развивающаяся вселенная

Р.Е.РОВИНСКИЙ
Сегодня позитивное
познание вещей
отождествляется
с изучением их развития.
П.Тейяр де Шарден.
РАЗВИВАЮЩАЯСЯ ВСЕЛЕННАЯ
Дополненное издание.
2007 г.
ОТ АВТОРА
За 10 лет после выхода в Москве первого издания предлагаемой читателю
книги многое изменилось в научном видении нашего Мира, в научном мировоззрении. Частично пробел в отражении произошедших изменениях устранен во
втором издании, вышедшем в 2001 году в Иерусалиме. За прошедшие годы автором получены многочисленные положительные отзывы о книге, что стимулирует сделать еѐ доступной для российского читателя и издать дополненный еѐ
вариант в Москве.
Вселенная намного сложнее наших представлений о ней, которые далеки от
законченности. В данной книге автор в форме, доступной для широкого круга
читателей, рассказывает о научной картине Мира сегодняшнего дня, о сформировавшейся на ее основе современной научной концепции развития Природы.
Охвачен широкий круг явлений – от микромира до вещественной Вселенной и
человеческого общества. Выясняется, что мы живем в развивающемся Мире, в
котором господствует недавно открытая субстанция невещественного характера.
Скорее всего, эта субстанция является базовой основой Мегамира. Изучавшаяся
до сих пор астрономами и астрофизиками вещественная Вселенная представляется производной от этой базовой формы материи, а процесс ее развития носит
направленный характер – от исходного относительно «простого» состояния к
нарастающей сложности и упорядоченности. Вещественная Вселенная предстает
как самоорганизующаяся система, и появление на определенном этапе ее развития жизни и разума не может рассматриваться как случайность. Перед наукой
ближайшего будущего встает проблема выяснения роли жизни и разума в процессе развития Вселенной.
DEVELOPING UNIVERSE
By Reomar E. Rovinsky
Copyright ©2007 R.E. Rovinsky
All rights reserved including the right of reproduction in whole or in
part in any form and the right of using of the principal idea for mass
For information write
To Reomar E. Rovinsky
E-mail: [email protected]
2
ОГЛАВЛЕНИЕ
1.
Основы естественнонаучной концепции развития
1.1. Человек в развивающемся мире . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4
1.2. Три кита, на которых стоит новая космология . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5
1.3. Что же такое самоорганизация материи? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . 14
1.4. Рождение нового научного направления . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
2. Самоорганизация вещества в ранней Вселенной
2.1. Гипотезы о начале вещественной Вселенной. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
2.2. Научные представления о строении вещества в сжатом изложении . . . . . . . . . . . . 28
2.3.Самоорганизуемость микромира в ранней Вселенной . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
2.4.Завершение раннего периода развития Вселенной . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
3.Структурная самоорганизация Вселенной
и ее составных частей
3.1.Формирование структур как этап самоорганизации Вселенной . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
3.2.Тяжелые элементы - зола ядерных костров . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
50
3.3.Солнечная система - малая часть звездной пыли . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
53
3.4.Земля среди планет . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
63
3.5.Оболочки Земли . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
3.6.От химической эволюции к биохимической эволюции . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
80
3.7.Биосфера и феномен человека . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
89
3.8.От биосферы к ноосфере?. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
97
4.Естественнонаучная концепция развития
и антропный принцип
4.1 Развитие и информация . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
4.2. Феномен "тонкой подстройки. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104
4.3..Антропный принцип. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
107
Литература . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110
3
1.ОСНОВЫ ЕСТЕСТВЕННОНАУЧНОЙ КОНЦЕПЦИИ РАЗВИТИЯ
1.1 Человек в развивающемся мире
Из всех обитающих на Земле живых существ только человек, захваченный картиной
звездного ночного неба, способен оценить красоту открывающегося его взору зрелища, ощутить желание познать устройство Мира и глубоко задуматься о своем предназначении в нем.
Более того, с незапамятных времен у людей укоренилась глубокая убежденность, что их
жизнь, складывающаяся из повседневных житейских забот, как-то связана со звездами, планетами и всем тем бескрайним простором, который называют Вселенной. В представлениях об
устройстве Вселенной человек ищет ответ на вечный вопрос о смысле своего существования и
его духовное развитие во многом определяется такими представлениями.
Знания людей обо всем, что их окружает, концентрируются и обобщаются наукой. И
именно она в основном формирует наши представления о Мире и действующих в нем законах. По мере накопления и углубления знаний менялась и рисуемая наукой картина мира. Со
временем первоначальный примитивизм такой картины сменялся все более сложной моделью
и этот процесс далек от завершения. В истории современной науки отмечают несколько
звездных моментов, характеризовавшихся переходами к принципиально новому видению мира. Последняя по времени кардинальная перестройка научной картины мира произошла в XX
столетии, и она на протяжении жизни одного-двух поколений ученых полностью поменяла
многие казавшиеся ранее незыблемыми убеждения.
В конце 20-х годов ХХ века выдающийся ученый и мыслитель Владимир Иванович Вернадский писал [1]: «Мы переживаем коренную ломку научного мировоззрения, происходящую в течение жизни ныне живущих поколений, переживаем создание огромных новых областей знания, расширяющее научно охватываемый космос конца прошлого века, и в его пространстве, и в его времени, до неузнаваемости переживаем изменение научной методики,
идущее с быстротой, какую мы напрасно стали бы искать в сохранившихся летописях и в записях мировой науки».
Поскольку единое Знание пока остается раздробленным на отдельные научные дисциплины, процесс ломки старого научного мировоззрения предстает как серия научных революций,
совершающихся в каждой из таких дисциплин. Вот краткий перечень подобных событий.
На рубеже XIX - XX веков началась революция в физике, вызванная новыми знаниями о
строении вещества, необычными с точки зрения классической физики законами микромира,
новыми представлениями о свойствах пространства и времени и многим другим, что составило содержание современной физики. Внедрение новых идей и представлений в науку и в сознание людей не закончилось и сегодня. Революция в физике – лишь звено в происходящем
преобразовании единого знания.
В начале 20-х годов открытие расширения Вселенной, конечного времени ее существования, и историчности развития вызвало революционные изменения в космологии с далеко
идущими последствиями. Вместо прежней Стационарной Вселенной, не способной к прогрессивному развитию, появилась Развивающаяся Вселенная, обладающая огромным разнообразием свойств и возможностей. Благодаря этому изменилось понимание наукой окружающего
нас Мира и нашего места в нем.
В начале 30-х годов появились признаки наступления новых времен и в науках о Земле –
геологии, геофизике, физике атмосферы, океанологии и других. Кульминация решительного
обновления научных представлений о Земле и ее оболочках, включая внешнюю оболочку,
называемую биосферой, наступила совсем недавно, в 60-х - 70-х годах. Новые данные о динамике развития недр планеты, ее суши, гидросферы и атмосферы сформировали представления
о Земле как о целостной системе, естественном теле, в своем развитии следующем как законам внешней среды – Космоса и Солнечной системы, так и своим автономным внутренним
законам.
Наконец, в последние 4 десятилетия прошлого века проявились в полную силу революционные перемены в биологических науках. Они вызваны, с одной стороны, фундаментальными
открытиями в области генетики, молекулярной биологии, новым пониманием законов развития организмов и их сообществ, а также осознанием того, что жизнь на Земле предстает, по
словам В.И.Вернадского, как геологическое явление, тесно связанное с общим процессом развития планеты, и образует системный объект, называемый биосферой.
Новая научная картина мира складывается под влиянием всех перечисленных дисциплин,
но особая роль принадлежит здесь космологии, которая формирует наиболее общие представления о Мире. Замена представлений о стационарности Вселенной представлениями о ее динамичном развитии вызвала еще одно важное следствие, а именно, рождение нового естественнонаучного представления о развитии Природы и ее составных частей.
Термин научная картина Мира, возможно, вызывает невольную ассоциацию с огромным
холстом, на котором художник (ученый) изобразил каждый из множества предметов на своем
месте, объединив детали общим сюжетом. Но намного точнее отражает ситуацию аналогия
научной картины с кинолентой, проекция которой дает представление не просто о движении,
но об историческом развитии сюжета во времени. Продолжая эту аналогию, приходится отметить, что каждый кадр нашей киноленты имеет дефекты в виде пробелов, а иные кадры и
вовсе туманны. Дефекты вызваны неполнотой и несовершенством сегодняшних наших знаний. Можно надеяться, что по мере развития науки кадры будут проясняться, хотя не исключено, что возникнет необходимость замены отдельных кадров и целых эпизодов.
При всем несовершенстве сегодняшней киноленты с запечатленной на ней картиной Мира,
ее просмотр оставляет сильное впечатление. Вырисовывается единство Вселенной и ее составных частей, выявляется цельная естественнонаучная концепция развития Природы. Ее не
следует путать с философскими концепциями развития, которых может быть одновременно
несколько и каждая противопоставляется всем другим. Естественнонаучная концепция развития – это прямой продукт достигнутого на данный момент времени уровня научного знания и
степени его обобщения, она изменяется с изменением последних. Так, наука XIX века сформировала концепцию развития, близкую философской метафизической концепции. В наш век
формируется концепция развития, которой близки диалектические представления о развитии
материи. Философские проблемы развития Природы подробно обсуждаются профессиональными философами и в данной книге они не затрагиваются.
Цель данной книги – на основе просмотра сюжетных ключевых моментов киноленты
под названием Современная научная картина Мира помочь читателю выяснить, что заставляет нас отказаться от эволюционистских представлений недавнего прошлого и каковы основополагающие положения новой естественнонаучной концепции развития.
1.2. Три кита, на которых стоит новая космология.
К концу XIX века сложилась концепция развития Мира, опиравшаяся на космологические
представления того времени и на представления, выработанные, в частности, в рамках двух
научных дисциплин, оказавших глубокое воздействие на научное мышление не только недавнего прошлого, но частично и наших дней. Имеются в виду классическая термодинамика и
статистическая физика. В основе концепции лежали следующие положения.
Вселенная бесконечна в пространстве и во времени, к ней в целом, видимо, приложимы
законы классической термодинамики, согласно которым ее базовым состоянием следует считать состояние термодинамического равновесия (ТДР). Это самое простое из всех возможных
состояний системы, не обменивающейся с окружающей средой ни энергией, ни веществом.
Такие системы называют изолированными. ТДР характеризуется полным отсутствием упорядоченности, выражаясь житейским языком – это хаос. Наблюдаемая упорядоченность Вселенной наших дней возникла случайно, в результате непредсказуемого возмущения какой-то
части хаоса. Такие возмущения называют флуктуациями. В результате появляется та или иная
степень упорядоченности в этой части пространства. Если флуктуация гигантская, то упорядоченность может достигнуть высокого уровня, появляются галактики, звезды, планетные
системы, то есть наблюдаемые астрономами крайне неравновесные образования с заметной
организацией структур. Вероятность столь сильной флуктуации крайне мала, но при беско5
нечном времени существования Вселенной есть шанс на ее реализацию. Еще менее вероятное
событие, – флуктуация, породившая на планете Земля жизнь. Феномен жизни почти невероятен и потому противоестественен. Будучи изолированной системой, земная жизнь – явление
преходящее, не связанное с процессами, протекающими в Космосе и в Солнечной системе.
Такими представлялись Вселенная и наше появление в ней ученым в конце XIX – начале ХХ
веков.
Судьба любой флуктуации в изолированной системе предопределена: случайно возникшая
упорядоченность неизбежно разрушится в ходе возвращения системы в базовое состояние, к
ТДР. При этом высшие формы энергии деградируют, превращаясь в тепло, которое рассеивается. Обобщение подобных представлений на Вселенную приводит к заключению, что ее будущее – это тепловая смерть.
На таких представлениях науки прошлого века была построена стационарная модель Вселенной, просуществовавшая до конца 20-х годов XX века. Развитие такой Вселенной и составляющих ее частей – это однонаправленный процесс деградации, разрушения случайно возникшей упорядоченности на пути возврата к исходному базовому состоянию. Развитие любой
изолированной системы – это ее последовательное разрушение. Стационарная модель Вселенной содержит следствие морально-этического плана: раз жизнь – случайное явление в
Природе, то отрицается смысл человеческого существования в ней (в философском плане).
Научные открытия XX века привели к отказу от стационарной модели, вместо нее возникла модель динамичной, развивающейся Вселенной, имеющей начало, прошлое, настоящее и
будущее. Иначе говоря, Вселенная имеет историю. Человечество, пока единственный известный нам носитель Разума, существует в этой истории столь короткое время и занимает столь
ничтожное пространство в объеме Вселенной, что ему физически не дано увидеть даже самый
незначительный эпизод этой истории. Подобно фотовспышке, наши прямые наблюдения выхватывают лишь ничтожное мгновение, в котором Вселенная кажется застывшей в неподвижности. Главная задача новой космологии состоит в том, чтобы создать надежный метод
реконструкции прошлого Вселенной на основе ее современного состояния. Без этого нельзя
построить динамичную модель. На что же может опереться наука сегодняшнего дня при проведении столь масштабных реконструкционных работ?
Подобно тому, как Мир в некоторых древнейших мифах стоял, опираясь на трех китов,
новейшая космология стоит на трех мощных опорах. Первая из них – наблюдательные данные
астрономии и астрофизики, вторая опора – Общая теория относительности (ОТО), третья –
физика высоких энергий, в частности Теория великого объединения.
Важнейшим вкладом наблюдательной астрономии в космологические представления сегодняшнего дня следует считать открытие в конце ХХ века существования господствующей в
нашем мире субстанции, получившей название темной энергии. Открытие возникло в ходе
проводившихся астрономами оценочных измерений масс различных галактик.
Существует два способа таких измерений. Во-первых, оценивается суммарная масса составляющих галактику звезд, к этой массе добавляются оценки масс газовых и пылевых облаков и таких объектов, как предполагаемые черные дыры и остатки потухших звезд определенного класса, так называемых темных карликов. Другой способ, получивший название определения динамической массы, состоит в измерении силы притяжения галактики путем определения скорости движения звезд или газовых облаков на ее периферии. К удивлению исследователей динамическая масса оказалась в 10 раз больше, чем масса, оцененная по подсчету суммарной массы вещественных объектов. У каждого способа существует своя погрешность измерений, но не в такой же степени! Тем более, что никаких видимых или регистрируемых другими способами проявлений таинственной субстанции (кроме гравитации) на периферии галактик не обнаруживали. Для примера ограничусь приведением нескольких сообщений из большого количества имеющихся публикаций о подобном открытии.
В 1933 году известный астроном Цвики сообщил о возможном существовании во Вселенной «темной материи», но тогда на это сообщение не обратили внимания.
В 1986 году в [2] сообщалось как об установленном факте, что как эллиптические, так и
спиральные галактики окружены гало из невидимой материи, и масса таких гало примерно в
6
10 раз превышает собственную массу самих галактик. В масштабе групп и скоплений галактик динамическая масса также в 10 раз превышает массу видимых объектов. Остается неясным, какие частицы или объекты формируют эту скрытую массу.
В 1990 году в [3] опубликованы результаты, полученные итальянскими астрофизиками,
исследовавшими ближайшую к нам галактику в созвездии Андромеды. Выяснилось, что в
пределах 16 килопарсек измеренная масса остается примерно равной содержащейся там массе
звезд. Но в сфере диаметром 26 килопарсек, то есть на периферии галактики, масса возрастает
в 10 раз, хотя в промежутке между сферами звезды практически отсутствуют. Вывод: вся гигантская добавочная масса связана с темным гало непонятной природы.
В ноябре 1993 года в обсерватории Ла Силла (Чили) была завершена работа по определению динамической массы у гигантской эллиптической галактики NGC 1399, находящейся на
расстоянии 50 миллионов световых лет от нас [4]. Оцененная масса галактики оказалась в 10
раз больше суммарной массы всех ее звезд.
Космологическая наука внезапно столкнулась с ситуацией, которую невозможно игнорировать, но пока она не в состоянии ее разрешить. До сих пор астрономия в основном изучала
вещественную часть Вселенной, то есть ту ее часть, в основе которой находятся три класса
элементарных частиц: класс кварков, класс лептонов и класс бозонов. Для этих целей был
создан могучий астрономический инструментарий – оптические и радиотелескопы, тончайшие приборы, способные регистрировать и исследовать приходящие из космоса излучения и
корпускулярные частицы, а в последние десятилетия появились искусственные спутники Земли, способные выводить в космическое пространство все типы таких инструментов, что резко
расширило астрономические возможности. Однако вдруг выяснилось, что вещество – это небольшая часть Вселенной, всего порядка 5% тяготеющей ее массы. И непонятно, сможет ли
существующий могучий инструментарий обеспечить проникновение в суть материи, которая
составляет господствующую часть нашего Мира (95% тяготеющей массы). Не удивительно,
что некоторые специалисты пессимистически изрекают: «Темные составляющие Вселенной –
величайшая загадка современной космологии».
Предпринимаются попытки дать хотя бы общие объяснения явлений, с которыми мы
столкнулись, опирающиеся на научные знания сегодняшнего дня. Достаточно ли таких знаний
для решения столь непростой задачи? Возможности для этого ограничены. Тем не менее, обратим внимание на то, что сегодня можно рассматривать, как вполне допустимые предположения.
Возникает предположение, что, по крайней мере, часть темной материи все-таки является
вещественной, но скрытой от наблюдательных возможностей. Для такого допущения есть основания. Прежде всего, речь идет о лептонных частицах нейтрино, образующихся в огромных
количествах в процессах, главным образом связанных со слабыми взаимодействиями. Лишь в
последние годы появились косвенные данные о том, что эти частицы обладают небольшой
массой, примерно в 500 тысяч раз меньшей массы электрона. По оценкам концентрация нейтрино в космосе достигает от 200 до 500 частиц в кубическом сантиметре. Это на десятки порядков больше, чем концентрации барионных частиц – протонов и нейтронов. Поэтому в целом суммарная масса нейтрино в космосе оказывается вполне заметной, по разным оценкам
она составляет от 0,5 до 16% тяготеющей массы Вселенной. Сильный разброс в оценках связан с тем, что пока точно определить массу нейтрино не удалось. Далее без серьезных обоснований предполагается, что вместе с нейтрино субстанция, получившая название «темной материи», также может иметь вещественную основу и, исходя из не вполне понятных предпосылок, ее тяготеющая масса оценивается в 20% и даже более.
По публикуемым данным для выяснения подлинной природы темной материи возник российско-итальянский проект «Рим – Памела». В основе проекта – созданный в России уникальный летный образец спектрометра, получивший название «Памела». Прибор будет выведен в космос на космическом аппарате «Ресурс ДК-1», где сможет проникнуть в мир темной
материи путем измерения массы частиц, если этот мир состоит из элементарных частиц. В
проекте кроме России и Италии участвуют Германия и Швеция. Но даже если выяснится ве-
7
щественная природа темной материи, остается не менее 70% субстанции явно невещественной природы. Эта субстанция получила название темной энергии. Именно она доминирует во
Вселенной [5].
Обращает на себя внимание, что эта господствующая во Вселенной субстанция реагирует
с веществом только через гравитационные взаимодействия, и пока никаких других связей не
обнаружено. Возникает предположение, что природа этой субстанции отлична от вещественной. Это не должно нас удивлять, ведь давно изучаемая субстанция, названная физическим
вакуумом, также проявляет признаки невещественной природы. Это выражается, в частности,
в том, что излучения и вещественные тела проходят через такую среду, не испытывая заметных физических воздействий. Но на микроуровне именно вакуум взаимодействует с элементарными частицами, снабжая их массой и определяя характер их взаимодействия между собой.
Без сомнения природа, как вещества, так и вакуума, материальна. Но философский термин
«материя» носит слишком абстрактный характер. Еще Аристотель утверждал, что в реальном
мире материя неразрывно связана с формой своего существования. В нашем мире явно различаются две такие формы – вещество и физический вакуум. Свойства темной энергии, насколько можно судить по их проявлениям, таковы, что дают основания для отнесения ее к той
же форме, к которой относится физический вакуум. Более того, допустимы обобщающие
предположения, что темная энергия является составной частью физического вакуума
В этой связи допустимо предположить, что существует некое общее понятие термина
«Вселенная», включающее все известные и, возможно, пока неизвестные формы материи. В
рамках такой Вселенной существует небольшая, но очень важная ее часть, которую можно
назвать вещественной Вселенной. А в целом вырисовывается некая иерархия уровней, проявляющаяся во Вселенной. Существует базовый уровень, состоящий из господствующей субстанции, названной темной энергией. Можно предполагать, что от этого уровня исходят все
выше лежащие уровни. С этих уровней начинается вещественная составляющая Вселенной.
Это уровень Микромира, за ним идет уровень Макромира (зона нашего существования), за
которым следует уровень Мегамира с неопределенной верхней границей. Каждый последующий уровень иерархии опирается на нижележащие уровни. Особая роль в таком построении
принадлежит базовому уровню, таинственной темной энергии
В современных представлениях Мегамир – это галактики, их скопления и сверхскопления.
Масштаб сверхскоплений порядка 100 мегапарсек (Мпс)*. Новейшие данные указывают на то,
что это гигантское образование обнаруживает ячеистую структуру. Пока еще не все ясно в
получаемой картине, но возникает убеждение, что Вселенная не есть случайное хаотическое
скопление отдельных частей, а нечто цельное в структурном плане. Масштаб скопления галактик порядка 10 Мпс. Затем идут галактики с масштабом порядка 30 килопарсек (кпс), далее, составляющие галактики звезды. Диаметры звезд меняются от десятка километров в случае нейтронных звезд до десятков и даже сотен миллионов километров в случае звездгигантов (например, таких как Бетельгейзе). Звезды – это как бы атомы дискретной структуры Мегамира. Существуют более крупные образования типа газовых и пылевых туманностей и более мелкие структурные единицы, известные пока что в своих локальных формах,
составляющих Солнечную систему (планеты, астероиды, кометы и другие небесные тела).
Они дополняют эту далекую от завершения классификацию.
В 20-х годах XX века было установлено, что многочисленные наблюдаемые астрономами
небольшие слабо светящиеся расплывчатые туманности на самом деле представляют собой
гигантские звездные скопления, удаленные от нас на огромные расстояния. Эти звездные системы назвали галактиками.
Физики знают, что нагретые атомы химических элементов излучают свет, который, если
разложить его по длинам волн с помощью спектрографа, предстает в виде отдельных разно*
1 парсек (пс) равен 3,26 световых лет или 3,0861013 км1
8
цветных линий, разделенных темными промежутками. Расположение таких линий по длинам
волн у каждого элемента является строго индивидуальным, что позволяет по расположению
линий в спектре определить сам излучающий элемент. Благодаря этому астрофизикам удается
определить химический состав звездных атмосфер и любых светящихся туманностей.
Приступив к изучению химического состава галактик по излучаемым спектрам, астрономы
с удивлением обнаружили, что расположение спектральных линий по длинам волн ни на что
не похоже. Напрашивалось предположение, что весь удаленный от нас мир состоит из неведомых химических элементов. Но загадка разрешилась просто: хорошо знакомые серии линий
(например, водорода) оказались сдвинутыми как одно целое в длинноволновую сторону, в
сторону, занимаемую красными линиями. Отсюда и название – красное смещение. Одновременный сдвиг всех спектральных линий в сторону длинных волн объясняется оптическим эффектом Доплера, возникающим при удалении светящегося объекта от наблюдателя. Такой
сдвиг тем сильнее, чем выше скорость удаления. Известный американский астрофизик Хаббл
(в его честь назван крупнейший телескоп, выведенный на околоземную орбиту) обобщил к
1929 году многочисленные астрономические данные такого рода и пришел к выводу, что галактики разбегаются равномерно во все стороны, а это означает, что вещественная Вселенная в целом расширяется. Это стало революционным открытием века, положившим начало
кардинальным изменениям наших представлений об устройстве Вселенной.
Среди знаменательных астрономических открытий конца ХХ века необходимо отметить
наблюдательное подтверждение существования в Природе, помимо сил гравитационного притяжения тел, обладающих массами, сил отталкивания. Носителем таких сил считают физический вакуум, получивший название антигравитирующего вакуума. Из предположения, что
темная энергия является важнейшей составляющей вакуумной субстанции, следует, что силы
отталкивания имеют непосредственное отношение к этой субстанции.
Идею о существовании во Вселенной сил отталкивания впервые высказал Эйнштейн в
1917 году, когда он решил распространить уравнения общей теории относительности (ОТО)
на стационарную Вселенную. Только при таком допущении удалось решить проблему совмещения стационарности с существованием сил гравитационного притяжения. Тяготение, как
известно, проявляет себя как однополярное явление. В отличие, например, от электричества
или магнетизма, гравитация создает только притяжение, но не создает эффектов отталкивания. От гравитации невозможно защититься никакими известными нам экранами. Априори
ясно, что в мире, где господствует тяготение, стационарность невозможна. Гравитация не позволит звездам, галактикам и любым другим объектам Вселенной оставаться в неподвижности
на своих исходных местах.
В уравнения своей теории Эйнштейн ввел константу , названную космологической постоянной, учитывавшую интенсивность антигравитирующего отталкивания. Эта постоянная
равнялась мизерной величине, несоизмеримой с постоянной тяготения G. Но ускорение, сообщаемое телам под действием силы отталкивания, растет пропорционально расстоянию, в то
время как ускорение под действием сил притяжения уменьшается обратно пропорционально
квадрату расстояния. Поэтому на расстояниях, превышающих примерно один миллиард световых лет, силы отталкивания должны выделяться среди сил притяжения.
В результате открытия расширения Вселенной большинство космологов предпочло похоронить идею антигравитирующего вакуума и считать в уравнениях нестационарной Вселенной космологическую постоянную равной нулю. Однако эта идея была отвергнута не всеми.
Начиная с 30-х годов прошлого века периодически на научных конференциях и в физических
журналах возникали обсуждения тех последствий для Вселенной, которые вытекают из предположений об отличии космологической постоянной от нуля.
Сомнения по этому поводу разрешились в 1988 году, когда две независимые группы исследователей опубликовали результаты своих многолетних исследований взрывающихся в
разных галактиках звезд типа Сверхновые 1. Группу, работавшую в США, возглавлял профессор Саул Перлмутер, а работавшую в Австралии – профессор Бриан Шмидт. Взрыв Сверхновой – это окончание жизненного пути звезды, масса которой в несколько раз превышает массу
9
Солнца. После взрыва возникает остаточная нейтронная звезда, которую также называют
пульсаром. В момент максимального блеска Сверхновой ее светимость в десять миллиардов
раз превышает светимость Солнца. Светимостью звезды называют энергию, которую она излучает во всем диапазоне электромагнитных волн за одну секунду. При такой светимости
Сверхновая обнаруживает себя даже в отдаленных галактиках, находящихся на периферии
видимой Вселенной. Сегодня известно, что взрывы Сверхновых – достаточно редкое явление.
В одной галактике такое событие в среднем происходит один раз за 360 лет. Но галактик
очень много, и при нынешних инструментальных возможностях в год удается зафиксировать
до 20 таких событий.
Важная особенность Сверхновой 1 состоит в том, что ее светимость в максимуме и в последующее время практически идентична у всех таких звезд. Это позволяет непосредственно
определить ее абсолютную светимость. Сравнение абсолютной светимости с относительной
светимостью, измеренной на входе телескопа, позволяет определить расстояние до звезды, а
тем самым и расстояние до галактики, в которой она взорвалась. Такое определение расстояния не связано с привлечением тех или иных модельных представлений.
Другой способ определить расстояние до галактики – измерить в ее излучении красное
смещение в сериях линий, испускаемых определенными атомами и молекулами, например,
водородом или гелием. Красное смещение – это результат оптического эффекта Доплера, возникающий при удалении галактики от наблюдателя. По величине смещения определяется
скорость удаления. Существует эмпирический закон Хаббла, утверждающий, что расстояние
до удаляющейся галактики пропорционально ее скорости. Но эмпирический закон Хаббла
прямо связан с моделью Вселенной, в которой космологическая постоянная равна нулю. Если
во всех случаях расстояния до удаляющихся галактик, измеренные обоими способами, совпадут между собой, то это означает, что  = 0, и об антигравитирующем вакууме следует забыть. Но подобные совпадения наблюдаются у сравнительно близких галактик, то есть в области, где силы отталкивания теряются на фоне более могучих сил притяжения. Что же касается периферийных галактик, расстояния до которых превышает примерно миллиард световых лет, то, как показали обе группы исследователей, расстояния до Сверхновых в таких галактиках превышает расстояние, определенное по закону Хаббла. Периферийные галактики
убегают ускоренно, что доказывает наличие сил отталкивания. Тем самым можно считать установленным, что космологическая постоянная равна небольшой положительной величине.
Существование в Природе, наряду с гравитационным притяжением, сил отталкивания
имеет огромное значения для космологии. За такими силами вырисовывается некий источник
мощнейшей энергии, о наличии которого наука подозревала, но ничего конкретного до этого
не знала. Благодаря таким силам естественным образом удается объяснить природу первотолчка, приведшего к возникновению вещественной части Вселенной, что рассматривается в
инфляционной теории, предполагающей описание самой начальной фазы процесса, предшествовавшего тому, что получило название Большого Взрыва. Ускоренное движение периферийных галактик дает основание для предположений о далеком будущем Вселенной. Некоторыми теоретиками уже сегодня выдвигаются идеи о Большом Разрыве, завершающем историю, начавшуюся Большим Взрывом. И во всем этом вырисовывается тесная взаимосвязь открытия сил отталкивания с открытием темной энергии. В таких представлениях темная энергия предстает тем, что, по определению П.Дэвиса [22], можно назвать «суперсилой», достаточной для создания вещественной Вселенной, наделения ее веществом, светом, энергией и
придания ей наблюдаемой структуры.
Существующая космологическая парадигма остается справедливой лишь для вещественной части Вселенной. Но отсутствует общая космологическая парадигма для Вселенной в целом, и она сможет сформироваться только в результате существенного возрастания научного
уровня понимания последних астрономических открытий, а также возможных в будущем новых, не менее значимых открытий.
В дальнейшем изложении ограничусь тем, что напрямую относится к вещественной Вселенной, которая для краткости будет пониматься под термином Вселенная. Наблюдательные
10
данные астрономии и астрофизики дают немало сведений, необходимых как для построения
модели Развивающейся Вселенной, так и для проверки ее справедливости. Об этом речь впереди. Но на одном наблюдательном материале невозможно представить себе прошлое состояние Вселенной. Необходимы надежные знания о гравитации и ее законах, так как гравитация
тормозит разбегание галактик, необходимо также разобраться в силах, сообщивших галактикам начальную скорость движения и нужную для этого энергию. Современной ступенью
таких знаний стала разработанная в 1915 году Альбертом Эйнштейном Общая теория относительности. Со школьной скамьи нас знакомят с более ранней теорией – с классической теорией тяготения Исаака Ньютона. В ней на основании наблюдательных данных устанавливается,
что между любыми двумя телами действует сила взаимного притяжения (тяготения), пропорциональная произведению масс взаимодействующих тел и обратно пропорциональная квадрату расстояния между ними. Классическая теория тяготения позволяет с высокой точностью
вычислять взаимные перемещения двух тяготеющих тел, если скорость их движения много
меньше скорости распространения света.
Но в рамках классической теории тяготения решить задачу о гравитационном взаимодействии многих тел удается лишь в некоторых частных случаях. Например, в Солнечной системе очень массивное центральное тело, Солнце, на долю которого приходится ~99% всей массы системы, взаимодействует с каждой из планет, комет и другими небесными телами, массы
которых на несколько порядков меньше солнечной, так, как будто других участников не существует. С каждым из своих подданных Солнце без помех осуществляет парное взаимодействие. Влияние же подданных друг на друга на фоне такого взаимодействия выглядит
как слабое возмущение, учитываемое в форме поправки к основному взаимодействию. Соответствующие расчетные методы составляют предмет классической небесной механики, основанной на ньютоновской теории тяготения.
Классическую небесную механику, блестяще проявившую себя в масштабе Солнечной
системы, невозможно распространить на Вселенную. Дело здесь не только в великом множестве взаимодействующих массивных систем, а в качественно новой ситуации. Представления
классической теории тяготения опираются на постулат, что пространство и время – это независимые фундаментальные физические понятия, существующие вне связи с веществом. Тяготение определяется силой, которая мгновенно распространяет свое действие на любые тела,
обладающие массами. Теория Эйнштейна вносит два принципиальных новшества в классические представления. Известно, что масса тела выступает в двух обличиях. Она либо представляет собой меру притяжения телом других тел (масса тяготения), либо ее следует рассматривать как меру противодействия тела силе, сообщающей ему ускорение (масса инерции). Еще в
XIX веке обратили внимание на тот факт, что величины этих двух масс у одного тела одни и
те же. Классическая теория не могла объяснить этот факт, и совпадение сочли случайным.
Эйнштейн исходил из того, что обе массы эквивалентны, это два проявления одного феномена. Утверждение об эквивалентности массы тяготения и инерционной массы означает, что
эффекты гравитации и ускоренного движения неразличимы. Отсюда напрашивается вывод,
что тяготение – это кажущаяся сила, и эффект тяготения можно создавать или устранять выбором соответствующей системы отсчета. Вывод подтверждается нашим опытом. Мы знаем,
что при тренировках космонавтов эффект невесомости на время создается внутри самолета,
движущегося по соответственно выбранной траектории его «падения» к Земле. Гравитация
как бы исчезает. И наоборот, при ускорении самолета пилот и пассажиры ощущают увеличение своего веса. Перегрузка, в зависимости от величины ускорения, может быть сколь угодно
большой.
Второе новшество состоит в том, что теория Эйнштейна рассматривает пространство и
время как единый четырехмерный континуум, геометрические свойства которого определяются наличным веществом. Массивное вещество искривляет пространство-время, а радиус
кривизны оказывается обратно пропорциональным корню квадратному из плотности массы. В
таком пространстве прямая линия не является кратчайшим расстоянием между двумя точками, а траектории световых лучей и движущихся частиц становятся криволинейными. То, что
11
мы считаем силой, вызывающей эффект гравитации, является всего лишь проявлением особенностей геометрических свойств пространства–времени. Тяготение – это следствие геометрических свойств пространственно-временного континуума вблизи массивных тел. Новая гравитационная теория, опирающаяся на такие представления, позволяет математически описать
динамику и геометрию любых систем в зависимости от плотности и распределения вещества
в них. В том числе это можно сделать и для такой системы, как Вселенная, если только определены ее исходные данные.
Дальнейшее развитие событий протекало так. В 1922-1923 годах петербургский ученый
А.А. Фридман получил выдающийся результат, по достоинству оцененный не сразу и не всеми. Он получил нестационарное решение уравнений ОТО применительно к Вселенной, не
прибегая к дополнительным постулатам. В последующем выяснилось, что только нестационарное решение устойчиво. Это означало, что Вселенная может либо расширяться, либо сжиматься, но не может пребывать в неподвижности. После небольшого спора с автором нестационарного решения, Эйнштейн публично признал, что математически все безупречно и остается выяснить, имеет ли такое решение физический смысл. Когда же через семь лет после этого Э.Хаббл объяснил наблюдаемое красное смещение в спектрах галактик расширением Вселенной, физический смысл решения был определен, а в сознание людей начало проникать понимание того, что мы живем в развивающемся Мире. Из наблюдательных данных Хаббл вывел названный его именем закон, связывающий скорость v удаления галактики от наблюдателя с расстоянием до нее R: v = HR. Коэффициент пропорциональности Н получил название
постоянной Хаббла, его размерность [км/(сМпс)]. При этом размерность скорости км/с, а расстояния – Мпс. Значение Н определяется на основе наблюдательных данных.
Нестационарное решение уравнений ОТО для Вселенной позволило обратить время назад,
прокрутить киноленту в обратном направлении – от Вселенной сегодняшнего дня к ее далекому прошлому. Теоретический экскурс в прошлое показал, что расширение началось много
миллиардов лет назад из одной точки, в которой первоначально концентрировалось все вещество. В математической интерпретации точка не имеет размера и, следовательно, плотность
вещества в ней должна быть бесконечно большой. Точка, в которой физический или математический параметр обращается в бесконечность, называют сингулярностью. В данном случае
сингулярность выступает как начало Вселенной, она получила название космологической
сингулярности. К этому феномену мы вернемся позже. Но независимо от того, идет ли речь о
космологической сингулярности как о физической реальности или она есть продукт неоправданной математической экстраполяции ОТО на область, в которой ее исходные уравнения не
работают, расширение Вселенной началось из особого состояния. В этом состоянии свойства
вещества и связанного с ним пространственно-временного континуума были совсем иными,
чем в современной Вселенной. В исходном состоянии должны были возникнуть могучие силы, произведшие некий взрыв и сообщившие веществу огромную кинетическую энергию,
разорвавшую цепи гравитации. Только так можно понять наблюдаемое расширение вещества
Вселенной в наши дни.
Нестационарное решение уравнений ОТО предсказывает три возможных варианта ее динамического развития из исходной сингулярности. Выбор конкретного варианта определяется
начальными условиями, в первую очередь отношением кинетической энергии разлетающихся
частиц вещества к гравитационной энергии, стремящейся затормозить разлет до полной остановки с последующим возвратом частиц в исходное положение. Так и произойдет, если гравитационная энергия превысит кинетическую. Для наблюдателя момент перехода от расширения к сжатию будет отмечен сменой в спектрах галактик красного смещения на синее смещение, то есть на сдвиг линий химических элементов в сторону более коротких длин волн.
Вселенную такого типа назвали закрытой. Если же кинетическая энергия будет преобладать
над гравитационной, то разлет никогда не будет остановлен. Это  Вселенная открытого типа.
Наконец, в граничном случае, при точном равенстве энергий обоих видов, расширение не
прекратится, но его скорость будет стремиться к нулю и через несколько десятков миллиардов
лет наступит квазистационарное состояние.
12
Кинетическая энергия вещества в единичном объеме при прочих равных условиях пропорциональна плотности вещества . Гравитационная энергия в таком объеме также пропорциональна плотности вещества . В конкретной ситуации
R
равенство гравитационной и кинетической энергий имеет
 k  1 место только при вполне определенном значении плотности, называемом критической плотностью: к=1,61033 Н2
 k  1 г/см3, где Н – постоянная Хаббла. В современной Вселенной наиболее вероятное значение Н~55км/(сМпс) и если
реальная плотность вещества во Вселенной  больше кри k  1 тической плотности к, то гравитационная энергия превысит кинетическую. Соответствующее условие записываетtp
tb
tc
ся так: к  1, это условие реализации закрытой Всеt
ленной. Если же реальная плотность вещества меньше
Рис. 1.1. Зависимость радиуса
критической, то преобладает кинетическая энергия, граВселенной R от времени t после
витация не сможет остановить разлет частиц и реализуетначала расширения: tp - современся открытая Вселенная. Условие запишется так: к  1.
