Этапы космофизической эволюции

Наша планета Земля и мы сами состоим в значительной мере из вещества, происходящего не от нашего молодого Солнца (в котором ещё происходит превращение Н в Не), а от внешних слоёв и остатков от взрывов уже не существующих далёких звёзд. Солнце с помощью гравитации организовало это чуждое вещество,

А происходящие в недрах Солнца ядерные процессы служат источником энергии для жизни на Земле.

Э. Янч

Исследованию ранней Вселенной помогают эксперименты с помощью гигантских ускорителей “элементарных” частиц, где достигают таких энергий, которые могли быть в ранней горячей Вселенной. Данные физики “элементарных” частиц теоретически экстраполируют в прошлое и строят модели космической Э (Вайнберг 1981: 12-15; Силк 1982: 102-146; Гут, Стейнхардт 1984: 56-59; Девис 1985: 41-51; Хокинг 1990: 103-106; Линде 1990; Новиков 1991).

На современных ускорителях удаётся воспроизводить физические условия, существовавшие в столь ранние моменты как 10^-12с после БВ, когда Т=10¹⁶К. Это предел энергии, достигнутый в настоящее Вр в физике. За этим пределом путеводной нитью может служить только теория (Девис 1985: 44, 1989: 192).

Уровень элементарности (макромолекулы и кристаллы, молекулы и атомы, ядра и нуклоны, кварки и лептоны) зависит от уровня энергии. Квантовый характер системы ограничен, порог возбуждения зависит от характера системы, он всегда тем выше, чем меньше пространственные размеры системы. Требуется очень малая энергия, чтобы изменить квантовое состояние большой молекулы, больше энергии необходимо для изменения атома и в тысячу раз больше для изменения атомного ядра. Эту последовательность условий, распаковку структуры Вселенной В. Вайскопф назвал квантовой лестницей. Квантовая лестница позволяет раскрывать структуру Вселенной:

Ö Наивысшая[56] ступень: газ из протонов, нейтронов и электронов при исключительно высокой Т, когда их кинетическая энергия составляет много миллионов электроновольт. Движение протонов, нейтронов и электронов носит случайный, хаотический характер.

Ö При более низкой Т (10¹²К) меньше миллиона электроновольт, адроны группируются и образуют лёгкие атомные ядра (Н, Не, Li).

Ö При Т ниже ядерных реакций внутри звёзд (10⁹ К), лёгкие и тяжёлые ядра, изотопы представляют собой определённые индивидуальные состояния, но движение ядер и электронов всё ещё случайно и неупорядоченно. Т как на поверхности Солнца.

Ö При ещё более низкой Т электроны попадают в упорядоченные квантовые состояния, локализованные вокруг атомных ядер, – появляется разнообразный мир химических элементов (атомов).

Ö На уровне тысяч градусов Цельсия атомы образуют простые молекулы, ещё более разнообразный мир неорганических химических систем.

Ö Дальнейший спуск по лестнице приводит нас в энергетическую область, где молекулы группируются в гигантские цепи, “живые” макромолекулы. Для существования живой материи требуется относительно узкий диапазон Т.

Ö Самая низкая ступень – Т=0, жизнь замрёт, и вся материя образует большой кристалл, в котором разнообразие форм будет сохранено, но заморожено в неактивном состоянии.

Весьма вероятно, что образование материи во Вселенной шло в соответствии со спуском по квантовой лестнице: от высокой энергии к низкой с добавлением нового качества на каждой ступени. На лестнице виден переход от хаоса к порядку, однообразия к разнообразию. Контраст с бесформенным хаосом, который существовал в начале, живо иллюстрирует присущую материи склонность к образованию качественно выделенных специфических форм. Чем ниже по квантовой лестнице, тем более выражена специфичность структур.

На лестнице видна и дискретность условий: исследуя атомы, мы не имеем дело с внутренней структурой ядер, изучая газ, нас не интересует строение атомов. Пока энергия мала части можно рассматривать как инертные объекты. Если БВ имел какое-то отношение к действительности, то некоторые из его ранних фаз могли произойти на самой последней ступени квантовой лестницы (Вайскопф 1977: 42-53).

