Размещено на http://www.allbest.ru/

Проблема эволюции Вселенной

Проблема эволюции Вселенной является центральной в естествознании. Она привлекает к себе исследователей различных специальностей и биологов особенно. Это естественно, поскольку самое главное звено в эволюции Вселенной - жизнь, разум. Какова их судьба в дальнейшем, в ходе эволюции Вселенной - или полное исчезновение, когда вся субстанция Вселенной через 1032 лет распадется до фотонов и нейтрино, или циклы развития Вселенной будут периодически повторяться. Осмысливание процессов, происходящих во Вселенной должно проводиться с различных позиций. При этом не должно быть стереотипов, давления авторитетов, традиций.

Общепризнанным является тот факт, что Вселенная около 13 млрд. лет тому назад находилась в состоянии сингулярности, состоянии бесконечно большой плотности - 1093 г/см3. Затем в результате Большого Взрыва она начала расширяться, и это расширение длится и в настоящее время.

О расширяющейся Вселенной (а ее структурными единицами являются галактики) свидетельствует красное смещение длин волн света, испускаемых галактиками в связи с их удалением от наблюдателя, согласно эффекта Доплера. Это открытие В.М. Слайфера и Э.П. Хаббла (американских астрономов) не потеряло в cвое значение и в наше время.

В.М. Слайфер и Э.П. Хаббл исследовали скорости движения галактик. Они показали, что ближайшие к нам галактики удаляются от нас со скоростями от нескольких сотен до тысяч км/с. Скорости галактик возрастают с увеличением расстояний до них.

Это доказывает тот факт, что удаляющиеся галактики движутся по расширяющейся спирали (в искривлении их траекторий повинны силы тяготения) и наблюдается эффект, напоминающий вращательное движение тела - угловые скорости материальных точек (галактик) на различном удалении от оси вращения (в данном случае от наблюдателя) равны, а линейные возрастают пропорционально увеличению расстояния от наблюдателя.

В связи с открытием расширяющейся Вселенной перед космологами стал вопрос, как долго может длиться этот процесс. Согласно релятивистской теории тяготения А. Эйнштейна и учения А. Фридмана (советского ученого) о нестационарности Вселенной, разбегающиеся галактики тормозятся силами гравитации. Было рассчитано с использованием уравнения Э. Хаббла, что если плотность вещества во вселенной равна 10-29 г/см3 (так называемая критическая плотность), то сил гравитации во Вселенной достаточно, чтобы ее расширение было заторможено, и согласно теории А. Фридмана сменилось на обратный процесс - концентрацию галактик под влиянием сил тяготения.

Однако астрофизические расчеты показали, что плотность вещества во Вселенной ниже критической и составляет расч. 3,0 . 10-31 г/см3. Если это так, то Вселенная обречена на бесконечное расширение.

В настоящее время высказываются мнения, что учтена не вся масса во Вселенной, и что имеется еще так называемая "скрытая масса". Предположительно это может быть реликтовое нейтринное излучение. Однако последние работы в этой области не подтверждают эту гипотезу.

При изучении данной проблемы обращает на себя внимание тот факт, что при разработке вопросов Механики Вселенной космологи прошлого и настоящего рассматривают астрофизические объекты только как источники гравитации, не учитываются процессы, происходящие в этих объектах, энергию их излучения. А она-то и составляет скрытую массу во Вселенной, поскольку энергия эквивалентна массе: .

Подсчитано, что 90-95 % массы галактик сосредоточено в звездах. Рассчитано, что полная энергия излучения Солнца ЕО равна 3,826 . 1026 Дж/с. Наша Галактика Млечный Путь обладает излучением 1010 ЕО, т.е. 3,826 . 1036 Дж/с.

Если бы галактика была неподвижна во Вселенной, то излучаемая ею энергия оказывала бы на нее со всех сторон одинаковое воздействие. Но поскольку галактики во Вселенной движутся по инерции после Большого Взрыва, то воздействие излучения, по нашему мнению, на разные стороны "шара" будет разным, согласно эффекта Доплера. Против направления движения оно будет большим, поскольку происходит смещение спектра излучения в фиолетовую область. Перемещающиеся в пространстве Вселенной галактики - это самотормозящиеся ракеты.

Ближайшей от нашей галактики Млечный Путь считается галактика Туманность Андромеды. О расстоянии до этой галактики и ее лучевой скорости, а также знаке этой скорости в литературе имеются противоречивые данные, что, как выяснилось в последнее время, связано с особенностью движения Солнца в нашей Галактике.

Можно использовать Туманность Андромеды как гипотетическую модель ближайшей гигантской галактики для иллюстрации нашей идеи нового подхода к динамике процессов в Механике Вселенной, поскольку силы реактивного торможения не носят всеобщего характера, они строго индивидуальны для каждой галактики.

По последним данным, расстояние до Туманности Андромеды от нашей Галактики равно 0,67 Мпк или 2,1 . 1022 м. Ее масса равна 3,0 . 1011 МО или 6,0 . 1041 кг, энергия излучения Е 6,0 . 1010 ЕО или 2,14 . 1037 Дж/с.

Поскольку по вопросу лучевой скорости Туманности Андромеды мнения еще не определились, для нашей гипотетической модели при ее вычислениях мы используем уравнение Э. Хаббла: V = HR, где Н - постоянная Хаббла, равная по усредненным данным 75 км/с. Мпк, R - расстояние до изучаемого объекта - 0,67 Мпк. Подставляем эти значения в уравнение и получаем: V = 75 . 0,67 = 50,25 (км/с). Это скорость удаления Туманности Андромеды от нашей Галактики.

В последующих расчетах мы попытаемся определить отрезок времени, необходимый для торможения галактик за счет реактивной энергии излучения, после которого начнется их сближение. Для этих целей использовали уравнения классической физики, которые, по мнению А. Эйнштейна, используются при скоростях движения много меньших скорости света.

