инфляции, быстрое расширение Вселенной. Мы живём в одной из "долин", где пространство больше не "инфлирует" (Павленко 1997: 183).

Космическая эволюция. Исследованию ранней Вселенной помогают эксперименты с помощью гигантских ускорителей элементарных частиц, где достигают таких энергий, которые были в ранней горячей Вселенной. Данные физики элементарных частиц теоретически экстраполируют в прошлое и строят модели космической эволюции (Вайнберг 1981: 12-15, Силк 1982: 102-146, Гут, Стейнхардт 1984: 56-59, Дэвис 1985: 41-51, 1989: 186-225). На современных ускорителях элементарных частиц удается в течение очень короткого времени воспроизводить физические условия, существовавшие в столь ранние моменты времени, как 10 'и с после Большого взрыва, когда температура достигала 10мК, а Вселенная была размером с Солнечную систему. Это предел энергии, достигнутый в настоящее время в физике. За этим пределом путеводной нитью может служить только теория (Дэвис 1985; 44, 1989: 192).

Уровень элементарности (макромолекулы и кристаллы, молекулы и атомы, ядра и нуклоны, кварки и лепгоны) зависит от уровня энергии. Квантовый характер системы ограничен, порог возбуждения зависит от характера системы, он всегда тем выше, чем меньше пространственные размеры системы. Требуется очень малая энергия, чтобы изменить квантовое состояние большой молекулы, больше энергии необходимо для изменения атома и в тысячу раз больше для изменения атомного ядра. Эгу последовательность условий В. Вайскопф назвал квантовой лестницей. Квантовая лестница позволяет раскрывать структуру Вселенной шаг за шагом (Вайскопф 1977: 42).

Наивысшая ступень - газ из протонов, нейтронов и электронов при исключительно высокой температуре, когда их кинетическая энергия составляет много миллионов электрон-вольт. Проблема существования "последней" ступеньки квантовой лестницы не решена возможно, природа неисчерпаема, но может быть это и не так (В. Вайскопф), гравитация может, по-видимому, наложить ограничение на последовательность вложенных одна в другую "матрёшек". Движение протонов, нейтронов и электронов носит случайный, хаотический характер. При более низкой температуре меньше миллиона электрон-вольт, адроны группируются и образуют атомные ядра. Десятки ядер и изотопов представляют собой определённые индивидуальные состояния, но движение ядер и электронов всё ещё случайно и неупорядоченно. При ещё более низкой температуре (как на поверхности Солнца) электроны попадают в упорядоченные квантовые состояния, локализованные вокруг атомных ядер - появляется разнообразный мир химических элементов (атомов). На уровне тысяч градусов Цельсия атомы образуют простые молекулы, ещё более разнообразный мир неорганических химических систем. Дальнейший спуск по лестнице приводит нас в энергетическую область, где молекулы группируются в гигантские цепеобразные "живые" молекулы. Для существования живой материи требуется относительно узкий диапазон температур. Самая низкая ступень - нулевая температура, жизнь замрёт и вся материя образует большой кристалл, в котором разнообразие форм будет сохранено, но заморожено в неактивном состоянии.

Весьма вероятно, что образование материи во Вселенной шло в соответствии со спуском по квантовой лестнице: от высокой энергии к низкой с добавлением нового качества. Если Большой взрыв имел какое-то отношение к действительности, то некоторые из его ранних фаз могли произойти на самой последней ступени квантовой лестницы (Вайскопф 1977: 43-45, 48-53).

Судя по современной скорости расширения Вселенной, оно началось примерно 15-20 млрд. лет назад (Дэвис 1985: 41). В фазе сверхрасширения, каждые 10 ~~ с все области Вселенной удваивали свои размеры, процесс удвоения продолжался в геометрической прогрессии. Чрезвычайно быстрое и непрерывно ускоряющееся сверхрасширение (инфляция) и есть Большой взрыв. Когда инфляция иссякла, Вселенная стала чрезвычайно горячей (энергия вакуума), состояние вакуума распалось, энергия высвободилась в виде излучения, которое нагрело Вселенную до 10 К (Гут, Стейнхардт 1984, Дэвис 1989: 211-212). В момент Большого взрыва размеры Вселенной были равны по радиусу 10 м~см, а сама она была бесконечно плотной и горячей, но по мере расширения температура излучения понижалась.