ный момент времени; tb - момент
Наконец, в граничном случае, когда к 1 наша Вселеностановки расширения открытой
ная станет со временем квазистационарной. Три возможВселенной и перехода к ее сжатию;
tc - момент возврата в точку/
сингуных варианта развития Вселенной представлены на граk>1
лярности.
t
фике рис.1.1. Возникает естественный вопрос: какой из
трех вариантов реализуется во Вселенной? Ответ на него
остается за наблюдательной астрономией. Она должна оценить среднюю плотность вещества
в современной Вселенной и уточнить значение постоянной Хаббла, определяемое данными
наблюдений. Достаточно надежные оценки этих величин пока отсутствуют. Современные
данные создают впечатление, что средняя плотность тяготеющих масс во Вселенной близка к
критическому значению, она либо немного больше, либо немного меньше критической плотности к. Однако, от этого немного зависит будущее Вселенной, правда, весьма отдаленное
будущее. Остается добавить, что в последние годы разрабатываются модели ранней Вселенной, из которых следует, что в начальный момент ее возникновения существовало точное равенство значений кинетической и гравитационной энергий, то есть выполнялось равенство
к = 1. Если будет получено подтверждение такого допущения, то разрешатся многие фундаментальные затруднения космологии в вопросе о ранней Вселенной.
Постоянная Хаббла позволяет оценить время tp от начала расширения до наших дней. Для
этого можно воспользоваться простым приближенным соотношением: tp = 31019H. Если в
формулу подставляется Н в единицах км(Мпсс), то время выразится в секундах. Считая Н
постоянной, не меняющейся со временем, в пределах существующего разброса в оценках этой
величины время существования Вселенной определяется интервалом от 12 до 18 миллиардов
лет. Наиболее вероятный возраст Вселенной полагают равным 15 миллиардам лет, но появляются данные, говорящие о том, что возраст на самом деле не менее 20 миллиардов лет. Эти
данные обсудим позже.
Расширением вещества не исчерпываются важнейшие процессы, которые необходимо
учитывать при создании модели динамичной Вселенной. Возникают, по меньшей мере, еще
две проблемы. Прежде всего – проблема начала, ставящая ряд трудных вопросов: каким было
исходное состояние Мира перед взрывом, каков механизм взрыва, откуда получена необходимая энергия и как она передана веществу, что было с пространственно-временным континуумом в экстремальных условиях начала и другие. Рассмотрение наукой этих вопросов
пока находится на уровне гипотез. История самого раннего периода расширяющейся Вселенной наиболее уязвима для критики.
Другая проблема состоит в том, что вещество в начальный период расширения было совсем не таким, как в наше время. Согласно наиболее продвинутой гипотезе горячей Вселенной предполагается, что вначале появился сгусток очень плотного и очень горячего вещества, сосредоточенного в области с предельно малыми размерами. Температура частиц в сгустке
13
оценивается фантастически высоким значением порядка 1028 К при предельной плотности
вещества 1094 г см3. Такие условия невоспроизводимы в земных лабораториях, они не встречаются и в известных астрономам космических объектах. Самая высокая температура в недрах наиболее горячих стабильных звезд порядка 109 К, а самые высокие плотности вещества
(в недрах нейтронных звезд) достигают 1015 гсм3. Эти сами по себе внушительные цифры, не
идут ни в какое сравнение с тем, что предполагается в концепции горячей Вселенной в качестве ее исходных параметров. Состояние вещества в таких условиях кардинально отличается
от современного, микромир оказывается представленным своими простейшими формами, которые назовем протовеществом. По мере расширения Вселенной снижались температура и
плотность сгустка, что сопровождалось преобразованием исходных форм вещества во все более сложные. Подобные процессы трансформации вещества одних форм в другие в зависимости от состояния среды, изучаются разделом науки, называемым Физикой высоких энергий.
Уровень знаний в этой дисциплине обеспечивает возможность обоснования соответствующей
части модели расширяющейся Вселенной и ее следует считать еще одним, третьим китом
космологии. Преобразование вещества из одних форм в другие происходит при точно известных значениях двух параметров сгустка – температуры (она же служит мерой кинетической
энергии частиц) и плотности. Теория определяет закон снижения со временем этих параметров в ранней Вселенной. В определенные моменты времени температура и плотность расширяющегося вещества достигали критических значений, при этом совершались преобразования
вещества. Характерная особенность трансформации: чем ниже температура, тем появлялись
все более сложные формы вещества, тем в большей степени нарастала упорядоченность систем. Это позволяет говорить о направленности процесса развития Вселенной. В частности, раз
общим направлением эволюции Мира является движение по восходящей, а не по нисходящей
линии, как считалось раньше, то материи должна быть присуща не только разрушительная, но
и созидательная тенденция.
Современная наука сумела установить существо и механизм действия созидательной тенденции, и произошло это на наших глазах, во второй половине ХХ века. В основе созидательной тенденции лежит способность материи к самоорганизации.
1.3. Что же такое самоорганизация материи?
Под влиянием величайших научных открытий ко второй половине ХХ века возникла новая ситуация, заставившая пересмотреть ряд, казалось бы, основополагающих мировоззренческих представлений недавнего прошлого, занимавших относительно стабильное положение в
науке на протяжении значительной части его первой половины.
Классическая физика ввела понятие об обратимости основных физических законов. Крайним выражением этого понятия стал лапласовский детерминизм, согласно которому знание
некоторых начальных условий любой развивающейся системы позволяет определить как все
ее прошлые состояния, так и предсказать все будущие состояния. Оставалось непонятным, как
при этом могут существовать необратимые процессы, «стрела времени», то есть однонаправленное во времени развитие событий, как в таких условиях в принципе может возникать новое
в мире.
Термодинамика, в противовес классической динамической физике, признала необратимость существующей реальностью, а вторым началом закреплялось реальное существование
стрелы времени. Противоречие двух мировоззренческих представлений удалось устранить ко
второй половине ХХ века. В классической физике произошло освобождение от таких предпосылок, как понятие обратимости во времени фундаментальных законов, как детерминистический характер динамических процессов и линейный характер подавляющего большинства
протекающих в природе процессов. На смену пришло понимание, что при определенных условиях в Мире господствуют нелинейные, необратимые процессы, обеспечивающие возможность спонтанного возникновения новых типов структур в сильно неравновесных условиях, в
результате чего возникает возможность перехода от беспорядка к нарастающему порядку [6].
14
Здесь речь не идет об отмене законов классической физики, они остаются неприкосновенными в той области, которой ограничивается их применимость. Меняются мировоззренческие
представления, касающиеся процессов развития открытых неравновесных систем.
Но и термодинамика к этому времени претерпела серьезные изменения. Эта наука изучает
процессы преобразования одних видов энергии в другие, что сопровождается совершением
работы. Раздел, получивший название равновесной или классической термодинамики, изучал
подобные процессы, происходящие в изолированных системах, не обменивающихся с внешней средой энергией и/или веществом, и находящихся при этом в состояниях, близких к равновесным. Каждый акт совершения внутри системы работы сопровождался необратимыми
потерями части энергии, превращавшейся в тепло, равномерно рассеивавшегося в системе.
При отсутствии притока энергии извне система вынужденно деградировала, достигая, в конечном счете, состояния полного термодинамического равновесия, самого простого состояния
конкретной системы. На пути к термодинамическому равновесию в системе разрушалась всякая упорядоченность, всякая структурная организованность. Термодинамическое равновесие
характеризуется полным отсутствием упорядоченности в нем.
Классическая термодинамика утвердила в науке представление о единственном пути развития подобных систем, деструктивном пути, завершающимся «тепловой смертью» системы.
Ко второй половине ХХ века выяснилось, что все разномасштабные развивающиеся системы,
изучаемые в разных научных дисциплинах, являются открытыми неравновесными системами.
Это означает, что все такие системы в той или иной степени взаимодействуют с внешней средой, обмениваясь с ней энергией и/или веществом. В нашем Мире не встречаются изолированные системы, такие представления есть идеализация, допустимая в случаях, когда взаимодействие реальной системы с окружающей средой настолько слабое, что в первом приближении им можно пренебречь. Большинство сложных развивающихся систем далеки от таких допущений, к ним неприменимы представления классической термодинамики. Пригожиным и
руководимой им брюссельской школой термодинамики были разработаны основы нового раздела этой дисциплины, получившего название неравновесной термодинамики.
Не меньшее влияние на мировоззрение недавнего прошлого оказала статистическая физика, опирающаяся на атомно-молекулярную модель строения вещества. Любое макротело состоит из огромного множества микрочастиц. Предсказать поведение каждой частицы в сообществе невозможно, но при статистическом подходе удается выяснить точные законы, определяющие свойства и параметры макротела как целого. Например, статистическое рассмотрение хаотичного движения микрочастиц газа в замкнутом объеме позволяет определить основные макропараметры газа, такие как температура, давление, теплопроводность, теплоемкость,
вязкость и некоторые другие. Статистическая физика приучила считать Мир состоящим из
квазиизолированных макросистем, взаимодействием которых с окружением можно пренебречь, и она же прочно внедрила в сознание ученых представление о статистическом характере
основных физических законов.
Интересно проследить на одном примере, как новое знание начало менять установившиеся
классические представления термодинамики и статистической физики. В 1944 году выдающийся физик-теоретик Эрвин Шредингер, находившийся в годы войны в Англии, издал там
маленькую книжку под названием Что такое жизнь с точки зрения физики?. В русском переводе книга появилась несколько позже [7]. Книга вызвала большой интерес в научных кругах. Считают, что она дала начало формированию новой научной дисциплине на стыке физики и биологии – биофизике. Автор анализирует причины, по которым феномен жизни противоречит господствующим физическим представлениям, сформировавшимся еще в XIX веке.
Суть противоречия сформулирована в книге так:
Невероятно маленькие группы атомов, слишком малые, чтобы они могли проявить точные статистические законы, играют главенствующую роль в весьма упорядоченных и закономерных явлениях внутри живого организма. Законы физики, как мы их знаем, это статистические законы. Они связаны с естественной тенденцией вещей переходить к неупорядоченности
15
<. . .> Жизнь представляет собой упорядоченное и закономерное поведение материи, основанное не только на одной тенденции переходить от упорядоченности к неупорядоченности,
но частично и на существовании упорядоченности, которая поддерживается все время.
В этом ключевом высказывании обращают на себя внимание три момента. Первый момент, жизнь противоречит сложившемуся в XIX веке представлению о единственности “естественной” тенденции развития – возврату системы со случайно возникшей в ней упорядоченностью к исходному хаосу. Второй момент, жизнь разрушает рожденный классической статистической физикой постулат о господстве в макромире статистических законов. Так, важнейшие жизненные процессы, обеспечивающие высочайшую организованность живых систем
любой степени сложности, управляются сравнительно небольшими группами молекул, не
подпадающими под действие законов больших чисел, иначе говоря, статистических законов.
Третий момент, Шредингер даже не ставит вопрос, как могли возникнуть столь высокие
уровни упорядоченности вещества в мире, где господствует однонаправленное деградационное развитие? Он только констатирует способность биоорганизмов поддерживать как-то достигнутый ими высокий уровень организованности вопреки тенденции к деградации.
Высказанные Шредингером идеи были восприняты научным сообществом. Но создалась
любопытная ситуация: за живым веществом признавалась способность проявлять как тенденцию к разрушению упорядоченности, так и тенденцию к ее сохранению. А за неживой
природой по-прежнему признавалась только одна тенденция – неизбежное разрушение любой упорядоченности, возникающей в результате случайных отклонений от состояния равновесности. И лишь сравнительно недавно вдруг стало ясно, что тенденция к созиданию, к
переходу из менее в более упорядоченные состояния, то есть самоорганизация, присуща неживой природе в той же мере, что и живой. Для ее проявления нужны лишь подходящие
условия.
В биологии появление дарвиновского учения прочно ввело в обиход представление о существовании процессов развития живых организмов. Это было выдающееся достижение. Механизм биологической эволюции базировался на известной дарвиновской триаде: изменчивость – наследственность – естественный отбор. Основной силой, способной рождать новое,
стали считать естественный отбор, действие которого даже пытались распространить далеко
за пределы биологической науки. При этом культивировалось представление о том, что законы биологического развития принципиально отличаются от законов развития неорганических
систем. Но в свете новых открытий ко второй половине ХХ века исходная теория Дарвина
претерпела изменения, ее заменила так называемая синтетическая теория биологической эволюции. В ней учтены новые представления об изменчивости и наследственности, но сохранено представление о плавном характере развития, способном создавать качественно новые состояния биологических систем путем накопления последовательных мелких изменений. Сохранено также представление о естественном отборе, как главной движущей силе биологической эволюции. Вопреки таким утверждениям высказывается мнение, что современные научные открытия меняют подобные представления. Полагают, что естественный отбор обеспечивает популяции адаптацию к среде обитания, однако он не занимает ведущего положения в
процессах, сопровождающихся качественными изменениями объектов. Иначе говоря, естественный отбор не способен создавать принципиально новое, например, создавать новые виды.
Принципиально новое в биологии возникает так же, как и в неорганических развивающихся
системах, то есть не плавно, а скачкообразно, в кризисные этапы развития. Создается убеждение о единстве законов развития сложных систем как в органическом, так и в неорганическом
мирах.
Решающую роль в наступивших переменах играет открытие в 70-х годах явления, получившего название самоорганизации материи. Это понятие означает экспериментально открытую способность материи в определенных условиях осуществлять созидательные процессы,
повышающие степень организованности развивающейся системы. Утверждение о существо-
16
вании в природе созидательных процессов высказывалось задолго до указанного открытия, но
теперь удалось понять механизмы, которые реализуют способность материи осуществлять
созидательную деятельность. Отсюда более узкое понимание термина самоорганизация,
предполагающее описание самого процесса перехода системы из менее в более организованное состояние. Следовательно, самоорганизация проявляет себя лишь в условиях, когда осуществляются подобные качественные переходы. Для пояснения сказанного полезно рассмотреть общие закономерности развития сложных систем.
Различают два последовательных этапа в их развитии. Первый этап стационарен, на всем
его протяжении возникающие изменения не носят качественного характера, не меняют его
устойчивого протекания. Эволюционный процесс жестко детерминирован и в принципе предсказуем. Чтобы добиться такого состояния, требуется, чтобы в системе протекали определенные внутренние и внешние взаимодействия, обеспечивающие сохранение устойчивого внутреннего равновесия при сильной неравновесности системы относительно окружающей среды.
Например, любой живой организм в принципе неравновесен по отношению к окружающей
среде, но при этом на стационарном этапе развития сохраняет внутреннее устойчивое равновесие. Такое состояние обеспечивается протеканием внутри организма определенного комплекса биохимических реакций при активном обмене энергией и веществом с окружающей
средой. Для биологических систем такие взаимодействия называют гомеостазом. В случае
развивающихся неорганических систем внутреннее равновесие поддерживается либо постоянной выработкой энергии внутри системы, либо постоянным притоком необходимой энергии
извне. Примером первого случая служит стационарная звезда, устойчиво сохраняющая внутреннее равновесие благодаря протеканию ядерных реакций, сопровождающихся выделением
необходимого количества энергии. Такая внутренняя деятельности устанавливает равновесие
между стремлением к сжатию массы звезды под действием сил гравитации, и стремлением
расшириться под действием давления, создаваемого выделяющейся энергией. Один из многочисленных примеров второго случая – лазер, стационарно испускающий высокоорганизованное оптическое излучение при постоянной его накачке энергией от внешнего источника питания. Самоорганизации нечего делать на стационарном этапе развития, она там не проявляется.
Но под влиянием внешних воздействий, или в результате развития внутренних противоречий стационарное состояние рано или поздно заканчивается, система достигает состояния
крайней внутренней неравновесности, в ней начинаются внутренние перестройки, она теряет
устойчивость. Наступает кризис, из которого необходим выход в одно из возможных устойчивых состояний. Это и есть второй этап развития. Параметры системы, при которых возникает кризис, называют критическим этапом развития. На этом этапе совершается переход в
качественно новое состояние одним из двух способов: либо деструктивным путем, разрушающим упорядоченную систему, либо конструктивным путем перехода в устойчивое состояние с более высоким уровнем организации, чем в предшествующем стационарном состоянии. Затем начинается новый стационарный этап развития качественно видоизмененной
системы вплоть до следующей критической точки.
Потенциально возможное раздвоение выхода системы из кризисного состояния (деструктивное или конструктивное) привело к введению в оборот понятия «точки бифуркации». В
синергетике смысл такого понятия несколько иной по сравнению с принятым в литературе его
математизированным определением. В Нобелевской лекции И. Пригожин так определил синергетическое представление о бифуркации:
«Обнаружение феномена бифуркации ввело в физику элемент исторического подхода.
<…> Любое описание системы, претерпевшей бифуркацию, требует включения, как вероятностных представлений, так и детерминизма. Находясь между двумя точками бифуркации,
17
система развивается закономерно, тогда как вблизи точек бифуркации существенную роль
играют флуктуации, которые и определяют какой из ветвей кривой будет далее определяться
поведение системы» [8].
Речь идет о том, что на кризисном этапе развития системы заканчивается однозначный
эволюционный путь, характерный для ее предыдущего стационарного этапа. Возникает несколько ветвей потенциально возможных продолжений развития после выхода из кризиса.
Количество таких переходов определяется особенностями развивающейся системы и условиями ее взаимодействия с внешней средой. «Выбор» одной из таких ветвей определяется
воздействием на систему одной из возникающих в этот период времени флуктуаций.
Что же происходит на этапе бифуркации, как протекают процессы перехода в качественно
новые состояния исторически развивающейся системы?
В том, как протекают такие переходные процессы, не всѐ до конца ясно. В случае сложных
систем решающее значение имеет их открытость, взаимодействие с внешней средой, откуда
поступает энергия и/или вещество, обеспечивающие выход из состояния кризиса. Из классической термодинамики известно, что при отсутствии такого взаимодействия (изолированные
системы) любые процессы преобразования одних видов энергии в другие, сопровождаемые
совершением работы, завершаются необратимыми переходами части участвующей энергии в
тепло, которое равномерно рассеивается внутри системы. Необратимые потери энергии создают увеличение неупорядоченности, численно характеризуемое увеличением энтропии. Так
что в изолированных системах неизбежен исторический процесс производства энтропии
вплоть до достижения ею максимального значения в состоянии термодинамического равновесия, которое является самым простым состоянием данной системы.
В открытой системе, попавшей в кризисную ситуацию, при наличии внешнего источника
энергии в систему осуществляется приток свежей энергии. Если величина поступающей энергии не превысит потерь энергии внутри системы, то выход из кризиса произойдет деструктивным путем, путем частичного или полного разрушения упорядоченного состояния системы. Деструктивный путь выхода из кризиса реализуется механизмами достижения равновесных состояний. Переход неравновесной системы в некоторое промежуточное равновесное
состояние сопровождается ростом энтропии, что означает снижение уровня организованности. При деструктивном выходе из кризиса нередко наблюдается однозначность перехода.
Например, после выработки в недрах звезды ядерного горючего катастрофический ее переход
в качественно новое состояние однозначно определяется исходной массой. В новом облике
белого карлика или нейтронной звезды достигается неустойчивое состояние внутреннего равновесия при более низком уровне организованности, чем в исходном стационарном состоянии. Другой пример: любой многоклеточный организм, исчерпавший свои жизненные возможности, завершает жизненный путь летальным выходом из кризиса, достижением полного
равновесия с окружающей средой.
Неожиданностью для ученых стало открытие конструктивного пути выхода системы из
кризиса. Существование такого пути означает, что материи изначально присуща не только
разрушительная тенденция развития, но также созидательная тенденция, без которой невозможно объяснить возникновение нового в этом мире. И если механизм деструктивной тенденции развития заложен в стремлении систем к достижению равновесия, то самоорганизация
предстает в качестве физической основы механизма созидания. Основное условие для проявления самоорганизации – поступающая извне энергия должна уверенно перекрывать протекающую в системе диссипацию энергии. Это необходимое, но недостаточное условие для
конструктивного выхода из кризиса.
Выход из кризисного этапа считается конструктивным, если система приобретает качественно новое состояние с более высоким уровнем организации, чем до ее вступления в этап
бифуркации. Такой переход может протекать в форме гигантской коллективной флуктуации,
во время которой элементы системы, до того проявлявшие лишь способность к хаотическим
18
близкодействиям, вдруг обретают способность к дальнодействиям, объединяющую элементы
в единый когерентный коллектив. Отсюда следует, что существуют ситуации, в которых проявляются коллективные действия элементов сложных систем, приводящие к возникновению
новых качественных состояний с повышением уровня организованности. Ничего подобного
прежняя наука не знала. Пригожин образно расценивает ситуацию так [19]: «Можно сказать,
что в равновесии материя слепа, а вне равновесия прозревает». К смыслу слова «прозревает»
мы еще вернемся.
Гигантская коллективная флуктуация, входящая в понятие самоорганизации как один из
существующих механизмов рождения нового, не является единственной флуктуацией, возникающей на кризисном этапе развития системы. Естественный вопрос – откуда берутся и что
собой представляют иные флуктуации?
Значительная часть спонтанно возникающих флуктуаций вносится в систему извне. Многие такие флуктуации статистически обосновываются и носят вероятностный характер. Их
выявление требует конкретного рассмотрения в каждом отдельном случае. Например, закономерный процесс биологического развития сложного организма может прерываться болезнью или несчастным случаем. Возможность заболевания, а также возможность того или иного
исхода конкретного заболевания, как и возможность несчастного случая и его последствий,
поддаются статистической обработке и определяются вероятностно. Такие флуктуации создают кризисный этап исторического развития организма, выход из которого рассматривается
как проявление случайности. Наряду с этим кризисные этапы развития могут возникнуть из-за
неизвестных науке одноразовых флуктуаций, вызывающих особые формы выхода из кризиса.
Такие флуктуации не носят вероятностного характера, и их появление создает состояние неопределенности выхода, который невозможно оценить вероятностными понятиями. Соответственно и выход системы из кризиса носит неопределенный, непредсказуемый характер.
Разветвление эволюционных путей в кризисных точках развития, случайный или неопределенный характер «выбора» послекризисного пути дальнейшего развития, исключают возможность точного предсказания будущего системы на основании тенденций, наблюдаемых на
предшествовавшем стационарном этапе [9,10].
В своей совокупности новые мировоззренческие представления в науке позволяют решить
старый спор о становлении нового в Мире в пользу существования процессов, в которых возникают качественно новые объекты и состояния [11]. Так что в широком смысле этого понятия самоорганизация выступает, как присущее материи свойство осуществлять созидательные
процессы в Мире.
1.4. Рождение нового научного направления.
Открытие кризисного этапа развития сложных систем, на котором совершаются переходы
в качественно новые состояния, открытие явления самоорганизации материи, благодаря которому в Природе рождается новое, – все это заставляет серьезно исследовать, что и как происходит в кризисных ситуациях. Так в семидесятых годах прошлого века была осознана необходимость появления нового научного направления, целью которого становится изучение разнообразных переходов систем в качественно новые состояния, и, в частности, изучения феномена самоорганизации материи.
Провозвестниками такого научного направления стала появившиеся в 1977 году книга
Г.Хакена под названием «Синергетика» [12], и вышедшая несколько раньше книга руководителя брюссельской школы термодинамики И. Пригожина [13], в которой излагались основы
неравновесной термодинамики. Пока наиболее употребительным названием нового направления стало заглавие книги Хакена Синергетика. Через шесть лет, когда работы в новом направлении уже приняли широкий размах, появилась статья Данилова Ю.А. и Кадомцева Б.Б. под
названием «Что такое синергетика» [14]. Авторы определили синергетику как одно из возможных обозначений некоей «Х-науки», для которой пока еще нет установившегося названия.
Эта наука занимается исследованием процессов самоорганизации, а также процессов образо-
19
вания, поддержания и распада структур в системах, природа которых изучается в различных
научных дисциплинах. По словам авторов [14], необходимость такой науки давно назрела, но
она пока делает первые шаги, в ней еще не выработана единая общепризнанная терминология,
отсутствует единая теория, она «существует сразу в нескольких вариантах, отличающихся не
только названиями, но и степенью общности и акцентами в интересах».
С тех пор прошло более 30 лет, но то основное, что сказано в [14] в отношении незавершенности и проблем синергетики, можно повторить и сегодня. Наряду с положительными
результатами активно ведущихся исследований продолжаются споры вокруг многочисленных
проблем и трудностей нового научного направления. Диапазон споров широк, от отрицания
синергетики как науки, от нежелания признавать универсальный характер ее подходов, ее
междисциплинарности, до утверждений о бесплодности попыток ее практических приложений. Последние утверждения, как правило, вызваны неправомерными попытками приложить
далекую от завершения Х-науку к задачам биологии и социологии. Вместе с тем наблюдается
широкий интерес к синергетике не только со стороны представителей естественных наук, но
также и со стороны гуманитариев. Интерес вызывается тем, что «Х-наука» в перспективе
обещает создание универсальной теории, описывающей переходы любых развивающихся
систем в качественно новые состояния, определяющие возникновение нового в мире.
В начале 70-х годов выяснилось, что все разномасштабные самоорганизующиеся системы
независимо от того, каким разделом науки они изучаются, будь то физика, химия, биология
или социальные науки, реализуют одинаковый способ перехода в более сложные и более упорядоченные состояния. Тем самым открывается возможность единого теоретического описания подобных процессов во времени и в пространстве. Тогда же наметились три разных подхода к описанию переходного скачка от исходного неустойчивого состояния системы к устойчивому качественно новому ее состоянию. Это разрабатываемая Г.Хакеном Синергетика
(синергизм буквально переводится как совместное действие), Термодинамика неравновесных
процессов, созданная под руководством И.Пригожина, и Математическая теория катастроф,
основатель – французский математик Р.Том.
В предисловии к своей основополагающей книге «Синергетика» Г.Хакен так определил
предмет разрабатываемой им теории: Синергетика занимается изучением систем, состоящих
из многих подсистем самой различной природы, таких как электроны, атомы, молекулы, клетки, нейроны, механические элементы, фотоны, органы животных и даже люди <...> Мы сосредоточим внимание на тех ситуациях, когда структуры возникают в результате самоорганизации, и попытаемся выяснить, какие причины управляют процессами самоорганизации безотносительно к природе подсистем. [12].
Синергетика рассматривает возникновение упорядоченных макроструктур как рождение
коллективных типов поведения огромного числа входящих в макроструктуру элементов. Такие типы поведения, называемые модами, появляются под действием флуктуаций в момент
потери макросистемой устойчивости. Они конкурируют между собой, и выживает форма,
наиболее приспособленная к внешним условиям. Можно сказать, - отмечает Хакен, - что в
определенном смысле мы приходим к своего рода обобщенному дарвинизму, действие которого распространяется не только на органический, но и на неорганический мир [12]. Это высказывание Хакена навеяно традиционной убежденностью многих людей науки в универсальном характере дарвиновских представлений об эволюции. Но такое утверждение, как было
сказано выше, неправомерно.
В точных науках теоретический подход к любому новому явлению считается состоявшимся, если удается создать математический аппарат, способный адекватно отобразить главные
закономерности изучаемого феномена. В случае синергетики следует обеспечить математическое описание поведения открытых систем при потере ими устойчивости и скачкообразном
переходе в качественно новое устойчивое состояние. Такая задача осложняется тем обстоятельством, что скачок – это крайне нелинейный процесс, при котором малые изменения
управляющих параметров вызывают очень сильные изменения состояния системы, ее переход
в новое качество. Здесь напрашивается аналогия с фазовыми переходами, ведущими к изме-
20
нению агрегатного состояния вещества. Процесс перехода начинается при незначительном
изменении управляющего параметра вблизи от критической точки. Классическая физика, как
правило, стремится иметь дело с плавными, линейными процессами, для описания которых
отработан надежный математический аппарат. При слабой нелинейности удается использовать тот же линейный аппарат с поправками на нелинейность. Процессы переходов систем в
качественно новые состояния не укладываются в такие рамки, они требуют использования
сугубо нелинейного математического аппарата, который в готовом виде отсутствует.
В рамках Синергетики Хакен разработал такой аппарат в виде системы нелинейных дифференциальных уравнений, названных им эволюционными уравнениями. Они учитывают
роль внешних факторов, толкающих систему к переходу в качественно новое состояние, это
потоки энергии и вещества, и роль случайных, непредсказуемых факторов, определяющих
выбор одного из возможных устойчивых конечных состояний. Математический аппарат
теории очень сложен и пользование им сопряжено с большими и не всегда преодолимыми
трудностями.
Первоначально сферой приложения Синергетики была квантовая электроника и радиофизика, области узкопрофессиональных интересов Хакена. Поэтому в качестве примера самоорганизации выберем объект, изучаемый этими дисциплинами, а именно, лазер. Этот квантовый
прибор, получивший в последние десятилетия широкую известность, создает высокоорганизованное оптическое излучение. Особенность квантового прибора состоит в том, что процесс
самоорганизации реализуется в нем на уровне микромира. Само название прибора представляет собой аббревиатуру полного английского наименования, содержащего два ключевых понятия, определяющих принцип его действия: вынужденное излучение и усиление света.
В самом начале ХХ века наука открыла для себя новый мир – мир микрочастиц и протекающих в этом мире процессов. Одним из следствий прорыва в новую область знания явилось
понимание глубинных механизмов поглощения и излучения света вещественными средами.
Активными участниками таких процессов выступают атомы, молекулы и ионы, а сами процессы протекают при обменах строго определенными порциями энергий (квантами энергии)
между микрочастицами, включая в их число частицы света – фотоны. При определенных условиях атом (молекула, ион) способен получить определенную дозу энергии в процессе взаимодействия с другими микрочастицами, что переводит его в возбужденное состояние. Такое
состояние неустойчиво, и через небольшой промежуток времени, определяемый вероятностно, атом освобождается от лишней энергии, испуская фотон. Такой процесс называют спонтанным излучением возбужденного атома. В вещественной среде, содержащей большое количество возбужденных атомов, спонтанные фотоны излучаются в случайных направлениях, со
случайными фазами и в определенных пределах с разными длинами волн.
Характерный пример используемого спонтанного излучения – традиционные источники
света – лампы накаливания и более современные газоразрядные лампы. Во время работы они
пребывают в состоянии, близком к равновесному, а в таком состоянии для самоорганизации
нет места. Нагретая до высокой температуры нить накаливания или нагретый электрическим
разрядом газ содержат большое количество возбужденных атомов (молекул, ионов). Степень
возбуждения частиц различна, соответственно они непредсказуемо (спонтанно) излучают фотоны во всех направлениях с различными длинами волн. Уровень организации подобных сред
низкий, упорядоченность излучаемого света мала.
Но в 1907 году Альберт Эйнштейн теоретически установил существование другого вида
излучения, названного вынужденным излучением. Вскоре этот вывод получил экспериментальное подтверждение. Вынужденное излучение возникает, когда вблизи возбужденного
атома (молекулы, иона) пролетает фотон определенной длины волны. Между фотоном и
внешним электроном возбужденного атома возникает взаимодействие волнового характера. В
результате возбужденный атом вынужденно испускает фотон с той же частотой, с той же фазой и поляризацией, как и у фотона-инициатора, и такой фотон-близнец движется по направлению движения исходного фотона.
До открытия вынужденного излучения ученые знали, что прохождение светового луча через оптическую среду сопровождается только процессами поглощения и рассеяния. Всегда
21
интенсивность луча на выходе из оптической среды оказывается меньше его интенсивности
на входе в эту среду. Никому не удавалось наблюдать в природе процесс усиления проходящего через среду света. С открытием вынужденного излучения выяснилось, что существует
принципиальная возможность усиления светового луча, но для этого в среде, через которую
проходит луч, должно господствовать вынужденное излучение. Между тем во всех наблюдаемых на Земле естественных оптических средах их состояния близки к равновесным, а в
условиях равновесности вынужденное излучение составляет незначительную добавку к спонтанному излучению, которое господствует. Из сказанного следует вывод, что усиление света
может происходить только в сильно неравновесной оптической среде, в которой к тому же
выполняются особые требования к свойствам частиц, составляющих эту среду. Такие требования селектируют отбор вещества, при прохождении через который можно ожидать усиление света.
В 1948 году профессор В.А. Фабрикант совместно со своей аспиранткой Ф.А. Бутаевой
создал специальную газоразрядную установку, в которой были выполнены условия, необходимые для получения состояния среды с господством вынужденного излучения на определенной длине волны. На установке впервые было получено усиление проходящего через эту среду монохроматичного светового луча, что продемонстрировало возможность создания квантовых приборов, усиливающих монохроматичный свет. Чтобы усилитель электромагнитных
волн превратить в генератор таких волн, необходимо осуществить в системе обратную положительную связь. Это удалось сделать в 1960 году Мейману, поместившему твердотельную
оптическую среду в оптический резонатор, в простейшем случае представляющий два плоскопараллельных зеркала, между которыми такая среда располагалась.
Отсюда началась эпоха создания оптических квантовых приборов, в которых активную лазерную среду, состоящую из специально подобранных атомов, молекул или ионов, приводят в
состояние сильной неравновесности направленным введением специально организованного
потока энергии (накачка лазера). В таком состоянии становится возможным избирательное
возбуждение активной лазерной среды до строго определенного уровня. Как только превышается пороговое значение лазерной накачки, в подготовленной среде лавинообразно нарастает вынужденное, а не спонтанное, излучение на строго определенной длине волны. Тогда
скачком возникает лазерная генерация узконаправленного почти монохроматичного луча, яркость которого на генерируемой длине волны в миллионы раз превышает яркость любого традиционного источника света. Лазерная генерация есть результат самоорганизации активной
среды при выполнении трех перечисленных выше условий: открытости системы, снабжаемой
извне энергией, ее крайней неравновесности и превышения порога вводимой в среду энергии.
Другой подход к математическому описанию физических процессов, сопровождаемых разрывами функций (скачками), разработал Р.Том, использовавший топологическую теорию динамических систем. Им созданы основы теории, получившей название теории катастроф. Существенный вклад в последующее развитие этой теории сделал В.И.Арнольд, благодаря чему
стали возможными некоторые важные ее практические приложения. Содержание теории и
практические приложения изложены в книге Арнольда [15], предназначенной для нематематиков. Катастрофами называют скачкообразные переходы, возникающие в виде внезапного
ответа системы на плавное изменение внешних условий. Соответственно, теория катастроф
дает универсальный метод исследования любых скачкообразных переходов, разрывов, внезапных качественных изменений. Самоорганизация – это одно из типичных проявлений подобных событий. Сегодня теория катастроф успешно решает задачи, связанные с определением предельной прочности конструкций, с протеканием циклических химических реакций типа
реакций Белоусова – Жаботинского, с поведением волновых фронтов. Однако, серьезные
трудности возникают при попытках приложения этой теории к биологическим объектам и
социальному сообществу людей. Перспективы теории на будущее в [16] оцениваются так:
“В непосредственном будущем лишь физические науки извлекут из нее (из теории катастроф, Р.Р.) действительную выгоду, поскольку они имеют дело с «простыми» системами, в
крайнем случае, со «статистически простыми» системами неорганизованной сложности. Организованная сложность биологии представляется наиболее вероятным объектом изучения на
22
следующем, «промежуточном» этапе, но здесь уже может понадобиться вся теория динамических систем (имеющая теорию катастроф лишь малой, хотя и существенной составляющей).
Организованная сложность социальных систем вряд ли будет хорошо понята, пока мы не освоимся как следует с биологическими системами”.
Оба рассмотренных подхода к новому научному направлению (синергетика и теория катастроф) не используют термодинамические представления, поскольку классическая термодинамика имеет дело с изолированными равновесными системами, в которых самоорганизация
себя не проявляет. Между тем, термодинамический подход добавляет новые детали, важные
для понимания проблемы, поскольку самоорганизация тесно связана с необратимыми процессами, доминирующими во Вселенной. Выяснилось, что именно необратимые процессы играют конструктивную роль в развивающихся открытых неравновесных системах, иначе говоря,
в самоорганизующихся системах.
. Основоположник новой термодинамики бельгиец Илья Пригожин, удостоенный Нобелевской премии по химии, в своей Нобелевской лекции формулирует проблему так:
В теоретической химии и физике возникло новое направление, находящееся в самом начале своего развития, в котором термодинамические концепции будут играть еще более важную роль<...> Чтобы разработать термодинамику самоорганизующихся структур необходимо
показать, что неравновесие может быть причиной порядка. Оказалось, что необратимые процессы приводят к возникновению нового типа динамических состояний материи, названных
мною диссипативными структурами [8]. Под термином «диссипативная структура» Пригожин подразумевает образование некоторой формы супермолекулярной организации, возникающей в результате коллективных действий элементов системы.
С изложением основных идей неравновесной термодинамики, решенных и нерешенных
проблем можно ознакомиться в [8], основательное изложение теории дано в книге [13]. Но
для нашей темы наибольший интерес имеют идеологические аспекты теории, излагаемые в
[17,18]. Как отмечалось выше, чтобы система могла создавать и поддерживать упорядоченность, она должна быть открытой и получать энергию извне. Оказывается, весь доступный
нашему познанию Мир состоит только из таких систем, в развитии которых прослеживаются
два взаимосвязанных этапа, описание которых дано выше.. В развиваемой Пригожиным теории определены критерии, при которых диссипативная система теряет устойчивость, и предсказывается возможное достижение ею качественно новых состояний при скачкообразном
выходе из кризиса. Скачок протекает в форме гигантской коллективной флуктуации, при которой многочисленные элементы системы ведут себя согласованно, хотя перед этим их взаимодействие носило хаотический характер.
Представить себе гигантскую коллективную флуктуацию, возникающую в момент скачка,
поможет известное в гидродинамике явление, получившее название ячеек Бенара. Если подогревать снизу сосуд, в котором находится жидкость, обладающая необходимой вязкостью,
то в его вертикальном сечении образуется перепад температур, вследствие чего возникают
хаотичные конвективные потоки. Но как только интенсивность подогрева нижнего слоя жидкости превысит определенное для данной системы пороговое значение, вертикальные потоки
скачком перестраиваются и образуют хорошо организованные замкнутые циркулирующие
структуры, демонстрирующие высокую степень упорядоченности. Сверху это выглядит так,
как будто поверхность жидкости имеет регулярную ячеистую структуру. Картина устойчиво
сохраняется все время, пока снизу продолжается подогрев с постоянной интенсивностью. В
рамках классических представлений вероятность организации миллиардов и миллиардов молекул жидкости с образованием шестиугольных ячеек Бенара определенного размера практически равна нулю, а если бы даже такое состояние случайно возникло, то упорядоченные
структуры сразу после этого распались бы. Но эффект реализуется, он надежно воспроизводится и устойчиво сохраняется, если поддерживаются необходимые условия. Организованное
поведение участников эффекта возможно благодаря поступлению извне необходимой для этого энергии. Статистические законы здесь явно не работают, и для объяснения феномена привлекается, в частности, неравновесная термодинамика.
23
Одна из проблем, которую необходимо решить в рамках неравновесной термодинамики –
это проблема необратимости времени. Самоорганизация не подчиняется статистическим законам, формально на нее не распространяется действие второго начала термодинамики, из
которого вытекает необратимость времени. Но при протекании скачка в явном виде обнаруживается стрела времени: процесс скачка невозможно повернуть вспять. Сложность проблемы в том, что второе начало опирается на эмпирическую основу и его универсальная сущность предполагается, но ничем не подтверждается. В равновесной термодинамике оно получено при изучении процессов в системах, подчиняющихся статистическим законам.