Рассчитаем энергию, расходуемую на самоторможение галактики Туманность Андромеды. Для этой цели мы предлагаем использовать уравнения, приведенные Дж. Ориром для иллюстрации эффекта Доплера:

fA = fB (источник удаляется)

fA = fB (источник приближается)

эволюция вселенная галактика космологический

В этих уравнениях fA - число импульсов в секунду, регистрируемых детектором;

fB - число импульсов в секунду, испускаемых объектом;

V - скорость объекта, с - скорость света.

В данные уравнения вместо числа импульсов подставляем энергию излучения Туманности Андромеды, деленную на 4, поскольку излучение, нормальное к плоскости галактики по ходу и против ее движения составляет 25 % от энергии полного излучения.

Определяем величину мощности энергии излучения галактики Туманность Андромеды, которая расходуется на ее торможение в пространстве против хода ее движения (при скорости 50,25 км/с).

Объект удаляется

Е1 = . 1037 = 0,53491 . 1037 (Дж/с)

Объект приближается

Е2 = . 1037 = 0,53508 . 1037 (Дж/с)

Е1 = Е2 - Е1 = 0,53508 . 1037 - 0,53491 . 1037 = 0,00017 . 1037 = 1,7 . 1033 (Дж/с).

Данная величина мощности энергии излучения Е1 ежесекундно расходуется на торможение галактики Туманность Андромеды.

Очевидно, чтобы галактики Млечный Путь и Туманность Андромеды начали сближаться, необходимо снижение скорости удаления галактики Туманность Андромеды несколько ниже 2-й космической скорости по отношению к галактике Млечный Путь. Рассчитаем эту скорость:

V = = = 42,48 (км/с),

где G - гравитационная постоянная;

М - масса галактики Млечный Путь;

R - расстояние между галактиками.

Таким образом, настоящая скорость движения галактики Туманность Андромеды выше ее 2-й космической скорости на 7,77 км/с.

Определим теперь величину мощности энергии излучения галактики Туманность Андромеды, которая будет расходоваться на торможение в пространстве против хода ее движения при скорости 42,48 км/с.

Е3 = = 0,53492 . 1037 (Дж/с)

Е4 = = 0,53507 . 1037 (Дж/с)

Е2 = Е4 - Е3 = 0,53507 . 1037 - 0,53492 . 1037 = 0,00015 . 1037 = 1,5 . 1033 (Дж/с).

Рассчитаем, какова будет в среднем мощность энергии излучения галактики Туманность Андромеды, расходуемая на ее торможение от 52,25 км/с до 42,48 км/с.

Еср = = = 1,6 . 1033 (Дж/с).

Рассчитаем кинетическую энергию галактики Туманность Андромеды при скоростях 52,25 и 42,48 км/с.

W1 = = = 7,57 . 1050 Дж

W2 = = = 5,41 . 1050 Дж

W = W1 - W2 = (7,57 - 5,41) . 1050 = 2,16 . 1050 (Дж)

Таким образом, кинетическая энергия Туманности Андромеды при снижении скорости с 50,25 до 42,48 км/с уменьшается на 2,16 . 1050 Дж.

Теперь, зная затраты энергии на торможение галактики Туманности Андромеды от 50,25 до 42,48 км/с и располагая средней мощностью реактивной энергии торможения Еср/c, мы можем рассчитать величину отрезка времени, необходимого для снижения скорости галактики до 2-й космической скорости.

t = = = 1,35 . 1017 (с) = 4,3 . 109 (лет)

Следует также принять во внимание, что разбегание галактик сдерживают также силы тяготения, хотя их и недостаточно. Определим вклад сил тяготения в торможение галактики Туманность Андромеды. Для этого определим среднюю величину ускорения, создаваемого энергией реактивного торможения (а1):

а1 = = = - 5,75 . 10-17 (км/с2)

Сделаем допущение, что в пространстве существуют только две галактики - наша и Туманность Андромеды. Определим ускорение замедления движения галактики Туманность Андромеды, создаваемое силами тяготения галактики Млечный Путь (а2) в настоящее время:

а2 = - = - = - 4,23 . 10-17 (км/с2)

Однако реальное ускорение в 33 раза меньше этой величины (сказывается взаимовлияние сил тяготения других галактик Вселенной), т.е. во столько же раз, как и соотношение плотности материи Вселенной согласно уравнениям Э. Хаббла.

Таким образом, вклад сил тяготения в торможение галактик невелик, и основную роль в этом отношении выполняют силы реактивного торможения за счет внутренней энергии галактик.

При сближении галактик силы реактивного излучения будут выполнять тормозную функцию. Таким образом, подтверждается теория А. Эйнштейна, что наряду с силами Всемирного тяготения существуют силы космического отталкивания между телами. Как показали наши расчеты, такая сила отталкивания создается за счет энергии излучения звездных систем.

Таким образом, расчеты показывают, что расширение Вселенной не бесконечно. В результате реактивного самоторможения галактик за счет их внутренней энергии происходит замедление их скоростей движения в пространстве Вселенной после Большого Взрыва. И через расчетное время они начнут сближаться.

Поскольку звездные системы в большом масштабе рассеяны равномерно, то и сближение их будет происходить синхронно. Предполагаем, что это будет осуществляться в соответствии с рассмотренной моделью на примере галактик Млечный Путь и Туманность Андромеды.

Все это означает, что Вселенная претерпевает определенные этапы в своем развитии, и что нынешнее ее состояние не бесконечно.

С момента Большого Взрыва прошло 13 млрд. лет. Солнце, Земля и др. планеты Солнечной системы образовались примерно 5 млрд. лет назад. Первые признаки жизни на Земле датируются возрастом 4 млрд. лет, а возникновение человека пятьюстами тысячелетий. История Земной цивилизации насчитывает 5-10 тысячелетий.

