Курс концепции современного естествознания

Н. Бор, исходя из принципа неопределённости, разрешил карпускулярно-волновой парадокс. Согласно принципу неопределённости две характеристики частицы в одном эксперименте нельзя наблюдать одновременно, следовательно, существуют дополнительные языки описания одной реальности, каждое может быть верным только отчасти. Электрон в атоме - волна материи (Л. де Бройль), но электрон вылетает из атома и где-то находится, проявляется как частица. Н.Бор советовал применять обе картины как дополнительные, они исключают друг друга (одновременно одно и то же не может быть и волной и частицей), но и дополняют друг друга.- открытое признание необходимости метафорического мышления в науке (В. В. Налимов). А. Эйнштейн не был готов к признанию принципиально статистического характера новой теории и не хотел допустить невозможность познания всех определяющих моментов, необходимых для полной детерминации рассматриваемых процессов - Бог не играет в кости (Гейзенберг 1989: 203-207). Окончательный ответ был получен в 1982 году в экспериментах А. Аспека: Эйнштейн был неправ, квантовую неопределённость невозможно обойти (Дэвис 1989: 53- 54).

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 эксперимекгов, 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" час~ицах, неделимых атомах Ньютона - атомы можно разрушить, открылся мир субатомных и виртуальных частиц.

4.4 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 частип. 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, лепгона) (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 (Дэвис 1989; 100, "окинг 1990: 69). В соответствии же с бутстрэпной гипотезой (бутстрэп - от англ. шнурки ботинок) 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, тау-лептон 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).

4.5 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 испытьвает 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 передаегся 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 Эйншгейну 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 гравигоном. Гравитоны распространяются в виде волн ("окинг 1990: 65-66).

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 (Дэвис 1989: 128-136, "окинг 1990: 67-68).

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 ("окинг 1990: 68-69).

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. Г. акен 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) ("акен 1980: гл. 1).

В 1973 году профессор Штутгартского университета Г. "акен (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? Г. Хакен 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 (Хакен 1985: гл. 1).

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 вьполняются детерминистические законы, но в точках бифуркации существенную роль играют большие, случайные флуктуации. Выбор - движение к разрушению или к усложнению - зависит от аттрактора (от лат. айгабеге - притягивать, то, что определяет цель эволюции), например, в закрытой системе притяжение к тепловому равновесию (аттрактору), в открыгой - при определённых условиях возможен переход к новому уровню упорядоченности (Пригожин 1985, Пригожин, Стенгерс 1986, 1990, 1994, Князева, Курдюмов 1994).

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 рассматриватся как конструктивный процесс, разрушился миф о внеприродном факторе эволюции. Но синергетика Г. "акена и неравновесная термодинамика И. Р. Пригожина следуют нормативам физикалистического мышления. Причины эволюции сводятся к механизмам вещественного структурообразования, без внимания в эволюции остаются отражение мира, психика, ингеллект? (Назаретян 1991: 24-25).

4.7 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 открьгг мир внутри протона и нейтрона, но этот порог энергий выше, чем в центре звёзд. Будут ли открыты ещё более элеметарные 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? Существуют ли параллельные Вселенные, неодномерные нам? Наконец могут ли существовать иные неодномерные для нас формы разума?

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 пьггаются 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 бьггь 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 чегкой 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.

4.8 История космологических представлений

В конце ХХ в. стало ясно, что Вселенная является системой, эволюционирующей от планковских размеров (10" см.) до масштабов 10~' см. или даже больше. Эволюцию Вселенной и изучает космология. История развития космологических представлений включает три этапа: от древнегреческих моделей Космоса до гелиоцентрической модели Н. Коперника, от работ И Кеплера, Г. Галилея, стационарной, механистической картины мира И. Ньютона и статичной, сферичной, конечной Вселенной А. Эйнпггейна до расширяющейся модели Вселенной А. А. Фридмана (1922 г.) и предсказания реликтового излучения Г. Гамовым, от теории Большого взрыва до современных инфляционных моделей (Павленко 1997).

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 Юпитера, 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. Хаббл (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. Экспериментально обнаружить реликтовый фон микроволнового радиоизлучения из космоса удалось в 1965 году (А. Пензиас, Р. Вилсон), что означало не только расширение, но и остывание Вселенной. В 1970 году Р. Пенроуз и С. Хокинг, исследуя так называемые чёрные дыры (коллапсирующие в сингулярность звёзд), доказали существование сингулярности, "дофизической" формы материи в модели Большого взрыва (Хокинг 1990: 75-89).

С конца 70-х разрабатывается перспективное направление в космологии, реконструирующее квантовое рождение Вселенной посредством флуктуаций вакуума, инфляционная модель Вселенной (С. Хокинг, А. Д. Линде, П. Дэвис): эволюция Вселенной приводит к возникновению многих областей, где действует инфляция (расширение). В одних областях расширение уменьшается, в других - квантовая флуктуация влечег за собой рост инфляции, быстрое расширение Вселенной. Мы живём в одной из "долин", где пространство больше не "инфлирует" (Павленко 1997: 183).

4.9 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, Ъокинг 1990: 103-106, Леще 1990, Новиков 1991). 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, достгнутый 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 кванговое 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 исключигельно высокой температуре, когда их кинетическая энергия составляет много миллионов электроновольт. Проблема существования "последней" ступеньки квантовой лестницы не решена (Вайскопф 1977: 52, "окинг 1990: 141-142): 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" (С. "окинг). Движение протонов, нейтронов и электронов носит случайный, хаотический характер. При более низкой температуре меньше миллиона электронвольт, 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 ("окинг 1990: 103).