Второе начало имеет несколько разных, но эквивалентных определений. Для простоты выберем формулировку, предложенную одним из основоположников термодинамики Клаузиусом: невозможен процесс, единственным результатом которого был бы переход теплоты от
тела с данной температурой к телу с более высокой температурой. Самопроизвольный переход тепла от менее к более нагретому телу действительно никому не доводилось наблюдать.
Ни один здравомыслящий человек не поставит чайник с холодной водой на лед в надежде, что
чайник закипит, а лед станет еще холоднее. Если мы захотим отнять у холодного тела какоето количество тепла, то нам придется построить установку типа холодильника, в которой отбор тепла будет осуществляться при расходовании другой разновидности энергии, например,
электроэнергии. При этом окажется, что в эквивалентных единицах затраты электроэнергии
намного превысят полученное таким способом тепло. Известно также, что любая разновидность энергии свободно превращается в тепло, но тепло переводится в другие виды энергии
неравноценно. Поэтому в закрытых системах любое преобразование одного вида энергии в
другой сопровождается невозвратным переходом части энергии в тепло. В конечном счете,
все высшие виды энергии переходят в самую низшую разновидность, в тепловую энергию,
которая равномерно распределяется между элементами системы, а система приходит к своему
самому простому состоянию, к термодинамическому равновесию. Рассматривая этот процесс
во времени, приходим к выводу о существовании стрелы времени, указывающей направление его необратимого течения.
Физика знает не только статистические, вероятностные законы, порождающие стрелу
времени. Классическая механика, например, основывается на динамических законах, описывающих движение макротел во времени и пространстве. Динамические законы не исключают
возможности формального обращения времени. Так, поменяв в уравнениях движения макротела (например, автомобиля) знаки плюс на знаки минус перед временем и скоростью, получим описание движения этого тела по пройденному пути в прошлое и в обратном направлении. Однако, мы знаем, что даже если автомобиль поедет точно по пройденному пути в обратном направлении, сидящий за его рулем водитель не станет моложе, время продолжит свой
неумолимый бег вперед. В процессах самоорганизации работают законы, имеющие динамическую природу, но при этом время назад не обращается. Почему же не удается распространить второе начало и на динамические процессы самоорганизации, придав ему универсальный характер? В своей Нобелевской лекции [8] Пригожин выделил одну из основных причин,
мешающих такому распространению – эмпирический характер этого начала. Из возникшего
затруднения он предлагает выйти самым простым путем, разрубив гордиев узел. По его мнению необходимо признать второе начало фундаментальным принципом природы и постулировать его универсальность, как, например, постулируется невозможность превышения скорости света. Тем самым приложимость второго начала к неравновесной термодинамике будет
узаконена. По словам Пригожина разработка новой научной дисциплины – неравновесной
термодинамики – находится в начальной стадии. Создан ее математический аппарат, но, как и
в случае Синергетики, пользоваться им не просто.
Подводя итоги рассмотрения нового научного направления, можно сказать следующее.
Вопреки не вполне компетентным высказываниям, что синергетика – не наука, а скорее философия, убедительные факты говорят о том, что это молодая, но пока еще далекая от завершения междисциплинарная наука. Как и у других научных дисциплин, у синергетики есть свой
четко определенный предмет изучения, своя методология, она опирается на современное на-
24
учное знание, у нее есть ряд вполне реальных приложений. С философией ее связывает то,
что, как сказал Волькенштейн, «Синергетика – это новое научное мировоззрение, отличное от
ньютоновского мировоззрения». Это очень серьезный фактор, выводящий синергетику на
роль общенаучной дисциплины. Но на всем протяжении своего относительно короткого существования синергетика сталкивается с серьезными проблемами, которые вызывают брожение мнений в научных кругах. Здесь не место для анализа ведущихся дискуссий, стоит лишь
отметить следующее.
Пока в новом научном направлении действуют, по меньшей мере, три разных подхода, и не
видно попыток их объединения. В таких условиях трудно ожидать создания единой теории
переходов развивающихся систем в качественно новые состояния. Но основная трудность
создания теории, пожалуй, носит принципиальный характер: переходные процессы нелинейны, поэтому, хотя Хакен в Синергетике и Пригожин в Неравновесной термодинамике написали уравнения в рамках создаваемых ими теорий, решение таких уравнений в каждом конкретном случае представляет почти непреодолимые трудности. А серьезные критики получают
обоснованный повод для утверждения об отсутствии теории, следовательно, и об отсутствии
научной дисциплины. Тем не менее, есть основания для оптимизма в отношении будущего
синергетики.
В дальнейшем нам предстоит рассмотреть особенности процессов развития систем разного
масштаба и степени сложности. Важно при этом проследить общие тенденции того, что можно назвать историческими путями развития каждой такой системы, характерные качественные
переходы на таких путях, особенно в состояния с более высокими уровнями организации, выявить существование общих тенденций, и на этом основании понять современную естественнонаучную концепцию развития в Природе. Такую задачу можно решить только одним путем
– рассмотрением современной научной картины Мира.
Здесь предстоит учесть следующую особенность. Предметом такого рассмотрения является исторический путь развития вещественной Вселенной, как этот путь представляется на основании наиболее продвинутой современной научной гипотезы ее образования и последующего развития. На определенных этапах развития Вселенной возникали рождаемые в ее недрах подсистемы, что привело к образованию наблюдаемой в наши дни иерархии разномасштабных подсистем. Каждая подсистема является неотделимой частью Вселенной, но при
этом обладает определенной автономией в индивидуальном развитии. Иерархию систем следует рассмотреть вплоть до Солнечной системы, планеты Земля, возникшей на ней биосферы,
породившей на планете Разум и социальное сообщество людей – носителей разума.
2. САМООРГАНИЗАЦИЯ ВЕЩЕСТВА В РАННЕЙ ВСЕЛЕННОЙ
2.1. Гипотеза о «начале» вещественной Вселенной
Наблюдательное открытие расширения Вселенной к 1930 году, в частности, утвердило
представление о ее «рождении» и последующем историческом развитии. В новых условиях
перед космологией встала непростая задача реконструировать прошлое вещественной Вселенной, опираясь на современные астрономические наблюдения и на научные знания сегодняшнего дня, способные осуществить решение подобной нетривиальной задачи. Первый и
наиболее трудный вопрос – каков был Мир, породивший вещественную Вселенную, как протекало начало ее рождения.
Иногда всерьез понимают заявления некоторых космологов, что Вселенная родилась из
ничего. Так, Зельдович Я.Б. дал такой броский заголовок одной из своих последних популярных статей: «Возможно ли образование Вселенной “из ничего”?» [20]. Но термин “из ничего”,
кстати, взятый в кавычки, не следует понимать буквально, за ним скрывается глубокий смысл.
В статье речь идет о том, что нет препятствий к квантовому рождению Вселенной со стороны
основных законов сохранения, таких как сохранение электрического заряда или сохранения
энергии – массы. В послесловии к этой статье А.Д. Сахаров писал: “Зельдович ставит задачу
построения полной космологической теории ранней Вселенной, описывающей самую первую,
«квантово-гравитационную» стадию расширяющейся Вселенной, отвечающей на вопрос – как
25
возникли качественные и количественные особенности строения Вселенной, проявляющиеся
на более поздней стадии, почему Вселенная именно такая, какой мы ее наблюдаем”. И далее:
“Пока мы лишь приближаемся к пониманию всех этих самых фундаментальных вопросов о
Природе. Есть много идей, много надежд, проделана и делается колоссальная работа, но, вероятно, еще гораздо больший путь впереди, может быть бесконечный”.
Согласно современным научным взглядам, термин «из ничего» заменяется исходной физической средой, каковой является квантовый (физический) вакуум. Когда-то вакуумом называли абсолютную пустоту. Еще древнегреческий философ Демокрит утверждал, что Мир
состоит из атомов и пустоты. По его представлениям пустота – это существующее ничто,
абсолютно однородное пространство, разделяющее тела, а внутри сложных тел отделяющее
атомы друг от друга. Современная физика сохранила этот термин, полностью изменив его содержание. Не вдаваясь в излишние подробности, физический вакуум следует считать базовой
формой материи в нашем Мире, отличной от другой формы материи, называемой веществом.
Приходится согласиться, что появление вещественной Вселенной произошло в рамках уже
существовавшей Вселенной в общем понимании этого термина. В ней, возможно, не было
вещества в свободном состоянии, но господствовала темная энергия, входящая в качестве основного компонента в физический вакуум. Эта субстанция и была тем исходным состоянием
материи, из которого смогла возникнуть вещественная Вселенная. Таким образом, в принципе
решается вопрос, откуда произошла такая Вселенная. Но пока нет ответа на следующий вопрос – какова природа базовой субстанции нашего Мира, каковы формы ее существования и
при каких условиях она способна порождать вещественный мир.
Другой трудный вопрос «начала» - каково происхождение гигантской энергии, необходимой не только для «рождения» вещественной Вселенной, но и для дальнейшего поддержания
процессов ее развития вплоть до наших дней, также в принципиальном плане нашел решение
в результате открытия действующих в Природе сил отталкивания. Источник такой энергии –
то, что получило название антигравитирующего вакуума, включающего в свой состав основную часть - темную энергию. Пока астрономические наблюдения позволяют судить о такой
энергии в ее «катастрофических» проявлениях: в квазарах, взрывах Сверхновых, в образующихся черных дырах, в мощнейших гамма-всплесках и других подобных событиях.
Один из ярких примеров действия в нашей Вселенной огромной энергии произошел 29
марта 2003 года, когда в созвездии Льва был зарегистрирован мощнейший космический гамма-всплеск. Сразу же был обнаружен объект, создавший такой выброс – в видимой области
спектра появилась сверхновая звезда. Но при этом гамма-вспышка превосходила все, что наблюдалось до этого. По красному смещению в спектре расстояние до источника определено
более чем в 2 миллиарда световых лет. В оптическом диапазоне объект светил ярче нескольких сотен миллиардов солнц. По мнению астрофизиков обнаруженная гамма-вспышка является самым грандиозным событием после Большого Взрыва. Однако, механизмы таких явлений будут поняты лишь после того, как наука выяснит характер взаимодействия темной энергии с веществом.
В недавнем прошлом о начале вещественной Вселенной пытались судить на основании того, что дает нестационарное решение уравнений ОТО, позволяющее обернуть для нашей Вселенной время назад, к началу ее расширения. Это решение, описывающее динамику развития
Вселенной на всем протяжении ее истории, дает в исходном состоянии сингулярность. Формально сингулярность означает, что расширение началось из состояния, в котором вещество
было стянуто в безразмерную точку, где его плотность была бесконечно большой. Известные
законы физики в сингулярности не работают. Более того, нет уверенности, что наука когдалибо познает и объяснит состояние вещества в сингулярности. Так что если сингулярность на
самом деле является исходным состоянием расширяющейся Вселенной, то наука не располагает, и не будет располагать о нем никакой информацией.
Сингулярность, как исходное состояние расширяющейся Вселенной, порождает комплекс
нерешаемых проблем. Сингулярности, - пишет английский физик С.Хокинг, один из тех, кто
успешно развивает новую космологию [21], - это такие точки, где кривизна пространства и
времени становится бесконечной и сами понятия пространства и времени теряют всякий
26
смысл. Таким образом, помимо проблемы бесконечной плотности вещества (или эквивалентной ему энергии) в сингулярности возникает еще одна проблема – необходимость определения свойств пространства-времени в экстремальных состояниях. В сингулярности бесконечно большая плотность вещества порождает не просто замыкание, а полное разрушение
пространственно-временного континуума. Именно так следует понимать приведенное выше
высказывание Хокинга. А это означает, что до рождения Вселенной не было ни пространства,
ни времени в нашем сегодняшнем понимании этих терминов. Такое нам трудно представить,
но это не единственная трудность, которую мы встречаем при попытке познать таинственную
развивающуюся Вселенную.
Возникает веское возражение, согласно которому сингулярность необоснованно распространена классической теорией, каковой является ОТО, на область, в которой неприемлемы ее
исходные предпосылки. Исходная область является зоной, в которой господствуют квантовые
процессы. В таких ситуациях следует принимать во внимание не только состояние вещества,
но и состояние фона, каковым является физический вакуум вместе с темной энергией. В
экстремальных положениях он плотно взаимодействует с вещественным микромиром. Согласно квантовым представлениям, вещество невозможно стянуть в безразмерную точку, это
противоречит принципу неопределенности Гейзенберга. Этот принцип прямо вытекает из дуализма корпускулярных и волновых свойств вещества. Волна обязана быть размерной субстанцией, иначе она перестает существовать. Это же обстоятельство приводит к заключению, что
в Природе обнаруживается предельно допустимая плотность вещества, превысить которую, а
тем более сделать бесконечной, невозможно. Макс Планк вычислил эту плотность, она равна
очень большой, но конечной величине, а именно 1094 г/см3 (планковская плотность).
Далее выдвигаются различные предполагаемые сценарии, описывающие «начало». Рассмотрим сценарий, подтолкнувший Алана Гута к выдвижению идей, которые составили основу инфляционной теории, предположительно описывающую самую начальную стадию «рождения» вещественной Вселенной.
Допускается, что исходный квантовый вакуум оказался в возбужденном состоянии, обладая предельно высокой плотностью энергии, порядка 1019 Дж/см3. В таких условиях вещество
не могло находиться в свободном состоянии, а при отсутствии вещества не мог существовать
пространственно-временной континуум. Следствием такой высокой плотности энергии стали
возникшие сильнейшие отрицательные натяжения, создававшие эффект космического отталкивания, что можно трактовать как кратковременное господство антигравитации. Такая ситуация стала причиной возникновения первотолчка, вызвавшего стремительное раздувание
Вселенной. В этой фазе Вселенная соответствовала модели де Ситтера, выведенной им из общей теории относительности в предположении заполнения пространства газообразной средой,
не содержащей вещество (1916 г.). Такой средой был исходный физический вакуум, включающий субстанцию под названием темная энергия. По расчетам гигантское отталкивание в
10120 раз превосходило силы, которые способны были удерживать систему в стационарном
состоянии. Возникло экспоненциальное расширение пространства, длившееся очень короткое
время, от 10-43 секунды после начала и до примерно 10-35 секунды. За этот короткий миг пространство распространилось на расстояние, которое на много порядков превышает современный радиус видимой Вселенной. К концу фазы раздувания Вселенной возбужденное состояние квантового вакуума спало, что привело к прекращению действия отрицательных натяжений и снижению сил отталкивания почти до нуля. Изменения, произошедшие в период экспоненциального раздувания, подготовили условия для протекания последующих периодов раннего этапа развития вещественной Вселенной.
При всех трудностях, с которыми пока еще сталкивается эта не до конца завершенная инфляционная теория, она решила ряд космологических проблем, которые до этого не поддавались объяснению. Так, установлено, почему кинетическая энергия возникшего вещества точно равнялась гравитационной энергии. Соответственно тем самым объясняется и тот факт, что
современная плотность вещества во Вселенной равна критическому значению плотности.
Теория объясняет факт высокой крупномасштабной однородности вещества Вселенной, решает проблему плоскостности (в пространстве проявляется евклидова геометрия), объясняет
27
факт отсутствия в нашем мире реликтовых монополей, решает проблему горизонта событий
(А. Линде [23]). Совсем неплохо для незавершенной теории. Ее разработка успешно продолжается, и она показывает, что именно в этот период были заложены основания будущих форм
Вселенной сегодняшнего дня.
Выдающуюся роль инфляционной теории в описании самого начального периода возникновения вещественной Вселенной П.Девис оценивал так: «Хотя инфляционный сценарий разработан только частично и всего лишь правдоподобен, не более, он позволил сформулировать
ряд идей, обещающих безвозвратно изменить облик космологии… Первичный взрыв, в котором возникло то, что мы называем Вселенной, отныне перестал быть загадкой, лежащей за
пределами физической науки». В самое последнее время получены подтверждения ряда ее
предсказаний последними наблюдательными астрономическими данными.
В описании последующей стадии активная роль принадлежит Теории Великого Объединения (ТВО). Еще на предыдущей стадии появилось локальное субатомное образование, в которое из недр квантового вакуума перешла огромная энергия в форме излучения. Эта энергия
преобразовалась в частицы вещества и антивещества при температуре не ниже 1027К с плотностью порядка 1080 г/см3. Такое образование стало зародышем вещественной Вселенной. Не
исключают, что подобных «зерен» возникло множество, что образно описывают вскипанием
вакуума. Частицы стали предшественниками известных нам сегодня элементарных частиц, но
в тех условиях они представляли собой самую простейшую разновидность вещественной матери. Одновременно с веществом возникли пространство и время. Именно процесс появления
вещества вместе с пространственно-временным континуумом получил название «Большой
Взрыв», придуманное ироничным физиком Хойлом. Но это не был взрыв, который наблюдается в земных условиях. Его отличало то, что отсутствовал разлет возникших частиц из некоего центра, но появилось расширение пространства, в котором сосредоточилось вещество, и
это расширение увеличивало расстояние между частицами, воспринимаясь как расширение
исходного сгустка. Такая форма расширения существует и в наши дни, разбегаются не галактики, а растет расстояние между ними из-за расширения пространства.
Следующие шаги самоорганизации расширяющейся Вселенной связаны с нарастающим
усложнением вещества микромира, их рассмотрение потребует знакомства с современными
представлениями о строении вещества. Сделаем краткое отступление от темы в эту область
современного знания.
2.2 Научные представления о строении вещества в сжатом изложении.
Современные научные представления о строении вещества развиваются скоротечно. Прогресс в этой области знаний оперативно освещается в научно-популярной литературе. Из обширнейшего библиографического списка сошлюсь на две книги, достаточно полно и популярно отражающие как достигнутый уровень знаний о строении вещества, так и проблемы,
стоящие перед соответствующими разделами физики [24, 25]. Ссылка не умаляет достоинства
многих других научно-популярных источников, посвященных данной тематике. Я же ограничусь приведением того минимума сведений, без которого понимание последующего содержания книги будет затруднительным.
Вещество, одна из известных нам форм существования материи, воспринимается наблюдателем либо как реальное поле, либо как реальная корпускулярная частица. За обоими этими
восприятиями стоит одна сущность, по-разному проявляющаяся в зависимости от условий
наблюдения. Это основополагающее свойство вещества называют дуализмом волновых и корпускулярных свойств, в нем выражено важнейшее представление современной физики. На
языке формул дуализм отражают два кратких, но весомых соотношения. Это уже упоминавшееся уравнение эквивалентности энергии и массы: Е = mc2 и уравнение, связывающее массу m с длиной волны  поля, соответствующего частице с этой массой:  = h /mv, где h –
постоянная Планка (h = 6,6261034 Джс), v – скорость частицы.
Масса частицы есть величина постоянная, если скорость ее движения много меньше скорости света. Иногда ее называют массой покоя mо. Но при больших скоростях, соизмеримых
28
со скоростью света, масса частицы возрастает и тем сильнее, чем ближе скорость частицы к
скорости света. В этом случае масса выражается соотношением m = mo + m, где m - релятивистская поправка к массе покоя. Вкладом этой поправки нельзя пренебрегать, если скорость
частицы v превысит значение, составляющее более 20% от скорости света (с  300000 км/ с).
Среди других характеристик частицы специфическая роль отводится спину. В классической механике понятие спин определяет величину момента количества движения, что характеризует вращение тела, например, волчка. Но буквальный перенос этого понятия на микрочастицу теряет смысл, поскольку элементарные частицы невозможно представить вращающимися миниатюрными волчками. В квантовой физике спин интерпретируется как внутренняя степень свободы частицы, обеспечивающая ей дополнительное физическое состояние. К
таким интерпретациям квантовой физикой классических понятий, быть может нелегко привыкнуть, но и микромир ведь невозможно уложить в макроскопические представления. В отличие от классического момента количества движения, который может принимать любые значения в их непрерывной последовательности, спин принимает только положительные дискретные значения, пропорциональные постоянной Планка h. Коэффициент пропорциональности называют спиновым квантовым числом, которое у частиц одного сорта принимает целочисленные значения (0, 1, 2,...), а у частиц другого сорта – полуцелые значения (1/2, 3/2...).
Для краткости спиновое квантовое число стали называть просто спином, держа при этом в
уме второй сомножитель, входящий в это понятие – постоянную Планка.
Другая форма проявления вещества – поле. Понятие поля родилось из наблюдений того,
что вещественные частицы и тела способны оказывать определенные воздействия друг на
друга, не вступая в прямой контакт, то есть дистанционно. Наука пока не дает ответа на вопрос, почему вещество обладает такими свойствами, но на основании известных фактов она
способна частично ответить на вопрос, как осуществляются конкретные дистанционные
взаимодействия. Различают четыре фундаментальные разновидности дистанционных взаимодействий, о которых мы поговорим чуть позже. Каждое из таких взаимодействий осуществляется присутствием у вещественного объекта необходимых способностей, что выражают наличием у объекта одного или нескольких разновидностей зарядов. Заряд – это мера присущей
данному объекту способности к одному из таких взаимодействий. Пространство, на которое
распространяется действие заряда, называют полем данного заряда. Неподвижный заряд распространяет свое действие на определенную область, и радиус такой области у каждого типа
заряда свой. Вне этой области взаимодействие между объектами, обладающими однотипными
зарядами, невозможно. А перенос взаимодействия в занимаемом полем пространстве в каждом случае осуществляется связанными с полем особыми вещественными частицами. Движущийся заряд порождает волну, которая несет определенную энергию через пространство.
В физике поле характеризуется специфической формой распределения материи, когда в
каждой точке пространства-времени существует определенное численное значение параметра,
характеризующего эту материю. Для поля неподвижного заряда параметр – значение напряженности или потенциала, движущееся поле (волна) описывается длиной волны, амплитудой,
фазой и их изменениями во времени.
Свойства и поведение частиц существенно зависят от того, целое или полуцелое значение
имеет спин. Так, частицы с полуцелыми значениями спина могут находиться в одной и той же
микросистеме (например, в атоме, молекуле и других) лишь при условии, что их физические
состояния не одинаковы. Физическое состояние микрочастицы определяется всем набором
характеризующих ее параметров. Если у двух микрочастиц отличен хотя бы один из этих параметров, то их физические состояния считаются неодинаковыми, они могут сосуществовать
в одной микросистеме. Невозможность двух частиц с полуцелыми спинами, находящихся в
одинаковых состояниях, пребывать вместе, является законом квантовой физики, носящим название запрета Паули. Частицы с полуцелыми значениями спина выделены в отдельную группу, их называют фермионами в честь известного физика Ферми. А вот частицы с целочисленными значениями спина могут находиться вместе в неограниченном количестве, независимо
от их физического состояния. На них запрет Паули не распространяется. Такие частицы выделены в другую группу и названы бозонами, в честь другого крупного физика Бозе.
29
Разделение микрочастиц на две группы с непохожими свойствами имеет далеко идущие
последствия. Так, поля фермионов всегда остаются квантованными и в классическом пределе,
иначе говоря, при переходе от микромира к макромиру, наблюдатель регистрирует их как
частицы атомарного вещества. Например, электрон, являющийся фермионом (его спин равен
1/2), в классическом пределе выступает как истинная частица, хотя и обладает волновыми
свойствами. То же можно сказать и о протоне, нейтроне и других частицах-фермионах. Поля
же бозонов в пределе переходят в классические поля. Например, фотон имеет спин, равный 1,
он принадлежит к классу бозонов. В классическом пределе фотоны становятся электромагнитным полем, в зависимости от длины волны это будет свет, радиоволны или другие разновидности электромагнитных излучений. Так что разделение микрочастиц на фермионы и бозоны создает важнейшую предпосылку для реализации привычного нам мира, в котором сосуществуют атомарное вещество (фермионы) и излучения (бозоны).
Представления о строении вещества складываются на основе того, как наука отвечает на
два принципиальных вопроса, возникающих при знакомстве с микромиром. Первый вопрос:
каковы самые элементарные частицы, из которых образуются последующие более сложные
блоки вещества? Второй вопрос: какова природа и характер взаимодействия между частицами, заставляющего их при определенных условиях объединяться в блоки?
Таблица 2.1
КВАРКИ
ЛЕПТОНЫ
Класс
частиц
Электрон
1/2
Эл.
заряд
Усл.ед.
-1
0,5
Время
жизни,
с
стабилен
Мюон
1/2
-1
100
210- 6
Тау-лептон
1/2
-1
1,8103
310- 12
е
1/2
0
?
стабилен

1/2
0
?
стабилен

1/2
0
?
стабилен
u
1/2
2/3
4
d
1/2
-1/3
7
s
1/2
-1/3
500
c
1/2
2/3
1,5103
b
1/2
-1/3
5103
t
1/2
2/3
4104
Частица
Спин
Масса
МэВ/ с2
Нейтрино:
Примечание: масса 1 МэВ/с2 = 1,78310- 27 г
Давняя интуитивная убежденность многих философов в том, что наблюдаемое разнообразие известного нам Мира есть результат комбинаций небольшого числа основополагающих
30
элементов, казалось бы, получила подтверждение после экспериментального установления
факта существования атомов. Но сразу же выяснилось, что атом сложен. Поиск элементарных
основ вещества был перенесен на более глубокий уровень, на атомное ядро и составляющие
его частицы, которые назвали нуклонами. Это протон и нейтрон. Однако, как выяснилось, и
они не элементарны. К настоящему времени вырисовывается иерархия уровней микромира.
Известны четыре уровня этой иерархии: молекулярный, атомный, нуклонный и кварковый. За
молекулярным уровнем проходит граница между микромиром и макромиром. Что же касается
движения вниз по обозначенной иерархической цепочке, то, видимо, где-то за кварковым
уровнем проходит граница между микромиром и вакуумом. Каждый из упомянутых уровней
микромира качественно отличается от всех других, его характеризуют иные свойства и иные
законы поведения соответствующих частиц. Одним словом, иерархия уровней – это не набор
матрешек, вставляемых одна в другую и отличающихся только размером.
Поиск самых простых, основополагающих элементарных частиц вещества привел исследователей к пониманию того, что абсолютная элементарность не существует, что частицы
любого уровня бесконечно сложны и по своей сущности, и в своих проявлениях, они неотделимы от других физических реальностей, в числе которых особая роль принадлежит фону –
физическому вакууму. Условно принято считать элементарными те частицы, у которых сегодня не обнаруживается внутренняя структура, а их размер недоступен измерению, то есть, не
превышает 10 –15 см.
Известны три класса таких частиц: лептоны, кварки и бозоны. Частицы первых двух классов являются фермионами, из них формируется атомарное вещество. Бозонным частицам отводится особая роль, сущность которой станет ясна в дальнейшем. Класс лептонов состоит из
шести частиц и шести античастиц. Лептонные частицы и их основные параметры приведены в
таблице 2.1. Античастицы отличаются от соответствующих частиц зарядами противоположного знака и некоторыми особенностями, по-видимому, сыгравшими ключевую роль в развитии Вселенной. Лептоны играют важную роль в структуре Мира. Особенно велико значение
электрона и нейтрино. Но лептоны не участвуют в образовании ядерных частиц, нуклонов, и в
процессах, называемых сильным взаимодействием.
Класс кварков, как и класс лептонов, содержит шесть типов частиц и столько же типов античастиц. Физики назвали каждый тип кварков ароматом, но этот термин, относящийся в
нашей повседневной жизни к сфере обоняния, означает в данном случае квантовое число, определяющее принадлежность кварка к одному из шести известных типов. Ароматы обозначаются первыми буквами английских слов, принятых в качестве их названий. Обозначения и
названия первых трех ароматов выглядят так: u (up); d (down); s (strange). Кварки этих ароматов создают частицы-нуклоны, из которых затем образуются ядра атомов. Роль кварков оставшихся трех тяжелых ароматов выглядит не столь важной, но такое впечатление, возможно,
связано с нашим недопониманием их истинного предназначения. Основные характеристики
кварков представлены в таблице 2.1. Антикварки обозначаются теми же символами с чертой
над ними.
Приведенные в таблице массы кварков получены расчетным путем по данным экспериментов на ускорителях. Кварки – электрически заряженные частицы. Однако, и в этом проявилась их первая особенность, электрические заряды кварков имеют дробные значения по
отношению к заряду электрона (-1) или протона (+1). Это открытие явилось сюрпризом для
ученых, ведь существовало твердое убеждение, основанное на экспериментальных данных,
что заряд электрона (протона), условно принимаемый равным 1, – наименьший существующий в природе электрический заряд. Обнаружение дробных значений заряда стимулировало
их более тщательный поиск в нашем окружении. Экспериментаторам удалось довести точность измерений до фантастически высокого значения, но никаких признаков существования
свободных дробных зарядов не было обнаружено. Не удалось обнаружить в свободном состоянии и самих носителей дробного заряда – кварков. Между тем никаких сомнений в существовании частиц, названных кварками, внутри нуклонов, как и присущих им дробных электрических зарядов, быть не может. Еще в 1969 году кварки (их первоначально назвали партонами) были обнаружены внутри нуклонов в экспериментах на линейном ускорителе электро31
нов в Стэнфорде (США). За это открытие экспериментаторам Дж. Фридману, Г. Канделлу и
Р.Тейлору присуждена Нобелевская премия по физике в 1990 году. В последующих экспериментах, выполненных в 1982 году, Х.Штермер, Цун и Р. Лафмен, подтвердили существование
в природе дробного электрического заряда. За это открытие им присуждена Нобелевская премия по физике в 1998 году. В наше время кварки и антикварки группируются либо по две, либо по три частицы, образуя составные частицы, получившие наименование адронов. Кварки –
вечные пленники составных частиц, это – принципиальное свойство вещества на микроуровне
кварков. Но при чрезвычайно высоких температурах кварки могут существовать в свободном
состоянии.
Адроны подразделяются на три группы. Первая – барионы – образуется частицами, составленными комбинациями из трех кварков. В эту группу входят протон и нейтрон, фундаментальная основа атомных ядер. Вторую группу составляют частицы, основа которых – сочетание кварка и соответствующего антикварка. Эти частицы названы мезонами. Еще одна
группа содержит частицы, образуемые сочетаниями трех антикварков. В нее попадают антипротон и антинейтрон, составляющие антивещество. В приведенной стройной схеме обнаруживается принципиальный дефект. Кварки, как фермионы, не могут участвовать в построении
составной микросистемы, если одинаковы их физические состояния. В частности, составная
частица не должна содержать кварки одного аромата. А в барионных и антибарионных образованиях это железное правило нарушается. Например, протон образуется комбинацией кварков, в символах записываемой так: uud. А нейтрон, соответственно udd. В обоих примерах в
составе сложной частицы присутствуют пары кварков одного аромата. Допустить мысль, что
запрет Паули не выполняется, ученые не могли. Поэтому было выдвинуто предположение, к
счастью вскоре подтвержденное экспериментально, что кварки одного аромата не идентичны,
они различаются характером взаимодействия между собой. Это означает, что для полного
описания физического состояния кварка следует ввести еще одно квантовое число, учитывающее взаимодействие между кварками одного аромата. Такое число остроумные физики
назвали цветом. Как аромат не имеет ничего общего с запахом, так и цвет не имеет отношения к раскраске картинок цветными карандашами. Таким образом, выяснилось, что кварки
одного аромата не идентичны, их там три разновидности, три цветовых оттенка. Принцип
Паули поколебать не удалось.
При объединении кварков и/или антикварков в адроны должны выполняться два непременных условия. Первое условие уже упоминалось нами: суммарный электрический заряд
объединенных в адроне кварков должен быть целочисленным. Второе условие требует бесцветности адронов. Так, три кварка, образующие барион, должны обеспечит суммарный
электрический заряд составной частицы кратный единичному электрическому заряду. Но барион не должен проявлять способности к сильному взаимодействию, цветовые заряды трех
кварков должны взаимно компенсироваться. Это напоминает точную компенсацию положительных электрических зарядов ядра и отрицательных зарядов электронов при их объединении в атом*). Более подробную информацию о кварках читатель найдет в [26].
Нам остается рассмотреть современные представления о фундаментальных силах взаимодействия между частицами. Это силы гравитационного, электромагнитного, слабого и сильного взаимодействия. Четыре силы взаимодействия выше упоминались при описании полей, они
представляют собой присущую материи способность к дистанционным взаимодействиям.
Как было отмечено, чтобы вещественная частица проявила способность к тому или иному виду фундаментального взаимодействия с другими частицами, необходимо, чтобы ей был присущ заряд (или заряды) определенной разновидности. Между собой взаимодействуют только
заряды одного типа, а заряды разных типов друг друга не замечают. Наименьшее дискретное значение заряда (квант) называют единичным зарядом. Все другие значения зарядов бу*
Силу, объединяющую барионы в атомное ядро, называют ядерной силой. До открытия кварков и цветового
взаимодействия эту силу считали фундаментальной. Теперь ядерная сила рассматривается как отголосок новой
фундаментальной сущности - цветовой силы.
32
дут кратными единичному заряду. Сила взаимодействия во всех случаях пропорциональна
произведению зарядов двух частиц, вступивших во взаимодействие. Более сложно она зависит от расстояния между частицами. Коэффициент пропорциональности при взаимодействии
единичных зарядов на единичном расстоянии между ними называют константой взаимодействия данного вида.
По современным представлениям передача воздействия одного тела на другое происходит
с конечной скоростью, которая не может превышать скорости света. Это прямое следствие
того, что взаимодействие частиц осуществляется через среду, то есть через вакуум, а в передаче взаимодействия должен участвовать некий посредник. При разработке теории взаимодействий используют определенную модель процесса: частица обладает зарядом, который
создает вокруг нее поле, порождающее присущие ему частицы-бозоны; по своей природе поле
близко тому, которое физики приписывают вакууму. Можно сказать и так, что заряд частицы
возмущает вакуум, и это возмущение с определенным затуханием распространяется в нем.
Частицы возникающего в вакууме поля являются виртуальными, они существуют очень короткое время и прямо в эксперименте не обнаруживаются. Оказавшись в радиусе действия
своих однотипных зарядов, две реальные частицы начинают стабильно обмениваться виртуальными бозонами: одна частица испускает бозон и тут же поглощает идентичный бозон, испущенный частицей – партнером, и наоборот. Обмен бозонами создает эффект притяжения
или отталкивания частиц-хозяев. Характерные признаки четырех фундаментальных взаимодействий, сведения о частицах-посредниках переносящих соответствующие воздействия между частицами, приведены в таблице 2.2 [27].
Непосредственная связь вакуума с веществом на его глубинных уровнях проявляется в
форме зависимости величины зарядов и их свойств от состояния и структуры вакуума. Так,
экспериментально обнаруживаемая поляризуемость вакуума под действием электрического
заряда создает экранировку последнего и снижает наблюдаемое эффективное значение заряда
Таблица 2.2
Переносчики
взаимодействия
Силы между одинаковыми
частицами
Взаимодействие
Сила
относит.
ед.
Радиус
действия
Частицы
Наименование частицы
Сильное
1
малый
кварки
глюоны
0
<>
Электромагнитное
1/137
большой все с эл.
зарядом
фотоны
0
<>
малый
векторные
бозоны
Слабое
Гравитационное
10- 5
10- 39
лептоны
и кварки
большой все
частицы
гравитоны
(гипотетично)
Примечание:  отталкивание;  притяжение.
_______________________________________________
Масса
ГэВ/ с2
50 - 100
0
<>
<+>
по сравнению с предполагаемым его значением в свободном от вакуума состоянии. Однако,
электрический заряд невозможно вычленить из вакуума. Но если сблизить заряженные частицы до расстояний, меньших чем 10–8 см, для чего им надо сообщить огромные энергии, то
взаимодействие вакуума с частицами ослабеет и эффективный электрический заряд возрастет.
Можно сказать и так, что на малых расстояниях между частицами возрастает константа элек33
тромагнитного взаимодействия, тем самым она перестает быть константой. Остается добавить
к сказанному, что все известные науке разновидности электромагнитного взаимодействия переносятся безмассовой бозонной частицей – фотоном
Слабое взаимодействие переносится тремя частицами, называемыми векторными бозонами: один из них электрически нейтрален, два других имеют соответственно положительный и
отрицательный электрический заряд. Эти частицы обладают еще одной странностью – они
наделены массой, примерно в 100 раз превышающей массу протона. Из-за такой массы виртуальные векторные бозоны за короткое время своего существования не успевают далеко переместиться, и слабое взаимодействие ограничено радиусом действия порядка 210–16 см. Отсюда малая вероятность его проявления.
Переносчиками сильного (цветового) взаимодействия выступают безмассовые частицы,
получившие название глюонов, что в переводе с английского означает склеивающие бозоны.
Они соединяют (склеивают) кварки и антикварки в адроны. Глюоны представляют собой
очень сильный клей, и они вместе с кварками являются вечными пленниками адронов.
Глюоны своеобразные частички, им присуще то, чем не обладают другие бозоны, а именно,
часть из них наделена цветовым зарядом, который считался принадлежностью только кварков. Это сразу меняет поведение таких частиц со своим окружением. Казалось бы, отсутствие
массы у глюонов обеспечивает им дальнодействие, если судить по аналогии с безмассовыми
фотонами и гравитонами. Но, обладая цветовым зарядом, глюон при удалении от кварка нарушает бесцветность, тем самым вызывая бурную реакцию вакуума, возвращающего беглеца
на место. А его место ограничивается радиусом порядка 10–13 см, радиусом атомного ядра.
Из-за таких своих свойств глюоны теряют способность к дальнодействию, а радиус цветового
(сильного) взаимодействия ограничивается радиусом ядра.
Фундаментальные взаимодействия – это только часть проявляющихся в нашем Мире
взаимодействий. На переднем крае научного поиска стоит проблема скрытых в глубинах материи взаимодействий вакуума с веществом. Например, физики не без основания убеждены,
что масса у частиц появляется в результате особой формы их взаимодействия со структурами
вакуума. В физических теориях источником, наделяющим элементарные частицы массой, выступает предположительно присутствующее в вакууме особое квантовое поле, называемое
полем Хиггса. С этим полем связаны частицы, называемые бозонами Хиггса. Массой снабжается только элементарная частица – кварк, электрон, векторный бозон. Масса производных
частиц, например, протона и нейтрона, в основном определяется кинетической энергией кварков и глюонов, входящих в состав этих частиц. А масса самих кварков – лишь небольшая добавка к этому. У поля Хиггса имеются специфические особенности, обсуждение которых имеет смысл проводить специалистам-теоретикам. Однако эти особенности позволят объяснить,
почему самые легкие частицы наделены массой, на 11 порядков меньшей массы самых тяжелых частиц, а в свете последних астрономических открытий предполагается, что наблюдения
за бозонами Хиггса помогут разгадать загадку темной энергии. Но пока открытие бозона
Хиггса не состоялось, само происхождение и величины масс остаются загадкой. Надежды на
открытие бозона Хиггса связывают с предстоящими в ближайшие годы завершениями работ
по созданию новых высоко энергетичных ускорителей.
