Концепція нескінченності й космологічна еволюція

Уявлення про відкриті системи, уведені некласичною термодинамікою, з'явилися основою для твердження в сучасному природознавстві еволюційного погляду на світ. Хоча окремі еволюційні теорії з'явилися в конкретних науках ще в 19 столітті (теорія виникнення сонячної системи Канта - Лапласа й еволюційна теорія Дарвіна), проте, ніякої глобальної еволюційної теорії розвитку Всесвіту до 20 століття не існувало. Це й не дивно, оскільки класичне природознавство орієнтувалося переважно на вивчення не динаміки, а статики систем. Така тенденція найбільше рельєфно була представлена атомістичною концепцією класичної фізики як лідера тодішнього природознавства. Атомістичний погляд, опирався на уявлення, що властивості й закони руху різних природних систем можуть бути зведені до властивостей тих дрібних часток матерії, з яких вони складаються. Спочатку такими найпростішими частками вважалися молекули й атоми, потім елементарні частки, а в цей час - кварки.

Безперечно, атомістичний підхід має велике значення для пояснення явищ природи, але він звертає головну увагу на будову й структуру різних систем, а не на їхнє виникнення й розвиток. Правда, в останні роки одержують поширення також системний і еволюційний погляди, які звертають увагу скоріше на характер взаємодій елементів різних систем, чим на аналіз властивостей тих часток, які розглядалися як свій рід останніх цеглинок світобудови.

Завдяки широкому поширенню системних ідей, а в недавній час і уявлень про самоорганізацію відкритих систем зараз усе наполегливіше висуваються різні гіпотези й моделі виникнення й еволюції Всесвіту. Вони посилено обговорюються в рамках сучасної космології як науки про Вселену як єдину цілу. Ми торкнемося тут в основному принципів космології з погляду концепції нескінченності й кінцівки її моделей.

Космологічні моделі Всесвіту

Моделі Всесвіту, як і будь-які інші, будуються на основі тих теоретичних уявлень, які існують тепер у космології. Сучасна космологія виникла після появи загальної теорії відносності й тому її на відміну від колишньої, класичної, називають релятивістською. Емпіричною базою для неї послужили відкриття позагалактичної астрономії, найважливішим з яких, безсумнівно, було виявлення явища «разбігання» галактик. В 1929 р. американський астроном Едвін П. Хаббл (1889-1953) установив, що світло, що йде від далеких галактик, зміщається убік червоного кінця спектра. Це явище, що одержало назву червоного зсуву, відповідно до принципу Допплера свідчило про видалення галактик від спостерігача.

Оскільки релятивістська космологія сформувалася на основі ідей і принципів загальної теорії відносності, то на першому етапі вона приділяла головну увагу геометрії Всесвіту й, зокрема, кривизні чотирьохмірного простору - часу.

Новий етап її розвитку був пов'язаний з дослідженнями російського вченого Олександра Олександровича Фрідмана (1888-1925), якому вдалося вперше теоретично довести, що Всесвіт, заповнений речовиною, що тяжіє, не може бути стаціонарної, а повинна періодично розширюватися або стискуватися. Цей принципово новий результат знайшов своє підтвердження після виявлення Хабблом червоного зсуву, що було витлумачено як явище «разбіганні» галактик. У зв'язку із цим на перший план висуваються проблеми дослідження розширення Всесвіту визначення її віку по тривалості цього розширення.

Нарешті, початок третього періоду розвитку космології пов'язане з роботами відомого американського фізика Георгія А. Гамова (1904-1968), росіянина за походженням. У них досліджуються фізичні процеси, що відбувалися на різних стадіях Всесвіту, що розширюється.

Всі ці особливості розвитку космології знайшли відбиття в різних моделях Всесвіту. Загальним для них є уявлення про нестаціонарний ізотропний і однорідний характер його моделей.

Нестаціонарність означає, що Вселена не може перебувати в статичному, незмінному стані, а повинна або розширюватися, або стискуватися. «Разбігання» галактик, очевидно, свідчить про її розширення, хоча існують моделі, у яких спостережуване в цей час розширення розглядається як одна з фаз так званої пульсуючої Вселеної, коли слідом за розширенням відбувається її стиск.

Ізотропність указує на те, що у Всесвіті не існує яких-небудь виділених крапок і напрямків, тобто її властивості не залежать від напрямку

Однорідність характеризує розподіл у середньому речовини у Всесвіті.