Таким образом, с момента Большого Взрыва во Вселенной до возникновения разума на Земле прошло примерно 12,5 млрд. лет. Если предположить, а это, по-видимому, верно с большой степенью вероятности, что все процессы во Вселенной идут синхронно, что жизнь и разум во Вселенной широко распространены, и что особенно важно подчеркнуть, они находятся на такой же стадии и уровне развития, как и на Земле. С этих позиций можно разрешить загадку парадокса Ферми и его уравнения, в котором иллюстрируется вероятность встречи землян с разумными существами Вселенной. Ферми предложил уравнение экспоненциального роста технологической цивилизации за время существования Вселенной:

К = exp (T/t) = 1043000000,

где Т = 1010 лет (время возникновения нынешнего состояния Вселенной);

t = 100 лет (время экспоненциального развития современного уровня цивилизации).

Согласно этому уравнению нашу планету должны были бы посещать разумные обитатели других миров бесконечное число раз. Сразу же заметим, что это было бы справедливо, если бы жизнь, разум в различных частях Вселенной возникали в различное время. Если принять во внимание наше предложение, что все процессы во Вселенной происходят синхронно, то тогда напрашивается вывод, что наши собратья по разуму в других мирах находятся на такой же стадии и уровне развития, как и мы.

Человек еще только через 10-15 лет достигнет Марса, и чтобы выйти за пределы Солнечной системы и осваивать нашу галактику человечеству понадобятся еще тысячелетия.

Самоорганизация пространства-времени в процессе эволюции Вселенной

Возникновение и развитие объектов нашей Вселенной связано с ее эволюцией как целого. Когда это было осознано, познание Вселенной пошло в двух направлениях: а) обобщение уже разработанных теорий на все более и более глубокие уровни ее организации; б) их космологического применения.

Но отдельные объекты обнаруживают самоорганизующие свойства, которые в первом приближении могут служить моделью самоорганизационных процессов и во Вселенной в целом. Изучение процессов самоорганизации в неорганической природе показало, что для возникновения организованной системы из низкоорганизованной требуется привести последнюю в сильно возбужденное состояние, весьма далекое от равновесия, после чего некоторые флуктуации, существующие в системе, резко усиливаются и система переходит в новое, организованное состояние. Возникновение процессов самоорганизации связано с особенностями поведения флуктуаций. Объясняется это тем, что в самоорганизующейся системе обязательно возникают те или иные неустойчивости, в результате которых происходит усиление некоторых возмущений, в том числе и внутренних флуктуаций. Эта схема процессов самоорганизации отдельных систем применима и к процессам самоорганизации на ранних стадиях эволюции Вселенной.

Для возникновения процесса самоорганизации необходимы некоторые условия, одним из которых является нестабильность системы, наличие в ней флуктуаций. Стабильная система не допускает (в определенных пределах) своей дестабилизации, несмотря на внешние воздействия; но как вызвать дестабилизацию системы? Может ли система сама по себе прийти в сильно неравновесное состояние? Опыт (в соответствии с законом возрастания энтропии) показывает, что для вывода из равновесия необходимы внешние воздействия. Поэтому если акт самоорганизации есть внутренний процесс, то для его подготовки необходимы внешние дестабилизирующие факторы, переводящие систему в сильно возбужденное состояние. Значит процесс самоорганизации в целом (дестабилизация + скачок к организации), рассматриваемый относительно какого-либо фрагмента Вселенной, включает в себя единство внешнего и внутреннего.

Но если рассмотреть такую систему, как природа в целом (множество миров), для которой нет ничего внешнего, то возможно ли в данном случае говорить о процессе ее самоорганизации. На наш взгляд о самоорганизации природы в целом можно говорить лишь в смысле наличия самоорганизации в ее отдельных подсистемах, находящихся во взаимодействии с другими ее подсистемами. Дестабилизация в системах может происходить как за счет внутренних противоречий в них, так и за счет внешних противоречий системы с другими системами, вступающими с ней в контакт. Поэтому ответ на вопрос об источниках самоорганизации будет таков: если система целостна (замкнута), то самоорганизация в ней может возникнуть только за счет внутренних противоречий, если же она открыта, то, кроме того, вносят свой вклад и внешние противоречия. Наша Вселенная может быть одним из элементов множества миров, потому, говоря о ее рождении в процессе самоорганизации, следует иметь в виду возможные внешние дестабилизирующие факторы.

1. Процессы самоорганизации в ранней Вселенной

Современные представления об эволюции Вселенной основываются на стандартной космологической модели Большого взрыва, которая подтверждается наблюдаемым в настоящую эпоху расширением нашей Вселенной, открытием реликтового микроволнового излучения и т.д. Согласно этой модели, вначале существовала некая Lпервоматерия¦ с исключительно высокой степенью симметрии, эволюция которой привела к Большому взрыву. Где-то около планковского времени образовались сначала суперструнный вакуум, а затем суперструны.

Новый этап эволюции Вселенной связан с возникновением элементарных частиц, как колебательных мод суперструн, которые вышли на сцену с уменьшением планковской температуры. Энергия, заключенная в суперструнном вакууме, трасформировалась в энергию натяжения струн и далее в энергию возникающих частиц.

Вначале вещество Вселенной должно было находиться в тепловом равновесии с высокоэнергетическими фотонами. Через 109 с после рождения Вселенной (можно считать, после Большого взрыва), когда характерная температура понизилась до 103 К, вещество и излучение разделились (в это время возникло космическое фоновое излучение) и в дальнейшем их охлаждение происходило независимо.

Последующая эволюция Вселенной представляется следующим образом. К 1010 с образовались Солнце и звезды. Около 1017 с возникла жизнь, которая будет продолжаться в известных формах до 1022 с, затем Солнце потухнет и цивилизация на Земле погибнет. В настоящее время Вселенная состоит из звезд, объединенных в галактики, и других объектов (квазаров, нейтронных звезд, черных дыр и т.д.). Она расширяется так, как будто части ее продолжают разлетаться после Большого взрыва. Будет ли это расширение продолжаться вечно или же оно сменится сжатием, которое приведет Вселенную к ее первоначальному состоянию, зависит от плотности вещества в ней: если она превышает критическую (10-29 г/см3), то Вселенная должна коллапсировать (закрытая модель Вселенной), если же она меньше критической, то расширение будет продолжаться (открытая модель Вселенной). По мере расширения все вещество во Вселенной будет распадаться (распад протона, предсказываемый теорией Великого объединения, происходит через 1038 с (после Большого взрыва), в конце концов останутся лишь стабильные частицы (некоторые лептоны и фотоны).