За рамками нашего рассмотрения оставлены также наиболее общие и плодотворные идеи
современной теоретической физики, такие как симметрия законов природы, спонтанные нарушения симметрии как основа перехода от хаоса к упорядоченности, новые представления о
многомерности физического пространства-времени, теория струн, как результат поиска нового подхода к пониманию структуры вещества на самом глубоком уровне микромира. В доступной форме об этом частично рассказывается в [24, 25].
Несколько замечаний о характерных особенностях фундаментальных взаимодействий.
Гравитация – самая слабая из сил, представленных в таблице 2.2. В макромире она проявляет
себя тем сильнее, чем крупнее массы взаимодействующих тел. О ее роли в формировании
Вселенной уже говорилось, а в микромире она теряется на фоне более могучих сил. Так, сила
электростатического отталкивания двух электронов в ~ 41042 раз больше силы их гравитаци-
34
онного притяжения. И только при экстремально высокой плотности вещества, то есть при
планковской плотности, гравитационные взаимодействия в микромире сравниваются по своей
значимости с другими господствующими там силами.
При рассмотрении полевых аспектов своей теории Эйнштейн постулировал, что в качестве гравитационного заряда выступает эквивалентная масса вещества. Этот заряд создает поле
тяготения с присущей ему безмассовой бозонной частицей, названной гравитоном. Экспериментально обнаружить гравитон при современном техническом уровне крайне трудно, пока
он остается гипотетической частицей. К проблеме обнаружения гравитона непосредственно
примыкает другая: неравномерное движение массивного тела под действием реальной силы
вызывает возмущение собственного гравитационного поля, распространяющегося со скоростью света в форме гравитационной волны. Из-за ничтожной малости сил тяготения амплитуда волны мала, и обнаружить ее существующими приборами пока не удается. Даже такие
грандиозные космические события, как взрыв сверхновой или коллапс массивной звезды порождают гравитационные волны с амплитудой, лежащей за пределами чувствительности существующих регистрирующих приборов.
Тем не менее, в изучении проблемы гравитационной волны и гравитона произошел предполагаемый прорыв. Началось с того, что в 1967 году Джойселин Белл и Энтони Хьюиш открыли новые астрономические объекты – пульсары. Это бывшие нормальные звезды, которые
после израсходования своего жизненного ресурса сжались до диаметра порядка 10 км, что
стало возможным лишь за счет деформации вещества звезды, приведшей к образованию
очень плотной упаковки нейтронов. Такая трансформация прекратила дальнейшее сжатие.
Плотность вещества внутри пульсара достигает значения 1015 г/см3 (для сравнения: средняя
плотность земного вещества всего 5,52 г/см3). Пульсары очень быстро вращаются, что является следствием их сжатия, а астрофизики умеют очень точно измерять периоды вращения таких объектов. В 1974 году профессору Принстонского университета Дж. Тейлору и его тогдашнему аспиранту Р. Халси посчастливилось обнаружить уникальный астрономический
объект – тесно связанную двойную звезду, оба компонента которой оказались пульсарами.
Такая система в принципе позволяет путем систематических наблюдений за изменениями периодов вращения двух гравитационно связанных массивных тел определить наличие (или отсутствие) предсказанного Эйнштейном гравитационного излучения. Положительный результат означал также существование в природе гравитационных волн и гравитонов. Многолетние
измерения Халси и Тейлора показали, что наблюдаемое изменение периода обращения, вызываемое гравитационным излучением, с высокой точностью совпадает с расчетом, выполненным на основе теории гравитационного излучения Эйнштейна. За это выдающееся открытие
Халси и Тейлор удостоены Нобелевской премии по физике за 1993 год.
Электромагнетизм – второе фундаментальное взаимодействие. Как и гравитация, оно характеризуется дальнодействием. На заре развития науки об электричестве электрическая и
магнитная компоненты этого взаимодействия рассматривались как независимые, не связанные
между собой родством. Максвелл доказал, что обе силы – это два проявления единой сущности. Так был создан прецедент в науке, показавший, что за внешним различием природных
сил может скрываться их глубокая общность. Разработанная Максвеллом электродинамика
стала законченной классической теорией электромагнетизма, сохраняющая свое значение и в
наши дни.
Современная физика создала более совершенную и точную теорию электромагнетизма,
учитывающую квантово-полевые аспекты феномена, что позволило распространить ее и на
микромир. Теория названа Квантовой электродинамикой, сокращенно КЭД. Как и классическая теория, КЭД постулирует существование электромагнитного заряда, не раскрывая его
природы. Заряд создает поле, квантом которого выступает безмассовый бозон, называемый
фотоном. Спин фотона равен 1. Электрический заряд проявляется в двух разновидностях: заряд, присущий электрону, назван отрицательным, а присущий протону – положительным.
Взаимодействие заряженных частиц обеспечивается обменом виртуальными фотонами. В
случае разноименных зарядов обмен создает эффект притяжения частиц, а в случае одноименных – отталкивания. Во всех процессах с участием электрических зарядов выполняется
35
закон сохранения суммарного заряда. В рамках КЭД учитывается взаимодействие электрического заряда с вакуумом.
Сильные и слабые взаимодействия познавались по мере проникновения науки в микромир
с его специфическими закономерностями. Основная функция сильного взаимодействия – соединять кварки и антикварки в адроны, функция слабого взаимодействия обратная, она состоит в разрушении сложных микрочастиц, если какой-то из входящих в их состав элементов обладает слабым зарядом. Слабое взаимодействие переводит один фермион в другой, не меняя
при этом его цветового заряда. Подобные превращения не проходят безболезненно для составных частиц, содержащих слабо взаимодействующие лептоны или кварки, эти образования
распадаются, трансформируясь в другие частицы.
Классический пример слабого взаимодействия – процесс бета-распада, в ходе которого
свободный нейтрон в среднем за 15 минут распадается на протон, электрон и электронное антинейтрино. Распад вызывается превращением внутри нейтрона кварка аромата d в кварк
аромата u. Нейтрон становится протоном, но при этом испускается электрон, что обеспечивает сохранение суммарного электрического заряда, и антинейтрино, чей вылет позволяет сохранить суммарный механический импульс системы. Не следует считать, что электрон и антинейтрино содержались внутри нейтрона. В процессах, подобных описанному, имеется еще
один полноправный участник – физический вакуум. Именно он выделяет из своей среды те
дополнительные частицы, которые необходимы для выполнения основных законов физики в
трансформирующейся системе. Процесс бета-распада на одной из ранних стадий развития
Вселенной сыграл существенную роль в обеспечении ее преимущественно водородным составом.
Полевые представления о слабом взаимодействии выглядят так. Постулируется существование фундаментального слабого заряда, которым обладают некоторые лептоны и кварки, но
не все. Слабый заряд образует три разновидности поля с тремя обменными бозонными частицами, обладающими значительными (по масштабам микромира) массами. В процессах взаимодействия слабый заряд может не сохраняться.
Первоначальная теория слабого взаимодействия не смогла решить проблему адекватного
его описания. В ходе работы по устранению трудностей у теоретиков возникли подозрения,
что слабое и электромагнитное взаимодействия на самом деле имеют общие корни, что это
два проявления одной сущности подобно тому, как электричество и магнетизм – две стороны
одного явления. Эту идею в 60-х годах воплотили в теорию Стивен Вайнберг, Шелдон Ли
Глешоу (оба из Гарвардского университета) и независимо от них Абдус Салам (Международный центр теоретической физики в Триесте). Теория единого электрослабого взаимодействия
позволила успешно решить главные проблемы, связанные со слабым взаимодействием. Она
исходит из существования фундаментального единого заряда, отвечающего одновременно за
слабое и за электромагнитное взаимодействия. При очень высоких температурах (энергиях)
структура вакуума нарушена по сравнению с нынешней модификацией и в таких условиях
электрослабый заряд выступает как единый заряд обоих взаимодействий. Заряд создает единое поле, квантом которого служит безмассовая бозонная частица, чем обеспечивается дальнодействие этого заряда. При снижении температуры наступает критический момент, после
которого вакуум переходит в более упорядоченную модификацию. Переход сопровождается
изменением характера его взаимодействия с веществом, в частности, с электрослабым зарядом. Как следствие – распад безмассовой бозонной частицы на четыре составляющие. Выделяется бозон электромагнитного взаимодействия, это уже знакомый нам не имеющий массы
фотон, а трем полям слабого заряда соответствуют три векторных бозона, получивших свои
массы в результате взаимодействия со структурой новой модификации вакуума. Теория предсказывает ряд следствий, допускающих экспериментальную проверку.
Во-первых, предсказано, что помимо двух электрически заряженных векторных бозонов

W , фигурировавших в первоначальной теории Ферми, существует еще и электрически нейтральный векторный бозон Z0. Это означает, что в природе реализуются не только слабые
взаимодействия, сопровождающиеся изменением электрических зарядов участвующих частиц, примером чему служит тот же бета-распад нейтрона, но и процессы распада, протекаю36
щие без изменения электрических зарядов частиц. Такие процессы назвали нейтральными
слабыми токами. Ранее они в экспериментах не обнаруживались. Теория подтолкнула экспериментаторов на целенаправленный поиск нейтральных токов, и в 1973 году они были открыты на ускорителе в ЦЕРН’е. Это был серьезнейший аргумент в пользу теории и ее объединительной идеи. В 1979 году С.Вайнбергу, Ш.Глешоу и А.Саламу присуждена Нобелевская
премия по физике за их вклады в теорию единого слабого и электромагнитного взаимодействия между элементарными частицами.
Во-вторых, теория объединения предсказала до того неизвестные значения масс векторных
бозонов:
mW ~ 79,5 ГэВ/с2 ;
mZ0 ~ 90 ГэВ/с2.
Эти значения почти на 2 порядка превышают массу протона, и первоначально не было
средств, обеспечивающих обнаружение столь массивных частиц. Перед экспериментаторами
возникла сверхзадача – создать ускоритель с огромной энергией в пучке и создать очень тонкие методы и соответствующую аппаратуру регистрации процессов взаимодействия пучка с
мишенью. Лишь в 1983 году эта задача была решена. Капитальной перестройке подвергся ускоритель протонов ЦЕРН’а, он был превращен в ускоритель на встречных пучках (коллайдер)
протонов и антипротонов с энергиями 270 ГэВ в каждом пучке. На нем физики обнаружили
всю триаду векторных бозонов, ответственных за слабые взаимодействия. Их массы оказались
следующими:
mW = 80,9  1,5 ГэВ/с2;
mZ0 = 95,6  1,4 ГэВ/с2 .
Эти данные удовлетворительно согласуются с предсказаниями теории объединения.
Открытие промежуточных векторных бозонов явилось выдающимся событием. Оно потребовало создания уникального ускорителя и не менее уникальных двух устройств для регистрации частиц, рождающихся при столкновении протонов с антипротонами. В мероприятии
участвовало множество людей, объединенных в единый коллектив экспериментаторов и инженеров. Авторами открытия считаются более ста ученых из разных стран мира, принимавших участие в планировании, подготовке и проведении экспериментов. Таковы сегодня масштабы экспериментальных работ в области физики высоких энергий и такова роль теории в
подобных работах. Двум руководителям и идейным вдохновителям эксперимента – К.Руббиа
и С. Ван дер Мееру – присуждена Нобелевская премия по физике за 1984 год. Единая природа
слабого и электромагнитного зарядов теперь не вызывает сомнений.
Теория сильных взаимодействий находится в процессе созидания. Ее назначение – описать
объединение кварков и антикварков в адроны. По своей идеологии это типичная полевая теория, ее назвали Квантовой хромодинамикой (КХД). Исходным положением КХД служит постулат о существовании трех типов цветовых зарядов, выражающий присущую веществу способность к объединению кварков и антикварков в сильном взаимодействии. Каждый кварк
обладает некоторой комбинацией этих зарядов, но полной их взаимокомпенсации в одной
частице не происходит, поэтому кварк обладает результирующим цветом, то есть, сохраняет
способность к сильному взаимодействию. Но когда три кварка или кварк и антикварк, или три
антикварка объединяются в адрон, суммарная комбинация цветовых зарядов в нем такова, что
адрон, как частица, оказывается нейтральным в отношении цвета.
Цветовые заряды создают поля с присущими им квантами – бозонами, переносчиками
сильного взаимодействия. Всего образуются 8 полей с соответствующими восемью бозонными частицами, названными глюонами. О необычных свойствах глюонов говорилось выше. В
частности, 6 из 8-и глюонов имеют цветовые заряды, поэтому, несмотря на отсутствие массы,
их радиус действия ограничен атомным ядром. При попытке глюона покинуть ядро нарушается условие бесцветности, возникает бурное выделение в вакууме облака виртуальных глюонов и кварк-антикварковых пар, компенсирующих вносимое возмущение. Для полного выделения из адрона частицы, обладающей цветовым зарядом, понадобилась бы бесконечно
большая энергия. Но как только вводимая энергия превысит определенный уровень, вакуум
выделяет уже не виртуальные, а реальные кварк - антикварки, образующие поток адронов, что
37
и наблюдается в экспериментах на ускорителях. Сильное взаимодействие при всех условиях
сохраняет бесцветность частиц.
До открытия кварков и цветового взаимодействия фундаментальным считали ядерное
взаимодействие, объединяющее, как тогда предполагалось, элементарные протоны и нейтроны в ядрах атомов. Японский физик Юкава еще в 30-х годах предложил модель ядерных
взаимодействий, в которой на роль обменной частицы выдвинул тогда еще неизвестный науке
пи-мезон (пион) с массой в 200 - 300 раз превышающей массу электрона. Пионы вскоре были
обнаружены в космических лучах. Сегодня известны три их разновидности, две из которых
имеют соответственно положительный и отрицательный электрические заряды, а третья –
нейтральна. Слабое взаимодействие приводит к быстрому распаду заряженных пионов. Казалось бы, теория ядерных взаимодействий получила прочную экспериментальную основу. Но с
открытием кварков, из которых слагаются и протоны, и нейтроны, ядерные силы перестали
рассматриваться как фундаментальные, их место заняли цветовые силы. В таком случае, чем
считать ядерные силы, которые соединяют составленные из кварков барионы в реально существующие атомные ядра?
Правило бесцветности адронов, казалось бы, обрекает все частицы этого рода на полную
пассивность. Такое утверждение справедливо, если речь идет о дистанциях, превышающих
10–13 см, то есть, о радиусе действия цветовой силы. Если же расстояние между адронами (в
частности, между составляющими ядро барионами) не превышает этой дистанции, то внутри
сферы указанного радиуса возможно сильное взаимодействие между находящимися там частицами, несмотря на их коллективную бесцветность. Радиус атомного ядра, как мы знаем,
совпадает с радиусом действия цветовой силы, что обеспечивает протекание процесса взаимодействия, объединяющего барионы в ядро. Напрашивается аналогия с атомами, которые в
целом электрически нейтральны, но при сближении на дистанцию порядка 10 –8 см именно
электрические силы соединяют их в молекулы. Так что ядерные силы являются отголосками
цветовых сил, как химические силы являются отголосками электромагнитных сил.
Предполагается, что при сближении барионов на расстояние порядка 10 –13 см и меньше
они теряют свои индивидуальные особенности, обмен глюонами между кварками приобретает
коллективный характер, связывая все эти частицы в единое целое, в атомное ядро. Перемещение одного из кварков на непозволительное удаление от другого нарушает локальную нейтральность цветового заряда, вакуум реагирует на это рождением виртуальной кваркантикварковой пары. Кварк этой пары замещает нарушителя на его законном месте, а антикварк вместе с беглецом образует виртуальный пион, принимаемый за обменную частицу
ядерного взаимодействия.
Заветная мечта физиков – выявить универсальность всех четырех фундаментальных сил.
Объединение электромагнитного и слабого взаимодействия в единое электрослабое взаимодействие стало первым обнадеживающим успехом на этом пути. Следующим шагом, как надеются ученые, станет открытие Большого Объединения. Так физики называют пока еще до
конца не созданную теорию объединения электромагнитного, слабого и сильного (цветового)
взаимодействия в единое целое. Интересную попытку в этом направлении предприняли в
1973 году Ш.Глешоу и Х.Джорджи [28]. Они показали, что такое объединение в принципе
возможно. Предложен вариант, в котором объединенный заряд создает поля 24-х разновидностей с соответствующими промежуточными бозонами. Половина этих полей и частиц принадлежит вакууму. Переходы между лептонами и кварками становятся возможными, когда
взаимодействующие частицы сближаются на фантастически короткую дистанцию 10–29 см,
она названа масштабом объединения. Для такого сближения необходимо сообщить частицам
энергию порядка 1017 ГэВ, чему соответствует температура, превышающая 1027 К. Если оценка верна, то подходящие для объединения условия могли иметь место только на предполагаемой самой начальной стадии развития Вселенной. Из этой незавершенной теории следует вывод о нестабильности протона, его период полураспада оценен в 1031 лет. Число огромное, но
важен сам факт нестабильности. Задача экспериментальной проверки такого следствия теории
встречает серьезные трудности и пока остается нерешенной.
38
Еще более грандиозна идея объединения всех четырех фундаментальных сил, включая
гравитацию. Соответствующие теоретические построения называют суперобъединением. Пока идет лишь разработка подходов к проблеме, но если на этом пути наметится успех, то унификация природных сил будет доведена до предельно возможной. Для более глубокого знакомства с затронутыми вопросами дополнительно к ранее цитировавшимся источникам [24,
25] можно рекомендовать [28].
2.3 Самоорганизуемость микромира в ранней Вселенной
В главе 2.1 мы остановились на том, что, согласно гипотезе Горячей Вселенной к моменту
времени ~10–33 секунды после начала из недр квантового вакуума выделился очень плотный и
очень горячий сгусток вещественных частиц и античастиц, сосредоточенный в предельно малом объеме пространства. Расширение занимаемого сгустком пространства привело к эффекту расширения возникшей вещественной Вселенной, продолжающегося вплоть до нашего
времени. При исходной температуре сгустка не ниже 1027 К лептоны и кварки свободно переходили друг в друга, то есть, были неразличимы.
Переходы такого рода осуществлялись в результате взаимодействия исходных частиц в
среде, где кроме гравитации существовала единая фундаментальная сила, объединявшая
сильное и электрослабое взаимодействия. Переносчиками такого взаимодействия служила
~
экзотическая пара, состоящая из Х - бозона и X - антибозона. Теория предсказывает, что Х –
бозон был необычайно массивной частицей, его масса достигала значения порядка 10 –9 г, что
в 1014 раза больше массы протона. Подобно тому, как гиганты древнего животного мира Земли – динозавры, мастодонты и другие, поражающие наше воображение своими размерами и
весом, вымерли десятки миллионов лет назад, оставив после себя в земле лишь громадные
~
кости, так и гиганты микромира Х частицы и X античастицы "вымерли" из-за снижения температуры в ранней Вселенной. Но пока исследователям не удалось отыскать их "костей", доказательного подтверждения их существования в природе. И это не удивительно. Скалярные
бозоны этого типа существуют только при температурах, не ниже 1027 К. В наблюдаемой Вселенной сегодняшнего дня нет уголка, где подобные температуры могли бы реализовываться.
Невозможно получить их и на самых мощных современных ускорителях, да и в будущем нет
надежды получить их в лабораторных условиях. В качестве "костей" этих микрогигантов остается вывод теории о существовании в ранней Вселенной переходов между лептонами и
кварками. Из такого допущения следует, что и в наше время существует очень маленькая вероятность редких превращений какого-нибудь кварка в лептон. Тогда протон, в состав которого входит преобразившийся кварк, распадется.
~
Предполагают, что распад Х - бозонов и X - антибозонов сразу, как только температура
сгустка стала ниже 1027К, повлек за собой крайне важное следствие, определившее всю последующую историю Вселенной. Дело в том, что скорости распада Х-бозона и Х-антибозона
несколько отличаются, что является следствием определенной асимметрии между веществом
и антивеществом, экспериментально подтвержденным Фитч и Крониным в Брукхейвеновской
лаборатории (США). В результате распад Х частиц и античастиц привел к тому, что на каждый миллиард античастиц зафиксировался один миллиард плюс одна частица вещества. Разница, казалось бы, мизерная, число вещественных частиц в каждом миллиарде на одну превышало число античастиц, но именно эта разница определила появление в дальнейшем вещественной Вселенной с галактиками, звездами, планетами и разумными существами на некоторых из них.
По оценкам С.Вайнберга время жизни протона порядка 1032 лет, по другим оценкам оно
несколько меньше и лежит в пределах от 1030 до 1031 лет. Если верны более низкие оценки, то
современная техника эксперимента позволяет на пределе своих возможностей обнаружить
распад протона уже теперь. То обстоятельство, что усиленные поиски распада протона так и
не увенчались успехом, означает, что, либо справедлива оценка времени жизни протона, сделанная Вайнбергом, либо неверен сам вывод о возможности распада протона.
39
Изменение температуры Т и плотности  на начальной стадии расширения описывается
простыми зависимостями этих величин от времени, прошедшего с начала расширения [29]:
Т [МэВ]  t –1/2 [c];
 [г/см3]  4,510–3t –2 [c],
где t – время, отсчитываемое от начала. Возможность выдвигать обоснованные, а не фантастические предположения о начальном периоде развития Вселенной, появилась в первую очередь благодаря крупным успехам физики высоких энергий, в частности, разработкой теории
Великого объединения. Один из создателей как теории электрослабых взаимодействий, так и
теории Большого Взрыва Стив Вайнберг пишет [30]:
Мы уже подошли к тому рубежу, когда для нас становится посильным обсуждение природы материи и истории Вселенной вплоть до температур порядка планковской, однако мы
еще не достигли такого уровня понимания, чтобы полностью доверять всем деталям полученных нами результатов
Доступная астрономическим наблюдениям современная Вселенная на 98% состоит из водорода и гелия. Но в только что родившейся Вселенной не было ни водорода, ни гелия. Существующая теория утверждает, что от появления протовещества и до образования ядер водорода и гелия прошло немногим больше трех минут. На этом временном промежутке стремительно преобразовывались вакуум и вещество, а этапы преобразований определялись процессами расширения и остывания сгустка. Толчком для очередного скачкообразного перехода в
качественно новое состояние служило достижение системой определенных критических значений температуры и плотности расширяющегося вещества.
В [30] три минуты, за которые образовалась вещественная основа нашего мира, подразделены на четыре этапа (или эры). Через ~10–33 секунд после "начала", на рубеже перехода к
температурам ниже 1027 К, прекращают свое существование скалярные Х бозоны. Здесь совершается переход вакуума в свою модификацию с более высоким уровнем упорядоченности,
и гигантские бозонные и антибозонные частицы распадаются на глюоны и безмассовый бозон
электрослабого взаимодействия. Кварки и лептоны разделились, а сильное взаимодействие
отделилось от электрослабого. Возник качественно новый этап развития, который Вайнберг
назвал эрой рождения барионов. Появление сильного взаимодействия предопределило последующее объединение кварков и антикварков в адроны. Но на этом этапе высокая температура
еще позволяла сохраниться этим частицам в свободном состоянии.
Следующий критический момент наступил на рубеже времени 10 –10 секунды, когда температура снизилась до 1015 К. Здесь проявилась очередная неустойчивость вакуума, завершившаяся новым фазовым переходом в еще более упорядоченное его состояние. Новая модификация вакуума взаимодействовала с веществом таким образом, что безмассовый электрослабый бозон разделился на безмассовый фотон и на три векторных бозона, получивших от вакуума солидные массы. Электрослабое взаимодействие распалось на слабое и электромагнитное. Во Вселенной утвердились все четыре известные науке фундаментальные взаимодействия. Этот этап назван Вайнбергом эрой промежуточных бозонов.
Теория предсказывает, что при температурах несколько меньших, чем 10 15 К, в плазменном сгустке, состоящем из фотонов, лептонов, антилептонов, кварков, антикварков, глюонов
и векторных бозонов достигается состояние, близкое к термодинамическому равновесию. При
дальнейшем снижении температуры возникает ситуация, когда кварки и антикварки подпадают под действие сил, стремящихся объединить их в адроны. Зону свободного существования
этих частиц отделяет от зоны, в которой они перестают существовать как свободные частицы,
температурный рубеж в 1013 К. Этот этап назван эрой адронов.
Ранний период развития Вселенной завершается лептонно-фотонной эрой. Она начинается после того, как снизившаяся температура открывает возможность для протекания быстрого
процесса необратимых соединений барионов с антибарионами, заканчивающегося их аннигиляцией. Эти частицы исчезают, оставив после себя соответствующее количество фотонов и
выделившуюся вследствие аннигиляции энергию, замедлившую остывание сгустка. А так как
барионов было немного больше, чем антибарионов, те из них, которые не нашли своего антипода, остались в качестве небольшой примеси в однородной смеси фотонов и лептонов. Со-
40
гласно расчетам, на ~10 миллиардов фотонов и лептонов приходилось по одной барионной
частице. Такого состояния Вселенная достигла к моменту времени, примерно равному 0,01
секунде после "начала". С этого момента вступает в действие подробно разработанная теория
дальнейшего развития Вселенной, получившая название Стандартной модели (или сценария)
Большого Взрыва. Стандартная модель отделяет область предположительных знаний о самом
раннем периоде развития Вселенной от надежно разработанного и подтверждаемого наблюдательными данными расчета последующего ее развития вплоть до этапа первичного нуклеосинтеза.
Итак, к моменту времени 0,01 секунды Вселенная предстает в виде однородной "газовой
смеси", состояние которой очень близко к термодинамическому равновесию. Равновесность
достигнута благодаря тому, что скорости взаимодействия частиц в смеси существенно более
высокие, чем скорость изменения условий (температура, плотность) в расширяющейся Вселенной. А при равновесном состоянии состав, концентрация компонентов и другие параметры
"газовой смеси" суть функции только температуры и плотности вещества. Но в ранней Вселенной оба эти параметра однозначно зависят только от времени, отсчитываемого от "начала",
и не зависят от предыстории, то есть от более ранних состояний. Таким образом, предшествовавшие Стандартной модели периоды развития Вселенной выносятся за ее рамки и требуют
независимого рассмотрения. Наступившая на рубеже времени 0,01 секунды квазиравновесность стерла следы более раннего развития, не оставив в последующей истории Вселенной
видимых доказательств его существования.
"Это подарок судьбы космологам, – пишет С.Вайнберг [30], – поскольку они могут вычислять интересующие их величины, скажем, содержание гелия, не слишком беспокоясь о
том, что происходило на очень ранних стадиях развития Вселенной. Зато это плохо для нас,
физиков, изучающих элементарные частицы, поскольку нам не приходится ожидать от космологических наблюдений значительной информации, которая могла бы дополнить эксперименты, осуществляемые в земных условиях".
Основные события Стандартного сценария. К первой секунде температура снизилась до 10
миллиардов градусов (1010 К) и произошло отделение от "газовой смеси" нейтрино и антинейтрино, практически прекративших взаимоотношения с оставшимися компонентами.
К 14-й секунде температура упала до трех миллиардов градусов. Появились условия для
аннигиляции электронов и позитронов. В результате выделилась еще одна порция фотонов и
значительная энергия, подогревшая фотонно-барионный газ, но не нейтрино, оставшиеся при
более низкой температуре, чем остальные частицы Вселенной. Небольшой избыток электронов над позитронами, возникший на самом раннем этапе развития, сохранился, и отрицательный суммарный электрический заряд электронов точно компенсировал положительный суммарный заряд примесных протонов.
Будущий состав барионной Вселенной определился не без участия процесса превращения
свободных нейтронов в протоны, протекавшего на протяжении почти всей лептоннофотонной эры. К моменту ее завершения отношение числа протонов к числу нейтронов стало
равным 8:1, оно сохранилось и определило в дальнейшем соотношение водорода и гелия во
Вселенной.
Спустя три минуты и две секунды после "начала" температура снизилась до миллиарда
градусов. На этом завершилось формирование самой ранней Вселенной, и начался процесс
соединения протонов и нейтронов в составные ядра, его называют нуклеосинтезом. На протяжении всей самой ранней стадии развития шли процессы усложнения вещества, упорядочения вакуума и продвижения Вселенной от начального однообразия к все большему разнообразию.
2.4 Завершение раннего периода развития Вселенной
Объединение протонов и нейтронов (нуклонов) в составные ядра протекает при участии
ядерных сил, радиус действия которых не превышает 10–13 см. Для сближения нуклонов на
такие расстояния необходимо, по крайней мере, выполнение двух условий: свободные нуклоны должны обладать энергией, позволяющей им сблизиться на указанную дистанцию, но при
41
этом их энергия не должна превышать энергии связи нуклонов в ядре, иначе объединение
окажется неустойчивым. Следовательно, нуклеосинтез может протекать в узком интервале
температур, и верхней границей интервала служит температура порядка одного миллиарда
градусов. Этой границы Вселенная достигла спустя примерно три минуты после начала расширения.
Электрические заряды протонов препятствуют их прямому объединению, так как кинетической энергии этих частиц при температуре в миллиард градусов не хватает для преодоления
электромагнитного отталкивания между ними при сближении на указанную дистанцию. Но
нет препятствий для сближения и объединения протонов с нейтронами. Соединение протона,
ядра водорода, с одним нейтроном образует ядро дейтерия, а присоединение второго нейтрона
создает ядро трития. Это – два тяжелых изотопа водорода. Образование же ядер других элементов требует, казалось бы, невозможного – объединения двух и большего числа протонов.
В конце 20-х годов Г.Гамов, Э.Альфер и Р.Герман указали возможный путь нуклеосинтеза
в условиях ранней Вселенной. В его основе лежит процесс нерезонансного захвата нейтрона
протоном. В таком процессе захваченный нейтрон (образующий с протоном ядро дейтерия)
тут же распадается на протон, электрон и антинейтрино (бета-распад), после чего в ядре оказываются вместе два протона и это уже ядро гелия – второго после водорода элемента таблицы Менделеева. К ним присоединяется один или два нейтрона, создавая ядра с массовым числом 3 или 4. Массовое число показывает из скольких частиц (нейтронов и протонов) состоит
данное ядро. Два изотопа гелия с указанными массовыми числами являются устойчивыми, а
любые другие комбинации неустойчивы.
В принципе процесс нерезонансного захвата нейтрона может повториться с ядром гелия,
оно увеличит свой заряд еще на единицу и станет ядром лития, затем бериллия и последующих элементов. Казалось бы, открывается прямой путь для последовательного образования
одного за другим ядер всех известных элементов. Однако в Природе переходы от простого к
сложному, как правило, отличаются от наиболее прямых, в наших представлениях, путей.
Нуклеосинтез в ранней Вселенной тому пример. На пути его последовательного развития
встали элементы с "магическими" массовыми числами 5 и 8. Дело в том, что любая комбинация протонов и нейтронов, образующая ядро с одним из таких массовых чисел, оказывается
нежизнеспособной и стремительно распадается на составные части. Так что цепочка последовательного присоединения нейтрона к ядру с дальнейшим его превращением в протон обрывается в самом начале, не оставляя надежды на образование ядер с числом нуклонов, превышающим 4. Этот барьер на пути наращивания нуклонов в ядре физики назвали "щелью массы".
Таким образом, нуклеосинтез в ранней Вселенной не мог образовать наблюдаемого во
Вселенной сегодняшнего дня разнообразия химических элементов, укладывающегося в
стройную систему таблицы Менделеева. Поэтому его назвали первичным нуклеосинтезом.
Примерно через час после начала расширения все нейтроны оказались связанными с частью
протонов, образовав ядра гелия с небольшой примесью ядер дейтерия и совсем мизерной добавкой ядер трития. Температура к этому времени упала до 300 тысяч градусов, но была еще
слишком высокой для соединения ядер с электронами, что исключало образование атомов.
Из-за преобладания в барионном веществе ранней Вселенной протонов над нейтронами итоговое содержание гелия, созданного первичным нуклеосинтезом, составило, по оценкам, 22 
28%, а остальное барионное вещество представляли ядра водорода, то есть протоны.
В современной Вселенной соотношение между атомами водорода и атомами гелия должно
определяться «реликтовыми» атомами гелия, образовавшимися из ядер гелия, возникших в
первичном нуклеосинтезе, плюс теми атомами гелия, которые впоследствии были созданы в
результате протекания в звездах типа нашего Солнца реакций водородного цикла нуклеосинтеза. Ф.Хойл и Р.Тейлер провели расчеты образования ядер гелия в первичном нуклеосинтезе. Затем оценили примерное количество гелия, возникшего в реакциях звездного нуклеосинтеза, и вычли это значение из оценок содержания гелия в космосе наших дней. Тем самым они
определили концентрацию «реликтовых» атомов гелия во Вселенной. Эта концентрация ока-
42
залась в хорошем согласии с расчетом выхода гелия в первичном нуклеосинтезе. Результат
говорит в пользу гипотезы Горячей Вселенной и Большого Взрыва.
Первичный нуклеосинтез – это процесс трансформации только барионного вещества, основную часть которого составляют протоны и нейтроны. В понятие вещественной среды кроме них входят бозонная частица фотон и лептонная частица нейтрино, концентрации которых
на много порядков превышают концентрацию барионов. В вещественной Вселенной примерно на 10 миллиардов таких частиц приходится лишь одна барионная частица – ядро водорода
(протон) или гелия, и одна лептонная частица – электрон. Фотон взаимодействует со свободными электронами и в ранний период развития Вселенной, когда все наличные электроны были свободными, это обстоятельство прочно привязывало фотоны к барионному веществу, делая его непрозрачным для излучений.
Главное подтверждение реальности исходной гипотезы происхождения Вселенной было
получено в начале 60-х годов ХХ века. Согласно сценария развития ранней Вселенной примерно через 500-700 тысяч лет после завершения первичного нуклеосинтеза радиус однородного вещественного сгустка достиг значения примерно 100 Мпс, плотность вещества снизилась до 10–22 г/см3, и температура снизилась до 3000 К, что сделало возможным соединение
электронов с ядрами водорода и гелия, образовав атомы современной водородно-гелиевой
Вселенной. В сгустке исчезли свободные электрические заряды, возросла степень прозрачности атомарного вещества и прервалась связь с ним огромной массы фотонов, возникших в ранее протекавших процессах аннигиляции вещества и антивещества. Такое событие было
предсказано Альфером и Хермонсом задолго то того, как во Вселенной был обнаружен равномерно заполняющий ее тепловой фон. Исходя из гипотезы Горячей Вселенной, они рассчитали, что космическое пространство в наше время должно быть заполнено равновесным тепловым излучением с температурой ~3 К, получившим название реликтового излучения.
В начале 60-х годов группа теоретиков и экспериментаторов во главе с Робертом Дикке
более детально провела расчет образования теплового фона. Освобожденное излучение, давшее гигантскую световую вспышку в конце раннего периода развития Вселенной (огненный
шар), в дальнейшем расширялось вместе с расширением Вселенной и «остывало».
Следует обратить внимание на то, что возникновение теплового излучения возможно
только в процессах многократного поглощения и переизлучения фотонов при их взаимодействиях с атомарным веществом. Только так может возникнуть термализация излучения. Термализация вполне могла произойти в довольно плотном сгустке вещества перед образованием
атомов, но в наши дни, когда средняя плотность вещества в космосе очень низкая, вероятность образования равновесного теплового излучения крайне маловероятна. Поэтому образование теплового фона Вселенной в наши дни практически исключается, это продукт раннего
периода развития Вселенной. В своей пространственной структуре реликтовое излучение сохранило "память" о структуре барионного вещества в момент разделения, и высокая его однородность в пространстве указывает на высокую однородность «сгустка» вещества к концу
раннего периода развития Вселенной. Современная температура фонового излучения ~ 3К
соответствует равновесному излучению абсолютно черного тела на длинах волн в области от
~10 до 0,05 см с максимумом на длине волны ~0,1 см.
Реликтовое излучение случайно экспериментально обнаружили в 1964 году английские
радиофизики Пензиас и Вильсон, опередившие экспериментаторов из группы Дикке, сознательно готовивших такой эксперимент, но не располагавших на тот момент необходимым
оборудованием. О значении своего открытия Пензиас и Вильсон узнали только после того,
как обратились к Дикке за разъяснением непонятого ими равномерного теплового шума в антенне, идущего со всех направлений неба.
Этап рекомбинации электронов с ядрами водорода и гелия, возникновение при этом реликтового излучения, завершили период раннего развития вещественной Вселенной.
Гипотеза Горячей Вселенной или Большого Взрыва, рассмотренная в этом разделе книги,
не единственная, но именно она считается наиболее продуктивной. Научная гипотеза – это не
фантазия, а предположение, основывающееся на сегодняшнем знании. Детализация гипотезы
ведет к определенным следствиям, часть из которых уже теперь можно проверить на материа43
ле наблюдений за современным состоянием изучаемого объекта, в данном случае – вещественной Вселенной. Если данные наблюдений согласуются со следствиями, предсказанными
гипотезой, то гипотеза становится основой для создания новой теории. Каковы видимые достоинства гипотезы Большого Взрыва, позволяющие считать ее наиболее продвинутой?
Эта гипотеза естественным образом объясняет тот факт, что современная Вселенная на
98% состоит из водорода и гелия. Она правильно определяет количество реликтового гелия,
образовавшегося в первичном нуклеосинтезе. Гипотеза позволила теоретикам выделить основные фазы развития ранней Вселенной и расчетным путем оценить продолжительность каждой фазы, выявив те изменения, которые на их протяжении происходили с вакуумом, с формами вещества и процессами взаимодействия между этими формами. Наконец, два важнейших астрономических открытия ХХ века наиболее весомо вписались в следствия рассматриваемой нами исходной гипотезы. Во-первых, открытие красного смещения в спектрах галактик, не входящих в местное их скопление, показавшее существование того, что условно названо разбеганием галактик равномерно во все стороны (расширение Вселенной). Во-вторых,
обнаружение реликтового излучения, предсказанного исходя из гипотезы Горячей Вселенной
с точным определением основных параметров этого излучения до того, как произошло его
открытие. К этому следует добавить достижения инфляционной теории, следствия которой
хорошо согласуются с имеющимися наблюдательными данными, полученными в самое последнее время. Подробности достижений в развитии инфляционной теории изложены в [31].
Ни одна другая выдвигаемая сегодня гипотеза устройства Вселенной не может сравниться
по полноте и разработанности с тем, что создано на основе гипотезы Горячей Вселенной.
Время от времени предпринимаются попытки опровергнуть факт расширения вещественной Вселенной, для чего выдвигается предположение, что красное смещение спектральных
линий галактик – это не оптический эффект Доплера, вызванный их «разбеганием», а результат потери фотонами своей энергии на пути от галактик к наблюдателю через космическую
среду. Современная физика не знает иного механизма потери фотоном части своей энергии,
кроме как через его взаимодействие с веществом. В процессах такого взаимодействия потери
энергии первичными фотонами зависят от среды, в которых такая трансформация происходит,
а величина сдвига в красную область будет зависеть от длины волны исходного фотона. В отличие от этого красное смещение под влиянием эффекта Доплера отличается тем, что сдвиг
спектральных линий, например, в сериях линий водорода или гелия, не зависит от длины волны этих линий, он происходит как единое целое. Это обстоятельство является следствием того, что частота излучаемых фотонов не меняется при движении источника света. Изменение
частоты, регистрируемое неподвижным наблюдателем, есть кажущийся эффект, величина которого зависит только от скорости движения излучаемого объекта. Поэтому физики уверенно
говорят о наблюдении именно эффекта Доплера, а не частичных потерь энергии фотонами
при прохождении через космическую среду. К тому же расстояние до галактик, определенное
по красному смещению, для не слишком удаленных галактик совпадает с результатами измерений, осуществляемых независимыми методами.