Останні твердження часто називають космологічним постулатом. До нього додають також правдоподібна вимога про відсутність у Всесвіті сил, що перешкоджають силам тяжіння. При таких припущеннях моделі виявляються найбільш простими. У їхній основі лежать рівняння загальної теорії відносності Ейнштейна, а також уявлення про кривизну простору - часу й зв'язку цієї кривизни із щільністю маси речовини. Залежно від кривизни простору розрізняють:

- відкриту модель, у якій кривизна негативна або дорівнює нулю,

- замкнуту модель із позитивною кривизною. Відстані між скупченнями галактик згодом безупинно збільшуються, що відповідає нескінченному Всесвіту. У замкнутих моделях Всесвіт виявляється кінцевої, але настільки ж необмеженої, тому що, рухаючись по ній, не можна досягти якої-небудь границі.

Незалежно від того, чи розглядаються відкриті або замкнуті моделі Вселеної, всі вчені сходяться в тім, що спочатку Всесвіт перебував в умовах, які важко уявити на Землі.

Ці умови характеризуються наявністю високої температури й тиску в сингулярності, у якій була зосереджена матерія. Таке допущення цілком погодиться із установленням розширення Вселеної, що могло початися з деякого моменту, коли вона перебувала в дуже гарячому стані й поступово прохолоджувалася в міру розширення.

Така модель «гарячого» Всесвіту вперше була висунута Г.А. Гамовим і згодом названа стандартної. Відомий американський астроном Карл Саган (р. 1934) побудував наочну модель еволюції Всесвіту, у якій космічний рік дорівнює 15 млрд. земного років, а 1 секунда - 500 рокам; тоді в земних одиницях часу еволюція представиться так:

Великий вибух Утворення галактик Утворення Сонячної системи Утворення Землі Виникнення життя на Землі Океанські планктони Перші риби Перші динозаври Перші ссавці Перші птахи Перші примати Перші гоминіди Перші люди

Стандартна модель еволюції Всесвіту

Ця модель припускає, що початкова температура усередині сінгулярності перевищувала 10 градусів по абсолютній шкалі Кельвіна, у якій початок шкали відліку відповідає - 273 градусам шкали Цельсія. У подібному стані неминуче повинен був відбутися «великий вибух», з яким зв'язують початок еволюції в стандартній моделі Вселеної, називаної тому також моделлю «великого вибуху» . Припускають, що такий вибух відбувся приблизно 1520 млрд. років тому й супроводжувався спочатку швидким, а потім більше помірним розширенням і відповідно поступовим охолодженням Всесвіту. По ступені цього розширення вчені судять про стан матерії на різних стадіях її еволюції. Думають, наприклад, що через 0,01 секунди після вибуху щільність матерії з неймовірно великої величини повинна була впасти. У цих умовах у Вселеної, очевидно, повинні були існувати фотони, електрони, позитрони, нейтрино й антинейтрино, а також невелика кількість нуклонів (протонів і нейтронів). При цьому могли відбуватися безперервні перетворення пар електрон+позитрон у фотони й назад - фотонів у парі електрон+позитрон. Але вже через 3 хвилини після вибуху з нуклонів утвориться суміш легких ядер: 2/3 водню й 1/3 гелію. Інші хімічні елементи утворилися із цієї дозоряної речовини в результаті ядерних реакцій. У момент, коли виникли нейтральні атоми водню й гелію, речовина зробилася прозорою для фотонів, і вони стали випромінюватися у світовий простір. У цей час такий залишковий процес спостерігається у вигляді реліктового випромінювання. Це явище перебуває в повній відповідності з моделлю «гарячого» Всесвіту. Воно збереглося до наших днів і спостерігається саме як релікт, або залишок, від тієї досить віддаленої епохи утворення нейтральних атомів водню й гелію.

У міру розширення й охолодження у Всесвіті відбувалися процеси руйнування існуючих раніше симетрії й виникнення на цій основі нових структур.

Той факт, що будь-яка еволюція супроводжується руйнуванням симетрій, безпосередньо треба із принципу позитивного зворотного зв'язку, відповідно до якого нерівно важність і нестійкість, що виникає у відкритій системі, внаслідок взаємодії системи із середовищем згодом не ліквідується, а навпаки, підсилюється. Це приводить в остаточному підсумку до руйнування колишніх симетрій і, як наслідок, до виникнення нової структури.

Очевидно, що про первісну еволюцію Вселеної ми можемо судити тільки на підставі тих результатів, які відомі нам сьогодні. Тому будь-яка модель, що будується для пояснення сучасного її стану, зокрема, розширення Всесвіту, повинна враховувати ці факти. Інакше кажучи, про ранню еволюцію Вселеної ми можемо робити висновки тільки шляхом екстраполяції, або поширення відомого на невідоме, і висування гіпотез про невідомі етапи її розвитку.