Судя по современной скорости расширения Вселенной, оно началось примерно 12-15 млрд. лет назад. В фазе сверхрасширения, каждые 10^-34с. все области Вселенной удваивали свои размеры, процесс удвоения продолжался в геометрической прогрессии. Чрезвычайно быстрое и непрерывно ускоряющееся сверхрасширение (инфляция) и есть БВ. Когда инфляция иссякла, Вселенная стала чрезвычайно горячей из-за энергии вакуума. Состояние вакуума распалось, энергия высвободилась в виде излучения, которое и нагрело Вселенную до 10²⁷К. В момент БВ размеры Вселенной были равны нулю, а сама она была бесконечно горячей, но по мере расширения Т излучения понижалась (Гут, Стейнхардт 1984; Девис 1985: 41-45, 1989: 211-212; Хокинг 1990: 103).

Историю ранней Вселенной после инфляции характеризуют последовательностью эпох: эры Планка и великого объединения, адронная и лептонная, плазменная и современная.

¥ Самая ранняя эпоха Планка продолжалась 10^-43с., Т=10³²К, плотность[57] 10⁹⁷кг/м³ (через секунду плотность упала до 10 кг/см³). Вероятно, были значительными эффекты квантовой гравитации, флуктуации кривизны Пр-Вр. Вся наблюдаемая Вселенная была сосредоточена в пределах одной длины волны частицы. В этот момент Вселенная была меньше, чем атомное ядро, – она имела 10^-33см. в диаметре (Силк 1982: 112; Девис 1985: 44, 57-58).

¥ До 10^-32с. – эра великого объединения: Космос заполнен “супом” из странных, неведомых нам частиц (однообразные, не имеющие индивидуальных свойств), плотность “супа” 10⁷³кг/м³, Т=10²⁸К, свет не успел пройти и миллиардную долю поперечника протона. Сверхмассивные Х-частицы (двойки тяжёлых кварков) “супа” вызвали первую асимметрию вещество-антивещество – (10⁹+1):10⁹. Аннигиляция привела к крошечному остатку вещества и гамма-излучению, реликтовый фон которого сегодня равен 3К. Моделирование данной фазы основано на экспериментах и теории великого объединения (Девис 1989: 196-200).

¥ Следующая адронная эра (аннигиляция протон-антипротон) длится до 10^-3с. Падение Т вызывает фазовый переход, напоминающий замерзание воды и образование льда, столь же внезапно (через 10^-12с., Т=10¹⁶К, Вселенная сжата до размеров Солнечной системы) обретают индивидуальность кварки и лептоны, их античастицы и фотоны.

¥ Ещё одно нарушение симметрии: электромагнитное взаимодействие отделяется от слабого. Ещё один фазовый переход (спустя 10^-3с.): самоорганизуются субъядерные структуры, конгломерат быстро движущихся кварков конденсируется, образуя адроны (протоны, нейтроны, мезоны), объединения кварков попарно или по 3 (устойчивость субъядерных частиц достигалась за счёт энергии внутренних связей, сильных взаимодействий).

¥ Аннигиляция приводит к “исчезновению” античастиц и излучению – начинается лептонная эра, которая продолжалась до 1с. после инфляции, Т=10¹⁰К. Пр заполнено хаотически движущимися протонами и нейтронами (отбор на устойчивость 3-х кварковых частиц), электронами, нейтрино (лептонов во много раз больше, чем адронов) и тепловым излучением.

¥ Ранняя Вселенная расширялась очень быстро, через минуту Т упала до 10⁸К, спустя ещё несколько минут – ниже уровня, при котором возможны ядерные реакции (плазменная или радиационная эра). Начинается нуклеосинтез, синтез лёгких ядер Не (два протона и два нейтрона). Избыток протонов (ядер Н) привёл к образованию плазмы, состоявшей из 10% ядер Не и 90% ядер Н (Девис 1985: 41-46, 1989: 186-200).

¥ Далее космическая Э временно теряет свой импульс. Примерно 100 тыс. лет после БВ космическое вещество сохраняло форму разогретой плазмы в виде ионизированных Н и Не (Девис 1989:189).

¥ Через 10³лет начинается современная эпоха. Эра вещества: во Вселенной начинает доминировать вещество. Эпоха отделения излучения от вещества: через 300000 лет вещество разъединяется с излучением: Вселенная становится прозрачной.

¥ Через 1-2 млрд. лет в газовых облаках начинается процесс звёздообразования. Охлаждение, расширение, падение давления газа вводит в игру гравитацию на макроскопической ветви Э. Охлаждающийся газ образовывал сгустки-облака, области повышенной плотности, которые притягивали дополнительное вещество. Сила тяготения увеличивалась, газообразный Н сгущается и превращается в звёзды и галактики (Силк 1982: 75; Девис 1985: 46-47).