Историю ранней Вселенной характеризуют последовательностью эпох (эры Планка и великого объединения, адронная и лептонная, плазменная и современная) (Дэвис 198~: 45). Самая ранняя эпоха Планка продолжалась 10 ~~ с, температура 10~~ К, плотность 10~~ кг!ь~, вероятно, были значительными эффекты квантовой гравитации, флуктуации кривизны пространства-времени (Дэвис 1985: 44, 57-58). До 10 и~ с - эра великого объединения: космос заполнен "супом" из неведомых нам частиц (однообразные, не имеющие индивидуальных свойств), плотность "супа" 10 вв1ь~, температура 10" К, свет не успел пройти и миллиардную долю поперечника протона. Сверхмассивные частицы (двойки тяжёлых кварков) "супа" вызвали ассиметрию вещество-антивещество - (10 +1):10, аннигиляция привела к крошечному остатку вещества и гамма-излучению, реликтовый фон которого сегодня равен 3К (моделирование данной фазы основано на экспериментах и теории великого обьединения) (Дэвис 1989: 196-200).

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 субьядерные структуры, конгломерат быстро движущихся кварков конденсируется, образуя адроны (протоны, нейтроны, мезоны), объединения кварков попарно или по три (устойчивость субьядерных 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 кварковых 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 атомарный 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). Именно гравитация отвечает за мезогранулярность Вселенной (планеты и планетные системы, звёзды и звёздные скопления, галактики и скопления галактик). 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 ("окинг 1990: 106). Уникальная совокупность условий, сложившихся более 4-х млрд. лет назад на Земле, положила начало новому этапу эволюции неравновесных процессов (Назаретян 1991: 74).

4.10 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. Анализируя физические константы, П. Дирак обнаружил постоянное присутствие величины 10~, например, число нуклонов во Вселенной - 10~~, постоянная "аббла - 10и~, масса звезд ~ - 10~, число протонов в звезде - 10 (Павленко 1997: 236-237). 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. Но если бы масса нейтрино была бы не 5'10 ~' кг, а 5'10 ~, то сила гравитации нейтрино вызвала бы радикальное изменение расширения и уже давно Вселенная начала бы коллапсировать, если бы соотношение количества нейтронов и протонов изменилось на десятую долю процента, то водорода было бы очень мало и не было бы ни воды, ни макромолекул жизни, если бы масса нейтрона была не 1, а 0,9998, то не было бы ни ядер, ни атомов (Дэвис 1985: 98-131). Если бы через секунду после Большого взрыва скорость расширения оказалась хоть на одну сто-тысяча-миллион-миллионную меньше, то произошло бы повторное сжатие Вселенной и она никогда бы не достигла современного состояния ("окинг 1990; 107).

Возникают вопросы: а случайны ли эти совпадения? Вселенная была изначально запрограмированна 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 счруктуры 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 запрограмированна 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 учитьвается обратное влияние Интеллекта, о чём писали русские космисты (Н. Фёдоров, К. Э. Циолковский).

5. Эволюционная химия и биология

5.1 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 (Кузнецов, Идлис, Гутина 1996: 232). Химическая стадия эволюции начинается с образования химических систем: немолекулярных соединений и кристаллов, молекул, химических смесей (Эткинс 1991: 14-22) и химических реакций (А.П. Руденко, И.Р. Пригожин). 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).

Химические системы на нашей планете прошли три стадии эволюции: неорганическая, органическая и биохимическая (Жданов 1983: 76). В 70-х годах профессор МГУ А.П. Руденко предложил теорию эволюции открытых автокаталитических химических реакций. "имическая эволюция представляет собой саморазвитие каталитических реакций. В результате конкуренции за энергию и пространство происходит отбор тех реакций, которые более активны, более автономны (эффективность управления катализаторами ходом реакции), более разнообразны (дробление реакций) и лучше реагируют на факторы среды (Кузнецов, Идлис, Гутина 1996: 245-247). Каталитические неорганические химические реакции способны реагировать на воздействия факторов внешней среды как единое целое, изменяться, приспосабливаться к внешней среде и, отражая ее воздействие на физико-химическом уровне, саморазвиваться (Руденко 1983: 260). Открытые каталитические системы являются единственно возможными химическими объектами, способными к прогрессивной химической эволюции вплоть до перехода ее в биологическую эволюцию (Руденко 1983: 263). Эмпирическими основаниями эволюции неорганических молекул являются данные палеобиохимии, обнаружение многих неорганических молекул в космическом пространстве методами радиоастрономии (Жданов 1983: 59) и исследования явлений самоорганизации И. Р. Пригожиным.

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).

5.2 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 (Са, 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).

Но как происходила биохимическая эволюция? В 1824 году Ф. Веллер синтезировал органическое вещество, щавелевую кислоту, а в 1926 году Дж. "олдейн, А. И. Опарин и Дж. Бернал выдвинули гипотезу биохимической, доклеточной эволюции (Фолта, Новы 1987: 256). В условиях первичной атмосферы, в океане из неорганических соединений спонтанно образовывались более сложные макромолекулы и протоклетка. Для синтеза органических соединений использовалось ультрафиолетовое излучение. В первичном бульоне из макромолекул происходил отбор наиболее устойчивых систем макромолекул (коацерватов по Опарину), на границе система-среда выстраивались белки и липиды, образуя мембрану (Яблоков, Юсуфов 1998: 43-45). А. И. Опарин был сторонником первичности обмена веществ в коацерватной капле, а появление нуклеиновых кислот считал завершением эволюции в итоге конкуренции протобионтов. Согласно же "олдейну первичной была система, способная к саморепродукции, "голый ген" (Кузнецов, Идлис, Гутина 1996: 299-303).

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 единищя 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 (Рутген 1973: 104-124).