Припускають, що одним з перших результатів розширення й відповідно охолодження Всесвіту було порушення симетрії між речовиною й антиречовиною, а саме такими різнойменно зарядженими матеріальними частками, як електрон, що несе негативний заряд e\ - , і позитрон із протилежним позитивним зарядом е\+.. Їхня взаємодія при зіткненні приводить до утворення двох фотонів.

Як виникло подібне порушення симетрії, залишається тільки догадуватися. Неясним залишається також те, яким способом антиречовина виявилася відділеним від речовини й що втримує їх від анігіляції, або знищення. Очевидно, тут ми зустрічаємося з історичною реконструкцією. Тому що частки речовини й антиречовини при взаємодії анігілюють, тобто e\ - + е\+ :> 2гама, то припускають, що в давній давнині наш речовинний мир якимсь образом виявився ізольованим від миру антиречовинного. Інакше він не міг би існувати в силу процесів анігіляції речовини й антиречовини.

Загалом формування Вселеної, відповідно до стандартної моделі, представляється в такий спосіб. Коли температура Вселеної після вибуху впала до 6 млрд. градусів по Кельвіні, перших 8 секунд після вибуху там існувала в основному суміш електронів і позитронів. Поки ця суміш перебувала в тепловій рівновазі, кількість часток різного роду залишалося приблизно однаковим. Між частками відбувалися безперервні зіткнення, у результаті чого виникали пари фотонів, а із зіткнення останніх - електрон і позитрон.

На цій стадії відбувається безперервне перетворення речовини у випромінювання й навпаки, випромінювання в речовину. Внаслідок цього між речовиною й випромінюванням зберігалася симетрія.

Порушення цієї симетрії відбулося після подальшого розширення Вселеної й відповідно зниження її температури. Саме на цій стадії виникли більше важкі ядерні частки-протони й нейтрони. Самим же головним результатом цієї стадії мікроеволюції нашої області Всесвіту було утворення вкрай незначної переваги речовини над випромінюванням, що оцінюється приблизно як надлишок одного протона або нейтрона на мільярд фотонів. Саме із цього надлишку в процесі подальшої еволюції виникло те величезне багатство й розмаїтість матеріальних утворень, явищ і форм, починаючи від атомів, молекул, кристалів, мінералів і кінчаючи різноманітними гірськими утвореннями, планетами, зірками й зоряними асоціаціями, галактиками й скупченнями галактик.

Зрозуміло, у стандартній гіпотезі є ще чимало неясного й навіть спірного, але вона опирається на такий твердо встановлений факт, як зсув спектральних ліній світла, що йде від далеких галактик, що інтерпретується як видалення їх від спостерігача. Крім того, ця гіпотеза ґрунтується на такій фундаментальній ідеї, як порушення симетрій у процесі утворення всі нових і більше складних матеріальних структур і систем, що лежить у фундаменті сучасної концепції системного підходу й сінергетичної самоорганізації. Цим, однак, не обмежується зв'язок сінергетики зі стандартною моделлю Всесвіту. Процеси мікроеволюції Вселеної, що тривали не менш 10 млрд. років, привели до утворення молекул і тим самим з'явилися передумовою для початку макроеволюції Всесвіту, у результаті якої й виникли навколишні нас макротіла, різноманітні їхні системи аж до галактичних. Тут істотна роль належить уже порушенню симетрій між різними фізичними взаємодіями.

У цей час розрізняють чотири типи фізичних взаємодій. Безпосередньо ми можемо сприймати два їхні типи:

- гравітаційні взаємодії, тобто сили тяжіння, які діють на всі макротіла й притім на досить далеких відстанях. Саме вони, як добре відомо, визначають руху планет, зірок, галактик і інших космічних систем;

- електромагнітні сили, які відіграють вирішальну роль при утворенні молекул, хімічних сполук, кристалів і всіх тіл і систем, які займають проміжне положення між мікросвітом і мегамиром, що складається з космічних об'єктів і систем.

Інші два типи фізичних взаємодій (ядерні і слабкі) безпосередньо не сприймаються людиною, але відіграють істотну роль при утворенні різноманітних об'єктів мікросвіту. Треба, втім, відзначити, що наведена характеристика чотирьох типів взаємодій ставиться лише до їхнього сучасного стану. У ході еволюції Вселеної вони співвідносилися інакше, а на первісному етапі, коли Всесвіт був досить гарячим, ядерні сили перебували в симетрії із гравітаційними, а сили електромагнітної взаємодії - зі слабкими взаємодіями. Тільки внаслідок порушення симетрії між сильними ядерними й гравітаційними силами стало можливим утворення небесних тіл, галактик і інших космічних систем. У свою чергу порушення симетрії між електромагнітними силами й слабкими взаємодіями привело до утворення величезної безлічі тіл, структур і систем, які становлять навколишній нас видимий світ. Таким чином, завдяки руйнуванню симетрії між різними типами фізичних взаємодій стало можливо не тільки виникнення мікро - і макрооб'єктів, але також наступна взаємозалежна еволюція мікроскопічної й макроскопічної галузей розвитку.