Существуют также попытки найти иные объяснения присутствию теплового фона в современной Вселенной причинами, не вытекающими из гипотезы Горячей Вселенной. Наиболее
серьезной альтернативой служит объяснение теплового фона термализацией звездного излучения. Такие попытки наталкиваются на серьезные трудности, которые до сих пор не преодолены. Прежде всего, спектр света звезд радикально отличается от микроволнового фона. Кроме спектральных различий, свет звезд создает плотность фотонов в тысячи раз меньшую
плотности фотонов микроволнового фона. Но термализовать хаотическое излучение в современной Вселенной невозможно. Приходится относить процесс преобразования звездного излучения в термализованный микроволновой фон в исторически далекое прошлое, в котором
плотность вещества Вселенной предполагается намного более высокой, чем в наши дни. Кроме того, пространство Вселенной необходимо заполнить пылинками определенного размера, с
которыми будут взаимодействовать фотоны звездного излучения. Но какой процесс способен
был создать в прошлом высокую плотность вещества, если исключить расширение Вселенной? Выдвигается гипотеза о том, что в далеком прошлом возникли первые звезды, масса ко44
торых была в 10-15 раз больше массы Солнца. Возможно, что с помощью такой гипотезы
можно уменьшить недостачу фотонов, излучаемых звездами по сравнению с количеством фотонов в микроволновом фоне, хотя такое предположение плохо согласуется с известными астрономам представлениями о происхождении и эволюции звезд. Но как в отсутствии расширения Вселенной заставить «остыть» исходный термализованный свет звезд? Нелишне при
этом вспомнить, что именно гипотеза Горячей Вселенной позволила без каких-либо помех
предсказать появление и эволюцию теплового фона до того, как такой фон был обнаружен.
Но вопрос о рождении Вселенной нельзя считать закрытым. Новые знания, возможно,
уточнят или даже внесут заметные изменения в гипотезу "начала". Однако возможные изменения не опровергнут того, что мы имеем дело с направленно развивающейся Вселенной.
3. СТРУКТУРНАЯ САМООРГАНИЗАЦИЯ
ВСЕЛЕННОЙ И ЕЕ СОСТАВНЫХ ЧАСТЕЙ
3.1. Формирование структур
как этап самоорганизации Вселенной
На рубеже рекомбинации Вселенная достигла своеобразной точки бифуркации. До этого
ее развитие шло через последовательные преобразования вакуума и вещества, достижения в
ходе таких преобразований все более высоких уровней упорядоченности и сложности. Процесс протекал с охватом всей Вселенной как единого целого. Движущей силой самоорганизации служили глубинные свойства вакуума и вещества и особенности их проявления в экстремальных условиях начального периода развития. В дальнейшем эта роль перешла к четырем
фундаментальным силам природы. Но вот исчерпались возможности дальнейшего развития
Вселенной в том ключе, в каком оно происходило раньше, наступил критический момент.
Линейная экстраполяция происходящего расширения в будущее предсказывает Вселенной
переход к деградационным процессам, завершающимся образованием так называемой фотонно-лептонной пустыни. Но вместо этого произошел скачкообразный переход, приведший к
структурообразованию вещества Вселенной. В результате возникли наблюдаемые сегодня
разномасштабные структуры, пребывающие в неравновесных состояниях. С этого времени
вещественная Вселенная, как система, перешла в состояние, для которого равновесие противопоказано.
Особенности наступившей фазы развития определяют два качественно новых момента.
Во-первых, появились особые локальные условия, обеспечивающие протекание новых актов
самоорганизации. Такие акты совершаются на этапах, когда предшествовавшее развитие Вселенной создает для них необходимые условия. Например, биосфера Земли смогла возникнуть
лишь после появления Солнечной системы с входящей в ее состав нашей планетой; Солнечная система с тяжелыми планетами земной группы возникла в условиях, когда процессы нуклеосинтеза в звездах предшествовавших поколений создали в их недрах и выбросили в межзвездную среду всю гамму химических элементов, тяжелее водорода и гелия; но сами эти
звезды возникли лишь после того, как некогда однородная Вселенная приобрела структурную
организацию, и так далее.
Во-вторых, структурная организация Вселенной открыла возможность появления огромного разнообразия форм и разновидностей подсистем, тем самым расширив поиск и выбор
путей дальнейшего развития. На стадии ранней Вселенной ничего подобного не было. В каждой иерархической подсистеме возникают, развиваются и умирают разные вариации элементов и процессов, чем поддерживается динамическое существование подсистемы как целого.
Имеются убедительные признаки того, что перед рекомбинацией сгусток вещества во Вселенной обладал высокой степенью однородности. В частности, об этом свидетельствует высокая однородность реликтового излучения. Возникает естественный вопрос, как при таких обстоятельствах объяснить возникновение неоднородностей, породивших скопления галактик и
45
сами галактики? Современная астрономия на основании имеющихся наблюдательных данных
разработала обширную классификацию множества типов галактик и звезд, отличающихся
структурами, параметрами и путями развития [32,33]. Откуда такое разнообразие?
Переход к современной структурной организации произошел не сразу. Так, по оценкам
астрофизиков самый тяжелый природный элемент таблицы Менделеева – уран – появился
примерно три миллиарда лет спустя после начала расширения Вселенной. Процесс образования тяжелых элементов в водородно-гелиевой Вселенной протекает в звездах, которые, в
свою очередь, рождаются и существуют в галактиках. Поэтому время появления урана с небольшой задержкой согласуется со временем образования галактик.
Но галактики и составляющие их звезды завершают, а не начинают процесс образования
крупномасштабных структур. В соответствии с представлениями о гигантской "коллективной
флуктуации", характерной для скачка самоорганизующихся систем, между всеми ее частями
должна была существовать взаимосвязь. Во Вселенной причинно-следственные связи возможны только в пределах горизонта событий, то есть на расстояниях, на которые успевает
распространиться сигнал за время от начала расширения Вселенной и до рассматриваемого
момента. На рубеже рекомбинации горизонт событий составлял ~100 Мпс. Именно таков
масштаб самого крупного из известных науке структурного образования, сверхскопления галактик, и это, возможно, не является случайным совпадением.
Чтобы в однородном вещественном сгустке могли возникнуть процессы образования
структур, в нем должны были существовать исходные неоднородности, способные с течением
времени образовать крупные блоки вещества. До недавнего времени поиск ответа на вопрос о
механизме формирования структуры велся в предположении, что движущей силой процесса
выступает гравитация. Еще в 1947 году Е.М. .Лифшиц выдвинул и расчетно обосновал идею о
развитии уплотнений. Предполагается, что в расширяющейся Вселенной возникают и развиваются случайные уплотнения вещества. Силы тяготения внутри уплотнений проявляют себя
заметнее, чем в невозмущенной среде. Поэтому, несмотря на общее расширение Вселенной,
вещество в уплотнениях притормаживается, и его плотность постепенно нарастает. Концентрации вещества противодействуют факторы, стремящиеся выровнять плотность вещества в
системе. До рекомбинации таким фактором служило излучение, связанное с барионным веществом. Но после завершения рекомбинации и отделения реликтового излучения от остального
вещества, противодействие местным гравитационным возмущениям прекратилось. Слабые
уплотнения постепенно превратились в сильные. К категории сильных отнесены уплотнения,
в которых плотность вещества в два раза и больше превышает среднюю плотность во Вселенной. Появление сильных уплотнений и стало началом рождения крупномасштабных структур.
Эта идея получила развитие в теории адиабатических возмущений (А-теория), активно
разрабатывавшейся Я.Б.Зельдовичем и его сотрудниками. В доступном для широкого круга
читателей виде ее положения изложены в [34]. Здесь отметим основное. Адиабатическими
названы совместные возмущения плазмы и излучения, по предположению возникавшие в дорекомбинационную эпоху, когда излучение было тесно связано с барионно-лептонным веществом. В случайно образовывавшихся слабых возмущениях температура и плотность барионного вещества были несколько выше, чем в окружающей среде. За счет лучистого теплообмена неоднородности сглаживались, и мелкомасштабные возмущения быстро выравнивались. К
эпохе рекомбинации, когда излучение отделилось от барионного вещества и больше не влияло на развитие неоднородностей, мелкомасштабные возмущения полностью исчезли. Крупномасштабные же возмущения с характерным размером того же порядка, что и горизонт событий в ту эпоху, сохранились. Масса вещества в них достигала примерно 10 15 солнечных
масс (миллион миллиардов солнц!). Такие возмущения развились в сильные. А-теория детально прослеживает дальнейшую судьбу сильных гравитационных возмущений. Из них
формируются неоднородные массивные водородно-гелиевые уплотнения, образно названные
"блинами" [35]. В то время, как Вселенная в целом расширялась, "блины" испытывали сжатие,
у их поверхности возникали мощные ударные волны, разогревавшие разреженную оболочку
до 1-10 миллионов градусов. Барионный "блин" был обернут как в шубу еще более мощным
нейтринным "блином", радиус которого в 1,5 раза превышал радиус барионного образования.
46
В конечном счете, сжатие "блина" порождало его неустойчивость, и он распадался (фракционировал) на более мелкие подсистемы с массами 106 – 107 солнечных масс каждая. Это, согласно теории, были зародыши галактик, но их массы очень малы, современные галактики в
среднем имеют массу на 5-6 порядков более высокую. Так что предсказываемые теорией образования скорее можно считать зародышами карликовых галактик, очень редко встречающихся в наши дни. Не привлекая дополнительных предположений, теория не в состоянии
объяснить появление "нормальных" галактик современной Вселенной. Возникшие подсистемы, в свою очередь, достигали состояния неустойчивости и распадались на более мелкие уплотнения, которые стали зародышами звезд первого поколения с массами от 0,1 до 100 солнечных масс каждая.
А-теория привлекает симпатии своей разработанностью и способностью естественным образом объяснить формирование крупномасштабных структур с последующим их фракционированием на структуры более мелкого масштаба. Однако, теория уязвима для критики. Первая
трудность кроется в ее исходных предпосылках. Слабые возмущения однородной Вселенной
дорекомбинационного периода, если они существовали, должны были оставить свой след в
структуре реликтового излучения. Расчет дает оценки тех минимальных значений амплитуд
таких возмущений, которые обеспечивают их последующее перерастание в крупномасштабные возмущения. Однако, тщательные наблюдения за реликтовым излучением не выявили в
его структуре следов ожидаемого возмущения. А структура реликтового излучения точно
отображает структуру барионного вещества в период их разделения. Так что если в дорекомбинационный период и существовали возмущения плотности, то их амплитуды лежали за
пределами чувствительности приборов, использовавшихся при измерениях, и не могли обеспечить развития крупномасштабных возмущений. Существовавшей барионной массы было
для этого недостаточно.
Устранение противоречия теории и наблюдений возможно, если тяготеющая масса в вещественном сгустке определяется не только барионными частицами. Дело в том, что чем больше
тяготеющая масса вещества в сгустке, тем при меньших амплитудах исходных возмущений
достигаются крупномасштабные уплотнения. Спасая свою теорию, Зельдович предположил,
что носителями недостающей массы могут быть нейтрино, если они обладают сравнительно
небольшой собственной массой, порядка 30 электрон-вольт. В реальном существовании нейтрино ученые убедились в 1953 – 1956 годах, но во времена создания А-теории было неизвестно, имеют ли нейтрино массу, или являются безмассовыми частицами.. Как видно из таблицы 2.1, различают три разновидности нейтрино: электронный нейтрино е, мюонный нейтрино  и тау-нейтрино . Каждая частица имеет соответствующую античастицу. Среди тогдашних проблем природы нейтрино выделялись две: это вопрос о наличии у нейтрино массы
и вопрос о возможных переходах нейтрино одной разновидности в другую. А так как опыты с
нейтрино сопряжены с большими трудностями из-за очень слабого их взаимодействия с другими видами вещества, то экспериментально обнаружить у них массу тогда не удалось. В самое последнее время прямые эксперименты показали, что нейтрино все же имеют небольшую
массу, но эта масса не превышает примерно одного электрон-вольта.
Согласно оценкам Я.Б. Зельдовича и его сотрудников, в современной Вселенной концентрация нейтрино всех трех сортов очень высокая, от 150 до 500 частиц на кубический сантиметр, она на много десятков порядков превышает концентрацию барионного вещества и сравнима лишь с концентрацией фотонов (500 на см3). Малая масса нейтрино даже при таком огромном их количестве не способна обеспечить гравитационные процессы, ведущие к развитию уплотнений, способных привести к образованию наблюдаемых в Мире структур. Сегодня
идеи А-теории упоминаются только в историческом плане.
Современные представления о появлении разномасштабных структур, возникших в однородной ранней Вселенной после этапа рекомбинации, еще далеки от завершения. Они базируются на понимании того, что необходимые для этого предпосылки возникли в самом начале. Решить проблему структурообразования удастся на пути объединения классической общей
теории относительности с квантовой механикой. В таком направлении работает, в частности,
С. Хокинг. Он пишет [36], что ранняя Вселенная не могла быть идеально однородной и рав47
номерной, поскольку это нарушило бы основополагающий принцип квантовой механики,
принцип относительности Гейзенберга. В соответствии с этим принципом, в первоначальном
состоянии должны быть отклонения от равномерной плотности. Такие отклонения являются
насколько возможно малыми, но они будут увеличиваться в процессе инфляционного раздувания. В результате в исходном вещественном сгустке возникают места с несколько большей
или меньшей скоростью расширения. После рекомбинации области с замедленной скоростью
расширения сожмутся в галактики и звезды. Подтверждением сказанного служит открытие в
реликтовом излучении так называемых температурных точек, в которых температура на очень
небольшую величину превышает среднюю температуру фона. Что подтверждает малую неоднородность вещественного сгустка в момент отделения излучения от вещества.
Однако механизм образования крупномасштабных структур представляет собой лишь
часть проблемы образования галактик. Предстоит объяснить существование разнообразных
типов галактик после фракционирования крупномасштабных исходных формирований.
На основании последних наблюдательных данных о галактиках, астрофизики выдвигают
новые подходы, объясняющие их образование и разнообразие. Предполагается, что протогалактики представляли собой гигантские газовые облака, масса каждой из которых заметно
превышала массу образовавшейся из нее галактики. В каждом таком облаке в силу особенностей протекавших там газодинамических процессов наступала стадия бурного звездообразования, во всем объеме рождались десятки и сотни миллионов звезд, среди которых с частотой,
в тысячи раз большей, чем теперь, вспыхивали сверхновые. Это породило мощный поток раскаленных газов, некий фантастический галактический ураган с температурой газа в десятки и
сотни миллионов градусов. За границы протогалактики выносились огромные массы вещества
порядка сотни солнечных масс в год. Ураган звездообразования бушевал около ста миллионов
лет, и потери вещества составили не менее 108 солнечных масс. Вместе с веществом ушла огромная энергия, порядка 1060 эрг. Нагрев газа в облаке остановил процесс бурного звездообразования. Затем начался период образования звезд второго и следующих поколений, растянувшийся на миллиард лет и более. Обсуждаемая модель формирования галактик получила
название горячей. Популярно она рассматривается в [37].
В пользу горячей модели образования галактик говорят данные, полученные спутниками –
лабораториями. Один из доступных проверке выводов этой модели состоит в том, что в период бурного звездообразования протогалактика интенсивно излучает в инфракрасной (ИК) и
рентгеновской областях спектра электромагнитных волн, а видимое излучение в этот период
очень слабое. Американский исследовательский спутник ИРАС, начиненный чувствительной
аппаратурой для измерений ИК излучений, в 1983 году обнаружил несколько ИК галактик,
почти невидимых обычными астрономическими оптическими инструментами, но излучающих с необычайно высокой мощностью в ИК области спектра. Эта мощность соответствует
тому, что предсказывает горячая модель рождения галактик. На этом основании говорят о согласии модели с данными наблюдений. Из такого заключения следует еще один важный вывод: процессы образования галактик протекают и в относительно близкое к нам время.
Говоря о структуре Вселенной и, в частности, об образовании галактик, следует найти объяснение еще одной их особенности, а именно, проявляющихся в большинстве из них вихревых явлениях глобального и локального характера. Свыше 70% известных астрономам галактик, в том числе наша галактика и ее ближайшая соседка в созвездии Андромеды, имеют спиральные структуры. Такие галактики вращаются вокруг своего ядра со скоростями порядка
100-300 км/с. Вихрь, как показывают наблюдения, оказывается вездесущим элементом структурной Вселенной. Как возникли вихревые движения в первоначально однородной расширяющейся Вселенной – вот вопрос, давно волнующий астрономов и космологов. Согласно
положениям газодинамики, вихревое движение либо существует изначально в системе, либо
его создают особые обстоятельства, которые необходимо выявить. Предположение об изначальном существовании вихрей во Вселенной было отброшено, как только появились доказательства ее высокой однородности и изотропности в раннем периоде существования. Многочисленные же гипотезы о том, как возникали вихри по мере развития Вселенной, до недавнего
времени оказывались неудовлетворительными, так как не могли объяснить наблюдаемые ско48
рости вращения галактик. Лишь в 70-е годы был предложен газодинамический механизм вихреобразования, согласующий предсказываемые им скорости вращения галактик с наблюдаемыми скоростями.
Но, видимо, это только первое приближение к истине. Необходимо обратить внимание на
роль галактических ядер в формировании галактических структур. Пример тому – все та же
спиральная галактика в созвездии Андромеды. Она удалена от нас на 2,4 миллиона световых
лет. Проведенные с помощью спутников исследования ее излучения в ИК, рентгеновском и
гамма- спектрах дали интересную информацию для размышления. На основе полученных
сведений делается вывод, что точно в центре галактики расположена черная дыра с массой
порядка 10 миллионов солнц, а вокруг нее на удалении нескольких световых лет вращается
вторая черная дыра. В настоящее время предполагается, что черные дыры способны до 25%
своей массы накапливать в энергии вращения и затем высвобождать ее. Поэтому может оказаться, что процесс образования галактической спирали связан не только с газодинамикой.
Предполагается также, что черные дыры в галактических ядрах не являются чем-то исключительным. Расшифровка этих деталей – дело будущего.
Ударные волны, потоки вещества, рождаемые их сочетаниями вихри, играли важную роль
не только в процессах крупномасштабного структурообразования, но и при формировании
последующих более мелких структур. Газодинамический механизм всегда сочетался с электромагнитными, магнитогидродинамическими, плазменными явлениями и с гравитацией.
Существование магнитных полей во Вселенной создает условия заметного проявления магнитодинамических эффектов, способных не только формировать структуры газовых и пылевых
облаков, но и инициировать в них процессы звездообразования. Современные теории структурообразования на разных уровнях иерархии рассматривают комбинированное участие этих
факторов в подобных процессах, причем гравитация не является среди них доминирующей.
Картина структурообразования будет неполной, если не попытаться выяснить, существует
ли структура вещественной Вселенной как целого. Усилиями ряда астрономических обсерваторий определены местоположения и лучевые скорости многих тысяч галактик. С применением ЭВМ на базе таких данных воспроизведены элементы крупномасштабной структуры Вселенной и построена пространственная ее модель [38]. Выяснилось, что галактики, объединенные в скопления, образуют гигантские цепочки, пересечения которых создают характерную
ячеистую структуру Вселенной. Изолированные дискообразные сверхскопления галактик,
названные в А-теории блинами, в этих структурах не обнаружены. Но открыты более мелкие
структурные сетки из цепочек галактик, заполняющие всю крупномасштабную структуру. В
развитие этих и более свежих данных тремя исследователями из Гарвардского Смитсоновского астрофизического центра (В. Лаппарен, М.Геллер и Д.Хучура) излагается новая точка зрения на крупномасштабную структуру, названная "Пузырьковой Вселенной". Галактики в подавляющем большинстве сконцентрированы на поверхностях соприкасающихся пузырьковых
структур диаметром 50 Мпс. Предполагается, что при взрыве исходного зародыша очень активных галактик первого поколения возникают распространяющиеся наружу сферические
ударные волны, что приводит к рождению галактик и образованию пузырьковообразных пустот во Вселенной, по краям которых располагаются разбрасываемые галактики. Но ни одно из
предлагаемых теоретических построений не дает полного объяснения наблюдаемых явлений.
В ближайшее время можно ожидать новых сообщений о причудливости архитектуры Вселенной, поскольку интересные данные на этот счет поступают с внеземной обсерватории, вооруженной мощным телескопом имени Хаббла.
Наблюдательные данные позволяют говорить об образовании структур во Вселенной как о
сложном коллективном процессе, еще не до конца понятом, но в общих чертах отвечающему
представлениям о самоорганизации сложных систем. Основная работа по раскрытию механизмов этого процесса впереди и она может привести к новым открытиям и новым взглядам
на образование крупномасштабных структур. Но любые новации, если они возникнут, лишь
подтвердят факт скачкообразного перехода Вселенной в качественно новое состояние, характеризуемое "внезапным" появлением в ней крупномасштабных структур. Пока ясно одно:
49
Вселенная – это не набор случайных, не связанных между собой элементов, а единая структурно высокоорганизованная система.
Нам придется пропустить в просматриваемой "киноленте" еще несколько неразборчивых
кадров и продолжить просмотр с момента появления в галактиках звезд первого поколения.
Они сыграли важную роль в последующем усложнении элементов Вселенной.
3.2. Тяжелые элементы – зола ядерных костров Вселенной
Образование разномасштабных структур во Вселенной открыло возможность для новых
усложнений вещества. Важнейшим моментом последующего развития стало образование всей
совокупности элементов таблицы Менделеева, следующих после водорода и гелия. На стадии
первичного нуклеосинтеза процесс образования атомных ядер оборвался на изотопе гелия с
массовым числом 4. Причина такого ограничения – невозможность устойчивого существования ядер с массовыми числами 5 и 8. В массовых числах элементов и их изотопов образуется
"щель массы", которая и воздвигла в ходе первичного нуклеосинтеза непреодолимый барьер
на пути образования ядер элементов, содержащих более четырех нуклонов. А так как во Вселенной все же существуют более тяжелые ядра, то из этого факта следует, что природа имеет
в своем распоряжении обходный путь для преодоления "щели масс".
Обходный путь открылся после того, как в ходе структурообразования во Вселенной возникли звезды, эти ядерные костры, горение которых поддерживается протекающими в их недрах реакциями нуклеосинтеза. В отличие от первичного нуклеосинтеза эти реакции получили название звездного нуклеосинтеза. Разнообразие типов звезд и, соответственно, реакций
звездного нуклеосинтеза, изменение условий протекания таких реакций со временем, создало
ситуацию, коренным образом отличную от существовавшей в раннюю эпоху развития Вселенной. Отсюда возникло убеждение, что элементы тяжелее гелия рождались и продолжают
рождаться в недрах звезд, что они – зола и шлаки звездных костров. Как же звездный нуклеосинтез сделал то, что оказалось не под силу первичному нуклеосинтезу – преодолел "щель
массы"?
Идею механизма такого преодоления впервые высказал английский физик Ф. Хойл. Возможно, что читателю он известен как автор интересных научно-фантастических произведений. Хойл убежденно постулировал, что на определенных стадиях развития некоторых типов
звезд появляются условия для объединения трех ядер гелия (трех альфа-частиц) в ядро изотопа углерода 12С. Такая реакция решает проблему преодоления "щели масс", оставляя позади
сразу оба барьера. Далее беспрепятственно могут идти реакции образования еще более тяжелых, чем углерод, ядер неона, кислорода, кремния и других.
Однако время для поздравлений не наступило. Теоретические расчеты скорости протекания реакции соединения трех ядер гелия в ядро углерода показали, что она недостаточна для
создания наблюдаемого в мире количества тяжелых элементов. Казалось бы, по хойловской
концепции нанесен неотразимый удар. Но сам Хойл не допускал мысли об ошибочности своей гипотезы. Выход из создавшегося положения он нашел в предположении, что у ядра углерода 12С должно существовать возбужденное состояние, энергия которого равна или очень
близка суммарной энергии трех альфа-частиц. Известно, что атомное ядро (как и сам атом)
может иметь либо минимальную присущую ему потенциальную энергию, либо ряд более высоких дискретных значений энергии. В первом случае говорят, что ядро находится в основном
состоянии, а при получении дополнительных порций энергии извне состояние ядра называют
возбужденным. Квантовая физика утверждает, что при синтезе ядра из исходных частиц реакция их объединения резко ускоряется, если у составного ядра существует возбужденный уровень, энергия которого равна или очень близка суммарной энергии объединяющихся частиц.
Тогда конечным продуктом реакции будет составное ядро, находящееся в возбужденном состоянии, и скорость его образования будет существенно выше скорости образования ядра в
основном состоянии. Тем самым гипотеза Хойла может получить права гражданства.
Дело оставалось за малым, нужное возбужденное состояние ядра углерода не было известно физикам, его надо было найти экспериментально. Видимо судьба не случайно свела
50
теоретика Ф. Хойла с блестящим экспериментатором У. Фаулером, одним из основателей нового направления в космологии – ядерной астрофизики. Особенностью школы, созданной
этим ученым, было проведение широкого поиска ответов на многие вопросы ядерной космологии с помощью лабораторных опытов. Фаулер взялся за решение поставленной Хойлом задачи и, к всеобщему удовольствию, в лаборатории искомый уровень углерода был обнаружен.
Его энергия, равная 7,654 МэВ всего на 0,38 МэВ превышала суммарную энергию трех объединяющихся ядер гелия. Это была победа идеи об особой роли звездного нуклеосинтеза в образовании всех тяжелых элементов Вселенной.
Согласно современным представлениям, присутствующие в межзвездной среде тяжелые
элементы изготовлены в звездах типа красных гигантов. Желтые карлики, к которым относится наше Солнце, поддерживают свое состояние главным образом за счет ядерной реакции
превращения водорода в гелий. На самом деле речь идет о цепочке последовательно протекающих реакций превращения водорода в гелий под общим названием водородного цикла.
Звезды этого типа не создают элементов, тяжелее гелия. Красные гиганты обладают массой, в
несколько раз превышающей солнечную. Водород в них выгорает очень быстро и в центре,
где сосредоточен образовавшийся гелий, благодаря начавшемуся сжатию ядра звезды температура достигает нескольких сотен миллионов градусов. Этого достаточно для протекания
реакций углеродного цикла, в которых три ядра гелия соединяются и образуют возбужденное
ядро углерода. Оно, в свою очередь, может присоединить еще одно ядро гелия и стать ядром
кислорода, затем неона и так далее вплоть до кремния. Выгорающее ядро звезды сжимается, и
температура в нем поднимается до 3 – 10 миллиардов градусов. В таких условиях реакции
объединения продолжаются вплоть до образования ядер железа. Ядро железа – самое устойчивое во всей последовательности химических элементов. Здесь проходит граница между ядрами элементов, синтез которых совершается с выделением энергии, и теми, образование которых требует энергетических затрат. Группа элементов от гелия до железа образуется с участием только заряженных частиц (протонов, альфа-частиц и т.д.), дальнейшее же усложнение
ядер возможно лишь в реакциях с участием нейтронов.
Количественную теорию образования в недрах красных гигантов элементов от железа до
висмута (атомный номер 83, атомный вес 209) разработали Бербидж, Фаулер и Хойл. Такие
ядра возникают в процессах медленного захвата нейтронов (s - процессы). Теория имеет хорошее математическое обоснование, и ее результаты согласуются с данными наблюдений.
Для объяснения образования еще более тяжелых ядер привлекаются представления о процессах быстрого захвата нейтронов (r - процессы), в ходе которых ранее возникшие тяжелые ядра
захватывают сразу несколько нейтронов до того, как успеет развиться неустойчивость конгломерата. Осуществление r–процесса требует наличия очень плотных потоков нейтронов,
где-то на уровне 1024 – 1030 частиц/(см3с). Поэтому образование самых тяжелых ядер, замыкающих таблицу Менделеева, предположительно может происходить в оболочках взрывающихся звезд или при прохождении сильной ударной волны, созданной взрывом сверхновой,
через гелиевую оболочку звезды с массой ~25 солнечных масс.
Следует отметить два важных обстоятельства. Во-первых, красные гиганты быстро расходуют запасы гелия и у них короткий жизненный цикл, порядка десятка миллионов лет. Вовторых, за время своего активного существования красный гигант отдает в межзвездную среду ежегодно не менее 10–4 – 10–5 солнечных масс своего вещества, а в конце существования он
с взрывом сбрасывает внешнюю оболочку вместе с накопившимися в ней "шлаками", образовавшимися в процессах нуклеосинтеза. Благодаря этому межзвездная среда сравнительно быстро обретает известные на сегодняшний день элементы, более тяжелые, чем гелий. Подробности о превращениях химических элементов в звездах и об их последующей судьбе читатель
найдет, например, в [39].
Мы столкнулись с интересным природным феноменом, определившим, в конечном счете,
облик современной вещественной Вселенной. Неустойчивость ядер с массовыми числами 5 и
8, с одной стороны, и существование у ядра самого распространенного изотопа углерода возбужденного состояния, энергия которого почти точно совпадает с суммарной энергией трех
ядер гелия, с другой стороны, создают естественный регулятор, прерывающий в самом начале
51
первичный нуклеосинтез на рубеже образования гелия. Но путь для синтеза всех элементов
открывается на более поздней стадии развития, после того, как во Вселенной сформировались
разномасштабные структуры. Без такого регулятора не возникла бы водородно-гелиевая Вселенная, и не создались бы условия для последующего прогрессивного ее развития. Этот феномен обсудим позже вместе с другими удивительными фактами.
За выдающийся вклад в развитие современной ядерной астрофизики У. Фаулеру присуждена Нобелевская премия по физике за 1983 год. В традиционной Нобелевской лекции Фаулер
рассказал как об успехах этой сравнительно молодой научной дисциплины, вносящей весомый вклад в формирование новых космологических представлений, так и о трудностях, с которыми она сталкивается [40]. Пожалуй, главная трудность состоит в том, что, несмотря на
достигнутые успехи, все еще нельзя считать надежно подтвержденными конкретные реакции
звездного нуклеосинтеза. Например, по понятным причинам самое пристальное внимание
уделено водородному циклу, составляющему основу энергетики Солнца. В цепочке реакций
этого цикла, в результате протон – протонных взаимодействий, выделяются нейтрино, которые в силу своей исключительной проницаемости легко выходят через толщу солнечного вещества наружу. Теория детально описывает этот процесс и предсказывает плотность выходящего потока нейтрино. Определенная часть этого потока достигает Земли и может быть зарегистрирована. Несколько групп ученых в разных странах в течение многих лет регистрировали доходящие от Солнца нейтрино и пришли к выводу, что их количество в три раза меньше
того, что предсказывает теория. По этому поводу Фаулер сказал в своей лекции следующее.
"Что-то неверно – или стандартная модель Солнца некорректна, или соответствующие
ядерные сечения известны с ошибками, или электронное нейтрино, излучаемое Солнцем, по
пути к Земле частично превращается в нерегистрируемые мю или тау - нейтрино <...> До тех
пор, пока проблема солнечных нейтрино не будет решена, основные принципы, лежащие в
основе ядерных процессов в звездах, останутся под вопросом <...> Великая концепция Хойла
не будет доказана, пока мы не добьемся более глубокого и точного понимания многих ядерных процессов, протекающих в астрофизических условиях" [40]. Но в самое последнее время
проблема нехватки солнечных нейтрино как будто нашла решение. Экспериментально установлено, что часть электронных нейтрино на пути к Земле превращаются в тау-нейтрино, которые в прежних экспериментах не регистрировались.
Появление во Вселенной всей гаммы химических элементов открыло новый этап в развитии вещества и в формировании его структур. Обратим внимание на два важных следствия
этого события. Первое, в местах нахождения разнообразных химических элементов протекают процессы их объединения в молекулы, сложность которых, как оказалось, может нарастать
до очень высоких уровней. Молекулы обладают качественно новыми свойствами по сравнению с атомами, и чем сложнее молекула, тем разнообразнее и богаче эти свойства. Открывается простор для практически безграничных вариаций, что в сочетании с неравновесностью
открытых систем, собранных из молекул, создает условия для последовательного достижения
все более высоких уровней упорядоченности. Далее, относительно тяжелые ядра и образуемые ими атомы и молекулы обеспечивают протекание процессов дальнейшего структурообразования во Вселенной. С их появлением открывается принципиальная возможность для образования около некоторых звезд второго поколения планетных систем, в состав которых входят "тяжелые" планеты типа планет земной группы. На них могут протекать процессы геологической и химической эволюций, что неосуществимо в межзвездном веществе.
Причину, заставляющую атомы объединяться в молекулы, наука знает достаточно хорошо,
ведь процессы образования и распада молекул широко распространены в сфере нашего обитания. С давних пор люди используют процессы такого рода в своих практических интересах.
В основе объединения атомов лежат силы, называемые химическими. Но за ними скрыта одна
из фундаментальных сил природы – электромагнитная сила. Дело в том, что электрическая
нейтральность атома, обеспечиваемая равенством суммарного отрицательного заряда входящих в него электронов и положительного заряда ядра, начинает проявляться на некотором
удалении от атома. Но если сблизить два атома на небольшую дистанцию, то начинает сказываться неравномерность распределения зарядов на их внешних оболочках, несимметричность
52
суммарного заряда. Такая несимметричность и создает при сближении атомов их взаимное
притяжение или отталкивание. В первом случае наступает химическое взаимодействие, завершающееся взаимопроникновением внешних электронов в сферу действия "чужого" ядра,
что связывает атомы в молекулу. Во втором случае проявляется неспособность данных атомов
к химическому взаимодействию.
Приведенное упрощенное описание природы химического взаимодействия позволяет качественно понять те минимально необходимые условия, которые способны обеспечить объединение атомов в молекулы. Прежде всего, необходимо сообщить атомам энергию, достаточную
для их сближения на дистанцию, где проявят себя химические силы вопреки противодействию создаваемых внешними электронами сил отталкивания. Обычно необходимые энергии
лежат в интервале температур от десятков до сотен градусов Цельсия (десятые – сотые доли
электрон-вольта). Впрочем, возможны существенные отклонения от этих значений в обе стороны. Далее, температура окружающей среды не должна быть выше критической, при которой кинетическая энергия частиц превышает химическую энергию связи атомов в молекуле.
Как правило, энергия связи у молекул не превышает примерно нескольких электрон-вольт,
чему соответствуют температуры порядка десятков тысяч градусов.
Процессы соединения атомов в молекулы весьма распространены во Вселенной. В межзвездной среде, где концентрация вещества исчисляется единицами частиц в кубическом сантиметре, тем не менее, обнаруживаются молекулы водорода в концентрациях порядка одной
частицы на 10 см3. Там же встречаются мельчайшие пылинки, состоящие из кристалликов
льда и углерода с примесью гидратов разных элементов. Молекулярный водород вместе с гелием образует газовые межзвездные облака с концентрациями молекул до 1000 частиц на см 3.
Скопления газов вместе с пылинками формируют газово-пылевые облака. Но самое интересное, с чем столкнулись наблюдатели – это неожиданно большое присутствие в космосе разнообразных органических молекул, вплоть до таких сложных, как молекулы некоторых аминокислот. В межзвездных облаках насчитали более 50 типов органических молекул. Еще удивительнее то, что органические молекулы находят во внешних оболочках некоторых относительно холодных звезд и в образованиях, температура которых незначительно отличается от
абсолютного нуля. Так что синтез молекул, в том числе и органических, распространенное и,
по-видимому, достаточно обыденное явление в космосе.
Возникает вопрос, способно ли усложнение вещества вне планет, в межзвездной среде или
в оболочках не очень горячих звезд, достичь настолько высокого уровня организации, чтобы
появились жизнь и разум? И хотя есть довольно веские доводы для предположения о невозможности такого развития событий, наука сегодня не может дать ни положительного, ни отрицательного ответа на этот вопрос. Нам пока известен только один вариант существования
жизни в Космосе, и он реализован в локальном структурном образовании, сочетающем мощный источник энергии в виде центральной звезды и семейства гравитационно и радиационно
связанных с ним планет. Планеты обладают высокой плотностью вещества в атомарной и молекулярной формах, что обеспечивает протекание геологической эволюции и разнообразных
химических процессов, как за счет внутренних ресурсов планеты, так и энергии, поступающей
от звезды. Такой системой является наша Солнечная система и в ней на одной из планет существует жизнь, эта высшая известная науке форма упорядоченности материи.
Уникальна ли Солнечная система во Вселенной, или процесс планетообразования закономерно происходит около звезд определенного типа в определенных локальных частях мироздания? Такие кардинальные вопросы стоят перед новой космологией. Рассмотрим современные представления об устройстве Солнечной системы и познакомимся с мнениями космологов о распространенности планетных систем в ближайших окрестностях Солнца.
3.3. Солнечная система как "малая часть звездной пыли"
Может ли современная планетология, концентрирующая наши знания о планетах, дать ответ на два коренных вопроса, стоящих перед ней: является ли образование планетных систем
около звезд некоторых типов во Вселенной правилом, или единственная известная человече-
53
ству Солнечная система появилась в результате редчайшего совпадения обстоятельств, что
делает ее уникальной и чуждой остальной части мироздания? Каков механизм образования
планетных систем около звезды, или конкретно, каков механизм образования Солнечной системы, даже если она появилась случайно? Современная научная мысль решительно отвергает
предположение о случайном возникновении и уникальном механизме образования сложнейшего сообщества звезды и группы тесно связанных с ней планет. В новых учебниках астрономии говорится, что у ученых накоплены серьезные аргументы в пользу наличия планетных
систем около многих звезд, в пользу типичности таких систем, а не их исключительности. Об
этом же говорится в интересной научно-популярной книге астрофизика Д.Фишера [41]. Обратимся к данным, которые дают основание для столь категоричного утверждения, и попытаемся, опираясь на них, составить собственное мнение об этом предмете.
В последние два десятилетия ХХ века появились надежные данные о том, что у многих
звезд в радиусе примерно 70 пс от Солнца имеются планеты или газопылевые диски, из которых в принципе могут образовываться планеты. Начиная с 1983 года американский спутник
ИРАС, заслуги которого отмечались нами в связи с его вкладом в "горячую модель" образования галактик, обнаружил примерно у 10% звезд, находящихся в окрестностях Солнца, избыточное инфракрасное излучение. Специалисты связывают этот факт с присутствием около
таких звезд пылевых дисков, содержащих мелкие твердые частицы. Наземные исследования
этих звезд подтвердили такие предположения. Так, наземным инструментом подробно исследовано обнаруженное спутником ИРАС пылевое облако около звезды бета-Живописца. Это
молодая звезда, ее возраст оценивается в несколько десятков миллионов лет. Она удалена от
Солнца на расстояние в 17 парсек, ее масса примерно вдвое превышает солнечную. Предварительные оценки показывают, что газопылевой диск около звезды имеет протяженность около
600 миллионов километров. Возможно, что этот диск знаменует начальный этап формирования планетной системы, хотя не исключены и другие трактовки феномена.