Описанная модель позволяет выделить ряд процессов самоорганизации и деградации:

1. Исходный вакуум.

2. Возникновение суперструн.

3. Рождение частиц.

4. Разделение вещества и излучения.

5. Рождение Солнца, звезд, галактик.

6. Возникновение цивилизации.

7. Гибель Солнца.

8. Гибель Вселенной.

Согласно стандартной модели, исходным состоянием Вселенной было квантовое вакуумное состояние. Это важное основоположение космологии, свидетельствует о качественной неуничтожимости материи и движения. Образованию суперструн предшествовало возникновение стабильной метрики пространства-времени суперструнного вакуума. Важнейшим этапом самоорганизации Вселенной являлось рождение частиц, а затем нарушение суперсимметрии, после чего стала возможной идентификация фермионов и бозонов и, тем самым, разделение вещества и сил. Отделение изучения от вещества позволило ему стать связующим звеном меду вещественными объектами. С возникновением Солнца, звезд и галактик появились базовые объекты для отсчета движений макротел.

Стандартная космологическая модель охватывает основные этапы в эволюции Вселенной, однако она не отвечает на вопрос о причине Большого взрыва (космического отталкивания). В настоящее время предложена новая, инфляционная модель начального этапа (10^-42 -- 10^-32 с от рождения Вселенной) эволюции Вселенной, согласно которой в указанном интервале времени Вселенная находилась в неустойчивом состоянии, называемом ложным вакуумом, имела нулевую энергию и обладала аномально большой (для истинного вакуума) плотностью (1077 г/см³). Существенным свойством ложного вакуума является наличие в нем отрицательного давления, создающего силу отталкивания, которая ведет к экспоненциальному расширению Вселенной (ее диаметр увеличился в 1050 раз), сопровождающемуся колоссальным возрастанием (до 1068 Дж) энергии и переходом в состояние истинного вакуума. Распад ложного вакуума привел к тому, что после периода колоссального расширения сформировалась наконец фаза с нарушенной симметрией. Это привело к выделению плотности энергии ложного вакуума и как следствие к рождению огромного количества частиц. Область подверглась повторному разогреву до температуры около 1027 К. Начиная с этого момента область, остывает и расширяется в соответствии со стандартной моделью Большого Взрыва. Спонтанное возникновение энергии в результате физических процессов еще недавно считалось неприемлемым, не говоря уже о том, что традиционное мышление привыкло к тому, что из ничего ничего не возникает.

А. Гус и П. Стейнхардт видят достоинство этой модели в том, что в ней начальные условия эволюции Вселенной имеют скорее философский, чем физический характер, ибо «очень сложно выявить какие-либо наблюдательные результаты влияния условий, предшествующих фазе раздувания». Фактически при любых начальных условиях Вселенная эволюционирует как раз в то состояние, которое описывается затем стандартной моделью. Это позволяет предположить, что Вселенная возникла из ничего.

В настоящее время нет достаточных оснований полагать, что вся Вселенная в целом родилась примерно 1010 лет назад в сингулярном состоянии, до которого классического пространства-времени не было вообще. Инфляция могла начинаться и кончаться в разное время в различных областях Вселенной. Сейчас в рамках квантовой космологии обсуждается вопрос о возможности существования множества миров с характерными для каждого мира фундаментальными физическими параметрами. В пользу такой гипотезы существует ряд аргументов (наличие космологических квазисингулярностей со сверхплотным состоянием материи, выводы инфляционной модели эволюции Вселенной, интерпретация квантовой механики в духе Эверетта-Де Витта и т.д.). Этот ансамбль миров, допустимых физическими законами, может возникать из единого мирового вакуума без затраты энергии, так как полная энергия Вселенной (и, видимо, любого другого мира) равна нулю (масса вещества внутри Вселенной полностью уравновешивается отрицательной энергией связи этой массы). Поэтому число возможных миров определяется не энергией вакуума, а соответствующим набором физических параметров, дающим возможность возникшим мирам право на длительное самостоятельное существование.

Другое возможное уточнение стандартной космологической модели эволюции Вселенной связано с теорией супергравитации, в частности, с обобщением модели Калуцы-Клейна, согласно которой на ранних стадиях эволюции Вселенной пространство-время имело 11 равноправных измерений. Компактификацию семи измерений можно связать с инфляцией и считать движущую силу инфляции побочным продуктом взаимодействий, проявляющихся через дополнительные измерения пространства. Значит многомерное пространство-время было характерно для вакуума на инфляционной стадии его развития. На доинфляционных стадиях пространственно-временные характеристики вакуума не будут концептуальными, т.е. можно говорить о метрической самоорганизации вакуума.

С точки зрения суперструнной теории, сразу после Большого взрыва все 10 измерений пространства-времени должны быть свернуты. При последующем расширении Вселенной 4 измерения увеличились, 6 измерений пространства остались компактифицированными. Следует отметить, что замкнутость мира по всем измерениям является нормальным свойством мира, а размыкание по четырем классическим размерностям является примечательной их особенностью.

Теперь можно уточнить начальные вехи эволюции Вселенной:

1а. Неметрический вакуум (эволюционирующий до метрического 10-мерного вакуума).

2а. Рождение квантованного 10-мерного струнного поля (эволюционирующего до метрически неустойчивого струнного поля).

3а. Появление неустойчивого метрического поля (эволюционирующего до 4-мерного поля).

4а. Рождение классического гравитационного поля.

