В. М. Найдыш Концепции современного естествознания

Вид материала

Учебник

Подобный материал:

• В. М. Найдыш Концепции современного естествознания, 7129.15kb.
• Найдыш В. М. Концепции современного естествознания, 8133.67kb.
• Учебно-методический комплекс дисциплины концепции современного естествознания Специальность, 187.08kb.
• Концепции Современного Естествознания, 274.86kb.
• Программа курса «Концепции современного естествознания», 168.05kb.
• Программа дисциплины Концепции современного естествознания Специальность/направление, 456.85kb.
• Г. И. Рузавин Концепции современного естествознания Рекомендовано Министерством общего, 3030.69kb.
• Введение Наука "Концепции современного естествознания", 48.81kb.
• Программа дисциплины концепции современного естествознания для студентов 3 курса очной, 191.37kb.
• Высшее профессиональное образование т. Я. Дубнищева концепции современного естествознания, 9919.17kb.

⁹ + 1) : 10⁹, т.е. на каждый миллиард античастиц рождается миллиард плюс одна частица. Несмотря на малость этого эффекта, он играет решающую роль.


По мере остывания Вселенной антивещество аннигилировало с веществом, но при этом остался избыток вещества по отношению к веществу в одну частицу на миллиард. Именно этот мизерный остаток и послужил материалом, из которого построена вся Вселенная, включая человека. Если бы этого остатка не было, то мир был бы заполнен только полем, но не веществом. Можно сказать, что вещество возникло благодаря оплошности природы. (Теперь понятно, почему во Вселенной так мало антивещества.) В результате аннигиляции возникло мощное гамма-излучение. По мере расширения Вселенной оно постепенно остывало. И к настоящему времени превратилось в так называемое фоновое тепловое излучение с температурой 2,7 К, которое несет в себе значительную часть энергии Вселенной.


Вплоть до 10^-12 с после Большого взрыва (рис. 4) температура была высока (Т > 10¹⁵ К) и особенности материи во Вселенной резко отличались от ее современного состояния: адроны еще не образовались; не различались слабое и электромагнитное взаимодействия (электроны, мюоны и нейтрино не существовали в обычном виде; свойства фотонов перемешаны со свойствами W- и Z-частиц); кварки и лептоны еще существенно не различаются, не обладают массой покоя и др.


Однако вещество не могло продолжительно существовать в столь нестабильной фазе. Падение температуры ниже 10¹⁵ К вызывает внезапный фазовый переход, напоминающий замерзание воды и образование льда. В этот момент (10^-12 с) нарушается калибровочная симметрия и электромагнитное взаимодействие отделяется от слабого. W- и Z-бозоны, кварки и лептоны приобретают массу, а фотон остался безмассовым. Результатом этого перехода явилось возникновение известных нам частиц – электронов, нейтрино, фотонов и кварков, которые теперь вполне различимы.


438


Следующий фазовый переход происходит при Т ≈ 10¹³ К и приводит к конденсации кварков. Кварки объединяются в группы (попарно или по три), и образуются адроны (протоны, нейтроны, мезоны и другие сильно взаимодействующие частицы). С этого момента (10^-5 с) открылся прямой путь для ядерных реакций, прежде всего синтеза гелия.


При Т ≈ 2 10¹⁰ К и t ≈ 0,2 с электронные нейтрино перестают взаимодействовать с частицами. Поскольку нейтрино стабильны и очень слабо взаимодействуют с веществом, мир для них оказывается практически прозрачным; они легко перемещаются во Вселенной, сохранившись до наших дней, только их энергия уменьшается из-за ее расширения. К нашей эпохе температура этих реликтовых нейтрино должна оказаться около 2 К. Обнаружение этого излучения будет великим достижением астрономии. Но пока, к сожалению, методы обнаружения таких реликтовых нейтрино не разработаны.


11.8.4. От первых секунд Вселенной до образования звезд и галактик. Методом математического моделирования астрофизикам удалось воспроизвести детали ядерных процессов, происходивших в первые секунды существования Вселенной [1].


1 См.: Вайнберг С. Первые три минуты. Современный взгляд на происхождение Вселенной. М., 1981.


