Мир сегодня не такой, как вчера. Этапы космической эволюции

Вторая, или классическая, научная картина мира утверждала, что Вселенная неизменна. Одной из главных идей третьей, или современной, научной картины мира является утверждение, что все ныне существующее есть результат длительной и глобальной эволюции, грандиозного мирового развития. Раньше Вселенная была совсем не такой, как сейчас, считает современная наука. Первую научную картину мира мы сравнивали с живописным полотном (все очень красиво, но сходство с реальностью минимальное), вторую – с черно-белой фотографией (сходство с действительностью достаточно большое, но неудобство причиняет статичность и безжизненность). Третью научную картину мира можно уподобить цветной киноленте, каждый кадр которой соответствует определенному этапу в эволюции Вселенной. Кроме того, если вторая научная картина мира считалась завершенной (и поэтому классической), ответившей на все вопросы, описавшей и объяснившей все существующее, то современное естествознание вынуждено признать, что вслед за вечным изменением мира будут меняться и наши представления о нем. А это значит, что нынешняя научная картина мира относительна и в недалеком или отдаленном будущем уступит место иным научным представлениям. Единственно верную, абсолютно точную, полностью завершенную картину мира не удастся нарисовать ни когда, говорит нам наука.

Третья научная картина мира рассматривает Вселенную как результат глобальной мировой эволюции, поэтому важной задачей нынешней науки является установление механизма, или движущих сил, этой эволюции. Почему в мире все развивалось по восходящей линии, шло путем прогресса, постепенно поднимаясь от более простого и менее совершенного к более сложному и более совершенному? К тому же существуют убедительные научные аргументы в пользу того, что развитие должно идти по нисходящей, Вселенная должна не совершенствоваться, а деградировать, то есть переходить ко все более простому, а в итоге к простейшему состоянию. Эти аргументы вытекают из термодинамики – науки о различных тепловых явлениях, о переходах и превращениях тепла. Первое начало, или закон, термодинамики звучит так: теплота может как угодно переходить от любого тела к любому другому телу, лишь бы общее ее количество оставалось неизменным. Проще говоря, если где-то теплоты добавилось (одно тело, например, нагрелось на сколько-то градусов), то где-то ее должно в таком же количестве убавиться (другое тело остыло ровно на столько градусов, на сколько первое нагрелось). Это первое начало термодинамики называют также законом сохранения и превращения энергии. Итак, в силу первого начала теплота может переходить от тела к телу в любом направлении. Однако второе начало термодинамики является ограничением первого и говорит, что переход тепла возможен не в любом, но только в одном направлении. Приведем простой пример. Допустим, перед нами находятся два тела, между которыми происходит теплообмен. Одно из них имеет температуру 100 °C, а другое 50 °C. Возможно ли, чтобы второе тело отдало первому 25° и остыло бы на эти 25°, чтобы второе на эту же величину нагрелось, то есть чтобы температура первого стала 125 °C, а второго 25 °C? Возможно ли, чтобы теплота самопроизвольно переходила от менее нагретого тела к более нагретому? Первый закон термодинамики такой переход не запрещает, лишь бы количество теплоты (энергии) сохранялось в прежнем объеме. Второе начало термодинамики говорит о невозможности этого перехода и звучит так: «Теплота не переходит самопроизвольно от холодного тела к более горячему». Все происходит наоборот: теплота всегда переходит только в одном направлении – от более горячего тела к менее горячему. В нашем примере первое тело непременно должно остыть на 25 °C, а второе нагреться на эту же величину, после чего и у первого тела, и у второго будет одинаковая температура (по 75 °C). Как видим, теплота стремится к равномерному распределению между телами, к равновесию.

Из этой закономерности вытекает следующий печальный вывод. Если говорить о Вселенной в целом, то вся ее теплота (энергия) с течением времени должна будет равномерно распределиться между всеми ее частями. А это значит, что макротела рассыплются на молекулы, молекулы – на атомы, а атомы – на элементарные частицы, которые будут хаотично носиться в мировом пространстве. Наступление теплового равновесия во Вселенной будет означать ее превращение в хаос, или «тепловую смерть Вселенной». Для пояснения приведем пример. Человеческое тело, как правило, теплее окружающей среды. Если установится тепловое равновесие между телом и средой (например, температура и среды, и тела равна +20 °C), то это будет означать смерть человека. Так и тепловое равновесие во Вселенной равносильно ее смерти. Из хаоса, как утверждали древние греки, она родилась, в хаос же, по законам термодинамики, должна возвратиться.