5а. Появление предельного случая классического гравитационного поля плоского 4-мерного метрического поля.

Метрика пространства-времени возникла сразу после Большого взрыва. Процессы становления устойчивых 10- и 4-мерных метрик связаны с появлением соответственно квантованного струнного и классического гравитационного полей и являются важными для концептуального описания пространства-времени.

Следует обратить внимание, что процессы самоорганизации имеют прямое отношение к процессам нарушения симметрии. Все развитие Вселенной, от ее рождения до современного состояния, есть последовательность нарушений симметрий, ведущая к появлению все большего многообразия природных структур из первоначальной единой целостной высокосимметричной структуры первоматерии. Сказанное можно распространить и на возникновение жизни, различных существ, языков, культур, искусств, религий и т.д. Всякий раз, когда нарушалась симметрия (спонтанно или неспонтанно), появлялось нечто новое. Можно сказать, что все существующее сейчас есть результат нарушения симметрии.

При изучении физикой все меньших и меньших пространственных масштабов открываются закономерности, которые переносятся на соответствующие этапы эволюции Вселенной. Например, при энергиях 102 ГэВ слабые и электромагнитные взаимодействия объединяются, такое же единство мы находим до 10-10 с после Большого взрыва; при энергиях 1015 ГэВ сильные и электрослабые взаимодействия неразличимы, такую же неразличимость находим до 10^-35 с после Большого взрыва и т.д. Поэтому мы обнаруживаем единство физического мира с одной стороны и возникновение многообразия физических объектов (и их взаимодействий) в процессе самоорганизации Вселенной с другой стороны. Это является естественнонаучным выражением философской мысли о связи принципа развития с принципом единства мира. Самоорганизация связана с единством, ибо приводит к качественно новым состояниям на основе предшествующих состояний. Но она связана и с нивелированием единства, ибо сам факт самоорганизации отрицает предшествующие состояния. Самоорганизация возможна только в противоречивой системе, наличие же противоречий нарушает единство. Поэтому и сам процесс самоорганизации противоречив: подчеркивая единство мира, самоорганизация в то же время разрушает это единство, давая качественное разнообразие в нем. Единство и многообразие являются двумя сторонами единого процесса самоорганизации.

Современные представления о возникновении Вселенной связаны с идеей спонтанного квантового рождения ее из ничего. Эта идея родилась в силу того, что полный электрический заряд, полный момент, полная энергия (гравитационная и негравитационная) наблюдаемой Вселенной примерно равны нулю. Полный импульс зависит от движения наблюдателя, потому его абсолютная величина не может быть установлена, закона же сохранения барионного заряда не существует. Квантовое рождение Вселенной стало обсуждаться с 1973 г., когда появилась статья Е.П. Трайона. Согласно Трайону, мир вначале представлял собой пустое плоское пространство-время (с нулевой энергией), в котором осуществлялось соотношение неопределенностей для энергии и времени, что гарантировало беспричинное появление (а затем исчезновение) энергии в малых интервалах времени. Квантовые флуктуации такого рода мирового вакуума, кооперируясь, породили, в конце концов, условия, необходимые для рождения нашей Вселенной. Поскольку для произвольной геометрии пространства-времени понятие энергии не определено, то эта модель подверглась переосмыслению. Были предложены другие модели рождения Вселенной. Например, полагалось, что Вселенная возникла как некоторая локальная квантовая флуктуация метрики, причина которой, однако, не указывалась, была предложена несингулярная модель, согласно которой Вселенная родилась путем квантовомеханического туннельного эффекта из классического пространства-времени с метрикой Робертсона-Уокера. Большой взрыв интерпретировался в виде радиоактивного распада, происходящего в огромных масштабах.

Все указанные модели, постулируя пространственно-временной мировой фон, из которого появилась Вселенная, не решали вопроса о возникновении этого фона. В модели А. Виленкина рождение Вселенной трактуется как происходящее спонтанно из абсолютного ничто путем квантового туннелирования в пространство де Ситтера. Таким образом, само мировое пространство-время рождается из ничего, туннелирование (аналогичное Большому взрыву) приводит сразу к метрике Робертсона-Уокера. Вселенная возникает в симметричном вакуумном состоянии, которое затем распадается и начинается инфляция, после окончания которой Вселенная эволюционирует согласно стандартной модели. Эта теория не постулирует никакого начального состояния до туннелирования (сингулярности, пространственно-временного фона и т.д.), поэтому ее можно относить не только к какой-либо одной Вселенной, но к миру в целом.

Если вне родившейся Вселенной ничего нет, то волновая функция ее не зависит от времени. Это значит, что Вселенная в целом не есть явление, но есть вещь в себе, а потому она эквивалентна абсолютному ничто и могла возникнуть из абсолютного ничто. Но если Вселенная возникла из ничего, то, значит, это ничто неустойчиво. Неустойчивость его за счет внешней причины следует исключить, ввиду начального предположения. Значит ничто неустойчиво по своей собственной природе, т.е. оно не ничто, а нечто, способное квантовым флуктуациям (то взрываться, то обращаться в ничто, то порождать кванты пространства-времени, то уничтожать их). Это значит, что ничто есть просто аспект пространственно-временной пены, мирового пространства-времени. А если пена находится в динамическом равновесии с классическим пространством-временем, то ничто, в конце концов, порождает классическое пространство-время.

Возникшая Вселенная есть вещь в себе, целостное бытие, но как только во Вселенной рождается множественность, она становится явлением. Для мыслящего существа (способного к сознанию, самосознанию, оценке и принятию решений), Вселенная представляется в виде множественного бытия, пространственно-временного мира явлений, за которым, однако, скрывается целостность. И вещь в себе, и явление, и целостность, и множественность суть аспекты действительности, диалектические противоположности, познаваемые соответственно путем интеллектуального и чувственного созерцаний. Рождением мышления Вселенная показывает саму себя (при познании ее) во всей своей внутренней красоте, проявляющейся через множественный мир явлений. Целостность же сама по себе малоинтересна в силу ее эквивалентности ничто, в котором, собственно, нечего познавать (в этом смысле вещь в себе непознаваема).