Начиная с 1987 года, стали поступать сведения об открытии крупных планет типа Юпитера около многих звезд. Эти открытия получены благодаря использованию метода прецизионного измерения периодических «блужданий» звезды около своей траектории под воздействием вращающегося вокруг нее крупного спутника. По сообщению журнала “New Scientist” к
1987-у году канадские астрономы Б.Кемпбелл, Г.Уокер и С.Янг сообщили результаты своих
многолетних измерений траекторных блужданий у 16-и звезд. Обработка наблюдательных
данных показала, что у 10 из 16 исследованных звезд изменения скорости указывают на наличие около них планетных спутников, масса каждого из которых превышает массу Юпитера,
но не более, чем в 5 раз. Еще у 2-х звезд обнаружены неизвестные ранее звездные спутники, а
у остальных 4-х звезд определенных результатов получить не удалось. Наиболее вероятное
существование планетных систем отмечено у эпселон Эридана и гамма Цефея. Первая из этих
звезд – ближайший к Солнцу кандидат на обладание планетами, она удалена от нас на 11 световых лет (около 4 парсек). Измеренные вариации скорости показали, что их источником
служит планета с массой в 25 раз превышающая массу Юпитера. Эта методика не позволяет
обнаруживать около звезды мелкие планеты типа Земли и можно только предполагать, что
существование спутника типа Юпитера по аналогии с Солнечной системой указывает на
большую вероятность наличия там и более мелких планет. Список звезд, подозреваемых в
обладании планетными спутниками, дополняется Проксимой Центавра, 70 Змееносца, 61 Лебедя, Барнара, Лаланда 21185, альфа Лиры, альфа Южной Рыбы и ряда других.
Метод измерения «блужданий» звезды имеет серьезный недостаток. Оценка массы планеты на основании полученных данных зависит от наклона плоскости орбиты спутника по отношению к углу зрения наблюдателя. Но этот угол наблюдателю неизвестен. В 1995 году
Джеф Марси и Пол Батлер, исследовали пылевое облако около звезды № 53 в созвездии Рака.
Внутри этого облака методом измерения «блужданий» звезды была обнаружена юпитероподобная планета. Поскольку орбита планеты лежала в плоскости пылевого диска, астрономам
удалось определить угол ее наклона по отношению к лучу зрения. Этим было обеспечено надежное определение массы открытой планеты. Оказалось, что она в 1,9 раза превосходит массу Юпитера.
54
В самое последнее время разработаны два новых метода, обеспечивающих в отдельных
случаях обнаружение крупной планеты около звезды прямыми наблюдениями. Каждым из
этих методов было обнаружено по одной планете. Таким образом, охота за планетами приобретает все более крупные масштабы. К 2005 году общее число открытых планет составило
~168. Но пока речь идет только о планетах типа Юпитера, а прямых данных о существовании
планетных систем около звезд не имеется.
В последние годы ведется разработка методов обнаружения землеподобных планет. Эти
методы основываются на регистрации небольших изменений яркости звезды при временном
«покрытии» ее проходящей такой планетой. Планируется запуск в 2006 году экспедиции «Кеплер», которая сможет отслеживать минимальные падения яркости ближайших звезд при их
затмении потенциальными планетами типа Земли. В более поздние времена предполагается
осуществить ряд других подобных проектов.
Мы находимся лишь в самом начале поиска внесолнечных планет, и впереди предстоит
нелегкая работа. Один из серьезных вопросов в этом плане – могут ли существовать планеты
около двойных или тройных звезд? На этот счет существуют серьезные сомнения. Между тем,
одиночные звезды типа нашего Солнца встречаются не так уж часто. По оценкам женевских
астрономов А.Дюкенуа и М.Майера, одиночными бывают не более 20% из числа таких звезд.
Это обстоятельство резко сокращает число звезд, около которых возможно образование планетных систем.
С другой стороны, оптимизм по поводу распространенности планетных систем внушает
факт недавнего обнаружения у одного из пульсаров (нейтронной звезды) трех планет с массами от 0,2 до 4 земных масс, удаленных от звезды на расстояния от 0,19 до 0,47 астрономических единиц. Это уже пример внесолнечной планетной системы, правда, с совершенно непонятными условиями на планетах.
О механизме образования планет, в частности, в Солнечной системе, нет общепризнанных
заключений. Солнечная система, по оценкам, образовалась примерно 4,6  0,1 миллиардов лет
назад, то есть примерно 7 миллиардов лет спустя после появления звезд первого поколения.
Так что Солнце – звезда второго или еще более позднего поколения, возникшая на продуктах
жизнедеятельности звезд предыдущих поколений. Это обстоятельство дало повод Фаулеру
назвать Солнечную систему "малой частью звездной пыли". О происхождении Солнечной
системы и ее исторической эволюции наука знает меньше того минимума, который необходим для построения теории планетообразования. От первых научных гипотез, выдвинутых
примерно 250 лет назад, до наших дней предложено большое число разных моделей происхождения и развития Солнечной системы, но ни одна из них не удостоилась перевода в ранг
общепризнанной теории. Большинство из выдвигавшихся ранее гипотез сегодня представляют лишь исторический интерес.
Отсутствие общепризнанной версии происхождения планетной системы объяснимо. Прежде всего, единственность объекта наблюдения исключает применение сравнительного анализа и заставляет решать непростую задачу восстановления истории системы на основании
одних только знаний о ее сегодняшнем состоянии. Пример противоположной ситуации – разработка теории эволюции звезд. Были накоплены обширные данные о современном состоянии
звезд разных классов, находящихся на разных стадиях своего развития, от их рождения до
финала жизненного пути. Статистическая обработка этих данных создала основу для последующих теоретических обобщений. Не удивительно, что о рождении и развитии далеких от
нас звезд астрономия знает существенно больше, чем о происхождении и развитии Солнечной
системы, места нашего обитания.
Далее, Солнечная система – очень сложное природное образование, сочетающее разнообразие входящих в ее состав элементов с высочайшей устойчивостью системы как целого. В
1979 году астроном и популяризатор астрономических знаний Бронштэн писал:
"Солнечная система представляет собой группу небесных тел, весьма различных по своим размерам и физическому строению. В эту группу входят: Солнце, 9 больших планет, десятки спутников планет, тысячи малых планет (астероидов), сотни комет и бесчисленное
множество метеоритных тел, движущихся как роями, так и в виде отдельных частиц. В на55
стоящее время (1979) нам известны 34 спутника, 2000 астероидов. Все эти тела объединены в
одну систему благодаря силе притяжения центрального тела – Солнца" [42].
С тех пор внесено немало принципиальных изменений в это краткое описание. Такие изменения связаны, прежде всего, с началом эры освоения человечеством ближнего космоса. Отправляемые с Земли автоматические межпланетные станции побывали возле всех планет Солнечной системы, кроме далекого Плутона. А две такие станции, «Пионер 10» и «Пионер 11»,
достигли окраины нашей системы, за которой располагается пояс Койпера, хранитель кометных тел, отделяющий нашу систему от межзвездного космоса. За эти годы удвоено открытое
количество спутников около планет-гигантов, получены детальные снимки как самих планет,
так и наиболее интересных их спутников, получены многочисленные данные о физических
состояниях планет и некоторых их спутников. Объем информации, которым располагает наука о Солнечной системе, неимоверно возрос.
Однако при этом наука практически не продвинулась в деле создания теории образования
планетных систем вообще, и, прежде всего, в общепризнанном понимании механизма образования Солнечной системы. При таком количестве и разнообразии составляющих систему элементов, при тех сложных взаимоотношениях, которые устанавливаются между ними, задача
теоретического описания Солнечной системы, не говоря уж о задаче определения механизма
ее образования, оказывается очень непростой. На заре рождения современных космологических представлений усилиями Канта, Ньютона, Лапласа, Лагранжа и других крупнейших ученых прошлого была разработана теоретическая основа классической астрономии – небесная
механика. Блестяще себя оправдавшая применительно к Солнечной системе, она стала главнейшим инструментом познания ее динамических свойств. Но в рамках небесной механики
невозможно объяснить происхождение Солнечной системы, невозможно ответить на вопрос:
что создало и закрутило гигантскую карусель с находящейся в ее центре сравнительно небольшой желтой звездой – Солнцем?
Жизнеспособная модель происхождения Солнечной системы должна естественным образом объяснить появление в ней вращательного момента, особенности его распределения между звездой и планетами, механизм сохранения устойчивости системы, а также следующие
важнейшие особенности:
1. Момент количества движения, характеризующий вращение тел, неравномерно распределен между центральным телом и планетами. На долю планет, суммарная масса которых составляет менее 2% от массы всей системы, приходится примерно 97% суммарного момента
количества движения.
2. По своим физико-химическим характеристикам планеты делятся на две совершенно непохожие группы, к которым можно условно добавить еще одну – группу малых планет или астероидов. В ближайших окрестностях Солнца размещаются планеты земной группы – Меркурий, Венера, Земля, Марс. При относительно малых размерах они обладают относительно высокими плотностями, от 3 до 5,5 г/см3. Химический состав планет этой группы принципиально
иной, чем у Солнца. Так, Солнце на 93,5% состоит из водорода, на 6,4% - из гелия и только на
0,1% - из элементов, более тяжелых, чем гелий. Планеты же земной группы в основном составлены из кислорода, кремния, железа и других тяжелых элементов, водород и гелий включены в их состав в ничтожных количествах. Меркурий и Венера не имеют спутников, Земля
имеет крупный планетоподобный спутник Луну, у Марса два небольших астероидоподобных
спутника – Фобос и Деймос. В более отдаленной от Солнца области расположены планеты–
гиганты, составляющие вторую группу: Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун. Их плотности всего
лишь порядка 12 г/см3, а химический состав близок к солнечному. Вокруг этих планет роятся многочисленные спутники, образуя вместе с планетой миниатюрные копии солнечной системы. Кроме того, около них обнаружены кольца, особенно хорошо различимые у Сатурна.
Между Марсом и Юпитером существует кольцо астероидов, диаметры которых не превышают 1000 километров. Большинство астероидов не имеют правильной формы и скорее напоминают крупные обломки, чем планеты. На краю планетной системы особняком располагается
небольшая планета Плутон со спутником Хароном. Пока есть сомнения, является ли Плутон
присоединенной планетой, или это большой астероид.
56
3. Орбиты всех планет, включая астероиды, почти круговые и с небольшими отклонениями
все они лежат в плоскости, проходящей через солнечный экватор (плоскость эклиптики). У
Плутона орбита представляет собой вытянутый эллипс, в своих отдаленных частях орбита
Плутона пересекает орбиту Нептуна, так что он оказывается ближе к Солнцу, чем гигантский
сосед.
4. Планеты движутся по орбитам в прямом направлении, совпадающем с направлением
вращения Солнца вокруг своей оси. Как правило, они и вокруг своей оси вращаются в прямом
направлении. Исключение составляют Уран и Венера, которые вращаются (первый – быстро,
вторая – медленно) в обратном направлении. Оси вращения планет обычно немного наклонены к перпендикуляру, проведенному к плоскости орбиты. Уран и здесь составляет исключение, его ось почти лежит в плоскости орбиты. Немало отклонений от "правил" у спутников
планет, входящих в системы планет-гигантов.
5. Расстояния планет от Солнца подчиняется закономерности, первоначально выраженной
эмпирической формулой Тициуса-Боде, которая связывает расстояние планеты от Солнца с ее
порядковым номером в последовательности планет. Начиная с 40-х годов, получены математические закономерности для расстояний в интерпретациях К.Вейцзеккера (1942 г.), О.Ю.
Шмидта (1947 г.), В.Г.Фесенкова (1951 г.) и некоторые другие.
6. Помимо планет в систему включаются метеоры, метеориты и кометы в значительных количествах. Сегодня Солнечная система во многом видится нам не такой, как, например, 50 лет
назад. И нет гарантии того, что завтра она не предстанет перед нами в еще одном новом облике. Продолжающееся накопление новых сведений о Солнце и его планетах вынуждает к осторожности в выводах и обобщениях.
В свете сказанного понятно, почему многочисленные космологические гипотезы о происхождении Солнечной системы, выдвигавшиеся до середины ХХ века, не справились с объяснением всей совокупности наблюдательных фактов и не привели к созданию общепризнанной
теории планетообразования, в частности, к теории образования Солнечной системы. Лишь в
самое последнее время начали намечаться пути более успешного подхода к этой проблеме.
Создатели современных гипотез исходят из того, что невозможно построить удовлетворительную модель нашей планетной системы, опираясь, как это было в прошлом, только на действие гравитации или, тем более, прибегая к гипотезам об уникальных космических катастрофах. В качестве примера, иллюстрирующего содержание новых подходов, остановимся на модели образования Солнечной системы, разработанной астрофизиками шведского происхождения, лауреатом Нобелевской премии Х.Альвеном и профессором Г.Аррениусом [43].
Авторы модели поставили перед собой задачу построить общую теорию образования вторичных тел (планет, спутников) около первичного тела (звезды, планеты). Они исходили из
постулата, что в природе существует единый механизм планетообразования, действие которого проявляется и в случае образования планет около звезды, и в случае, когда планетыспутники образуются около планеты. Для раскрытия такого механизма необходимо учесть
вклад в процесс совокупности различных сил: гравитацию, магнитогидродинамику, электромагнетизм, плазменные процессы. Это диктуется наличием в Природе соответствующих сил и
неизбежностью их прямого участия в образовании планет, спутников планет, и более мелких
небесных тел, объяснить совместное образование которых только за счет гравитационного
сжатия протопланетного газопылевого сгустка невозможно. Любая гипотеза, основанная на
допущении только гравитационного сжатия, является заведомо ошибочной.
Приступая к изложению исходных предпосылок своей гипотезы, Альвен и Аррениус выделяют в самостоятельную задачу вопрос о механизме образования самого центрального тела:
к моменту, когда начали образовываться планеты, оно уже существовало в своем начальном
облике. Только после его оформления начал протекать процесс образования планет. Центральное тело должно обладать магнитным полем, уровень которого превышает некое критическое значение, а пространство в его окрестности заполнено разреженной плазмой. Эти два
требования обязательны, без их выполнения процесс планетообразования невозможен.
Первое из требований не содержит каких-либо ограничивающих посылок, так как существование магнитного поля около вращающейся звезды – дело обычное. Солнце имеет диполь57
ный момент и, вполне вероятно, имело его в своем далеком прошлом. Не исключено, что тот
дипольный момент превышал теперешний. Что же касается плазмы, то ее источником служила гигантская корона молодого Солнца. В настоящее время Солнце обладает короной более
скромных размеров, средняя плотность заряженных частиц в ней оценивается значениями от
102 до 108 см–3. Космические аппараты обнаруживают, что планеты земной группы практически погружены в разреженную атмосферу Солнца, а недавно открытый солнечный ветер доносит частицы от звезды до дальних планет. Вполне приемлемо допущение, что корона молодого Солнца распространялась гораздо дальше современной орбиты Плутона, то есть дальше
40 астрономических единиц (а.е.). За астрономическую единицу принято расстояние от
Солнца до Земли, равное примерно 150 миллионам километров. Этой единицей удобно пользоваться при оценках расстояний, прежде всего внутри Солнечной системы. Обширная сверхкорона молодого Солнца активно взаимодействовала с его магнитным полем.
Альвен и Аррениус отказались от традиционного допущения об образовании Солнца и
планет из одного массива вещества, в одном процессе. Ведь такое допущение не работает в
случае образования спутников возле планет, чем нарушается исходный постулат о едином
механизме образования вторичных тел возле первичного. Выдвигается другое предположение, сводящееся к тому, что сначала возникает из газопылевого облака первичное тело, затем
к нему извне, из "бесконечности", поступает материал для образования вторичных тел. Мощное гравитационное притяжение центрального тела захватывает поток газовых и пылевых
частиц, создавая условия для образования вторичных тел.
О том, что такие исходные посылки не беспочвенны, говорят недавно завершенные многолетние исследования изотопного состава вещества Солнца, метеоритов и Земли. Оказалось,
что в метеоритах обнаруживаются два различных изотопных состава одних и тех же элементов, что говорит о различном термоядерном происхождении этих элементов. Отсюда следует
вывод, что основная масса вещества Солнечной системы поступила из резервуара (то есть из
газопылевого облака) с одним изотопным составом элементов, и из этого вещества образовалось Солнце. Значительно меньшая часть вещества с другим изотопным составом поступила
из другого резервуара (из другого газопылевого облака) и она послужила материалом для
формирования метеоритов и частично планет. Смешение двух составных частей со схожим
химическим, но разным изотопным составом произошло, по оценкам, не позже, чем примерно
4,5 миллиарда лет назад, что совпадает с оценкой возраста Солнечной системы. При разработке своей модели авторы гипотезы не знали этих фактов, говорящих в их пользу.
Вернемся к рассматриваемой модели. Она рисует такую захватывающую воображение картину, предшествовавшую образованию планет. Молодое Солнце, предположительно обладавшее значительным магнитным моментом, имело размеры, превышавшие нынешние, но не
доходившие до орбиты Меркурия. Его окружала гигантская сверхкорона, представлявшая собой разреженную замагниченную плазму. Как и в наши дни, с поверхности Солнца вырывались протуберанцы, эти плазменные токовые выбросы, формируемые с участием магнитных
полей. Но в те времена выбросы имели протяженность порядка нескольких миллиардов километров, они достигали орбиты Плутона. Токи в них оцениваются величинами в сотни миллионов ампер. При таких токах идут процессы пинчевания – стягивания плазмы в узкие каналы. Поэтому плазма сверхкороны обладала волокнистой структурой. С токовыми каналамишнурами связаны многочисленные неустойчивости, образование двойных зарядовых слоев,
прерывающих токи и магнитные силовые линии. В местах разрывов временами возникали
электрические пробои, сопровождавшиеся взрывами, они вытесняли плазму и создавали области глубочайшего вакуума, откуда разбегались мощные ударные волны, уплотнявшие плазму на пути своего следования. Плазма сверхкороны быстро становилась неоднородной и
крайне неравновесной. На фоне мощных магнитодинамических и других плазменных процессов гравитационные эффекты теряли ведущую роль. Любая модель образования планетной
системы не может игнорировать эти эффекты.
Поступавшие из внешнего резервуара нейтральные частички вещества под действием гравитации ускоренно падали к центральному телу. Они практически не взаимодействовали с
разреженной плазмой короны. Но на пути их скорость увеличивалась до определенного кри58
тического значения, при котором кинетическая энергия частицы становилась равной энергии
ионизации вещества. Тогда частица ионизовывалась, обретала электрический заряд, что сразу
же меняло характер ее взаимодействия с плазмой. Заряженная частица энергично тормозилась
в плазме и захватывалась волоконной структурой. В процессе захвата частиц происходит некоторая их дифференциация из-за различия в скоростях. А различие в скоростях возникает изза различия масс и различия химической природы частиц, выражающегося в данном случае
через потенциал ионизации. Соответственно торможение и захват частицы в зависимости от
ее скорости произойдет на разных расстояниях от центрального тела, то есть с самого начала
имелись предпосылки для дифференциации допланетного облака по химическому и весовому
составу частиц. В конечном счете, выделились три-четыре концентрические области, плотности частиц в которых примерно на 7 порядков превышали их плотности в промежутках.
Существование критической скорости, по достижению которой нейтральная частица,
движущаяся ускоренно в разреженной плазме, скачком ионизуется, подтверждено лабораторными экспериментами. Оценочные расчеты показывают, что предлагаемый "механизм выпадения вещества" способен обеспечить накопление необходимого для образования планет его
количества за сравнительно короткий срок, порядка ста миллионов лет. Так что предложенный Альвеном и Аррениусом путь образования протопланетной массы вещества конкурентоспособен по отношению к другим предлагаемым сегодня механизмам. Например, по отношению к предполагаемому образованию планет около звезды из изначально возникающего около нее газопылевого диска. В дальнейшем в образовавшемся в результате выпадения вещества
протопланетном облаке протекали два важных процесса: шла передача момента количества
движения от центрального тела в сверхкорону, а из плазмы выпадали (конденсировались) зерна нелетучих веществ, материала будущих планет. В рассматриваемой модели эти процессы
описываются так. Магнитные поля и токовые шнуры стали "приводными ремнями", через которые момент количества движения центрального тела передавался в плазму. Ранее Хойл и
Викрамасингх разработали магнитодинамический механизм передачи момента количества
движения от Солнца в протопланетное облако. В их теории плазма облака предполагалась однородной, с "вмороженными" в нее магнитными силовыми линиями. Авторы рассматриваемой нами гипотезы показали, что такие исходные посылки недостаточны и основанная на них
теория в лучшем случае может рассматриваться как "первое приближение". В предлагаемой
ими новой модели развивается "второе приближение", в упрощенном изложении выглядящее
так.
Сверхкорона, по мере накопления в ней выпадающего вещества, начинает отставать в своем вращении от вращения центрального тела. Различие угловых скоростей вращения порождает взаимодействие магнитного поля звезды с плазмой, известное как процесс изоротации
Ферраро. Этот процесс возникает в результате стремления к выравниванию угловых скоростей взаимодействующих объектов, он заставляет плазму вращаться быстрее, а центральное
тело замедлять скорость своего вращения. Ускорение плазмы увеличивает центробежные силы, оттесняя ее от звезды. Между центральным телом и плазмой образуется область с очень
низкой плотностью вещества, и одновременно, из-за разделения в этом пространстве зарядов,
в нем возникает двойной зарядовый слой, прерывающий магнитные силовые линии звезды.
Тем самым прерывается процесс изоротации. Возникает временное квазиустойчивое состояние, определяемое условием равенства гравитационной и центробежной сил. Такое состояние
благоприятствует процессу конденсации нелетучих веществ путем их выпадения из плазмы в
виде отдельных зерен. Достигнув определенной массы, зерно получает от плазмы импульс и
далее движется по кеплеровской орбите, унося с собой часть момента количества движения. В
результате сверхкорона опять начинает отставать от вращения звезды, вновь возникает процесс изоротации, он ведет к передаче новой порции момента количества движения от звезды в
плазму и т. д.
Выпавшие зерна, захватив часть момента количества движения, следуют вокруг Солнца по
пересекающимся эллиптическим орбитам. Множественные неупругие соударения, происходящие между ними в поле тяготения центрального тела, сопровождаются обобщением кеплеровских орбит большой группы таких частиц. Их эллиптические орбиты превращаются в поч59
ти круговые, лежащие в плоскости эклиптики. Теория предсказывает, что движение большого
числа сталкивающихся частиц в ньютоновском поле тяготения, в конечном счете, приводит к
образованию самосжимающихся струйных потоков, имеющих форму тороидов. Струйный
поток захватывает все частицы, которые с ним сталкиваются, эти частицы включаются в поток, внутри которого их скорости быстро уравниваются с его внутренней скоростью. Затем,
при участии магнитных сил, электрической поляризации и статических зарядов частиц, происходит слипание зерен в зародышевые ядра. К ядрам продолжают прилипать частицы, что
позволяет им со временем разрастись до крупных тел, называемых планетезималями, а объединение последних создает планеты. Как только планетное тело оформится настолько, что у
него появляется достаточно сильное собственное магнитное поле, начинается процесс образования спутников, в миниатюре повторяющий то, что произошло при образовании планет возле Солнца.
Процесс "слипания" зерен получил название аккреции. В начале 40-х годов О.Ю.Шмидт
разработал математическую теорию аккреции и прочно ввел в обиход представление об этом
процессе как об основе "холодного" способа образования планет Солнечной системы. Эта математическая разработка не потеряла своей актуальности и в наши дни.
Модель Альвена и Аррениуса с общих подходов шаг за шагом объясняет основные процессы образования и особенности устройства Солнечной системы. В ее контексте пояс астероидов между Марсом и Юпитером – это струйный поток, в котором из-за нехватки выпавшего вещества процесс планетообразования прервался на стадии образования планетеземалий.
Кольца у крупных планет – остаточные струйные потоки, оказавшиеся слишком близко к первичному телу и попавшие внутрь так называемого предела Роша, где гравитационные силы
могучего "хозяина" столь велики, что не позволяют образоваться устойчивому компактному
вторичному телу. Метеориты и кометы, согласно модели, формировались на окраине Солнечной системы, за орбитой Плутона. В удаленных от Солнца областях плазма суперкороны была
слишком разреженной, в ней механизм выпадения вещества еще работал, но струйные потоки,
способные породить планеты, не могли образоваться. Слипание выпавших там частиц привело к единственно возможному результату, к образованию кометных тел.
В 1950 году известный голландский астроном Оорт на основании наблюдательных данных
высказал предположение, что на периферии Солнечной системы существует могучий резервуар кометных тел. Случайные возмущения вырывают из него одиночные кометы, движущиеся по вытянутым орбитам вокруг Солнца. К 1981 году это предположение было уточнено и
дополнено, теперь оно выглядит так. В Солнечной системе существует два кометных облака.
Внутреннее облако удалено от Солнца примерно на две тысячи а.е., в нем содержится порядка
1013-1014 кометных тел. На удалении от Солнца порядка 104-105 а.е. расположено внешнее облако, названное поясом Койпера, в котором запасено комет на два-три порядка меньше, чем
во внутреннем «банке». Здесь проходит граница, отделяющая Солнечную систему от межзвездного пространства. Между облаками расположена разделительная зона, в которой кометы отсутствуют. В поясе Койпера в 2002 году открыто планетообразное тело, получившее название Квасар. Расстояние от Солнца равно примерно 6,3 миллиарда километров, а поперечник порядка 1250 километров. Пока шли между астрономами споры, считать ли Квасар планетой или астероидом, в 2003 году там же открыли более крупный объект, получивший имя
Седаны. Диаметр Седаны 2000 километров, она движется по очень вытянутой эллиптической
орбите, находясь в минимуме на расстоянии 13 миллиардов километров от Солнца, а в максимуме – на расстоянии 139 миллиардов километров. Пока существует тенденция называть Седану десятой планетой Солнечной системы, но по этому поводу единого мнения нет.
Возвращаясь к модели Альвена и Аррениуса, следует отметить, что существование облака
Оорта и пояса Койпера хорошо вписывается в эту модель.
А как обстоит дело с приложением основополагающей идеи о едином процессе образования вторичных тел возле первичного применительно к появлению спутников возле планет?
Здесь выявляются трудности, носящие двойственный характер. По отношению к планетам
земной группы гипотеза не может объяснить, почему спутником Земли стала Луна, а спутниками Марса – Фобос и Деймос. В своей книге Альвен и Аррениус посвятили специальную
60
главу загадке происхождения Луны. В отличие от Меркурия и Венеры, у которых слабые собственные магнитные поля, магнитное поле Земли достаточно сильное, чтобы около нее, согласно гипотезе, образовалась планетная система из пяти маленьких спутников. Вместо них
спутником Земли стала планетоподобная Луна. Авторы выдвинули предположение, что формирование Луны началось в своем струйном потоке, где она образовывалась как полноценная
планета. Но близость этого струйного потока к более мощному земному струйному потоку
привела к их взаимодействию, завершившемуся захватом протолуны протоземлей и их формированием в совместном процессе. Вторжение протолуны в околоземное пространство прервало процесс формирования "естественной" спутниковой системы Земли и вместо нее появилось сообщество планеты с планетоподобным спутником. Вряд ли нарисованную картину
можно признать убедительной. Существует несколько других гипотез о происхождении Луны, их я коснусь несколько позже.
К сказанному остается добавить еще одну загадку происхождения спутников у планет
земной группы – загадку спутников Марса. С точки зрения гипотезы Альвена и Аррениуса,
суть этой загадки в том, что магнитное поле Марса слишком слабое, чтобы около этой планеты могли появиться какие бы то ни было спутники. Предположение же о захвате Марсом двух
астероидов выглядит правдоподобно, но наталкивается на трудности объяснения такого события, пока не преодоленные.
Спутниковые системы планет-гигантов хорошо развиты и укладываются в гипотезу Альвена – Аррениуса. В последние годы благодаря усовершенствованию наземных методов наблюдений и, особенно, благодаря беспилотным космическим аппаратам, побывавшим в непосредственной близости от этих планет, на Землю поступил мощный поток новых сведений о
них и их спутниках. Открыты новые спутники у Юпитера, Сатурна, Урана и Нептуна, их общее количество 57. Уточнены химические составы планет и выявлены определенные отличия,
говорящие о том, что химическая дифференциация протопланетного облака носила более
сложный характер, чем предполагали раньше. Получены сведения о разнообразии химических
составов и рельефов у наиболее крупных спутников планет и многое другое. Некоторые заключения указывают на определенную структурную общность, как спутниковых систем
крупных планет, так и Солнечной системы как целого. Во-первых, во всех случаях максимумы концентрации летучих веществ (водорода и гелия) приходятся на само первичное тело,
будь то Солнце, Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун, и на периферийную часть системы. На некотором удалении от первичного тела отмечается минимум концентрации летучих веществ и в
нем расположены наиболее плотные планеты или спутники. Во-вторых, на долю первичного
тела всегда приходится более 98% общей массы системы. В-третьих, имеются признаки того,
что планетные и спутниковые тела образовались в процессе аккреции частиц вплоть до окончательного оформления планеты (спутника).
Изучение внутренних планетных систем только начинается. Результаты, полученные до
настоящего времени, в целом не противоречат допущению о существовании единого механизма образования вторичных тел около первичных. Но модель Альвена-Аррениуса выдвигает определенные требования к параметрам молодого Солнца – его размерам, величине магнитного поля и другим. Так, механизм передачи момента количества движения от Солнца к
протопланетному облаку мог функционировать при условии, что магнитный момент Солнца
имел настолько большую величину, что при современных размерах Солнца ему соответствует
напряженность магнитного поля у поверхности, во много раз превосходящая все разумные
пределы. Выход из затруднения состоит в допущении, что радиус молодого Солнца в период,
когда около него формировались планеты, был примерно в 15 раз больше теперешнего, тогда
напряженность магнитного поля у поверхности снизится до приемлемого значения. Возможно
ли естественным путем обосновать такие размеры молодого Солнца? Оказывается, можно.
Независимо от конкретного механизма образования звезды в темном газопылевом облаке,
сразу после завершения ее формирования наступает недолгая стадия выгорания дейтерия.
Браун и Кокс, исходя из предположения, что протосолнце содержало такую же долю дейтерия, которая наблюдается в Космосе, оценили продолжительность его выгорания примерно в
200 миллионов лет. Выгорание дейтерия сопровождается сильным расширением звезды, по
61
расчетам радиус Солнца достигал примерно 1012 см, что в 16 раз превышает его современное
значение. Это как раз то, что необходимо для оправдания рассматриваемой модели.
Авторы излагаемой гипотезы имели свое оригинальное мнение и о процессе образования
звезд, в частности, Солнца. Они отвергают широко распространенную гипотезу об их образовании в результате гравитационного коллапса, развивающегося во фракционирующем темном
облаке. "Несмотря на интенсивные поиски, - пишут они, - все еще не найдены какие-либо наблюдательные данные, которые подтвердили бы это мнение. Таким образом, "общепринятая"
теория может оказаться одной из сотни недоказанных догм, которые составляют значительную часть современной астрофизики". Взамен коллапса предлагается магнитогидродинамическая модель сжатия части облака в протозвезду. Темное облако находится в ионизованном
состоянии и обладает магнитным полем. Наблюдаемые в нем волоконные структуры, в которых идет процесс звездообразования, объясняются протеканием токов вдоль магнитных силовых линий. Сжатие волоконных структур вызывается пинч-эффектом, способным образовать
газопылевые ядра, зародыши будущих звезд.
Согласно модели Альвена-Аррениуса, планеты земной группы образовались на стадии
выгорания дейтерия. Им была передана незначительная доля момента количества движения, и
период вращения Солнца практически не изменился. Затем начали формироваться планетыгиганты, и им Солнце передало не менее 97% своего количества движения. При этом Солнце
перешло в состояние изоротации с Юпитером, то есть его период вращения стал равным периоду вращения Юпитера вокруг Солнца, в настоящее время равному 12 годам. После завершения периода выгорания дейтерия Солнце сжалось до современного своего размера и увеличило угловую скорость вращения тоже до современного значения, период его вращения составил примерно 26 земных суток. После чего, по-видимому, никаких серьезных изменений
ни в массе, ни в скорости вращения Солнца больше не происходило.
Теорию Альвена и Аррениуса нельзя считать завершенной, в ней сохраняется немало нерешенных проблем. Сами авторы оценивают свою модель как качественную или, в лучшем
случае, полуколичественную теорию. Она не является общепризнанной, как не является общепризнанной и любая другая разрабатываемая сегодня теория происхождения Солнечной
системы. Но предлагаемая модель образования Солнечной системы содержит идеи и механизмы сложнейшего процесса рождения планетной системы, которые нельзя игнорировать
при разработке любой теории возникновения и эволюции планет около звезды.
Подведем итоги. Пока наука не может доказательно утверждать, что образование планетных систем около некоторых звезд является закономерным процессом, этапом локального
структурообразования во Вселенной. Тем не менее, существуют достаточно убедительные
косвенные данные, на основании которых космологи берут на себя смелость утверждать, что,
по крайней мере, в определенной части нашей Галактики, в ближайших окрестностях Солнца,
планетные системы существуют или появляются около молодых звезд в заметном количестве.
Дополнительный довод в пользу такого мнения высказан известным астрофизиком
И.С.Шкловским [44]. Исходя из иных, чем Альвен и Аррениус, предпосылок об образовании
звезд и планетных систем, он обратил внимание на тот факт, что все горячие звезды, температура поверхности которых превышает 7000 К, имеют высокие скорости вращения, от 100 до
500 км/с. По мере перехода ко все более холодным звездам на определенном температурном
рубеже наблюдается внезапный резкий спад скорости вращения. Звезды класса желтых карликов (Солнце принадлежит к их числу), температура атмосферы у которых порядка 6000 К,
имеют аномально низкие скорости вращения, почти равные нулю. Например, скорость вращения Солнца составляет всего 2 км/с. Шкловский считал, что физические условия вблизи горячих звезд препятствуют образованию возле них протопланетного облака, поскольку весь необходимый для этого материал "выдувается" мощным излучением возникшей молодой звезды. У желтых и красных карликов этого не происходит, низкие скорости их вращения могут
быть результатом передачи не менее 97% первоначального момента количества движения в
протопланетное облако. Если такое предположение верно, то наука получит точный адрес для
поиска планетных систем. Тогда появится возможность оценить распространенность планетных систем в Галактике.
62
Несмотря на известную незавершенность, рассмотренная модель наглядно показывает, что
решение проблемы образования Солнечной системы на современном уровне требует учета
присутствующих магнитных полей, плазменного состояния вещества, эффектов взаимодействия магнитных полей с плазмой, магнитогидродинамических и газодинамических процессов,
химических взаимодействий элементов в протопланетном облаке. Хотя сегодняшние представления о взаимном участии всех перечисленных процессов в образовании Солнечной системы еще далеки от завершенности, складывается уверенность в том, что образование планетных систем носит закономерный характер, что оно протекает в общем потоке структурной
самоорганизации Вселенной. Локальные структуры формируются при участии двух противоположных, но взаимосвязанных механизмов: фракционирования крупных неорганизованных
образований, таких как газопылевые облака, и аккреции мелких частиц вещества с образованием более крупных высокоорганизованных объектов, развивающихся затем как цельное естественное тело. Необходимое условие совместного действия этих механизмов – значительная
неравновесность среды, в которой появляются организованные структуры.
Солнечная система как целое проявляет высокую степень устойчивости. За почти пять
миллиардов лет своего существования, находясь под действием возмущающих факторов, она
стабильно сохраняет свою структуру. Пока о причинах такой устойчивости строят догадки.
Обращают внимание на существование формулы Тициуса-Бозе, которая относительно точно
определяет орбиту каждой планеты в зависимости от ее номера, отсчитываемого от центрального тела. Факт существования такой формулы, не зависящей от массы и размеров планеты,
наводит на мысль о не случайном ее характере. Чем-то это напоминает квантование. Другие
гипотезы связывают с распространенностью в Солнечной системе резонансных структур, которым по определению присуща высокая устойчивость, стабилизирующая систему в целом на
длительные промежутки времени. Резонансность структур выражается в соизмеримости периодов их обращения вокруг Солнца и вращения вокруг своих осей. Более уверенно говорится
о неизбежном конце Солнечной системы, связанном с исчерпанием Солнцем запасов водорода. В ходе такого окончания жизненного цикла системы будет происходить возрастание светимости Солнца со временем. По расчетам специалистов через 1,1 миллиард лет яркость светила возрастет на 10%, на Земле наступит влажная парниковая катастрофа. Через 3,5 миллиарда лет светимость Солнца увеличится на 40% по сравнению с нынешним временем. Это
приведет не только к гибели жизни, но и к самой возможности существования планеты. Еще
примерно через два миллиарда лет Солнце превратиться в красного гиганта и завершит свое
существование взрывом, после чего от него останется белый карлик. Но до всего этого еще
очень далеко, по пути могут произойти космические катастрофы, способные досрочно уничтожить жизнь на Земле.
Только признав, что планетная система формируется как единое целое, в общем процессе,
можно понять и объяснить наблюдаемую взаимную пригнанность элементов и высочайшую
устойчивость системы в целом. Но у локальных ее элементов, таких как планеты, появляется
определенная автономность, индивидуальность развития. В основе индивидуальности лежат
исходные условия, при которых формировалась планета – ее местоположение относительно
центрального тела, размеры, физико-химические особенности, динамические характеристики.
Для нас особенно важно понять, как возникли в ходе образования и развития Земли условия,
сделавшие ее единственной планетой Солнечной системы, на которой появились и существуют развитые формы жизни, породившие разум.
3.4 Земля среди планет
По образному высказыванию К.Э.Циолковского Земля – колыбель человечества. Ребенок,
подрастая, покидает свою колыбель. Возможно, и человечество со временем освоит жизнь в
Космосе. Однако, в ближайшем будущем Земля останется для него не только колыбелью, но и
родным домом. А родной дом следует хорошо знать, и он является главным объектом изучения. В науке Земля занимает выделенное положение, львиную долю усилий и средств человечество прямо или косвенно тратит на познание своей планеты и на поиски способов упорядо-
63
чения условий своей жизни на ней. К сожалению, на данном этапе своего развития оно допускает непозволительную роскошь растрачивать огромную часть своих ограниченных ресурсов
на неконструктивные цели, не только отвлекая их от актуальных современных задач, но и ставя под угрозу само существование жизни на планете.
В определенном плане Земля выделена и самой Природой: в Солнечной системе только на
этой планете существуют развитые формы жизни, только на ней локальное упорядочение вещества достигло необычайно высокой ступени, продолжая общую линию развития материи.
На Земле пройден сложнейший этап самоорганизации, знаменующий глубокий качественный
скачок к высшим формам упорядоченности. В чем сущность этого этапа, каков механизм его
свершения, как он согласован с общей тенденцией развития Вселенной? Вопросы поставлены,
но для науки сегодняшнего дня они слишком сложны. Один из перспективных путей поиска
ответа – сопоставление данных о Земле с тем, что становится известным о других планетах,
прежде всего о планетах земной группы.