Мікроеволюція забезпечила умови для розгортання макроеволюції. Звільнення гравітаційних сил, що відбулося внаслідок руйнування їхньої симетрії з ядерними силами приблизно 700 000 років після вибуху, привело до утворення зірок, галактик, їхніх скупчень і інших космічних систем. У свою чергу гравітаційні сили й ударні хвилі сприяли виникненню й розвитку ядерних реакцій усередині зірок і ядер галактик і їхніх скупчень. Отже, мікро - і макроеволюції взаємно обумовлювали й доповнювали один одного, от чому вони являють собою дві галузі єдиного процесу. Звідси стає ясним, що виникнення й еволюція фізичних, хімічних, геологічних і інших систем неорганічної природи міцно укладається в рамки космічної й земної еволюції.

Однак найбільш важливим для розуміння місця людини у Всесвіті є виникнення життя на Землі й соціально-економічна й культурно-історична еволюція людства.

Біологічна й екологічна еволюції являють собою необхідні передумови для виникнення суспільства, не говорячи вже про те, що багато наших інтуїтивних уявлень про еволюцію взагалі запозичені з існуючих у різний час біологічних знань.

Властиво біологічної еволюції передувала тривала передбіотична еволюція, пов'язана з переходом від неорганічної матерії до органічної, а потім до елементарних форм життя. Початком передбіотичної еволюції було поступове виникнення органічних молекул з неорганічних. Припускають, що в міру охолодження Землі виникали всі умови для утворення складних органічних молекул з неорганічних. Бути може, бракувало лише високої температури для хімічного синтезу, але таку температуру могло викликати вплив ультрафіолетових променів або електричних розрядів. Така можливість дійсно була доведена експериментально, а тому сама гіпотеза представляється досить обґрунтованої. Але раніше існуючі гіпотези, захищаючи автономність елементарної системи життя, занадто ізолювалися від взаємодії з навколишнім середовищем. Навіть гіпотеза 1938 р. Олександра Івановича Опаріна (1894-1980), хоча й постулювала процес виникнення біополімерів з мономерів, все-таки недостатньо підкреслювала роль середовища в подальшій еволюції життя.

Парадигма самоорганізації може сприяти кращому розумінню процесів походження життя й подальшої її еволюції. Дійсно, з її допомогою можна більш адекватно пояснити, яким образом з неорганічних молекул виникли органічні, а з останніх - перші живі клітки. Відповідно до гіпотези німецького фізико-хіміка Манфреда Ейгена (р. 1927), процес виникнення живих кліток тісно пов'язаний із взаємодією нуклеотидів, що є матеріальними носіями інформації, і протеїнів (поліпептидів), службовців каталізаторами хімічних реакцій. У процесі взаємодії нуклеотіди під впливом протеїнів відтворюють себе й у свою чергу передають інформацію наступний за ним протеїну, так що в результаті виникає замкнутий авто каталітичний ланцюг, що М. Ейген називає гіперциклом. У ході подальшої еволюції з них виникають перші живі клітки, спочатку без ядер, називані прокаріотами, а потім з ядрами - еукаріоти.

На передбіотичної стадії еволюції до виникнення перших живих кліток, як показують сучасні дослідження, існували матеріальні системи, що володіли здатністю до самовідтворення, метаболізму й розвитку через мутації й конкуренцію з іншими системами для відбору. Ці фундаментальні властивості, що характеризують життя, виникли із самоорганізації структур.

У ході еволюції принцип автокаталізу, або самоприскорення хімічних реакцій, доповнюється принципом самовідтворення цілого циклічно організованого процесу в гіперциклах, запропонованих М. Ейгеном. Відтворення компонентів гіперциклів, так само як і їхнє об'єднання в нові гіперцикли, супроводжується швидким метаболізмом, пов'язаним із синтезуванням багатих енергією молекул і виведенням бідних енергією молекул. Примітно, що віруси, позбавлені здатності до метаболізму, впроваджуються в клітинні організми й починають користуватися їх метаболічною системою. Особливо слід зазначити, що в ході самоорганізації постійно виникають мутації, а з ними неминуче зв'язаний відбір.