Согласно полученным результатам, в конце первой секунды температура достигала 10¹⁰ К. При такой высокой температуре сложные ядра существовать не могут. Тогда все пространство было заполнено хаотически движущимися протонами и нейтронами вперемешку с электронами, нейтрино и фотонами. Ранняя Вселенная расширялась чрезвычайно быстро и по прошествии еще минуты температура упала на два порядка, а спустя еще несколько минут стала ниже уровня, при котором возможны ядерные реакции. В этот относительно короткий (буквально несколько минут) промежуток времени протоны и нейтроны могли объединяться, образуя сложные ядра,


В тот период основной ядерной реакцией было слияние протонов и нейтронов с образованием ядер гелия, каждое из которых состоит из двух протонов и двух нейтронов. Поскольку протоны немного легче нейтронов, они присутствовали в несколько большем количестве и по завершении синтеза гелия часть протонов оставалась свободной. Образовавшаяся плазма состояла примерно на 10% из ядер гелия и на 90% из ядер водорода (протонов).


439


Эти цифры соответствуют наблюдаемому содержанию названных элементов в современной Вселенной.


Великое счастье для нас, что в первичном веществе был избыток протонов над нейтронами. Благодаря ему остались во Вселенной несвязанные протоны, и впоследствии образовался водород, без которого не светило бы Солнце, не было бы воды, не могла возникнуть жизнь. Не было бы жизни, не было бы и человечества. Так наше существование и сама возможность познания Вселенной прямо определяется отдаленным прошлым, начальными моментами Вселенной.


После стадии термоядерных реакций температура вещества была еще настолько высока, что оно находилось в состоянии плазмы еще сотни тысяч лет, вплоть до периода рекомбинации (t° ≈ 4000 К), когда ядра присоединяли электроны и превращались в нейтральные атомы. Первыми образовались атомы гелия и водорода. Как полагают, из этих первичных водорода и гелия, находившихся в газообразном состоянии, сформировались первые звезды и галактики.


Таким образом, согласно современным космологическим представлениям, атомы существовали не всегда: они являются реликтами физических процессов, происходивших в глубинах Вселенной задолго до образовании Земли. Атомы – это «ископаемые» космоса. Первооснову космического вещества составляли водород и гелий; элементов среднего и тяжелого веса космическое вещество практически не содержало. Такие элементы – это «зола» ядерных «костров», пылающих в недрах звезд.


Когда размеры Вселенной были примерно в 100 раз меньше, чем в настоящую эпоху, из зарождавшихся неоднородностей газообразного водорода и гелия возникли газовые сгустки – прото-галактические сгущения. Постепенно они фрагментировались, в них образовывались меньшие сгустки вещества. Из таких сгустков разной массы, имевших определенный вращательный момент, постепенно сформировались звезды и галактики. Расширение Вселенной определило разлет галактик, которые сами практически не расширяются.


Ядро звезды представляет собой термоядерный реактор, в котором горючим служат в основном ядра водорода (протоны). Последующие реакции синтеза приводят к превращению дейтерия в гелий, гелия – в углерод, а затем и обрзованию все более сложных ядер. По мере исчерпания запасов ядерного горючего звезды ее


440


внутренняя структура представляется слоями различных химических элементов, каждый из которых отражает различные стадии ядерного синтеза. Так на протяжении своей «жизни» звезда постепенно превращается из смеси первичного водорода и гелия в хранилище тяжелых химических элементов. А прекращая свою «жизнь», звезда может разбросать тяжелые элементы по просторам Галактики (см. 11.5.4). Со временем они могут войти в состав того межзвездного газо-пылевого облака, из которого образуются звезды нового поколения со своими планетными системами.


11.8.5. Сценарии будущего Вселенной. Любопытно знать не только далекое прошлое Вселенной, но и ее далекое будущее. Тем более что это будущее не менее поразительно, чем ее прошлое. Теоретическое моделирование будущего Вселенной существенно различается в «открытых» и «закрытой» ее моделях.


«Закрытая» модель предполагает, что в будущем расширение Вселенной сменится ее сжатием. Исходя из общей массы Вселенной 1052 т можно предположить, что примерно через 30 млрд лет она начнет сжиматься и через 50 млрд лет вновь вернется в сингулярное состояние. Полный цикл расширения и сжатия Вселенной составляет примерно 100 млрд лет. Таким образом, Вселенная может быть представлена как грандиозная осциллирующая система, испытавшая множество эволюционных циклов. При переходе от одного цикла к другому некоторые общие параметры Вселенной (Метагалактики), ее законы могут изменяться. Например, могут изменяться фундаментальные физические константы.