Концепция квантового рождения Вселенной из ничего философски интересна не только потому, что пресекает дальнейшие вопросы о том, из чего возникла Вселенная, но и вследствие порождения мыслей о роли мышления во Вселенной, о взаимоотношении вещей в себе и явлений, целостного и множественного бытия и ставит вопрос о возможности включения в космологию собственных степеней свободы мышления.

Понятие абсолютного ничто, как основы мира, впоследствии стали обходить. Например, Я.Б. Зельдович сначала разделял точку зрения А. Виленкина, но в статье [12] по материалам симпозиума встал на точку зрения Е.П. Трайона, взяв ничего в кавычки и полагая, что в начальном состоянии не было ничего, кроме вакуумных флуктуаций всех физических полей, включая гравитационное, что трехмерная геометрия образовалась в результате квантовых флуктуаций из квантованного пространства-времени.

Но если Вселенная родилась как замкнутая с планковскими размерами в планковской области мирового пространства-времени, имеющего метрику Минковского, то под ничто можно понимать область пустого пространства-времени Минковского. Вместо рождения всего мира из абсолютного ничто и его последующего обращения в ничто сейчас рассматривают нескончаемый процесс взаимопревращения классического пространства-времени и пространственно-временной пены, в котором или малы, или велики квантовые флуктуации метрики. Такая модель постулирует вечное существование квантового и классического пространственно-временного фона.

2. Самоорганизация пространства-времени и форм причинности при развитии Вселенной

Рассмотрим процесс самоорганизации пространства-времени в связи с самоорганизацией Вселенной, ведущей к эволюции физических объектов, на которых можно эксплицировать различные концепции пространства-времени. Исходный неметрический вакуум можно охарактеризовать доинфляционным пространством и временем. Большой взрыв привел к эволюции вакуума, достигшей в конце концов метрической определенности, характеризующейся суперструнным вакуумным пространством-временем, затем возникло 10-мерное квантованное суперструнное поле и соответствующее ему суперструнное пространство-время. С акта самоорганизации суперструнного поля до развертывания его четырех измерений имело место суперструнное пространство-время. С возникновением частиц и образованием гравитационного поля процесс самоорганизации привел к классическому гравитационному пространству-времени. Последнее приобрело фундаментальное значение, ибо все эволюционирующие процессы внутри Вселенной (на масштабах больше планковских) можно рассматривать как происходящие на его фоне. Кривизна гравитационного пространства-времени уменьшалась с увеличением радиуса Вселенной, при некотором радиусе (в малых областях) пространство-время можно считать плоским. Переход к плоскому пространству-времени не является качественным скачком, поэтому не принадлежит к процессам самоорганизации материи.

После отделения вещества от излучения, возникновения больших масс (звезд, галактик), дальнейшего увеличения радиуса Вселенной становится возможным реализовать идею реляционного пространства-времени, но после распада барионов реляционное пространство-время опять потеряет свой смысл. Оно имеет значение лишь в небольшом оазисе на шкале эволюции Вселенной, связанном с существованием макротел и излучения.

Итак, базовым концептуальным пространством-времени во Вселенной является вакуумное пространство-время, которое существенно на ранней стадии ее эволюции. Суперструнное пространство-время возникло из него и преобладает на следующей стадии эволюции Вселенной планковской эпохи. Классическое гравитационное пространство-время возникло из суперструнного пространства-времени и существенно для послепланковской эпохи. Реляционное пространство-время преобладает в областях слабого гравитационного потенциала, наполненных макротелами и электромагнитным излучением. Оно не возникло из классического гравитационного пространства-времени, но существует на его фоне.

Принцип самоорганиизации материи связан с фактом возникновения более организованных структур из менее организованных. Но организованность и фундаментальность это разные вещи, фундаментальная структура (единый вакуум) самая хаотическая и нестабильная, именно из нее и рождаются менее фундаментальные, но более организованные структуры. В отношении метрической самоорганизации во Вселенной можно сказать, что появление вакуумного, суперструнного и классического гравитационного (но не реляционного) пространства-времени есть безусловно процессы, связанные с метрической самоорганизацией материи. При этом псевдориманово 4-мерное пространство-время есть более организованная структура, чем суперструнное 10-мерное пространство-время (а классическое гравитационное поле более организовано, чем суперструнное поле). Вакуумное же пространство-время, будучи самым фундаментальным, наименее организовано. Принцип метрической самоорганизации материи может служить критерием для отбора фундаментальных концепций пространства-времени.

Как известно, в развитии фундаментальных физических теорий можно усмотреть принцип соответствия, согласно которому, если теорию, построенную для одного структурного уровня материи, обобщить на более фундаментальный ее уровень, то первая теория будет вытекать из второй как ее предельный случай, т.е. законы менее фундаментального уровня являются частным случаем законов более фундаментального уровня. Можно ли увидеть принцип соответствия между концепциями пространства-времени? Положительный ответ на этот вопрос позволяет дать принцип метрической самоорганизации материи, который, к тому же, позволяет понять, почему следует отобрать в качестве основных только три фундаментальные физические концепции пространства-времени (вакуумную, суперструнную и классическую гравитационную). На первый взгляд кажется, что принцип соответствия теорий (например, классической механики, СТО и ОТО) можно перенести и на принцип соответствия концепций пространства-времени. Однако это не так. Между принципами соответствия физических теорий и пространственно-временных концепций имеется существенное различие ввиду того, что многие физические теории, как исходные, так и обобщенные, основываются на одной и той же концепции пространства-времени. Эволюцию же физики от классической механики до СТО нельзя рассматривать как скачок в концептуальном описании пространства-времени, но лишь как уточнение классической гравитационной концепции пространства-времени. Когда эта концепция была уточнена (Эйнштейн схватил идею о существенности полевого аспекта материи в физической экспликации пространства-времени) и на ее основе построена вся физика, но только после этого стал возможен качественный скачок к новой, суперструнной концепции пространства-времени. Реляционная концепция пространства-времени в таком случае оказывается на окраине внимания, она существенна только в практических целях.