Однако возникает закономерный вопрос: если Вселенная движется к хаосу, то каким образом она могла не только возникнуть, но и развиться до нынешнего сложного и упорядоченного состояния? Более того, мы наблюдаем дальнейшее усовершенствование мира: постоянно происходит увеличение его сложности, дальнейшая восходящая эволюция. Получается, что Вселенная, вопреки прогнозам термодинамики, стремится прочь от теплового равновесия и хаоса. Почему? Древние сказали бы, что существует некая разумная, бестелесная сила (Бог или Мировой разум), которая не позволяет Вселенной рассыпаться в прах и постоянно поддерживает ее в состоянии гармонии и совершенства. Современная наука говорит, что материя обладает не только разрушительными свойствами, но и созидательными, что она – не пассивное начало мира, способное только к распаду, но, скорее, активное, способное осуществлять работу и против термодинамического равновесия, могущее самоорганизовываться и самоусложняться. В нынешнем столетии появилась такая научная дисциплина, как синергетика (от греч. synergos – «совместное действие»), которая изучает механизмы и законы самоорганизации разных материальных объектов и систем.

Вселенная – самая большая материальная система из всех возможных – по современным научным представлениям эволюционировала от простейшего состояния к все более сложному, пройдя огромное количество этапов. Наиболее крупными вехами космической эволюции были следующие. 20 миллиардов лет назад произошел Большой взрыв, в результате которого, условно говоря, из «ничего» родилось «нечто». Всего лишь через одну сотую секунды после взрыва Вселенная имела температуру порядка 100 миллиардов градусов. При такой температуре (которая выше температуры центра самой горячей звезды) ни молекулы, ни атомы, ни даже ядра атомов существовать не могут. Поэтому вещество Вселенной пребывало в виде появившихся в результате Большого взрыва элементарных частиц, среди которых преобладали электроны, позитроны, нейтрино, фотоны, а также в относительно малом количестве протоны и нейтроны. Плотность вещества Вселенной спустя одну сотую секунды после взрыва была колоссальной – в 4 миллиарда раз больше, чем воды. В конце первых трех минут после взрыва температура вещества Вселенной, непрерывно снижаясь, достигла 1 миллиарда градусов. При этой все еще очень высокой температуре, но уже не такой большой, как сразу после взрыва, стало возможным образование из элементарных частиц ядер атомов. В большинстве своем это были ядра водорода и гелия. Однако вещество Вселенной в конце первых трех минут состояло в основном из фотонов, нейтрино и антинейтрино (т. е. из разрозненных элементарных частиц). И только через несколько сотен тысяч лет начали образовываться первые атомы, главным образом атомы водорода и гелия, которые образовали водородно-гелиевую плазму. В 1965 г. было обнаружено так называемое реликтовое (от лат. relictum – «остаток») излучение Вселенной, представляющее собой излучение горячей плазмы, сохранившееся с того времени, когда звезд и галактик еще не было. В то время Вселенная была умеренно нагретой плазмой (с температурой около 4000 °C), заключенной в небольшой области с радиусом в 15 миллионов световых лет. Мы говорим «небольшой», потому что ныне расстояние до самой удаленной из наблюдаемых галактик исчисляется 10 миллиардами световых лет. Из этой простейшей плазмы – смеси водорода и гелия – в процессе эволюции возникло все многообразие Вселенной. С течением времени под действием гравитационных и электромагнитных сил первоначально по чти однородная плазма распалась на огромные сгустки, из которых в дальнейшем образовались галактики и их скопления. Появление галактик произошло приблизительно 19–17 миллиардов лет назад. 15 миллиардов лет назад появились звезды, а также атомы других элементов; 5 миллиардов лет назад родилось Солнце; Земля образовалась 4,6 миллиарда лет назад; 3,8 миллиарда лет назад на нашей планете зародилась жизнь; 450 миллионов лет назад появились растения, а 150 миллионов лет назад – млекопитающие животные; 2 миллиона лет назад начался антропогенез (от греч. anthropos – «человек» и genesis – «происхождение») – эволюция человека. Приблизительно 40 тысяч лет назад, как мы уже знаем, появился человек современного типа, или Homo sapiens.

Мы рассмотрели основные этапы космической эволюции в наиболее обобщенном виде. Понятно, что все указанные временны?е рамки приблизительны. Дальнейшее развитие науки будет все более прояснять и уточнять картину грандиозной истории Вселенной.