Парадигма самоорганізації дозволяє встановити зв'язок між неживим і живим у ході еволюції, так що виникнення життя представляється аж ніяк не чисто випадковою й украй малоймовірною комбінацією умов і передумов для його появи, як заявляли деякі авторитетні біологи. Якщо самоорганізація при наявності відповідних умов може виникнути в самому фундаменті будинку матерії, то цілком обґрунтовано припустити, що на більше високих рівнях організації вона може закономірно привести до виникнення життя у Всесвіті. Не можна також не відзначити, що життя саме готовить умови для свого подальшого розвитку. Припускають, що першими стали освоювати Землю рослини, які з'явилися приблизно 500 мільйонів років тому. Таке припущення представляється досить обґрунтованим, тому що саме рослини здатні до фотосинтезу й, отже, у стані накопичувати енергію й віддавати вільний кисень в атмосферу. Через приблизно 50 мільйонів років після рослин з'явилися перші тварини - гіпертрофи, які стали використовувати рослини як їжу. У результаті подальшої еволюції із цих основних царств живих систем виникла величезна розмаїтість форм і видів рослин і тварин, які, поступово адаптуючись до навколишнього середовища, ускладнювали свою структуру й функції й впливали також на своє середовище, головним чином через ті екосистеми, у які вони входили.

Філософсько-світоглядні проблеми космологічної еволюції

Виникнення й розвиток сучасної релятивістської космології має велике світоглядне значення. Воно багато в чому змінило наші колишні уявлення про наукову картину миру. Особливо радикальним було відкриття так званого червоного зсуву, що свідчить про розширення Всесвіту. Цей факт не можна було не враховувати при побудові космологічних моделей. Чи вважати Всесвіт нескінченним або кінцевим - залежить від конкретних емпіричних досліджень і насамперед від визначення щільності матерії у Всесвіті, що має вирішальне значення для оцінки кривизни простору - часу. Очевидно, що при нульовій або негативній кривизні модель повинна бути відкритої, при позитивної - замкнутій. Однак оцінка щільності розподілу матерії у Всесвіті натрапляє на серйозні труднощі, пов'язані з наявністю так званого схованого (невидимого) речовини у вигляді темних хмар космічної матерії. Хоча ніякого остаточного висновку про те, чи є Всесвіт відкритим або замкнутим, зробити поки ще не можна, але багато свідчень говорять, очевидно, на користь відкритої нескінченної її моделі. У всякому разі така модель краще погодиться з необмежено, що розширюється Всесвіту. Замкнута ж модель припускає кінець такого розширення й допущення її наступного стиску. Як ми вже відзначали вище, корінний недолік такої моделі полягає в тому, що поки сучасна наука не має у своєму розпорядженні які-небудь факти, що підтверджують подібний стиск. До того ж прихильники замкнутого Всесвіту визнають, що еволюція Всесвіту почалася з «великого вибуху». Нарешті, залишається невирішеної й проблема оцінки щільності розподілу матерії й пов'язаної з нею величини кривизни простору - часу.

Важливою проблемою залишається й оцінка віку Всесвіту, що визначається по тривалості його розширення. Якби розширення Всесвіту відбувалося з постійною швидкістю, рівної в цей час 75 км/з, то час, що минув з початку «великого вибуху», складав б 13 млрд. років. Однак є підстави вважати, що його розширення відбувається з уповільненням. Тоді вік Всесвіту буде менше. З іншого боку, якщо припустити існування відразливих космологічних сил, тоді вік Всесвіту буде більше.

Значні труднощі зв'язані також з обґрунтуванням спочатку «гарячої» моделі в сингулярній області, оскільки передбачувані щільності й температури ніколи не спостерігалися й не аналізувалися в сучасній астрофізиці. Але розвиток науки триває, і є підстави сподіватися, що й ці проблеми згодом будуть вирішені. Головний же підсумок сучасних космологічних досліджень полягає в тому, що вони показали, що Вселена не перебуває в стаціонарному стані, вона безупинно змінюється внаслідок зниження в ній температури й пов'язаного із цим процесу її розширення. Саме в результаті такого процесу відбувається еволюція матерії, пов'язана з появою нових і складних структур.

Література

1. Гайденко П.П. Еволюція поняття науки: Становлення й розвиток перших наукових програм. - К., 1998

2. Койре А. Нариси історії філософської думки: Про вплив філософських концепцій на розвиток наукових теорій. - К., 2002

3. Холтон Дж. Тематичний аналіз науки. - К., 2003

4. Шпаков А.А. Карта Знаний (Научная Картина Мира). - М, 2005.

5. Опарин А.И. Жизнь, ее природа, происхождение и развитие – М., 1994