Следующая адронная эра длится до 10 ~ с. Падение температуры вызывает фазовый переход, напоминающий замерзание воды и образование льда, столь же внезапно (через 10 'н с, Т=10" К, Вселенная сжата до размеров Солнечной системы) обретают индивидуальность кварки и лептоны, их античастицы и фотоны. Симметрия продолжает нарушатся. Сильное взаимодействие спустя 10 ~ с создаёт ещё один фазовый переход: самоорганизуются субъядерные структуры, конгломерат быстро движущихся кварков конденсируется, образуя адроны (протоны, нейтроны, мезоны), объединения кварков попарно или по три (устойчивость субъядерных частиц достигалась за счёт энергии внутренних связей, сильных взаимодействий). Ещё одно нарушение симметрии - разделение электромагнитного и слабого взаимодействий. Аннигиляция приводит к исчезновению античастиц и излучению (лептонная эра, до 1с после инфляции, Т=10м~ К). Пространство заполнено хаотически движущимися протонами и нейтронами (отбор на устойчивость 3-х квартовых частиц), электронами и нейтрино (лептонов во много раз больше) и тепловым излучением. Ранняя Вселенная расширялась очень быстро, через минуту температура упала до 10 К, спустя ещё несколько минут - ниже уровня, при котором возможны ядерные реакции (плазменная эра). Начинается синтез лёгких ядер гелия (два протона и два нейтрона), Избыток протонов (ядра водорода) привёл к образованию плазмы, состоявшей из 10% ядер гелия и 90% ядер водорода (Дэвис 1985: 41-46, 1989: 186-200).

Далее космическая эволюция временно теряет свой импульс. Примерно 100 тысяч лет после Большого взрыва космическое вещество сохраняло форму разогретой плазмы из ионизированных водорода и гелия (Дэвис 1989:189). Через 10 лет температура достигает 10 К, образуется атомарньф водород (протон и электрон), вещество разъединяется с излучением. Охлаждение, расширение, падение давления газа вводит в игру гравитацию на макроскопической ветви эволюции. Охлаждающийся газ образовывал сгустки-облака, области повышенной плотности, которые притягивали дополнительное вещество. Сила тяготения увеличивалась, в газовых облаках начинается процесс звёздообразования (Дэвис 1985: 46~7). Гравитация обусловила коэволюцию макро- и микрокосма в звёздах. В недрах звезд первого поколения из протонов синтезируется дейтерий (протон и нейтрон, тяжёлый водород) с высвобождением энергии, реакции синтеза превращают дейтерий в гелий, из лёгких ядер образуются тяжёлые (ядра лития, углерода, кислорода). Онтогенез звёзд заканчивается взрывом, выбрасывая в пространство следовые количества элементов, необходимых для образования планет, дальнейшей химической и биологической эволюции. Наш организм состоит из реликтовых осколков давно погасших звёзд (Дэвис 1989: 188-189).

Солнце, звезда второго поколения, также образовалась из облака вращающегося газа, в котором находились осколки более ранних сверхновых. Газ из этого облака пошёл на образование Солнца или был унесён взрывом, но небольшое количество более тяжёлых элементов, собравшись вместе, превратилось в планеты. Уникальная совокупность условий, сложившихся более 4-х млрд. лет назад на Земле, положила начало новому этапу эволюции неравновесных процессов (Назаретян 1991: 74).

Проблемы современной космологии. До появления моделей А. А. Фридмана в науке не стояли проблемы возникновения мира. В рамках модели эволюционирующей Вселенной наука должна ответить на вопросы: из чего рождается Вселенная? и почему произошёл Большой взрыв? Если для науки высшим идеалом является эксперимент и теоретическое доказательство, то как научно ответить на вопросы о происхождении мира7 Согласно мифу мир рождается как актуализация воли гипертрофированной силы природы, в религии есть внеприродный творец, для философии - мир рождается как актуализация воли познающего себя разума (Гегель), а в науке?