Совершенно иначе предстает будущее Вселенной в «открытых» в бесконечность космологических моделях, которые, по сути, представляют собой сценарии «тепловой смерти» Вселенной. В соответствии с ними уже через 10¹⁴ лет многие звезды остынут, что достаточно быстро (через 10¹⁵ лет) приведет к тому, что планеты начнут отрываться от своих звезд, а звезды покидать свои галактики. Примерно через 10¹⁹ лет большая часть звезд покинут свои галактики и постепенно превратятся в черные карлики. Центральные области галактик коллапсируют, образуя черные дыры. Таким образом галактики прекращают свое существование.


441


Дальнейшая эволюция будущей Вселенной не вполне ясна. Если обнаружится, что протон действительно нестабилен и распадается через 10³¹ лет на γ-квант и нейтрино, то Вселенная и будет представлять собой совокупность нейтрино, квантов света с убывающей энергией и черных дыр. Самые массивные черные дыры испарятся за 10⁹⁶ лет и через 10¹⁰⁰ лет во Вселенной останется лишь электронно-позитронная плазма ничтожной плотности.


Иначе разворачивается возможный сценарий будущего Вселенной в том случае, если протон стабилен. Тогда примерно через 10⁶⁵ лет любое твердое вещество превратится даже при абсолютном нуле в жидкость. Все оставшиеся черные карлики станут жидкими каплями. А через 10¹⁵⁰⁰ лет любое вещество станет радиоактивным, и все жидкие капли (т.е. бывшие звезды) станут железными. От грандиозной и разнообразнейшей Вселенной останутся только жидкие холодные железные капли!


Что же дальше? Пройдет невообразимое число лет, которое можно выразить числом 10 10²⁶, пока такие железные капли не превратятся в «черные дыры». Эти, уже последние, «черные дыры» за относительно небольшой промежуток времени 10⁶⁷ лет испарятся, превратив Вселенную в поток сверхдлинноволновых квантов и электронно-позитронную плазму. Такое состояние — окончательная «смерть» Вселенной или ее возврат в исходную фазу — физический вакуум.


11.8.6. Антропный принцип. Одним из ярких проявлений глубокого взаимодействия естественного и социально-гуманитарного знания является сформулированный в современной космологии антропный принцип, заключающийся в том, что возникновение человечества, познающего субъекта были возможными в силу того, что крупномасштабные свойства нашей Вселенной, ее глубинные закономерности именно таковы, какими они являются; если бы они были иными, Вселенную просто некому было бы познавать. Этот вывод вытекает из того обстоятельства, что крупномасштабные свойства нашей Вселенной очень жестко связаны с величинами фундаментальных физических констант. Так, например, если постоянная тонкой структуры (α=е²/hс = 1/137, где е — заряд электрона, h — постоянная Планка, с — скорость света) была хотя бы на несколько процентов другой, то звезды типа нашего Солнца просто не могли бы образоваться, а значит, не было бы и человека, познающего Вселенную. Это касается многих мировых констант. Если бы они были хотя бы чуть-чуть другими, то невозможно было бы образование в эволюции материи ни атомов, ни звезд, ни Галактики, не сложились бы предпосылки и условия становления человека, цивилизации.


442


Величина большинства физических (характеризующих микромир) и космологических (характеризующих мегамир) констант имеет порядок 10⁴⁰ или 10^-40. Так, полученное из лабораторных измерений отношение электрических сил к гравитационным для двух заряженных элементарных частиц N₁=e²/Gm_p² ≈ 10⁴⁰, где m_p — масса протона. Но того же порядка оказывается не связанное с N₁ безразмерное отношение радиуса Вселенной к классическому радиусу электрона: N₂ = ct/e²/m_ec²) = 10⁴⁰ = N₁, где m_е — масса электрона, ct — радиус Вселенной в современную эпоху. Или безразмерная константа g = Gm²/hc = 10^-40, где m — масса покоя элементарной частицы (электрон, протон и др.). Обратная ей величина выражает массу звезды и равна g = hc/Gm² ≈ 10⁴⁰. И так далее. Мега- и микромиры, Вселенная и мир элементарных частиц глубоко внутренне связаны друг с другом.