Отличия планет земной группы от планет-гигантов очевидны. Благодаря автоматическим
межпланетным аппаратам мы смогли напрямую познакомиться с этими планетами и их спутниками. Планеты-гиганты, по предположению, имеют железно-каменные расплавленные ядра
и гелиево-водородные оболочки. Как выяснилось, две ближайшие к Солнцу планеты этой
группы – Юпитер и Сатурн – по своему водородно-гелиевому составу подобны веществу
Солнца. В отличие от них, два других гиганта – Уран и Нептун – обладают веществом, сходным с веществом комет. У всех планет-гигантов имеются кольца, особенно четко выраженные
у Сатурна.
Юпитер, ближайшая к Земле планета из этой группы, является самой крупной планетой
Солнечной системы. Его диаметр равен примерно 143 тысячам километров, а расстояние до
Земли 628 миллионов километров. У Юпитера самая высокая средняя плотность вещества
среди гигантов – 1,31 г/см3. Из глубины планеты поступает тепло, сопоставимое с энергией,
получаемой от Солнца, а в окрестностях планеты наблюдается очень сильное радиоактивное
излучение. Возможно, что в недрах планеты протекает слабая реакция нуклеосинтеза. Если
когда-нибудь к Юпитеру направят экспедицию с участием людей, то придется принимать
серьезные меры по их биологической защите.
Гравитационное притяжение Юпитера влияет на всѐ планетное пространство системы, но
особенно достается небесным телам, которые попадают в относительно близкую сферу его
воздействия. В 1994 году удалось наблюдать уникальное событие: комета Шумейкеров-Леви
попала в сферу притяжения Юпитера, раскололась на несколько фрагментов, и затем все эти
фрагменты друг за другом начали падать в атмосферу планеты. Каждое падение сопровождалось огромным взрывом, сопровождавшимся локальным возмущением верхних слоев атмосферы. Суммарный эффект падений, по оценкам, эквивалентен взрыву нескольких миллионов
атомных бомб, сброшенных на Хиросиму.
Особый интерес был проявлен в отношении трех спутников Юпитера – Европы, Ганимеда
и Каллисто. В 2001 году межпланетный аппарат «Галилей», снабженный прибором для магнитных измерений, выявил на этих спутниках подледные океаны. На Ганимеде соленый океан
расположен на глубине 170 километров под промерзшей поверхностью, он разогрет радиационными излучениями скал.
С неожиданной стороны представил себя еще один относительно крупный спутник Юпитера – Ио. На нем протекает необычайно активная вулканическая деятельность. Обнаружено
не менее 300 действующих вулканов, непрерывно выливающих на поверхность горячую лаву.
У этой планеты с ее вулканами весьма необычный рельеф поверхности, приводящий в изумление исследователей.
Планета-гигант Сатурн исследована аппаратом «Кассини», ставшим его искусственным
спутником. Диаметр Сатурна 120660 километров, расстояние от Земли 1,25 миллиарда километров, средняя плотность ~0,7 г/см3. Подробно исследованы знаменитые кольца около этой
планеты, открыто немалое количество мелких спутников, в том числе находящихся внутри
колец. Особый интерес проявлен в отношении двух крупных спутников – Титана и Фебы. Титан, размером вдвое меньшим, чем у Земли, вращается в направлении, противоположном
64
вращению Сатурна, он имеет прозрачную атмосферу, на нем отмечена вулканическая деятельность. Специалисты высказывают предположение о возможности существования под его
холодной поверхностью простейших форм жизни.
Планета Уран заснята относительно близко пролетевшим мимо нее 24 января 1986 года
аппарата «Вояджер 2». Диаметр Урана равен примерно 51 тысяче километров, расстояние от
Земли 2,75 миллиарда километров. В атмосфере планеты содержится метан и ацетилен, 1015% гелия, что придает планете голубовато-зеленый цвет. Длительность суток примерно 17
часов. Число вторичных планет 15, но большинство из них имеют диаметры от 14 до 72 километров. Пять наиболее крупных – Миранда, Ариэль, Умбриэль, Титания, Оберон - двигаются
в противоположном направлении по отношению к вращению Урана. А поскольку сам Уран
вращается вокруг своей оси в противоположном направлении по отношению к вращению
Солнца, то его крупные спутники вращаются «в правильном» направлении. К этому остается
добавить, что ось вращения Урана лежит почти в плоскости эклиптики, что также является
отклонением от общего правила. Считается, что отклонения Урана от нормы, возможно, возникло в результате некоего катастрофического события.
При своем дальнейшем полете «Вояджер 2» пролетел 24 августа 1989 года вблизи планеты
Нептун, сделав множество его снимков. Диаметр Нептуна примерно 50 тысяч километров,
расстояние от Земли 5,75 миллиардов километров. Были обнаружены кольца вокруг планеты,
в атмосфере присутствует водород, гелий, много метана и аммиака. Спутник Тритон, примерно размером с Луну, располагается на расстоянии 353 тысяч километров от Нептуна (почти
как Луна относительно Земли) и вращается в обратном направлении. На нем присутствуют
следы вулканической деятельности.
За планетой Нептун находится девятая планета Плутон, причем ее принадлежность к рангу
планеты оспаривается. Внеземной телескоп им. Хаббла позволил установить размеры Плутона – диаметр 2300 километров, и размеры его спутника Харона 1190 километров. Масса Плутона на 75% имеет каменистую природу, и на 25% - лед. Вытянутая эллиптическая орбита и
его вещественный состав, напоминают кометные объекты пояса Кейпера, но при этом наличие спутника приближает его к планетам. В настоящее время НАСА готовит проект посылки
к Плутону межпланетного аппарата для более глубокого его исследования.
Группа планет-гигантов преподносит исследователям неожиданные сюрпризы, меняющие
прежнее отношение астрономов к этим планетам и, особенно, к их спутникам. Впереди число
сюрпризов, скорее всего, возрастет.
Ближе к Солнцу располагается группа из четырех планет, кардинально отличных от планет-гигантов, в число которых входит Земля. Среди ближайших соседей Земли нет двух одинаковых планет. Все они отличаются размерами, физико–химическими параметрами, строением поверхностей и недр, атмосферами, короче, всеми компонентами, характеризующими их
индивидуальности. Основные различия между планетами земной группы, по-видимому, определили начальные условия их формирования – химический состав и плотность вещества протопланетного диска в месте их образования, расстояние от Солнца, резонансные взаимодействия с Солнцем и другими планетами. Сведения о химическом составе и состоянии вещества
глубинных частей планет при существующих там давлениях и температурах очень приблизительны, они находятся на уровне гипотез, надежность которых не гарантируется. Что же касается поверхностей планет и их атмосфер, то наибольшей полнотой, естественно, отличаются
данные о Земле. Прямые исследования других ближайших планет с использованием космических аппаратов только начаты. Тем не менее, уже теперь появилась возможность сравнивать
данные о внешних оболочках Земли с соответствующими сведениями о других планетах Солнечной системы. На этой основе возникло новое научное направление, названное сравнительной планетологией [45].
Первые представления о сравнительных особенностях планет земной группы дают содержащиеся в таблице 3.1 данные, в основу которых положены сведения, приводимые в обстоятельной книге М.Я. Марова [46]. Земля – самая большая планета в своей группе. Но, как показывают расчеты, даже такие размеры и масса оказываются минимальными, при которых
планета может удерживать свою газовую атмосферу. Земля интенсивно теряет водород и не65
которые другие легкие газы, что подтверждают наблюдения за так называемым шлейфом
Земли. Венера почти равна по размерам и массе Земле, но она располагается ближе к Солнцу
Таблица 3.1
Планета
Меркурий
Венера
Земля
Марс
2439
6051,5
6378
3378
Относительная масса
0,06
0,82
1
0,107
Сред. плотность,
г/см3
5,44
5,24
5,52
3,96
Сред. расстояние
от Солнца, а.е.
0,337
0,723
1
1,524
7
3,4
0
1,8
Сидерический период
обращения (в земных
годах)
0,24
0,62
1
1,88
Период вращения
58,6d
Наклонение экватора
к плоскости орбиты,
град
30
Параметр
Радиус, км
Наклон плоскости
орбиты к эклиптике,
град
Направление
ния
враще- прямое
Магнитное поле, гамм
350
243d
23,9h
24,6h
177
23,5
25,2
обратное
прямое
прямое
10 - 15
35000
65
Примечания
Масса Земли
5,981024 кг
1 а.е. = 1,5108
км
Земной год =
365,26 суток
d-в земных
сутках
h-в земных
часах
и получает от него больше тепла. Видимо поэтому она давно потеряла весь свой свободный
водород. У остальных двух планет этой группы атмосфера либо отсутствует (Меркурий), либо
сохранилась в очень разреженном состоянии (Марс).
Наиболее близкие к Солнцу планеты – Меркурий и Венера – обладают медленным вращением вокруг оси, их периоды исчисляются десятками – сотнями земных суток. Медленное
вращение этих двух планет, по-видимому, связано с их резонансным взаимодействием с
Солнцем и друг с другом. Земля и Марс вращаются почти с одинаковыми периодами порядка
24-х часов. Земля и Венера также образуют резонансную структуру. В этой группе только Венера имеет обратное вращение (противоположное направлению вращения Солнца вокруг своей оси), она как бы опрокинута "вверх ногами" на своей орбите. Наконец, только Земля в своей группе имеет сильное собственное магнитное поле, более чем на два порядка величины
превосходящее значение магнитных полей у других родственных планет.
К сказанному в порядке повторения остается добавить, что в земной группе планет отсутствуют развитые системы спутников, что характерно для планет группы Юпитера. Плането66
подобный спутник Земли, Луна, по своим размерам близок к планете Меркурий, а спутники
Марса скорее напоминают астероиды, как-то присоединившиеся к этой планете. Ранее уже
говорилось, что ни о происхождении Луны, ни о спутниках Марса до сих пор нет общепризнанных теоретических представлений. В отношении Луны, кроме упоминавшейся гипотезы
Альвена и Аррениуса, сегодня существует, по крайней мере, еще четыре идеи о путях ее появления в качестве спутника Земли. Во-первых, идея "отделения": на самой ранней стадии
образования скорость вращения Земли значительно превышала современную, и под действием центробежных сил возник приливной выступ, который оторвался и стал Луной. Эту идею
отвергли, поскольку ей противоречит угловой момент количества движения системы ЗемляЛуна и, к тому же, химические составы поверхности Земли и Луны отличаются, чего не должно было бы быть при образовании Луны из земного материала. Во-вторых, идея "совместного
рождения": планета и спутник образовались в едином творческом процессе. После того, как
прямые исследования лунного грунта показали его отличие от земных пород, и эта идея в ее
нынешнем варианте была отправлена в отставку. В-третьих, идея "захвата": Луна образовалась отдельно от Земли как самостоятельная планета, но затем была захвачена Землей и стала ее спутником. Любопытно, что существует "контргипотеза" захвата планеты, согласно которой предлагается рассматривать Меркурий в качестве бывшего планетоподобного спутника
Венеры, по каким-то причинам покинувшего "хозяйку" и повысившего свой статус до равноправной планеты. Но и идея захвата Луны испытывает серьезные трудности, поскольку объяснить захват не удается без нарушения законов небесной механики.
Наибольшей популярностью в наши дни пользуется гипотеза "Гигантского столкновения".
Согласно этой гипотезе примерно 4 миллиарда лет назад произошло катастрофическое касательное столкновение Земли с неким планетным телом, по размерам равным Марсу. В результате из области, где в наше время располагается гигантская впадина, заполненная Тихим
океаном, испарилась и выбросилась на околоземную орбиту масса вещества, представлявшая
смесь земных пород и пород столкнувшегося с Землей планетного тела. Из этого облака и
сформировалась затем Луна, ставшая спутником Земли. Гипотеза Гигантского столкновения,
в результате которого возникла около Земли Луна, выдвинута в 1975 году американскими
учеными У. Хартманом и Д. Дэвисом. Но самое серьезное внимание к себе она привлекла после того, как А.Г.У. Камерон разработал математическую модель столкновения, подробно
рассмотрел ее с применением компьютерной техники и получил результаты, вполне согласующиеся с наблюдательными данными. Теория правильно определяет положение Луны относительно Земли, дает правильные значения отношения масс планеты и спутника и величины суммарного углового момента образовавшейся системы. Она качественно объясняет уникальные особенности Земли, отличающие ее от других планет. В частности, гравитационную
дифференциацию, приведшую к образованию крупного металлического ядра в ее центре, высокую асимметрию в распределении масс внутри планеты, появление на ней Мирового океана. На сегодня это единственная гипотеза происхождения Луны, поддающаяся численным
расчетам и обеспечивающая при этом совпадение получаемых результатов с наблюдениями.
Самое серьезное возражение против гипотезы Гигантского столкновения – чрезвычайно малая
вероятность подобного события, делающая его уникальным в развивающейся Вселенной. Но
такое возражение не исключает принципиальной его возможности.
Ричард Гота и Эдвард Белбрано из Принстонского университета (США) выдвинули гипотезу, согласно которой вызвавшая катастрофу планета появилась в точке Лагранжа на земной
орбите одновременно с Землей. Точка Лагранжа, позволяющая устойчиво пребывать в ней
постороннему телу, находится на круговой орбите Земли на 60 градусов позади или впереди
нее. В такой точке могла сформироваться планета величиной с Марс. Гравитационные возмущения от других планет вытолкнули ее из точки Лагранжа, после чего столкновение с Землей
стало неизбежным. В результате столь же неизбежным стало образование третьего небесного
тела в точности с лунными параметрами. Отмечается, что Луна важна для развития жизни на
Земле, поскольку ее присутствие сглаживает колебания земной оси, без чего возникли бы колебания климата с необратимыми последствиями для жизни. Ключевую роль в выходе жизни
на сушу сыграли лунные приливы, которые в три раза превышают солнечные приливы.
67
Загадочно выглядит и появление спутников у Марса. Гипотеза о захвате этой планетой
двух астероидов встречает серьезные трудности, поскольку их орбиты не несут следов захвата. С другой стороны, в 1988 году английские астрономы Э. Синклер, Д. Джоунс и А. Уильямсон сообщили, что на основании детальных измерений параметров орбиты Фобоса ими определено увеличение скорости его движения вокруг Марса и, соответственно, уменьшение радиуса орбиты примерно на 3,6 см в год. Это означает, что примерно через 40 миллионов лет
Фобос упадет на планету. Неустойчивость орбиты Фобоса означает, что этот спутник присоединился к планете, а не сформировался вместе с нею. Необходимо упомянуть, что неустойчивость орбиты Фобоса впервые обнаружил астроном Б.Шарплесс в 1945 году. По его данным
радиус орбиты спутника сокращается на 4 см в год и падение Фобоса на Марс следует ожидать в промежутке времени от 30 до 70 миллионов лет.
Сравнение планет земной группы с Землей начнем с рассмотрения данных об их атмосферах, обнаруживаемых у трех из четырех планет. Главные компоненты атмосфер и их характеристики у поверхности планет приведены в таблице 3.2. Атмосфера Земли кардинально отличается от атмосфер других планет: в ней мало содержание углекислого газа, высоко содержание молекулярного кислорода и относительно велико содержание паров воды. Две причины
создали выделенность атмосферы Земли: вода океанов и морей хорошо поглощает углекислый газ, а биосфера насыщает атмосферу молекулярным кислородом, образующимся в процессе растительного фотосинтеза. Подсчеты показывают, что если бы не эти особенности, то
состав земной атмосферы в своих главных чертах стал бы подобным составу атмосфер Венеры и Марса.
Относительно малые размеры Марса не позволили ему удержать плотную атмосферу.
Возможно раньше, благодаря выделению газов из недр планеты, атмосфера Марса была намного плотнее, чем теперь, и условия у его поверхности были тогда более мягкими. В марсианской атмосфере очень мало паров воды, соответственно отсутствует облачность. Но движения разреженной атмосферы временами достигают такой силы, что в общепланетном масштабе возникают мощнейшие пылевые бури, поднимающие с поверхности массы песка на высоту
многих километров. Например, 15 июня 2001 года «красная пыльная буря» достигла невиданных масштабов и закрыла больше половины всей площади планеты.
В атмосфере Земли насыщенные пары воды создают облачный слой, охватывающий значительную часть планеты. Облака Земли входят важнейшим элементом в круговорот воды,
протекающий в системе гидросфера-атмосфера-суша нашей планеты. Поверхность Венеры
закрыта еще более плотным облачным слоем и в этом, казалось бы, просматривается аналогия
Таблица 3.2
Планета
Химический состав атмосфер,
%
Физические параметры у поверхности
Давление
атм.
СО2
N2
O2
Ar
H2O
Земля
0,03
78
21
0,93
0,1-1,0
1
Венера
95
3-5
210-4
0,01
0,01-0,1
95
Марс
95
2-3
0,1-0,4
1-2
10-3-10-1
610-3
Тем-ра, К
max
min
Наличие
свободной воды
310
гидросфера 2/3
поверхности
240
нет
740
270
200
Ледники, вечная.
мерзлота. К-во
неизвестно
с Землей. Но природа облаков Венеры совсем иная, чем у Земли. Спускаемые аппараты космических кораблей "Венера" впервые прошли через всю толщу венерианской атмосферы и
68
снабдили нас подробной информацией о ее структуре и составе. Основная масса венерианских облаков сосредоточена на высотах от 49 до 70 километров над поверхностью планеты,
но сами облака скорее похожи на туманную дымку и они не очень сильно задерживают прохождение солнечного света. Вопреки ожиданиям, на поверхности Венеры относительно светло, как в светлый пасмурный день на Земле. Высотные слои венерианской атмосферы движутся вокруг планеты с высокой скоростью, полный оборот они совершают всего за четверо
земных суток. В этих слоях обнаруживаются признаки турбулентных движений. Но около
самой поверхности планеты царит относительный покой. Состав венерианской облачности в
наших представлениях экзотичен. Облака образованы аэрозольными частицами размером 2 –
3 микрона, их средняя концентрация составляет 100 – 200 частиц/см3. В основном это капли
75-ти процентной серной кислоты с небольшой примесью плавиковой и соляной кислот. Такой состав облачности предположительно возник в период бурной вулканической деятельности, сопровождавшейся выбросами в атмосферу сернистых и хлористых газов вместе с капельками воды. Перемешиваясь и вступая в химические реакции, эти компоненты создали
конечные продукты, сосредотачивавшиеся в той части атмосферы, где температурные условия
оказывались наиболее подходящими для этого. Газы подобного же состава вместе с парами
воды выбрасываются из недр Земли во время извержений вулканов, но они эффективно поглощаются океанами и в земной атмосфере надолго не задерживаются.
Нет сомнения, что гидросфера Земли, возникшая на самых ранних стадиях формирования
планеты, играла и продолжает играть ведущую роль в образовании у ее поверхности условий,
полностью отличных от существующих на Марсе и Венере. Но почему ни на Марсе, ни на
Венере нет ничего похожего на земную гидросферу? Сегодня об этом можно лишь строить
догадки. Например, Земля и Венера очень близки по размерам и средней плотности. Похоже,
что на ранней стадии их формирования имел место некий критический эпизод, точка бифуркации, от которой развитие каждой планеты пошло расходящимися курсами. Возможно, что
свою роль сыграла близость Венеры к Солнцу, и его могучее воздействие сначала задержало
формирование гидросферы, а потом накопившийся в атмосфере углекислый газ создал парниковый эффект, необратимый разогрев поверхности, что окончательно прервало образование
гидросферы. Но куда делась вода Венеры, если она существовала когда-то в свободном состоянии? В наши дни в атмосфере планеты не находят заметных количеств водяных паров.
Вызвано ли это тем, что вода отсутствовала в заметных количествах с самого начала, или образовался мощный канал ее утечки? В этом еще предстоит разобраться. Нельзя исключить и
того, что отсутствие гидросферы, очень медленное вращение планеты в обратном направлении и отсутствие своего магнитного поля – все это разные следствия некоей общей причины,
породившей различия в путях развития Венеры и внешне схожей с ней Земли.
Что касается Марса, то на его поверхности существуют следы того, что в прошлом, в пределах примерно последнего миллиарда лет, он имел свою гидросферу. Высказывается даже
предположение, что примерно три миллиарда лет назад на Марсе существовал океан. В наши
дни вода в виде инея и льда обнаружена в полярных шапках этой планеты. Допускается, что
значительные количества воды скрыты в многометровых приповерхностных слоях вечной
мерзлоты, но подтверждение или опровержение этой гипотезы мы получим после того, как
поверхность планеты будет основательно обследована автоматическими аппаратами или, что
еще важнее, высадившимися на планете земными экспедициями. Подозрения исследователей
о наличии на Марсе гидросферы в прошлом и о существовании значительных скрытых запасов воды теперь, вселяют надежду, что при иных условиях на его поверхности и в атмосфере
отдаленного прошлого там существовали какие-то формы жизни.
Рельефы поверхности Земли и двух ближайших к ней планет существенно различны, что,
прежде всего, объясняется различиями вулканических и геологических процессов на каждой
из них. Не без основания считается, что тектоническая активность служит мерилом жизнеспособности планеты. Сокращение, а тем более прекращение такой деятельности рассматривается как признак умирания планеты, как завершение цикла ее эволюционного развития. Ведь
суть развития планеты – это активный обмен веществом и энергией между недрами и поверхностью, в ходе которого формируются и поддерживаются атмосфера, гидросфера, и опреде69
ленные типы рельефов поверхности. С прекращением тектонической деятельности планета
превращается в мертвое небесное тело, на котором преобладают процессы деградации.
На Земле тектонические процессы активно протекают и в наши дни, ее геологическая история далека от завершения. Время от времени отголоски планетной жизнедеятельности проявляются с такой силой, что вызывают локальные катастрофические потрясения, отражающиеся на природе и человеческой цивилизации. Палеонтология дает основание считать, что в
эпоху ранней молодости Земли ее тектоническая активность была еще выше. Современный
рельеф планеты сложился и продолжает видоизменяться под влиянием совместного действия
на ее поверхности тектонических, гидросферных, атмосферных и биологических процессов.
На других планетах такое сочетание факторов отсутствует.
Рельеф земной поверхности в целом характеризуется глобальной асимметрией двух ее полушарий – северного и южного. Одно из них представляет собой гигантскую депрессию, заполненную водой. Здесь размещены океаны, охватывающие более 70% всей земной поверхности. В другом полушарии сосредоточены поднятия коры, образующие континенты. Океаническая и континентальная разновидности коры отличаются и по возрасту, и по химикогеологическому составу. Понятно, что рельеф океанического дна отличен от континентального рельефа.
Систематические исследования морского и океанического дна стали возможными лишь в
самое последнее время. Они уже привели к новому пониманию глобального характера тектонических процессов, происходящих на Земле. Средняя глубина мирового океана около 4-х
километров, отдельные впадины имеют в 3 раза большую глубину, а отдельные вершины и
вулканические конусы заметно возвышаются над поверхностью воды. Главная достопримечательность океанического рельефа – глобальная система срединных хребтов, протянувшихся
на многие тысячи километров. Вдоль их центральных частей располагаются разломы, так называемые рифтовые зоны, через которые на поверхность выходят из глубин свежие массы
вещества. Они раздвигают океаническую кору, формируя ее в процессе непрерывного обновления. Возраст океанической коры не превышает 150 миллионов лет. Другая характерная особенность океанического рельефа – существование зон субдукции, в которых океаническая
кора погружается под одну из островных дуг, например, под Курильскую, Марианскую и другие, или под край континента. Зоны субдукции характеризуются повышенной сейсмической и
вулканической деятельностью.
Рельеф континентальной части планеты более разнообразный: это равнины, возвышенности, плато, горные хребты и огромные горные системы. Отдельные участки суши лежат ниже
уровня океана, как, например, район Мертвого моря, отдельные горные вершины поднимаются над его уровнем на 8 – 9 километров. Человеческий глаз выделяет среди природных ландшафтов места удивительной красоты. Например, причудливые скалы Тиш-Турне в Силезии,
Башню дьявола на Западе США, Большой каньон Колорадо в Аризоне, Ниагарский водопад
на границе Канады и США, озеро Байкал с его окружением и многие другие достопримечательные места, привлекающие не только геологов и географов, но и многих любителей природных красот Земли. О некоторых из этих уникальных геологических образованиях интересно рассказывает известный немецкий геолог М.Шварцбах в своей прекрасной книге "Великие
памятники природы" [47].
Согласно современным воззрениям, континентальная кора вместе с подстилающими
слоями мантии образует систему литосферных континентальных плит. В отличие от литосферы океанов, континентальные плиты имеют очень древнее происхождение, их возраст оценивается в 2,5 - 3,8 миллиарда лет. Центральные части некоторых континентальных плит достигают глубин до 250 километров и опираются на нижнюю мантию. Их перемещения не превышают 1-2 сантиметров в год. Другие плиты, толщиною от 15 до 80 километров, более подвижны, за год их перемещения могут составить до 11 сантиметров. На границах литосферных
плит, называемых геосинклиналями, происходит либо сжатие, либо растяжение коры, что определяется направлениями местного горизонтального их смещения.
Рельефы поверхностей Марса и Венеры формировались в совершенно иных условиях, чем
поверхность Земли. Отсутствие гидросферы исключает разделение их коры на океаническую
70
и континентальную. Исторически иначе протекала и тектоническая деятельность у наших соседей. На Марсе в наши дни не обнаруживается вулканическая активность, хотя имеются яркие свидетельства того, что примерно сто миллионов лет назад она еще была довольно бурной. От той поры сохранились конусы потухших вулканов, покрытия лавами обширных районов поверхности, характерные разломы и сбросы марсианской коры. Одним из следствий
затухания вулканической деятельности, возможно, явилось резкое сокращение поступления
газов из недр планеты в атмосферу, что стало причиной потери значительной ее части. Ведь
масса Марса явно недостаточна, чтобы удержать в сохранности плотную атмосферу без регулярного восполнения происходящих потерь. Все говорит о том, что геологическая эволюция
планеты либо завершилась, либо близка к завершению.
У Марса, как и у Земли, наблюдается несимметричность фигуры, наличие двух полушарий с разными рельефами. Рельеф северного полушария равнинный, с хорошо выраженными
признаками прошлой вулканической деятельности. Здесь располагаются крупнейшие вулканические конусы планеты, в их числе гигантские горы Арсия, Акреус, Павонис и Олимп. Параметры этих вершин вызывают уважительное удивление: диаметры их оснований достигают
500 - 600 километров, высоты над средним уровнем поверхности 26 - 27 километров, диаметры кратеров на вершинах от 60 до 100 километров. Ничего даже близко похожего нет ни на
Земле, ни на Венере. Район вулканов целиком покрыт застывшими лавовыми потоками. Южное же полушарие почти сплошь покрыто кратерами ударного происхождения, напоминая
лунный ландшафт. Нет на Марсе чего-либо похожего на литосферные плиты, на геосинклитные области и другие особенности земной геологической картины.
Значительная часть поверхности Венеры – равнина, уровень которой почти не отклоняется
от среднего радиуса планеты. На этом фоне выделяются две обширные горные области, названные Землей Иштар и Землей Афродиты. Их среднее поднятие над равниной достигает
четырех километров, а протяженность составляет несколько тысяч километров. Исследования
поверхности Венеры проводится как наземной аппаратурой, так и с применением автоматических межпланетных станций, ставших искусственными спутниками этой планеты. Средний
возраст исследованной территории Венеры оценивается в 1 миллиард лет, именно столько лет
тектоническая активность планеты практически не проявляла себя. Процессы разрушения поверхностных структур, так бурно протекающие на Земле, на Венере идут удивительно медленными темпами, и за указанный период времени разрушенный слой поверхности не превысил нескольких десятков метров. Такие темпы разрушения характерны для безатмосферных
малых планет типа Меркурия. Причины повышенной стабильности – отсутствие на Венере
гидросферы и окислительной атмосферы, а также упомянутая низкая тектоническая активность. Тем не менее, слабые проявления вулканической деятельности на Венере отмечены. С
помощью радиотелескопа Корнельского университета (США) в конце 80-х годов на некоторых равнинных участках планеты обнаружены расщелины, из которых, по косвенным оценкам, на протяжении последних 100 миллионов лет проливалась лава, но не образовывались
вулканические конусы.
Получено подтверждение того, что теперешнее раскаленное состояние поверхности, укрытой углекислой атмосферой, длится на Венере не менее трех миллиардов лет. Так что господствовавшая каких-нибудь 60 лет назад убежденность, что таинственная, укрытая облаками
неизвестного тогда состава, Венера – это молодая планета, только вступающая в пору расцвета своей геологической истории, оказалась несостоятельной. Как выясняется, Венера давно
миновала пору активного планетного развития и в этом отношении она близка к Марсу.
Серьезные исследования рельефа Венеры на протяжении всей области Земли Иштар и
прилегающих к ней равнинных участков выполнены автоматическими межпланетными станциями "Венера – 15” и “Венера – 16", ставшими искусственными спутниками планеты. Сжатый анализ полученных результатов исследований изложен в [48]. Отмечается некоторая схожесть характера процесса горообразования на Венере и на Земле. Это складчатые смятия коры, возникающие при горизонтальных ее сжатиях, диагонально расположенные хребты и
структуры типа рифтовых зон, возникшие в результате разрывов пород поверхности при горизонтальных растяжениях, тектонические кольцевые структуры диаметром от 200 до 600 кило71
метров и некоторые другие схожести со структурами Земли. Ни одна из таких структур не
обнаружена на Марсе, видимо они присущи крупным планетам. Более подробные сведения о
химико-минералогических составах планет земной группы читатель найдет в уже упоминавшейся книге М.Я.Марова [46]. Сопоставление их минералогических составов с земными породами показывает, в частности, что при заметных различиях обнаруживается закономерное
сходство: на всех этих планетах основным геолого-образующим процессом было тектоническое проявление планетной жизнедеятельности. Но ни на Венере, ни на Марсе нет ничего похожего на земные граниты, породу, входящую в состав континентальной коры. Остальные
отличия следует отнести на счет присущих только Земле гидросферы, окислительной атмосферы и биосферы. Но изучение Венеры еще далеко от завершения, будущие полеты спутников принесут существенно новую информацию, которая, возможно, позволит уверенно судить, почему близкая по своим размерам Венера не пошла по пути, пройденному Землей.
Предварительные итоги сравнительного сопоставления Земли, Венеры и Марса можно,
пожалуй, сформулировать так.
1. На Венере нет и, видимо, не было на протяжении всей ее истории даже простейших
форм жизни. Остается открытым вопрос о возможном существовании каких-то форм жизни
на Марсе, прежде всего в отдаленном прошлом.
2. Только на Земле существует мощная гидросфера, сформировавшаяся одновременно с
планетой. На Марсе в прошлом предположительно существовала разновидность гидросферы,
на Венере ее, скорее всего, никогда не было.
3. В современную эпоху только Земля остается "живой" планетой, геологическое развитие
которой продолжается и проявляет себя, в частности, активной тектонической деятельностью.
Марс и Венера в прошлом прошли период бурной сейсмической и вулканической активности,
но на Марсе она завершилась несколько сот миллионов лет назад, а на Венере – более миллиарда лет назад. Обе эти планеты, скорее всего, завершают, а может быть уже завершили цикл
своего эволюционного развития.
4. Многочисленные признаки указывают на то, что процессы в недрах Земли протекали и
продолжают протекать иначе, чем у ее ближайших соседей. На это указывают существование
на Земле континентальной коры с гранитами, явно выраженные литосферные плиты, способные перемещаться под действием глубинных земных процессов, существование у нее довольно мощного магнитного поля.
Успехи науки и техники сделали доступными прямые исследования планет Солнечной системы,
открыв принципиально новые возможности для сравнительного познания нашей собственной планеты.
Тем самым открыта новая страница постижения окружающего мира, но на этой странице пока записаны только первые строчки. По-прежнему остается нерешенным особенно волнующий наше воображение вопрос: что выделило Землю в семействе планет одного с ней типа так, что она смогла стать обителью жизни? Поиск ответа на этот вопрос сейчас может идти только от частного к общему, от планеты Земля с существующей на ней жизнью к осознанию космической природы жизни, этого важнейшего звена самоорганизации вещества в процессе развития материи.
3.5 Оболочки Земли
В.И.Вернадский условно делил существующие научные дисциплины на "общие для всей
реальности" и на "локальные". В первую группу попадают науки, изучающие все присущее
природе в целом. Это физика, химия, астрономия, астрофизика, математика и другие им подобные. Вторую группу составляют "местные науки"  геология, океанология, физика атмосферы, биологические и социальные науки. Сфера их приложения  планета Земля.
Многочисленные науки о Земле и ее составных частях в недавнем прошлом развивались
фактически независимо друг от друга. Теперь положение быстро меняется. Появилась осознанная необходимость рассматривать планету как систему, цельное естественное тело со
своими внутренними законами развития. Быстрому внедрению в сознание людей такого представления способствовало выдающееся событие нашего времени  выход человека в ближний
Космос. Это позволило ему впервые взглянуть на Землю извне, увидеть ее сразу всю целиком,
наглядно убедиться в общепланетных масштабах большинства атмосферных и поверхностных
72
явлений, в тесной взаимосвязи всех земных внешних сфер  суши, воды, воздуха и биосферы.
Картина оказалась впечатляющей. Такое событие, как никакое другое, способствует утверждению нового психологического настроя, порождаемого наукой космической эры. Но психологический настрой ученого определяется не только эмоциями, какими бы яркими они ни
были. Он опирается на солидную материальную базу, в основе которой  накопленные факты,
их оценки и обобщения.
Такая база сегодня существует. Совокупность складывающихся на ее основе представлений не только требует рассматривать нашу планету как цельное естественное тело, но и как
самоорганизующуюся систему. Ее развитие инициируется противоборством двух фундаментальных природных тенденций  тенденцией к достижению термодинамического равновесия,
вызывающей разрушение организованности и упорядоченности, и тенденцией к самоорганизации, обеспечивающей нарастание порядка в ходе развития систем. В основе таких представлений лежит возникшее в последние десятилетия понимание того, что жизнедеятельность нашей планеты определяется глобальными динамическими процессами обмена веществом и
энергией между глубинными и внешними областями планеты, взаимозависимостью через эти
процессы всего того, что происходит на поверхности и в глубине. В то же время не упускается
из виду, что Земля  открытая система, ее строение, ее особенности и весь путь развития непосредственно определены процессами образования и развития Солнечной системы, которая,
в свою очередь, есть продукт развития Вселенной на стадии образования в ней иерархии разномасштабных структур. Если бы наши сегодняшние знания о происхождении и механизмах
образования Солнечной системы и в ее рамках Земли были бы полнее и завершеннее, то описание строения и развития Земли стало бы простым следствием этих знаний.
Большинство частных наук о Земле изучают процессы, связанные с ее поверхностью и
прилегающими слоями  гидросферой и атмосферой. Пока человек не проник вглубь Земли
далее 1215 километров (Кольская сверхглубокая скважина). С глубин примерно до 200 километров разными путями выносится вещество недр наружу, и оно оказывается доступным
для исследователей. Сведения о более глубоких слоях добываются косвенными методами.
Среди таких методов ведущая роль принадлежит регистрации скорости и затухания сейсмических волн разных типов, проходящих через земные недра. Другие группы методов в основном опираются на те или иные гипотетические допущения о структуре и составе протопланетного облака и на предположения о процессе образования в нем планет. Считается, что сведения о составе протопланетного облака можно получить, изучая выпадающие на Землю метеориты.
Так, железные метеориты сообщают о содержании в протопланетном облаке тяжелых элементов, прежде всего железа и никеля, входящих в состав земного ядра. Некоторые каменные
метеориты, такие, как хондриты, не подвергавшиеся на протяжении всего времени своего существования плавлению, рассматриваются в качестве наиболее надежных информаторов о
состоянии и природе вещества, из которого затем образовались внешние по отношению к ядру области планеты. Не все признают достоверность такой интерпретации, поскольку о происхождении и последующей эволюции метеоритов нет бесспорных сведений, как нет и общепризнанной модели образования и развития Солнечной системы. Подробности о способах и
результатах изучения недоступных земных глубин и о формировании на этой основе представлений об их составе и структуре, читатель найдет в научно-популярной книге Д.Брауна и
А.Массета [49].
Зондированием недр Земли сейсмическими волнами была установлена их оболочечная
структура и дифференцированность химического состава. Различаются три главные концентрически расположенные сферы: ядро, мантия и кора. Ядро и мантия, в свою очередь, подразделяются на дополнительные концентрические оболочки, различающиеся физикохимическими свойствами. Разбиение на сферы представлено в таблице 3.3, приводимой в обстоятельной книге Г.В.Войткевича [50].
Химический состав и структура ядра и мантии по современным представлениям таковы.
Ядро занимает центральную область земного геоида и разделяется на две части: внутреннее
73
ядро находится в твердом состоянии, оно окружено внешним ядром, пребывающим в жидкой
фазе. Между внутренним и внешним ядром нет четкой границы, их разделяет переходная
зона, представленная в таблице как оболочка F. О химическом составе ядра судят по плотности вещества, определенного с помощью проходящих через него сейсмических волн, и на основании предположения, что состав ядра идентичен составу железных метеоритов, поскольку
плотности этих объектов согласуются. Соответственно внутреннее ядро полагают состоящим
Таблица 3.3
Интервал
глубины
начало
конец
км
км
Оболочка
Кора
Мантия
Ядро
Интервал
плотности
г/см3
Доля от
объема
Земли,
%
Масса
Масса
1025 г
%
А
0
33
2,7 - 3,0
1,55
5
0,8
B
33
400
3,3 - 3,65
16,7
62
10,7
C
400
1000
3,65 - 4,68
21,3
98
16,4
D
1000
2900
4,68 - 5,7
44,3
245
41
E
2900
5000
9,4 - 11,5
15,2
F
5000
5100
11,5 - 12,0
0,28
188
31,5
G
5100
6371
12,0 - 12,3
0,76
на 80% из железа и на 20% из никеля. Такой сплав при давлении земных недр в районе ядра
имеет температуру плавления порядка 4500 оС. Состав внешнего ядра оценивается из тех же
предпосылок и полагается состоящим на 52% из железа и на 48% из эвтектики, образуемой
железом и серой. Не исключена небольшая примесь никеля. Температура плавления смеси
оценивается примерно в 3200 оС. Так как внутреннее ядро твердое, а внешнее жидкое, то температура в центре Земли не должна превышать 4500 оС, но и не быть ниже температуры плавления внешнего ядра, то есть 3200 оС. Имеются и другие оценки температуры в центре Земли,
несколько расходящиеся с приведенными.
В наших сегодняшних представлениях о земном ядре много предположительного. Не вызывает сомнения его разделение на жидкое и твердое ядро, поскольку такое утверждение
обосновывается данными наблюдений за изменениями скорости прохождения сейсмических
волн через эти области планеты. Но вместе с тем было обнаружено, что скорости прохождения сейсмических волн через твердое ядро вдоль и поперек оси вращения Земли различны,
что указывает на отклонение его формы от строго сферической. Это дало повод Ж. Тромпу
(США) выдвинуть гипотезу о том, что внутреннее ядро есть асимметричный гигантский кристалл, образованный шестиугольными ячейками атомов железа, плотно сжатыми гигантским
давлением. Кристалл в целом упорядоченно ориентирован относительно оси вращения Земли.