В науке проблему - чем вызван Большой взрыв? - удаётся решать с помощью исследований вакуума, теорий инфляции и космического бутстрэпа. Вселенная начала своё существование из состояния вакуума, мир рождается как актуализация вакуума. В современной физике вакуум рассматривается как состояние материи, как "фермент" квантовой активности, кишащий виртуальными частицами, сложными взаимодействиями и содержащий гигантскую потенциальную энергию. Вакуум лишён вещества и излучения, но содержит частицы и вещество потенциально, нераспакованно, в возможности. Взорвался вакуум, начал инфлировать самопроизвольно, под действием сил отталкивания, за счёт собственной энергии. Самосоздающаяся Вселенная вытянула сама себя за собственные "шнурки" без помощи внешних факторов (Дэвис 1989: 210-215, Павленко 1997: 206-213).

Вторая группа космологических проблем связана с объяснением удивительных совпадений фундаментальных постоянных как будто ради появления человека во Вселенной. П. Дэвис приводит 9 примеров с числом 40 (Дэвис 1985: 96-97). С другой стороны оказалось, что многие физические свойства и соотношения не выглядят теоретически необходимыми, и с точки зрения современного естествознания Вселенная могла бы обладать другими параметрами.

Возникают вопросы: а случайны ли эти совпадения? Вселенная была изначально запрограммирована на возникновение жизни и человека? существуют ли другие формы интеллекта в физической Вселенной? почему существует корреляция мир- наблюдатель? и т. д. В 1973 году Б. Картер на основе совпадений физических постоянных сформулировал антропный космологический принцип: существование разумных существ сильно зависит от структуры физического мира, наше существование влечёт за собой строгий отбор типов Вселенной, мы видим Вселенную такой, как она есть потому что, будь она другой, нас бы здесь не было и мы бы не могли ее наблюдать. Есть два варианта объяснения антропного принципа - сильный и слабый. Сильный вариант: эволюция не случайна, а запрограммирована на появление жизни и человека. Слабый вариант: условия, необходимые для возникновения известных нам форм жизни и человека, выполняются только в некоторой области Вселенной. Существуют и иные варианты эволюции в других областях, где либо нет наблюдателей, либо наблюдатели другие. Слабый вариант согласуется инфляционной моделью. Философское осмысление антропного принципа.

Антропный принцип поднимает проблемы иных цивилизаций и будущего Интеллекта в космологических прогнозах. Будет ли Вселенная вечно расширятся или расширение сменится сжатием и коллапсом? Если Вселенная рождается, то должна ли Вселенная умереть? Ограничены ли частицы вещества сроком существования'? Оказалась ли наша планета единственной приоритетной точкой или Земля - одна из множества планет, на которых синхронно начиналась биотическая фаза эволюции? Подавляющему большинству специалистов по космологии человеческое существование видится бессмысленным. Какая бы космологическая модель ни оказалась правильной, ни в одной из них мы не находим утешения. Вселенная развилась из незнакомых начальных условий и ей предстоит угасание в бескрайнем холоде. Чем более постижимой представляется Вселенная, тем более она кажется бессмысленной (Вайнберг 1981: 139-144). Но в пессимистических космологических прогнозах не учитывается обратное влияние Интеллекта, о чём писали русские космисты (Н. Фёдоров, К. Э. Циолковский).

Эволюционная химия и биология. Неорганическая химическая стадия эволюции

Д. И. Менделеев (1834-1907), определяя химию как науку о химических элементах и их соединениях, к характеристике химии как системы применил принцип неизменности химических элементов в химических реакциях, например, атомная масса водорода всегда равна единице. Основанием химии по Менделееву выступает двуединая проблема - получение веществ с заданными свойствами и выявление способов управления свойствами вещества. Основной вопрос химии: от чего зависят свойства веществ? В зависимости от того, как отвечали на этот вопрос, в истории химии можно выделить четыре периода: учение о составе ("УП в.), структурная химия (с начала "1" в.), учение о химических процессах ("" в.) и эволюционная химия (с 70-х годов, Кузнецов, Идлис, Гутина 1996: 168-177).