Таким образом, антропный принцип указывает на глубокое внутреннее единство закономерностей эволюции Вселенной, возникновения органического мира и возникновения человека и общества. Он указывает на существование некоторых универсальных жестких связей, определяющих целостный и системный характер нашей Вселенной, ее эволюции, ее способность образовывать сложные самоорганизующиеся системы (см. 16.4).


Следует подчеркнуть, что антропный принцип имеет важное методологическое значение. Он служит одним из критериев отбора тех или иных гипотез и моделей в астрофизике и космологии. Предпочтение нужно отдавать той из них, в которой описание свойств объектов Вселенной допускает возможность эволюции Вселенной, ее качественного усложнения, восхождения ох простого к сложному, от низшего к высшему. Человек и является вершиной этой эволюции.


В литературе иногда появляются и трактовки антропного принципа в духе телеологии — мир создан.Творцом для того, чтобы в нем возник человек. Как относиться к таким трактовкам? В любой эволюционирующей целостной естественной системе начальные, основополагающие характеристики неизбежно и закономерно связаны с ее конечными результатами и свойствами. Эти связи, закономерности обычно не лежат на поверхности. Нередко появляется соблазн подменить их сверхъестественными, те-


443


леологическими связями. Да, путь выявления объективных системных связей обычно сложен и тернист, но рано или поздно науке удается их раскрыть. Вселенная как целое — одна из таких эволюционирующих естественных систем. Телеологические трактовки антропного принципа приписывают такой системе сверхъестественную цель, подменяя объективные связи и закономерности произвольными предположениями, не имеющими под собой конструктивной базы. Но сама космология в этом не нуждается: практически все возникающие в ней вокруг антропного принципа конкретные задачи не сталкиваются с какими-либо принципиальными затруднениями и вполне доказательно и обоснованно решаются по мере накопления эмпирических и теоретических знаний [1].


1 См.: Космология. Теории и наблюдения. М., 1978. С. 360—380.


Следует иметь в виду и то, что скорее всего не всякая вселенная имеет такие фундаментальные законы, которые позволяют ей развиваться от простого к сложному, или, по крайней мере, эволюционировать длительное время. Вполне можно допустить, что в раздуваемом инфляцией «ансамбле вселенных» такая вселенная либо вовсе одна (наша Вселенная), либо их немного. «Коридор эволюции» оказался достаточно узким. По-видимому, далеко не в любой вселенной могут появиться условия для возникновения разума.


11.9. Жизнь и разум во Вселенной: проблема внеземных цивилизаций


11.9.1. Понятие внеземных цивилизаций. В последние десятилетия в массовом сознании отмечается наплыв очередной волны мистицизма. На этом фоне получило распространение обсуждение вопроса о внеземных цивилизациях, их поисках и контактах с ними. Поиски НЛО и страстное ожидание пришельцев из внеземных цивилизаций — одна из популярных тем в средствах массовой информации (в том числе и достаточно серьезных). Появляются «сообщения» об инопланетянах, контактах с ними и даже об умыкании ими землян прямо в центрах многомиллионных городов. Ширятся слухи о начатой операторами НЛО эвакуации землян в просторы Вселенной... Нет числа найденным доказательствам посещения Земли представителями высокоразвитых разумных цивилизаций в прошлом...


444


Занимается ли вопросом о внеземных цивилизациях современная наука? И если занимается, то как она его решает? Прежде всего следует отметить, что вопрос о внеземных цивилизациях имеет свою научную постановку, которая существенно отличается от его трактовок массовым, обыденным, вненаучным сознанием. Современная наука трактует внеземные цивилизации как общества разумных существ, которые могут возникать и существовать вне Земли (на других планетах, космических телах, в иных вселенных, средах и др.).


С позиций современной науки предположение о возможности существования внеземных цивилизаций имеет объективные основания: представление о материальном единстве мира; о развитии, эволюции материи как всеобщем ее свойстве; данные естествознания о закономерном, естественном характере происхождения и эволюции жизни, а также происхождения и эволюции человека на Земле; астрономические данные о том, что Солнце -типичная, рядовая звезда нашей Галактики и нет оснований для ее выделения среди множества других подобных звезд; в то же время астрономия исходит из того, что в Космосе существует большое разнообразие физических условий, что может привести в принципе к возникновению самых разнообразных форм высокоорганизованной материи.