Говорить о преемственности пространственно-временных концепций при расширении научного познания можно на двух уровнях: уровне математического представления и уровне физической экспликации. Нетрудно проследить переход от плоского метрического инерциального поля к гравитационному и далее суперструнному полям или от 4-мерного пространства-времени Микковского к 4-мерному пространству-времени Римана и далее к 10-мерному суперструнному пространству-времени.

Наличие самоорганизующихся систем позволяет по-новому взглянуть на причинность. Под физической причинностью понимают наличие неких воздействий, в результате которых происходит изменение в материальной системе. Следует различать состояние материальной системы и переход ее в новое состояние (процесс). Процесс может описываться, а может и не описываться эволюционным уравнением. Состояние будет классическим, если оно строго определено, и статистическим, если оно вероятностно. По характеру воздействий причины могут быть внешними, внутренними и совместными (теми и другими). Переходы из одного состояния в другое могут быть однозначно определенными или вероятностными, могут совершаться под действием внешних или внутренних (или совместных) воздействий. Однозначные переходы можно назвать динамическими, вероятностные статистическими, они определяются типом воздействий, среди которых можно выделить динамические и статистические.

Состояния рассматриваются в определенный момент времени и в определенной области пространства, переходы же происходят в течение определенного промежутка времени, как в ту же, так и в другую область пространства. Поэтому причинность связана не только с типом систем, но и со свойствами пространства-времени, которые могут быть различными в различных своих частях. Поскольку вместе с эволюцией Вселенной эволюционирует и пространство-время, то будет изменяться и форма причинности. Значит, в причинности можно выделить два аспекта: системный и пространственно-временной.

Обычно рассматривают причинность по отношению к переходам (процессам), но концепция самоорганизации материи показывает, что переходы связаны с состояниями и могут происходить только из специфических (сильно возбужденных) состояний. Поэтому причинность следует распространить и на состояния.

Выделим обычные формы системной причинности. Если система классична, как по своим состояниям, так и по переходам, то ее можно назвать вполне детерминированной (примерами могут служить классическая система материальных точек, классическое электромагнитное поле). Вполне детерминированная система дважды инертна (как по состоянию, так и по переходу) в том смысле, что она неспособна к самодвижению, ибо все в ней строго определено и никаких отклонений (флуктуаций) быть не может. Систему, статистическую по своим состояниям, но динамическую по переходам, можно назвать детерминированной (пример идеальный газ). В детерминированной системе заложена возможность к саморазвитию, ибо увеличение флуктуаций ее состояния может привести к необратимым последствиям. Система, классическая по своим состояниям, но статистическая по переходам, будет статистически детерминированной (например, броуновские частицы). Такие системы связаны с необратимостью, они играют большую роль, ибо уже на классическом уровне могут демонстрировать роль случая. Если же система статистична как по своим состояниям, так и по переходам, то она будет вполне статистически детерминированной. Таковыми являются все микросистемы. Вполне статистически детерминированные системы являются фундаментальными системами природы и основными источниками ее эволюции. Их обобщением являются особые, самоорганизующиеся системы, которые, сильно флуктуируют по начальным данным и по конечным состояниям. На всех уровнях, будь то уровень макроскопической физики, уровень флуктуаций или микроскопический уровень, источником порядка является неравновесность. Неравновесность есть то, что порождает порядок из хаоса. Сказанное позволяет выделить пять форм системной причинности: вполне детерминированную, детерминированную, статистически детерминированную и самоорганизационную формы.

Необратимость приводит к глубоким изменениям понятий пространства, времени и динамики: время, связанное с флуктуациями, отлично от времени, связанного с обычными движениями, оно является скорее оператором, чем параметром, динамика должна быть включена в более широкий формализм и т.д. Сказанное можно отнести и к начальному этапу эволюции нашей Вселенной. Пространство, время и связанная с ними причинность до Большого взрыва могут быть названы доинфляционными.

Необходимо выделить формы пространственно-временной причинности, Д.И. Блохинцев отмечал: Причинность можно рассматривать как геометрическую категорию и исследование вопросов причинности есть лишь один из возможных аспектов анализа геометрии. Поэтому формы причинности можно классифицировать и по геометрии пространства-времени. Согласно Р. Герочу, если в физических процессах происходит изменение топологии пространства-времени, то оно воспринимается с точки зрения старой топологии как нарушение формы причинности. Поэтому переходы от Большого взрыва к свернутому метрическому пространству-времени, от него к 10-мерному пространству-времени суперструнной теории и далее к 4-мерному сильно развернутому псевдориманову пространству-времени связаны с изменением формы причинности. Поэтому пространственно-временная причинность эволюционирует вместе с эволюцией пространства-времени в связи с эволюцией Вселенной. При этом можно выделить следующие концептуальные формы пространственно-временной причинности, соответствующие основным стадиям эволюции Вселенной и пространственно-временным концепциям, существенным для них: вакуумную (характерную для метрически организованного вакуума), суперструнную (характерную для суперструнного поля), гравитационную (характерную для наблюдаемого мира), в частности, тривиальную гравитационную (характерную для процессов, происходящих в 4-мерном пространстве-времени Минковского).

На каждой стадии пространственно-временной эволюции Вселенной имеют место определенные формы системной причинности, всегда сопровождающей пространственно-временную причинность. Следует отметить самоорганизационную форму при переходе от Большого взрыва к метрическому суперструнному вакууму, а также при переходе от суперструнного поля к гравитационному полю. Однако нельзя рассматривать эволюцию системного аспекта причинности в связи с эволюцией Вселенной, ибо процессы самоорганизации происходят и сейчас в отдельных участках Вселенной вне зависимости от ее эволюции. Значит, самоорганизационная форма причинности не эволюционирует, а проявляется по-разному в разные моменты времени на разных участках эволюционирующей Вселенной. То же самое можно сказать и относительно других форм системной причинности. Поэтому системную причинность можно назвать локальной причинностью в противоположность глобальной причинности, связанной с пространством-временем. Таким образом, можно ввести принцип соответствия различных форм пространственно-временной причинности, аналогично тому, как это было сделано для концепций пространства-времени.