Идеи эволюции атомов от водорода и гелия к более тяжёлым атомам, порядка и системности в природе были уже в периодической системе химических элементов Менделеева, но только в 1960-х годах обнаружили случаи самосовершенствования катализаторов в ходе реакции и явления самоорганизации химических систем. Эволюционные идеи проникают и в химию. Под эволюционными проблемами химии следует понимать проблемы самопроизвольного синтеза новых, более сложных и более высокоорганизованных химических соединений по сравнению с исходными продуктами. Достижение устойчивости химических систем обусловило их структурное и поведенческое разнообразие, атомов или химических элементов более 100, неорганических низкомолекулярных соединений - сотни тысяч, а высокомолекулярных - миллионы. Химические системы образуются за счёт ионных и ковалентных связей (Эрдеи-Груз 1976: 267-275, 333-348). Инертные газы вообще не образуют молекул, большинство элементов образуют двухатомные молекулы, кислород - трехатомные, а углерод - длинные цепи различной конфигурации (Назаретян 1991: 71).

Экспериментальные доказательства самоорганизации химических реакций были получены школой И. Р. Пригожина. Вдали от равновесия химические системы с каталитическими механизмами могут порождать диссипативные структуры (открытые, неравновесные системы, стремящиеся перейти от хаоса к порядку). Самый простой пример такой структуры является реакция химические часы или модель брюсселятора: упорядоченность в поведении миллиардов молекул, макроскопически проявляющаяся в периодичном изменении вдета реакционной смеси. Неорганические каталитические химические реакции можно рассматривать как прототипы сложных ферментативных биохимических реакций (И.Р.Пригожин, 1985, с. 116, 1986, с. 202-203).

Высший химизм и преджизнь Отбор химических элементов для построения субстрата жизни это научный факт. Основу живых систем составляют только шесть элементов, называемых органогенами: углерод, водород, кислород, азот, фосфор и сера. Общая весовая доля органогенов составляет 97,4%, за ними следуют 12 элементов ( а, К, Са, Мд, Ре, Й, А1, С1, Сн, "п, Со, Мп) которые принимают участие в построении многих компонентов биосистем, их весовая доля 1,6%. Ещё 20 элементов участвуют в построении узкоспециализированных биосистем (Кузнецов, Идлис, Гутина 1996: 241,Грин,Стаут, Тейлор 1990: 151). Основу жизни на молекулярном уровне составляют макромолекулы, гигантские молекулы-биополимеры, построенные из многих повторяющихся единиц-мономеров. Существует три типа макромолекул: из моносахаридов построены полисахариды, из аминокислот - белки, из нуклеотидов - нуклеиновые кислоты (РНК и ДНК). В состав живого входят еще липиды, сложные эфиры жирных кислот и спирта. Белки и нуклеиновые кислоты являются информационными молекулами, поэтому последовательность мономерных звеньев в них варьирует (Грин,Стаут, Тейлор 1990: 155-188).

Из узкого круга отобранных природой органических молекул составлено 5-млрд. видовое разнообразие живого за всю историю биосферы. Органогеном ю1 стал углерод, так как этот элемент способен образовывать почти все типы химических связей, соединения, обладающие каталитическими, энергетическими, информационными свойствами и длинные цепи, кольца разнообразных подвижных скрученных структур. Углерод отвечает всем требованиям лабильности (Кузнецов, Идлис, Гутина 1996: 242).Высокомолекулярные соединения отличаются способностью сохранять неизменным основной субстрат в ходе взаимодействий. Речь идет о становлении устойчивой индивидуальности. Химический индивидуум способен изменять свою природу, сохраняя себя (Жданов 1983: 73).

Первые эксперименты по неорганическому синтезу биополимеров в восстановительной среде провёл американский биолог С. Миллер в 1953 году. Колба, в которой создавались электрические разряды, заполнялась водой, водородом, метаном и аммиаком. Кипящая вода создавала циркуляцию пара и воды через прибор, пробы раствора исследовали методом хроматографии на бумаге. Через 125 часов было обнаружено 15 аминокислот и рибоза (входит в состав РНК). Эксперименты вызвали большой интерес и к сходным опьггам приступили учёные во всём мире. Уже в 1960 году А. Уилсон, добавив в исходный раствор серу, смог получить крупные молекулы полимеров, содержащие более 20 атомов углерода. В колбе были обнаружены тонкие плёнки (предмембраны). С. Поннамперума с сотр. проводили эксперименты, подобные экспериментам Миллера, но использовали энергию ультрафиолетового света и синтезировали аминокислоты, пурины (строительные блоки белков и нуклеиновых кислот), полимеры из этих блоков. Дж. Оро с сотр. синтезировали крупные органические молекулы без ультрафиолета, просто нагревая среду. С. Фокс с сотр. использовали высокие температуры и синтезировали биополимеры в безводных средах. М. Кальвин конденсировал низкомолекулярные единицы в более крупные в водных растворах, содержащих НС . Следовательно, есть много способов спонтанного образования биомолекул неорганическим путём в условиях, моделирующих первичную атмосферу, но в этих экспериментах не моделировалось геологическое время.