В начале 1960-х гг. одним из итогов интенсивного развития астрономического познания, широкого научного международного сотрудничества в астрономии явился важный вывод: во-первых, сложились научные основания исследования проблемы внеземных цивилизаций и, во-вторых, эта проблема носит комплексный, междисциплинарный характер, решается совместными усилиями специалистов в области естественных, технических, социально-гуманитарных и философских наук. С 1960-х гг. вплоть до начала XXI в. в США, в нашей стране была проведена значительная научно-исследовательская и организационная работа в этой области [1]. Она осуществлялась по следующим основным направлениям:


1 В России ключевую роль в организации комплексных исследований внеземных цивилизаций играет «Научно-культурный центр SETI», представляющий собой научно-исследовательскую и культурно-просветительскую организацию, действующую в рамках Академии космонавтики им. К.Э. Циолковского. Этот центр организует не только научные исследования, но и образовательные, культурные программы, посвященные вопросам жизни и разума во Вселенной.


445


+ анализ и развитие мировоззренческих и теоретических оснований проблемы внеземных цивилизаций, их возникновения, развития и проявления; выработка различных стратегий поиска и установления контактов с ними;

+ разработка методов обнаружения внеземных цивилизаций (следов их активности, искусственных сигналов, которые они посылают, и т.д.);

+ поиск возможных сигналов от внеземных цивилизаций, проведение наблюдений в радио и оптическом диапазонах;

+ передача от нашей цивилизации сообщений внеземным цивилизациям.


Таким образом, развитие естествознания во второй половине XX в., выдающиеся открытия в области астрономии, кибернетики, биологии, радиофизики позволили перевести проблему внеземных цивилизаций из чисто умозрительной в конкретно-научную плоскость. Впервые в истории человечества появилась возможность вести экспериментальные исследования по этой фундаментальной проблеме. К тому же эта проблема имеет глубокий практический смысл. Ведь открытие внеземных цивилизаций и установление контакта с ними могут оказать огромное влияние на научный и технологический потенциал общества, на будущее человечества.


11.9.2. Оценка распространенности внеземных цивилизаций. Первым в комплексе вопросов, связанных с научным изучением внеземных цивилизаций, является вопрос об их возможной распространенности. В настоящее время оценка возможной распространенности внеземных (космических) цивилизаций в нашей Галактике осуществляется по формуле Дрейка:


N = R f n k d q L,


где N – число внеземных цивилизаций в Галактике; R – скорость образования звезд в Галактике, усредненная по всему времени ее существования (число звезд в год); f— доля звезд, обладающих планетными системами; n – среднее число планет, входящих в планетные системы и экологически пригодных для жизни; к – доля планет, на которых действительно возникла жизнь; d — доля планет, на которых после возникновения жизни разви-


446


лись ее разумные формы; q — доля планет, на которых разумная жизнь достигала фазы, обеспечивающей возможность связи с другими мирами, цивилизациями; L — средняя продолжительность существования таких внеземных (космических, технических) цивилизаций.


За исключением первой величины (R), которая относится к астрофизике и может быть подсчитана более или менее точно (около 10 звезд в год), и доли звезд, обладающих планетными системами (f ≈ 30%), все остальные величины являются весьма неопределенными. Поэтому они рассматриваются компетентными учеными на основе экспертных оценок, которые, разумеется, носят субъективный характер.


Вот, например, вопрос о вероятности возникновения жизни. Ясно, что далеко не на всякой планете может возникнуть жизнь. Для возникновения жизни (посредством естественного отбора) необходим сложный комплекс условий.


Во-первых, значительные интервалы времени; поэтому жизнь может возникнуть только вокруг старых звезд не первого, а второго поколения, поскольку только рядом с ними могут быть остатки тяжелых элементов, оставшиеся после взрывов сверхновых звезд первого поколения.


Во-вторых, на планете должны быть соответствующие температурные условия: слишком высокая или слишком низкая температуры исключают появление жизни.


В-третьих, масса планеты не должна быть слишком маленькой: в этом случае планета быстро теряет свою атмосферу, которая попросту испаряется («диссипация»). Чем легче газ, тем быстрее он уходит за пределы планеты. Масса планеты не должна быть и очень большой, чтобы не удерживать свою первоначальную атмосферу (из водорода и гелия), не препятствовать изменению ее состава и появлению вторичной атмосферы.


В-четвертых, наличие жидкой оболочки на ее поверхности: первичные формы жизни скорее всего возникли в воде.