Именно гравитация отвечает за мезогранулярность Вселенной (планеты и планетные системы, звёзды и звёздные скопления, галактики и скопления галактик). Гравитация обусловила коэволюцию микро- и макрокосма в звёздах. В недрах звезд первого поколения из протонов синтезируется дейтерий (протон и нейтрон) с высвобождением энергии, реакции синтеза превращают дейтерий в Не, из лёгких ядер образуются тяжёлые ядра Li, С, О (Карпенков 1997:207).

Онтогенез звёзд заканчивается коллапсом центральных областей в чёрные дыры или нейтронные звёзды. Внешние области отрывались и уносились взрывом (сверхновой), выбрасывая в Пр следовые количества элементов, необходимых для образования планет, дальнейшей химической и биологической Э. Тяжёлые элементы появились в звёздах типа красных гигантов, жёлтые карлики типа нашего Солнца поддерживают своё состояние реакцией Н→Не. Звёзды этого типа не создают элементов тяжелее Не. В красных гигантах Н выгорает очень быстро, а тройки ядер Не образуют возбуждённое ядро С (Девис 1989: 188-189; Хокинг 1990: 105-106; Капра 1994: 172).

Более 5 млрд. лет назад начинается образование солнечной системы. Согласно современным представлениям, Солнце – звезда второго или третьего поколения, образовалось также из облака вращающегося газа. В течение десятков миллионов лет протосолнечная туманность существовала в виде обычного межзвёздного облака. Протосолнце образовалось в центре туманности, которая при сжатии поддерживалась вращением. Частицы пыли падали сквозь туманность и накапливались в тонком диске вещества. Диск, вследствие гравитационной неустойчивости, разбивался на протопланеты.

Небольшое количество более тяжёлых элементов, собравшись вместе, превратилось в планеты. Все планеты образовались за период Вр, не превышающий 100 млн. лет. При высоких Т, существовавших вблизи Солнца, могли сохраниться только жароустойчивые каменистые вещества, а во внешних областях могли в большом количестве конденсироваться вещества в форме льда. Таким образом, внутренние планеты оказались малыми по размеру и тяжёлыми, а внешние – большими и лёгкими.

Вследствие сжатия все орбиты планет лежат в экваториальной плоскости Солнца, и все планеты, за исключением Венеры и Марса, вращаются в том же направлении, что и Солнце. Все планеты не только обращаются вокруг Солнца, но практически все планеты вращаются вокруг собственной оси в том же направлении.

Внутренние планеты (Меркурий, Венера, Земля и Марс) представляют собой относительно небольшие, богатые металлами плотные тела, которые вращаются достаточно медленно и имеют мало спутников. Внешние, гигантские планеты (Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун) – это огромные, богатые Н системы, в основном имеющие много спутников. Самая дальняя планета – Плутон, находится на расстоянии 6090 млн. км. от Солнца, масса Плутона составляет 0,002 массы Земли (Силк 1982: 276-293).

Кратко современные представления о структуре, полях, ветре, активности Солнца изложены в статье В объятиях Солнца. Впервые в одноимённой книге в 1931 г. А.Л. Чижевский проследил влияние солнечной активности на биологические и социальные явления (Чижевский 1995; Петрукович, Зелёный 2001).

Земля образовалась около 5 млрд. лет назад. Тела, из которых образовались планеты, сталкивались друг с другом, образуя Землю, при ударах расплавлялись, формируя горячее расплавленное ядро. Высокая Т внутреннего ядра поддерживалась благодаря радиоактивному распаду тяжёлых ядер. Земля до сих пор имеет жидкое ядро. Сначала Земля была горячей и не имела атмосферы. Далее Земля остывала, из горных пород выделялся газ, формировалась ранняя атмосфера и океаны. Первичная атмосфера состояла из водородных газов: аммиака, метана и водяного пара (Силк 1982: 294-295; Назаретян 1991: 74).

Условия, сложившиеся более 4-х млрд. лет назад на Земле, положили начало новому этапу УИ. Оказалась ли наша планета единственной и первой точкой жизни, разума Вселенной? Или одной из множества МВ, в которых могли возникнуть иные формы жизни?

4.3 Проблемы современной космологии