До 80-х годов существовало три гипотезы начала биохимической эволюции: гипотезы голобиоза, генобиоза и симбиоза. Гипотеза голобиоза: эволюционно старше белковый протобионт (метаболизм), первичен обмен веществ в коацервате, а появление в коацервате нуклеиновых кислот есть завершение эволюции в ходе конкуренции протобионтов (А. И. Опарин). Гипотеза генобиоза: первичной была не структура, способная к обмену веществ, а макромолекулярная система подобная гену и способная к саморепродукции Синтетическая гипотеза симбиоза: изначально формировался симбиоз белки-нуклеиновые кислоты (гиперциклы М. Эжена). Проблемы начала биохимической эволюции были решены тогда, когда открылся "мир РНК": молекула РНК была первичной, так как она уникальна по своим свойствам. Молекула РНК наделена такой же генетической памятью как и ДНК. Нет организмов без РНК, но есть вирусы, геном которых составляет РНК, а не ДНК. Вопреки генетической догме возможен перенос информации от РНК к ДНК, катализируемый РНК-зависимым ферментом. В начале 80-х установили способность РНК к саморепродукции в отсутствии белковых ферментов, процессингу (вырезание нуклеотидных последовательностей) и сплайсингу (сшивание активных последовательностей). Но главным было открытие у РЦК автокаталигических функций. Всё это означало, что древняя РНК совмещала черты генотипа и фенотипа. Современная РНК - реликт доклеточного предка, передавшего ферментативные и информационные функции ДНК и белкам (Кузнецов, Идлис, Гутина 1996: 302-311).

Тогда можно смоделировать ранние этапы доклеточной эволюции: спонтанное возникновение макромолекул (в том числе и РНК), отбор геномов РНК по эффективности каталитических и информационных функций (метаболизм и редупликация), передача РНК функций фермента белкам и памяти ДНК, образование и эволюция сетей химических реакций (гиперциклов). Гиперциклом называется принцип самоорганизации макромолекул в единицу, способную к эволюции, для которого характерны гомеостаз, метаболизм и редупликация. Гиперциклы это сети химических реакций, в которых на каждом этапе продукты подвергаются цикличным превращениям: все биохимические реакции носят циклический характер (репликация ДНК и биосинтез белка на рибосоме, ферментативные реакции, цикл трикарбоновых кислот). М. Эйген опирался на экспериментальное исследование биохимической эволюции, опыты С. Спигельмана.

Теоретическими основаниями модели М. Эйгена являются общеэволюционные законы. Модель гиперцикла включает в себя принципы диссипативных структур, симбиоза на молекулярном уровне. В результате конкуренции отбирались гиперциклы с более эффективной корреляцией единиц, более совершенные по каталитическому совершенству. Гиперцикл допускает рост своих компонентов и регуляцию размеров. Совершенствовались скорость редупликации и память.

Эволюция гиперциклов при определённых условиях - неизбежное событие. Гиперциклы возникают раз и навсегда как закономерный этап универсальной эволюции: анализ механизмов воспроизводства гиперциклов не дает оснований для гипотезы живое - от живого.

Особенности биологической формы организации материи

Место биологии в современном естествознании: необычайная сложность и многообразие живых систем, развитие во времени - неотъемлемое и наиболее характерное свойство живого, теоретический характер и проблемы биологической эволюции, включённость человека в мир живого (Природа биологического познания, М., 1991). "Образы" биологии (Кузнецов, Идлис, Гутина 1996: 251-276): описательная биология (классификация и система таксонов, нерасчлененность биоцелостности, гуманный характер исследований), экспериментальная биология (методы, достижения, перспективы), эволюционная биология (от теории естественного отбора Ч.Дарвина до современной синтетической теории эволюции биосферы). Проблема создания теоретической биологии (поиски основополагающих аксиом). Универсальный эволюционизм как основа для построения целостной теории жизни. Анализ различных определений жизни По Эредингеру, жизнь - это упорядоченное и закономерное поведение материи, основанное на существовании упорядоченности, которая поддерживается всё время. Проблема традиционных признаков живой материи (гомеостаз, метаболизм, редупликация) - биологические макромолекулы обладают такими же признаками (М.Эйген), редупликация свойственна неживым системам (Моисеев 1998: 88-91). Диссиметрия живых молекул - живое вещество всегда поляризует свет (там же: 91-93).