Случайность в научной картине Вселенной

Научная мысль в процессе познания Вселенной всегда включала в себя идею случая. При этом исторически произошли весьма интересные изменения в самой постановке этой проблемы. В первоначальных представлениях о строении и эволюции мира, в первоначальных космогонических теориях идеи о случайности соотносились с исходными состояниями материи, которые затем „породили” наблюдаемые небесные тела и системы. При этих подходах понятие случайности сопрягалось с понятием хаоса, а еще древние рассматривали хаос как одну из первопотенций бытия. Космогоническая гипотеза Канта-Лапласа также исходила из того, что небесные тела возникли из некоторого разреженного и хаотического состояния вещества. В наши же дни представления о случае преимущественно соотносятся с данными о „конечном”, наблюдаемом состоянии мира. С позиций современных космологических концепций Вселенная полна неожиданностей и допустимо огромное разнообразие вселенных, а осуществившийся выбор во многом зависит от случайного сочетания значения параметров, ее характеризующих, и в частности, от реального сочетания значений фундаментальных физических постоянных. Мир, в котором мы живем, мог и не быть, его определили случайности.

Идея случая обычно связана с интригующими моментами в нашем познании Вселенной. Чтобы разобраться в реальном состоянии дел, нужно, прежде всего, иметь достаточно ясное представление о том, что же отражает собою эта идея. Последнее тем более интересно, что с развитием познания существенным образом изменились и обогатились наши представления о случайном. В своих исходных посылках случайность определяется как отсутствие закономерности и, - что взаимосвязано, - как непредсказуемость соответствующих явлений и процессов. Зародились представления о случае уже в древности, при самых первых попытках осознания человеком своего бытия. Они стали необходимыми при объяснении поведения человека, его судеб, или же, как сейчас нередко говорят, его жизненной траектории в многомерном мире. И сразу же выяснилось, что случай сопоставлен с необходимостью. Поэтический язык древних воплотил соответствующие представления в образах богинь человеческих судеб: Ананке - неумолимая необходимость, Тихе - слепой случай. И в дальнейшей истории культуры представления о случае длительное время преимущественно связывались с раскрытием основ поведения человека. Наиболее концентрированным образом они высвечивались при раскрытии представлений о свободе воли человека. Свобода воли прерывает те жесткие неумолимые связи и воздействия, в которые вплетен человек, и тем самым позволяет ему стать творцом нового и осознать свою силу и самостоятельность.

Научные основы в понимании случайности стали вырабатываться со времени вхождения теоретико-вероятностных методов в физику, со времени разработки статистических теорий в физике. Физика изучает наиболее глубинные уровни материального мира, а потому ее „слово” в познании случая имеет первостепенное значение: значимость случая в общих воззрениях пропорциональна тому, какую роль он играет в „основаниях” строения мира. Заметим только, что первоначально физика, да и наука в целом, отторгали случай. В рамках первых физических теорий не было места для случайности. Этот период в ее развитии характеризуется как классический. Базисные модели мироздания здесь строятся по образу и подобию классической механики. Все связи и отношения в материальном мире рассматривались наподобие механических, т.е. имеющих строго однозначный, жестко детерминированный характер. Если в научном познании приходили к моделям и решениям, включающим в себя неоднозначность и неопределенность, то соответствующее знание рассматривалось как неполное выражение знаний об исследуемом объекте, лишь как подход к истине или же как результат некорректной постановки задачи.

Что же говорят о случайности статистические теории? Наиболее типичными системами, составляющими предмет исследования в рамках статистических теорий, являются газы, газообразное состояние вещества. Через представления о случайности характеризуется структура этих систем, взаимоотношения элементов систем (молекул газа) друг к другу. Состояния элементов в таких системах максимально независимы и равноправны. Подобная структура наиболее емко выражается словом „хаос”. Наиболее хаотическим состоянием систем является состояние с максимальной энтропией, состояние термодинамического равновесия. Соответственно этому, согласно статистическим теориям, структура систем в состоянии термодинамического равновесия и характеризуется как истинное воплощение действия случая. Центральным здесь является понятие независимости. Добавим, что понятие независимости является базовым для теории вероятностей, которая составляет математический аппарат статистических теорий. Как сказано в одном из учебных пособий - „понятие независимости играет в определенном смысле центральную роль в теории вероятностей: именно это понятие определило то своеобразие, которое выделяет теорию вероятностей в общей теории, занимающееся исследованием измеримых пространств с мерой” [1, c. 38].

Понятие независимости является тем существенно новым, чем обогатилось наше понимание случайности в ходе первых попыток науки овладеть идеей случая. Независимость, которая проявляется в статистических теориях, не абсолютна. Она проявляется в массовых явлениях и соотносится с определенного вида необходимостями, в качестве которых выступают представления о (вероятностных) распределениях. Основу статистических теорий и составляет анализ распределений, способов их задания, закономерностей их изменения в процессах взаимодействия соответствующих материальных систем.

В период господства классического естествознания представлениям о независимости практически не уделялось внимания, но эти представления о независимости все настойчивее и определеннее проявляют себя при переходе науки к строгим методам исследования сложных и сложно-организованных систем. Особо сильно они проявляют себя в ходе познания живых систем. Рассматривая проблемы биокибернетики в связи с фундаментальными работами И.И. Шмальгаузена в этой области, Р.Л. Берг и А.А. Ляпунов отмечали: „Независимость - это такое же фундаментальное явление природы, как и наличие взаимозависимости” [2, c. 10].