Феномен жизни есть результат мирового эволюционного процесса, следовательно, жизнь надо понимать как этап универсальной эволюции, а не противопоставлять живое неживому. Нет чёткой границы, отделяющей мир живого от мира косной материи. Переходные формы (макромолекулы и гиперциклы) были, как и во всяком бифуркационном переходе, крайне неустойчивы - они просто исчезли (Моисеев 1998: 96). Первым общеэволюционным критерием прогрессивной эволюции является более высокий уровень термодинамического неравновесия систем со средой и более эффективный способ использования (концентрации) энергии. В 1935 году Э. С. Бауэр (1890-1937) выпустил книгу "Теоретическая биология", в которой сформулировал принцип устойчивого неравновесия живых систем. Живые системы никогда не бывают в равновесии и за счёт свободной энергии постоянно исполняют работу против равновесия (Бауэр 1935: 43). В 1943 году Эредингер в книге "Что такое жизнь?" объяснил как живая материя избегает перехода к равновесию. За счет метаболизма (обмен веществом со средой, питание, дыхание, выделение), питания отрицательной энтропией и непрерывного извлечения упорядоченности из окружающей среды.

Живые системы более сложные и разнообразные по составу и структуре, чем неживые. В эволюции биосферы чётко прослеживается рост разнообразия (биохимическое единство и морфологическое многообразие видов) и сложности живых систем (доядерные и ядерные клетки, многоклеточные растения, безпозвоночные и позвоночные организмы).

Жизнь характеризуется и новой формой отражения (информационного моделирования) мира и передачи информации. Исходным принципом, на котором строятся отношения со средой биологических систем, является опережающая модель мира. Опережающие формы отражения на уровне живого (раздражимость, чувствительность, психика) приходят на смену реактивным и избирательным формам отражения в неживой материи. Появилось активное отношение к факторам среды, их разделение на вредные и способствующие её сохранению (Анохин 1978: 8). В эволюции живого огромную роль играет управление и память, механизм хранения, извлечения информации в интересах организма (Моисеев 1998: 107).

Жизнь как активная, сигнальная форма самоорганизации и самовоспроизводства химических гиперциклов и их иерархически организованных систем (клеток, тканей, организмов, популяций) усложняет общезначимые критерии прогрессивной эволюции (неравновесность, разнообразие, отражение).

Самая древняя и простая концепция происхождения жизни креационизм, предполагающая антитеоретические идеи "чёрного ящика" и творения, не устраивала уже Аристотеля. С Аристотеля и до 1688 года параллельно креационизму существовала теория постоянного зарождения живого из неживого, опровергнутая Ф. Реди (1626-1698) и позже Л. Пастером (1822-1895). Утверждается принцип Реди: всё живое только от живого. В конце прошлого века С. Аррениус (1859-1927) предложил гипотезу панспермии, космического посева, но откуда взялась жизнь в Космосе? Признание вечности жизни (В. И. Вернадский) противоречит современным моделям эволюции Вселенной из вакуумной неустойчивости. С данными современного естествознания согласуется теория биохимической эволюции. Жизнь - результат эволюции Вселенной, возникает как естественный этап её усложнения.

История развития Земли условно поделена на четыре эры (эона) и одиннадцать периодов, которые делятся на эпохи (в разных источниках используются разные системы классификации и названия периодов истории Земли). Методами радиоактивного датирования установлен возраст горных пород, принадлежащих каждому периоду. Ископаемые останки живых организмов связаны с геологическими слоями: так реконструируется палеонтологическое древо жизни (Грин, Стаут, Тейлор 1990, 1998, т. 1: 363-364, Яблоков, Юсуфов 1998: 61).