К сожалению, пока проверить эту гипотезу невозможно. В целом же, как пишет в своей книге
Г.Войткевич, "Вопрос о составе и физической природе ядра нашей планеты относится к наиболее волнующим и загадочным проблемам геофизики и геохимии" [50].
С жидким состоянием внешнего ядра связывают представления о природе земного магне-
74
тизма. Магнитное поле Земли изменчиво, из года в год меняется положение магнитных полюсов. Палеомагнитные исследования состояния магнитного поля планеты в далеком прошлом,
основанные на измерениях остаточной намагниченности земных пород, показывают, что имели место не только сдвиги, но и периодические переполюсовки, когда менялись местами северный и южный полюса планеты. Вот, например, что показало глубоководное бурение, проведенное в экваториальной зоне Тихого океана экспедицией института Глобальной физики
(Париж). В процессе бурения со дна океана извлекались вертикальные столбики кернов, позволявшие определять по остаточной намагниченности образцов интенсивность и полярность
магнитного поля в зависимости от времени. Чем глубже располагался образец в керне, тем к
более отдаленному прошлому относились данные измерения намагниченности. Датировка
образцов осуществлялась привязкой породы каждого участка керна к определенной эпохе.
Исследования показали следующее. Во-первых, обнаружилась корреляция частоты изменения
полярности магнитного поля с частотой модуляции климата, вызываемой, по предположению,
астрономическими вариациями эксцентриситета земной орбиты и угла наклона земной оси.
Во-вторых, магнитное поле изменяется с периодом примерно в 400 тысяч лет. В среднем его
интенсивность нарастает вплоть до момента, когда скачком меняется полярность поля. Характерное время смены полярности (скачка) ~1000 лет, а характерное время нарастания поля от
0,5 до 1 миллиона лет. За последние 4 миллиона лет переполюсовка произошла 11 раз. Согласно другим источникам, периодические переполюсовки магнитного поля зарегистрированы на протяжении, по меньшей мере, последних 80 миллионов лет. Во времена смены полярности наступали периоды полного исчезновения магнитного поля, что, по-видимому, сопровождалось неординарными событиями на Земле.
Из сказанного следует, что земной магнетизм не может создаваться постоянным магнитом,
образованным, например, стационарной намагниченностью железного ядра или какой-то его
части. Существующие гипотезы предполагают, что магнитное поле создается процессом, получившим название эффекта динамо-машины с самовозбуждением, так хорошо знакомым в
электротехнических применениях. Роль ротора (подвижного элемента) играет металлизированная масса жидкого ядра, перемещающаяся при вращении Земли вокруг своей оси, а система возбуждения образуется токами, создающими замкнутые петли внутри сферы ядра. Оценки показывают, что для работы такого динамо необходима мощность на уровне 10 9 – 1011 Вт.
Источником ее может быть радиоактивный распад, главным образом изотопа 40К, либо гравитационное сжатие внутреннего ядра. Оба источника энергии предположительны. Остается
неясным происхождение токов, которые, согласно такой модели, циркулируют в ядре, неясны
возможные причины систематических их изменений и переполюсовок, что объяснило бы смены интенсивности и полярности земного магнитного поля. Возможно, что существует связь
между протеканием токов и наличием вертикальных конвективных потоков вещества мантии.
Других идей для объяснения земного магнетизма со всеми его особенностями пока нет.
Химический состав и плотность мантии, по данным зондирования сейсмическими волнами, отличаются от соответствующих характеристик ядра. В отношении происхождения и химического состава нижней мантии (зоны С и D) пока нет единого мнения. Имеет место активная дискуссия, в ходе которой отстаиваются две противоположные точки зрения. Одна из них
исходит из предположения, что вещество нижней мантии идентично веществу каменных метеоритов типа хондритов, тех из них, которые никогда не входили в состав планет и не претерпевали за время своего существования плавления или других капитальных преобразований. Как показывают исследования выпавших на Землю метеоритов, их вещество образовалось в то же время, когда формировалась Солнечная система, то есть не позже 4,6  0,2 миллиардов лет назад. Это дает основание предполагать, что состав их вещества достаточно точно отражает состав вещества протопланетного облака, из которого возникли все планеты,
включая Землю. Последующие условия существования метеоритов позволили части из них
сохранить в неприкосновенности исходный состав протопланетного облака, а именно той части, из которой сформировалась нижняя мантия Земли. При этом подразумевается, что исходное облако было химически однородным во всей занимаемой им области. В последние годы в
свете новых данных некоторые сторонники кометной гипотезы внесли в нее уточнения, ка75
сающиеся того, где и как образуются метеориты. Утверждается, что метеориты – это фрагменты распадающихся ядер короткопериодичных и длиннопериодичных комет, вырываемых
возмущениями из стационарного их местонахождения, из облака Оорта, расположенного на
периферии Солнечной системы. Именно кометы концентрируют исходное вещество протопланетного облака, а метеоритное вещество непрерывно рассеивается в межпланетном пространстве, и воссоздается за счет распада комет.
Противоположная точка зрения исходит из того, что в свете полученных в последние годы
данных о сильной неоднородности протопланетного облака и о вариациях изотопного состава
летучих элементов, в том числе и входящих в состав метеоритов, гипотеза об идентичности
материалов нижней мантии и метеоритов типа хондритов представляется несостоятельной.
Ни метеориты, ни их смеси не могут рассматриваться как первичное вещество Земли, поскольку достоверно неизвестно место их формирования в исходном облаке, а количественное
содержание и изотопный состав летучих веществ (ксенон, кислород) отличается от соответствующего их содержания в земных породах. К этим аргументам критики гипотезы добавляют и
соображения общего порядка. Так, в цитировавшихся ранее "Очерках сравнительной планетологии" [45] замечается: "Строго говоря, такие модельные представления вполне гипотетичны
и не контролируются ничем, кроме постулатов, положенных в их основу, то есть состав Земли
оценивается по ее происхождению, а происхождение – по составу".
Так что же наука может сообщить нам о составе нижней мантии? Пока только то, что
плотность пород в ней, определенная зондированием слоев сейсмическими волнами, говорит
о каменной, а не металлической природе материала, находящегося под сильным давлением и,
в каких-то частях, в расплавленном состоянии. Есть основание считать, что материал нижней
мантии  это силикаты (соединения на основе кремния), находящиеся в особом состоянии,
определяемом огромным давлением и высокой температурой недр. Что же касается метеоритной гипотезы и развернувшейся вокруг нее дискуссии, то не исключено, как это часто уже
случалось, что истина лежит между двумя крайними мнениями.
Верхняя мантия (зона В) непосредственно связана с самой внешней твердотельной оболочкой, с земной корой. Она не беспричинно считается кухней, где приготавливаются основные слагающие кору породы или их полуфабрикаты. Полагают, что в состав верхней мантии
входят оливин (~60%), пироксен (~30%), и полевой шпат (~10%). В определенных зонах этого
слоя происходит частичное плавление минералов, и образуются щелочные базальты, основа
океанической коры. Через рифтовые разломы среднеокеанических хребтов базальты поступают из мантии на поверхность Земли. Но этим не ограничивается взаимодействие коры и
мантии. Хрупкая и в высокой степени жесткая кора вместе с подстилающей мантией образует
особый слой толщиною примерно в 100 километров, названный литосферой. Этот слой опирается на верхнюю мантию, плотность которой заметно выше. Верхней мантии присуща особенность, определяющая характер ее взаимодействия с литосферой: по отношению к кратковременным нагрузкам она ведет себя как жесткий материал, а по отношению к длительным
нагрузкам  как пластичный материал. Литосфера, естественно, создает постоянную нагрузку
на верхнюю мантию и под ее давлением подстилающий слой мантии, названный астеносферой, проявляет пластичные свойства. В результате литосфера "плавает" в нем. Эффект назван
изостазией.
Астеносфера, в свою очередь, опирается на более глубокие слои мантии, плотность и вязкость которых возрастают с глубиной. Происходит это из-за сдавливания пород, вызывающего их структурную перестройку. Например, кристаллический кремний в обычном состоянии
имеет плотность 2,53 г/см3. Под действием давления и температуры на глубинах, о которых
идет речь, он переходит в одну из своих модификаций, названную стишовитом (в честь геолога Стишова, который экспериментально обнаружил такую перестройку), плотность которой
достигает 4,25 г/см3. Силикаты, составленные из этой модификации кремния, имеют компактную структуру, и они преобладают в нижней мантии. В целом литосфера, астеносфера и остальная мантия могут рассматриваться как трехслойная система, каждая из частей которой
подвижна относительно других частей. Особой подвижностью в этом триумвирате отличается
относительно легкая литосфера, опирающаяся на пластичную и не слишком вязкую астено76
сферу.
Земная кора образует верхнюю часть литосферы. Она слагается в основном из восьми химических элементов: это кислород, кремний, алюминий, железо, кальций, магний, натрий,
калий. Половина всей массы коры приходится на кислород, содержащийся в ней в связанных
состояниях, главным образом в виде окислов металлов. Геологические особенности коры определяются совместным действием на нее тектонических процессов, а также атмосферы, гидросферы и биосферы, этих трех самых внешних и подвижных оболочек планеты. Состав коры
и внешних оболочек непрерывно обновляется в своеобразном круговороте веществ, что иллюстрируется такими данными. Благодаря выветриванию и сносу вещество континентальной
поверхности полностью обновляется за 80-100 миллионов лет. Убыль вещества континентов
восполняется вековыми поднятиями их коры. Жизнедеятельность бактерий, растений и животных сопровождается полной сменой содержащейся в атмосфере углекислоты за 6-7 лет,
кислорода – за 4000 лет. Вся масса воды гидросферы (1,41018 тонн) целиком обновляется за
10 миллионов лет. Еще более фундаментальный круговорот вещества поверхности планеты
протекает в процессах, связывающих все внутренние оболочки в единую систему.
В недавнем прошлом научные представления о процессах, происходящих в земной коре и
в глубинах планеты, опирались на данные геологических исследований континентов. В XIX
веке обобщение этих данных привело к формированию геосинклинной геологической науки,
господствовавшей до середины XX века. В ее основе лежало представление о стационарности
континентов, находящихся на своих местах с момента завершения формирования Земли как
планеты. Тектонические процессы сводились к явлениям, вызываемым вертикальными потоками тепла и расплавленного вещества недр, чем определялось структурное развитие планеты. Но уже в те далекие времена геологи и геофизики сталкивались с фактами, не укладывавшимися в господствовавшие представления. Например, факт присутствия в структурах континентов фрагментов древней океанической коры. Это означало, что на месте современных континентов когда-то располагались океаны и, наоборот, на месте некоторых океанов в древние
времена могли находиться континенты. Также была замечена целая группа казалось бы разрозненных явлений, не находивших объяснения в рамках геосинклинальной теории. Давно
обращено внимание на поразительное совпадение очертаний береговых линий удаленных на
тысячи километров материков (геоморфологические признаки), что заставляет предположить
возможное их совместное существование в прошлом, завершившееся расколом и раздвижением отколовшихся частей. Или согласующееся с высказанным предположением геологическое
единство структур в местах предполагаемого разделения континентов (геологические признаки). Сюда же можно отнести согласующиеся с таким предположением измеренные направления намагниченности пород в разные эпохи (их не следует путать со скачкообразными сменами полярности магнитных полюсов), указывающие на предполагаемые исторические перемещения континентов (палеомагнитные данные). Или отмечаемые видовые сходства животного
и растительного миров на некоторых, в наше время изолированных друг от друга, массивах
суши (данные палеозоологии и палеоботаники), а также реставрации древних климатических
условий, говорящие об ином местонахождении соответствующих участков суши в древние
времена (палеоклиматология). Впервые на эти факты, как на совокупность единого целого,
обратил внимание и свел их вместе выдающийся ученый первой половины ХХ века Альфред
Вегенер. Вместе эти факты образовали систему доказательства существования горизонтальных движений континентов. С этого момента началась полная драматизма борьба между тогда еще многочисленными сторонниками стационарности континентов, их назвали фиксистами, и сторонниками исторического перемещения континентов по земной поверхности, их назвали мобилистами. Фактически же началась борьба за новую геологическую идеологию и за
новые представления о взаимосвязи процессов на поверхности и в глубинах Земли.
Трудности, с которыми столкнулся Вегенер при попытке внедрения новых идей в геологические науки, связаны с тем, что эти идеи примерно на 50 лет опередили свое время. В его
распоряжении не было достаточно убедительных фактов, появившихся лишь после начала
детального изучения океанов, развернувшегося в 50-х годах ХХ века. Факты, о которых шла
речь выше, и которые вступали в противоречие с идеями геосинклинной теории, не могли пе77
ревесить того, что накопила и обобщила геология континентов. Их рассматривали, как некое
неприятное недоразумение, которое со временем можно будет объяснить, не меняя основополагающей идеологии. В этой связи интересно обратить внимание на чисто человеческую сторону научного конфликта. В 1972 году, уже после того, как улеглись ураганные страсти, разделившие в дискуссиях ученых на мобилистов и фиксистов, случайно в одной из библиотек
обнаружилась книга Османда Фишера, изданная еще в 1889 году. В книге развивались близкие к современным идеи о горизонтальном движении континентов и о конвективных потоках
вещества внутри Земли как причины таких перемещений. В свое время книга прошла совершенно незамеченной, она не оставила ни малейшего следа в сознании геологов. Ничего не
знал о ней и Вегенер, когда 25 лет спустя после Фишера он выдвинул мобилистские идеи и
начал активную борьбу за их внедрение. И то обстоятельство, что ему удалось расшевелить
научную общественность, возбудить горячие дискуссии, наконец, расколоть геологическое
сообщество на два противостоящих лагеря, в этом заслуга яркой, неординарной личности Вегенера, обладавшего к тому же незаурядными качествами бойца. Развязанная полемика завершилась в 1930 году в результате трагической гибели Вегенера во льдах Гренландии. Гипотеза о горизонтальных движениях континентов была объявлена антинаучной и, казалось бы,
навечно похороненной. А в 1968 году она, возродившись как птица Феникс из пепла, безоговорочно утвердилась, но уже не как гипотеза, а как теория под названием Тектоника литосферных плит.
Новая теория возникла как закономерный итог развернутых в 50-е годы интенсивных и
всесторонних исследований океанов, открывших геофизикам, океанологам и геологам новую,
ранее неизвестную страну. Материалы этих исследований не укладывались в рамки прежней
геологической идеологии, они противоречили представлениям о стационарности континентов
и о вертикальных потоках тепла и вещества внутри Земли, как о главном факторе структурообразования ее поверхности. Новая теория, опираясь на данные проводившихся исследований, смогла естественным образом связать воедино тектонические, вулканические и геодинамические процессы, она наметила возможность исторического рассмотрения развития планеты, как цельного тела. В результате уже к 60-м годам лагерь фиксистов опустошился, почти
все его представители перед лицом новой реальности перешли в ряды сторонников мобилистских идей и новой теории.
Основные положения Тектоники литосферных плит следующие. Литосфера рассматривается как система, разбитая на отдельные плиты, способные перемещаться, опираясь на астеносферу, независимо друг от друга. Плита  это вся масса коры и подстилающей мантии, которая перемещается по поверхности Земли как единое целое. Плиты охватывают одновременно части океанов и континентов, и в настоящее время поверхность Земли слагается из нескольких десятков таких плит. В районах рифтовых долин, где вещество мантии выносится
наружу, плиты расходятся, а в местах, где горизонтальные смещения соседних плит оказываются встречными, они надвигаются друг на друга. Вдоль границ литосферных плит располагаются зоны повышенной тектонической активности. При надвижении плит сминаются их
края, образуя типичные горные хребты или целые горные области. Океанические плиты, берущие свое начало в рифтовых разломах, наращивают толщину по мере приближения к континентам. Они уходят под островные дуги или континентальную плиту, унося в глубины Земли накопившиеся осадочные породы. Вещество погружающейся плиты достигает в мантии
глубин до 500 - 700 километров и там начинает плавиться.
Что же заставляет плиты перемещаться по поверхности планеты и откуда берется необходимая энергия? Чтобы ответить на эти вопросы следует выявить те процессы, которые протекают в земных недрах на всем их протяжении от ядра до коры, и установить их взаимосвязь с
тем, что наблюдается на поверхности Земли. Формально эти процессы не входят в сферу прямых интересов теории тектоники литосферных плит, но без них невозможно обосновать то,
что служит предметом ее рассмотрения. Геодинамические процессы организуют в недрах
Земли замкнутые конвективные течения, образующие ячейки. В таких ячейках совершается
круговорот вещества планеты: восходящие потоки поднимают вещество глубин к поверхности, нисходящие – уносят вещество поверхности в глубину. На ранней стадии развития Земли,
78
когда ядро было малых размеров, возможно, существовала единственная мощная конвективная ячейка. Изменение со временем внутренних структур, рост ядра привели к разбиению
конвективного потока и появлению нескольких более узких и менее мощных конвективных
ячеек. Достигающие приповерхностных слоев конвективные течения перебрасывают мостик
от восходящих к нисходящим ветвям ячеек. Предполагается, что эти процессы привели к
дроблению литосферы и образованию в ней системы плит. Они же заставляют плиты перемещаться по поверхности. Но не все так просто. По словам специалистов "Силы, приводящие
плиты в движение, все еще как следует не поняты <...> Так же неясна связь между движением
плит и конвекцией. Однако, связь эта почти определенно очень тесная, причем движение
океанических плит представляется составной частью конвекционного цикла" [49].
Столь же предположительными остаются и источники энергии, обеспечивающие наблюдаемые перемещения плит. В раннюю эпоху развития Земли глобальные перемещения вещества в недрах предположительно могли происходить за счет энергии, поставляемой радиоактивным распадом некоторых элементов, например, того же 40К. В наше время этот источник
явно недостаточен. Взамен предлагается модель гравитационного сжатия, связанного с опусканием тяжелых фракций вещества из мантии в ядро и всплывания оттуда наверх облегченных силикатных составляющих. Процесс сопровождается увеличением размера ядра планеты.
После нескольких лет эйфории, вызванной безоговорочной победой мобилистских идей,
началось понимание ограниченного характера теории литосферных плит, на смену которой
идет новая, действительно глобальная теория Земли, более полно согласующаяся с современной естественнонаучной концепцией развития. В ней центральное место занимают представления о процессах самоорганизации. Ограниченность существующей теории, прежде всего,
связана с тем, что она охватывает только поверхностные процессы, протекающие в литосфере
и астеносфере, и не касается геодинамики глубинных слоев планеты, а именно они определяют жизнедеятельность Земли. Но охват даже этих процессов далек от полноты. Известен перечень многочисленных явлений, не укладывающихся в схему горизонтальных движений литосферы, вызываемых замкнутыми конвективными потоками в недрах планеты. Подробное
обсуждение таких явлений состоялось в ходе 27-го Международного геологического конгресса, проходившего в Москве в 1984 году. Обращено внимание на то, что наряду с активной
вулканической деятельностью, протекающей на границах литосферных плит, существуют
вулканы и внутри самих плит. Таковы, например, цепочки вулканов Гавайских островов, Тибета, Африки. Ученые разных стран высказывали предположение, что такие цепочки вулканов последовательно возникают над разогретыми участками мантии, которые неподвижны, в
то время как литосферная плита движется над ними. Поэтому на одном конце цепочки располагаются старые потухшие вулканы, а на противоположном – молодые, образовавшиеся сравнительно недавно.
Природу "горячих точек" в мантии ученые объясняют существованием стационарных вертикальных потоков тепла и вещества, названных мантийными струями. Они поднимаются из
нижней мантии в верхнюю и доставляют туда горячее вещество земных глубин. К явлениям
той же природы относят внутриплитовые "горячие поля", с которыми, в частности, связывают
наиболее крупные аномалии в форме земного геоида. В таких местах наблюдаются поднятия
поверхности океана на 50-70 метров от строгой линии геоида. Эти и некоторые другие "аномальные" факты ясно указывают на то, что жизнь земных недр протекает намного сложнее
существующих представлений о ней.
Второе ограничение теории литосферных плит связано с отсутствием в ней исторического
подхода, процессы в литосфере практически не связываются с развитием, с их изменениями
во времени. Между тем, существуют данные, указывающие на то, что тектоника литосферных
плит, какой мы ее знаем сегодня, существует не далее последнего миллиарда лет, а до этого
господствовали иные геологические процессы. Мы становимся свидетелями рождения новой
теории, исходящей из представлений о Земле, как о системе, цельном естественном теле, пребывающем в состоянии непрерывного развития. Движущая сила развития – одновременное
действие в недрах планеты конвективного круговорота тепла и вещества и однонаправленного
тепломассопереноса. В разные исторические периоды и на разных глубинах господствует
79
один из этих двух процессов. Теория исходит из оболочечного строения Земли, в котором
различают три главные области: кора и верхняя мантия, в которых динамика описывается
тектоникой плит; нижняя мантия, где господствует тектоника мантийных струй; железноникелевое ядро, разрастающееся вследствие динамических процессов, происходящих в других оболочках. Каждая из оболочек, в свою очередь, слагается из отдельных открытых диссипативных подсистем, которые при общем единстве обладают своими индивидуальными особенностями. Нарождающаяся теория получила условное название Глобальной геодинамики.
Ее оформление  дело недалекого будущего.
Самые верхние подсистемы Земли, а это гидросфера и атмосфера, заметно отличаются от
других ее систем, образующих твердое тело планеты. По массе – это незначительная часть
земного шара, не более 0,025% всей его массы. Но значение этих оболочек в жизни планеты
огромно и об этом говорилось в предыдущем параграфе. Гидросфера и атмосфера возникли на
самой ранней стадии формирования планеты, а может быть и одновременно с ней. Нет сомнений, что океан и атмосфера существовали 3,8 миллиарда лет назад. В отношении атмосферы
долгое время господствовала гипотеза, что она появилась в результате процесса дегазации
земных недр под воздействием вулканических и некоторых тектонических процессов. Теперь
эту гипотезу считают несостоятельной, а основным источником, породившим атмосферу Земли, полагают ударную дегазацию. Так, Альвен и Аррениус, с концепциями которых мы знакомились раньше (см. 3.3), полагают, что когда Земля достигла примерно размеров Марса,
начался период ее интенсивных бомбардировок планетезималями. Удары сопровождались
сильными локальными разогревами, плавлением земных пород и самих планетезималей. При
этом выделялись содержавшиеся в породах газы и пары воды. А так как средняя температура
поверхности Земли оставалась сравнительно низкой, пары воды конденсировались, образуя
растущую гидросферу, а газы образовывали раннюю земную атмосферу. В столкновениях
Земля теряла какое-то количество водорода и гелия, но сохраняла более тяжелые газы. Содержание изотопов инертных газов в современной атмосфере позволяет судить о породившем
их источнике. Судя по изотопному составу, атмосфера в основном порождена ударной дегазацией, а не выделением газов из глубин Земли. Идея ударной дегазации, как основного механизма, образовавшего гидросферу и атмосферу, поддерживается многими специалистами.
Обе внешние оболочки Земли, атмосфера и гидросфера, тесно взаимодействуют друг с
другом и с литосферой. На них оказывается прямое воздействие со стороны Солнца и Космоса. Каждая из двух оболочек представляет собой открытую систему, в определенной степени
независимую в своих путях развития. Те, кто профессионально изучает воздушный или водный океаны убеждены, что объекты исследования обнаруживают удивительную тонкость организации и способность к глубокой саморегуляции. Но при этом ни одна из земных систем
не выпадает из общего ансамбля, и их совместное существование демонстрирует не просто
сумму частей, а новое качество.
Среди сообщества оболочек Земли особое место занимает биосфера. Она захватывает
верхний слой литосферы, почти всю гидросферу и нижние слои атмосферы. Значимость этой
системы выходит за пределы чисто земного мирка, она представляет собой звено космического масштаба и требует отдельного рассмотрения.
3.6. От химической эволюции к биохимической эволюции
Внешняя геологическая оболочка Земли, образующая у ее поверхности пленочный слой,
названа биосферой. Этот термин ввел в науку Э.Зюсс в 1875 году. Под ним понимается совокупность заселяющих поверхность планеты сообществ растений, животных и микроорганизмов вместе со средой обитания. Новый смысл этому понятию придал В.И.Вернадский, рассматривавший биосферу как системное образование, как одну из геологических оболочек
Земли. Биосфера  сугубо земная форма жизни, поскольку сведениями о распространенности
жизни во Вселенной и о возможных ее внеземных формах наука не располагает. Весь наш
опыт в этой области ограничен единственным пока доступным примером  Землей, но и эти
знания о жизни далеки от полноты.
80
Может ли жизнь на Земле быть случайным для Вселенной событием, результатом совпадения маловероятных комбинаций? Еще сравнительно недавно считалось, что такое мнение
имеет право на существование. В наши дни два обстоятельства заставляют считать подобные
допущения несовместимыми с новым научным мировоззрением. Во-первых, в последние десятилетия вскрыта чрезвычайная структурная и функциональная сложность "живого" вещества и законов, управляющих его развитием. Высочайшая степень упорядоченности и саморегулирования жизни не могли возникнуть из-за случайных стечений обстоятельств. Во-вторых,
под напором ставших известными фактов признается, что развитие Природы носит направленный характер, выражающийся, в частности, в нарастании со временем сложности и упорядоченности вещества, его структур во Вселенной. Жизнь  одна из самых высоких известных
Человеку форм упорядоченности вещества, которая может возникнуть только по достижению
Развивающейся Вселенной определенной стадии эволюции и только в таких ее локальных
системах, где предыдущее развитие подготовило необходимые условия для перехода к столь
высокому уровню упорядоченности. Такие условия могли возникнуть во многих локальных
системах, например, на многих планетах, образовавшихся около звезд определенного типа.
Но, видимо, лишь в небольшом числе случаев потенциальные возможности реализуются и
здесь велика роль случайности.
Еще в 20-х годах В.И.Вернадский утверждал, что появление жизни на Земле произошло на
ранней стадии ее развития и заняло узкий интервал времени, не более пары сотен миллионов
лет. В настоящее время это предположение получило убедительное подтверждение. Появление жизни увязывают с появлением земных океанов. Возраст Земли определен равным примерно 4,6 миллиардов лет, а первые осадочные породы, свидетельствующие о существовании
крупных водоемов, заполненных жидкой водой, датируются возрастом ~3,8 миллиардов лет.
Согласно палеонтологическим данным, приводимым в [51], температура воды в первичных
океанах была не слишком холодной, но и не выше 580 С. Следы древнейших организмов обнаружены в кремнистых пластах Западной Австралии, возраст которых, а, следовательно, и
возраст останков жизни, оценен в ~3,5 миллиарда лет. Это минерализовавшиеся нитчатые и
округлые микроорганизмы примерно десятка различных видов, напоминающие простейших
бактерий и микроводоросли. Организмы, видимо, имели внутренние структуры, в них присутствовали химические элементы, соединения которых способны осуществлять фотосинтез. Судя по этим данным, обнаруженные древнейшие организмы бесконечно сложны по сравнению
с самыми сложными органическими соединениями неживого (абиогенного) происхождения.
Нет сомнений, что они – не самые ранние формы жизни, и что существовали их более древние
предшественники. Об этом же судят по косвенным признакам, указывающим на широкую
распространенность жизни в те древнейшие периоды существования Земли. Так, в осадочных
породах той поры накоплены огромные количества углерода разного изотопного состава. Известно, что жизнь, базирующаяся на углероде, использует только один из его изотопов, а
именно 12С. В древнейших накоплениях углерода этот изотоп с удивительным постоянством
составляет примерно 20% от общего количества. Отсюда следует вывод, что в те далекие времена, к которым относятся найденные останки одноклеточных организмов, жизнь уже довольно полно контролировала земной цикл углерода. История земной жизни, таким образом,
уходит в тот "темный" первый миллиард лет существования нашей планеты, который не оставил следов в ее геологической истории. Но именно тогда на Земле имели место условия, впоследствии не повторявшиеся, когда появилась биосфера. С тех пор, насколько нам известно,
живое вещество порождается только живыми организмами, а органические соединения, создаваемые организмами, структурно отличаются от соединений того же химического состава,
но абиогенного происхождения.
Самый главный вопрос, трудный поиск ответа на который ведут ученые, это вопрос о том,
как возникла жизнь на Земле. Знакомясь с предшествующими материалами, читатель не мог
не обратить внимание на выделенность Земли среди других планет своей группы. Такая выделенность, заключающаяся в особой тектонической активности земных недр, в существовании
на ней мощнейшей гидросферы, в особом характере ее энергетического баланса, связанного с
81
определенным местоположением планеты относительно Солнца, создала условия для существования и эволюции земной жизни. Но как возникла эта земная жизнь, где ее начало?
С позиций современной науки можно рассматривать две альтернативные гипотезы. Одна
из них предполагает, что жизнь или некие ее основы занесены на Землю из Космоса. Так,
Владимир Иванович Вернадский, опираясь на представления о стационарности Вселенной,
высказывал убеждение в вечности и неуничтожаемости жизни, семена или споры которой переносятся в Космосе и, попав в подходящие условия, дают начало развитию жизни. В столь
прямолинейной трактовке эта гипотеза несовместима с моделью Развивающейся Вселенной,
имеющей начало и, следовательно, некое завершение развития, неизбежно сопровождающееся уничтожением жизненных основ. Другой вариант гипотезы  внеземное происхождение
жизни, семена которой были занесены на Землю. Этот вариант не решает проблему происхождения жизни, лишь отодвигая ее в космические дали. Вполне возможно, что в ходе последующего расширения наших знаний и о Космосе, и о жизни, возникнут новые обстоятельства,
которые подтвердят внеземные источники ее происхождения. Одним из таких обстоятельств
может служить открытие в 2000 году огромных количеств бактерий в самых верхних слоях
атмосферы. Их удается возвратить к жизни. К этому следует добавить внезапное появление
новых типов бактерий, ранее не обнаруживавшихся в земных условиях и не ставших результатом мутации земных форм. Высказывается предположение о внеземном происхождении
таких бактерий. В этом же плане привлекает внимание обнаружение в межзвездном пространстве аминокислоты глицина, входящей в состав земных организмов. Поэтому сейчас нет оснований отвергать гипотезу о занесении на Землю основ жизни из космоса.
Альтернативная гипотеза предполагает, что в процессе самоорганизации вещества Вселенной, на определенной стадии ее развития, появляются условия для перехода "косного" (по
терминологии Вернадского) материала в "живые" формы вещества. Такой переход закономерен и неизбежен в рамках Развивающейся Вселенной, и он находится в полном согласии с
концепцией развития Природы. А так как в данной книге автор стремится изложить основы
современной естественнонаучной концепции развития, то дальнейшее наше рассмотрение
проблемы опирается на идеи сторонников гипотезы происхождения земной жизни естественным путем из косного вещества, в процессе некоей самоорганизации, что по своему духу
близко именно этой концепции.
То обстоятельство, что «начало» земной жизни скрывается в пока непознаваемом наукой
первом миллиарде лет существования планеты, лишает ученых возможности реконструировать существовавшие тогда на Земле условия. Но можно уверенно говорить, что именно условия того периода времени обеспечили появление жизни на планете, поскольку акт рождения
земной жизни был одноразовым, и нет никаких признаков того, что он повторялся в последующей истории. Одним из основополагающих компонентов исходных условий того периода
была первичная атмосфера планеты, обладавшая, в частности, восстановительными свойствами. Однако, восстановительная атмосфера, отличная от первичной, сохранялась и в "геологический" период истории. По палеонтологическим данным, приводимым Рутеном [51], восстановительный характер земной атмосферы прослеживается вплоть до рубежа 2,55  0,2 миллиарда лет назад. Начальные формы возникшей жизни долгое время развивались в такой атмосфере. Критерием перехода от восстановительной к окислительной атмосфере считается достижение точки Пастера, когда содержание кислорода стало примерно равным 0,01% от его
современного уровня. Тогда микроорганизмы получили возможность перейти от процессов
брожения к процессу дыхания. После прохождения через этот рубеж насыщенность атмосферы кислородом за какие-нибудь пару сотен миллионов лет достигла современного уровня
(22% от общего количества газа в атмосфере) и с тех пор такая концентрация поддерживается
в мало меняющемся соотношении.
Загадка появления жизни на Земле волнует думающую часть человечества с незапамятных
времен. На протяжении веков менялись взгляды на эту проблему, но до сих пор основные
дискуссии затрагивают вопрос о материальной и духовной сущности жизни. Является ли
жизнь просто чрезвычайно упорядоченным состоянием тех же элементов, из которых состоит
"неживое" вещество, или существуют пока неоткрытые элементарные "частицы жизни" (ин82
дусы называют это праной, палеонтолог Пьер Тейяр де Шарден – частицами элементарного
сознания и т.д.), переводящие на определенном уровне своей концентрации "обычное" физико-химическое вещество из неживого в живое состояние. Общепризнанного ответа на этот
вопрос нет, и выбор позиции определяется внутренними убеждениями каждого участника
спора. А его разрешение, если такое событие произойдет в обозримое время, определят результаты будущих исследований. Не предрешая этих результатов, хочу обратить внимание
читателя на следующее.
Ученый, в силу своей профессии, не может руководствоваться принципом "верую". В
науке утвердился другой принцип, сформулированный еще в XIV веке английским философом Вильямом Оккамом и получивший название "бритвы Оккама": не умножай сущностей
без необходимости. Некоторые ученые переформулируют этот принцип, утверждая, что не
следует рассматривать предположения, которые в принципе невозможно проверить экспериментально. Принцип Оккама, внося известную долю консерватизма, защищает науку от необоснованных спекуляций. Иллюстрацией действенности принципа могут служить два (из
множества) примера. 200 лет назад сложилось убеждение, что между органическими и неорганическими соединениями лежит непроходимая пропасть, что они представляют собой две
разные сущности. Для такого утверждения были, казалось бы, веские основания. Все известные в то время органические соединения создавались живыми организмами и других способов их получения не знали; свойства органических соединений были иными, чем у неорганических веществ. Но в 1828 году Ф.Веллер синтезировал первое искусственно созданное органическое соединение, употребив в качестве сырья обычные химические элементы и их соединения. Это была мочевина, типичный продукт жизнедеятельности животных. Миф о двух разных сущностях, о разной химической природе органического и неорганического вещества
рухнул, а на его месте родилась химия углерода или, иначе, органическая химия. Предмет ее
изучения  углерод, способный образовывать особо сложные многоатомные молекулы, включающие атомы водорода, азота, кислорода, фосфора, серы и других известных элементов и не
включающие никакие другие сущности. Именно из подобных молекул собираются живые организмы.
Другой пример. Долгие годы исследователи не могли понять, почему практически все
биохимические реакции протекают в организмах с высокими скоростями, но любые попытки
их инициирования и поддержания при тех же давлениях и температурах вне организмов терпят неудачу. Возникла гипотеза об особой сущности протекания реакций в организмах, отличной от химической сущности. Но вскоре были открыты материальные носители этой
"сущности", ферменты, направленно вырабатываемые в клетках организма и служащие катализаторами соответствующих биохимических реакций. Позже удалось расшифровать химический состав некоторых из них. Вместо гипотезы в органической химии появился раздел, изучающий и расшифровывающий химический состав ферментов, механизмы их работы и другие
физико-химические аспекты этих соединений.
Приведенные примеры раскрывают одну из особенностей познания нового. Сталкиваясь с
явлением, не укладывающимся в известные до этого представления, у исследователя возникает искушение выбрать самый простой путь для его объяснения, а именно, ввести новую сущность. Ее природа столь же непонятна, как и само явление, но на время создается иллюзия,
что феномен получил объяснение. Согласно принципу Оккама, такой прием бесперспективен.
Но не отвергается возможность введения в оборот новой сущности после получения доказательства ее реальности или после исчерпания возможности объяснения феномена в рамках
"консервативных" представлений. На сегодня надежда получить объяснение крайней сложности, устойчивости, упорядоченности, тончайшей подгонки всех структур и функций живых
организмов на основе физико-химических представлений не исчерпана.
Проникновение в суть явления, называемого происхождением жизни на Земле, перестало
выглядеть безнадежным занятием после того, как усилиями ряда ученых сформировался системный подход к нему, рожденный новым научным мышлением. Выше уже упоминалось в
этой связи имя В.И. Вернадского. Конкретные идеи такого плана выдвинул в 1924 году А.И.
Опарин. Видимо, новое понимание проблемы назрело в науке, и независимо от Опарина не83
сколько позже (в 1929 году) подобный подход провозгласил Дж. Холдейн. Эстафету подхватил и понес дальше Дж. Бернал. В появлении жизни эти ученые увидели единый естественный процесс, слагавшийся из протекавшей в особых условиях ранней Земли первоначальной
химической эволюции, скачком перешедшей затем на качественно новый уровень, на уровень
биохимической эволюции. Эти процессы с самого начала были неразрывно связаны с геологической эволюцией внешних оболочек Земли.
Состояние проблемы происхождения жизни на Земле, первоначально сложившиеся представления о доисторической химической эволюции и путях ее перехода в биохимическую
эволюцию, энциклопедически подробно отражены в знаменитой книге Джона Бернала, изданной в Лондоне в 1967 году и затем переведенной на многие языки мира, в том числе и на русский язык [52]. С момента выхода книги Бернала многое изменилось в биологических и
смежных с ней науках, но до сих пор продолжается поиск ответа на «вечные вопросы», касающиеся происхождения земной жизни. В таких условиях для тех, кто ищет ответы на такие
вопросы, книга Бернала продолжает сохранять не только исторический интерес. Важно то,
что в ней формулируются вопросы, на которые следует искать ответы. А, как известно, правильно поставить вопрос особенно важно в условиях, когда еще не созрели предпосылки для
получения на него ответа.
В проблеме возникновения жизни на Земле естественным путем Бернал выделяет три последовательные стадии. На первой стадии происходило образование исходных органических
соединений из неорганических веществ в условиях, имевших место на Земле в самый ранний
период ее существования как планеты. На второй стадии из появившихся и накопившихся в
первичном океане мономерных органических молекул образовывались в процессах полимеризации полимеры и биомолекулярные комплексы, в том числе способные формировать элементы, обеспечивающие протекание жизненных процессов. Возможно, что на этой стадии появились предшественники двух жизненных основополагающих процессов  обмена веществ и
воспроизведения сложных органических структур строго определенного состава и строения.
На третьей стадии возникшие элементы сформировали самые простые клеточные организмы,
обособленные от неживой природы.
Наиболее разработана и обоснована первая стадия этого сложнейшего процесса. Она
могла протекать в особых условиях, имевших место в "догеологическую" эпоху первого миллиарда лет существования Земли. Эти условия предполагают существование первичной атмосферы восстановительного характера, в состав которой входили метан и аммиак, наличие на
Земле достаточно обширных водоемов и, следовательно, присутствие в атмосфере паров воды. Отсутствие озонового слоя означало проникновение к поверхности планеты жесткого
ультрафиолетового излучения Солнца. В таких условиях неизбежно протекали процессы образования органических мономерных молекул, в том числе и таких сложных, какими являются аминокислоты, сахара и органические кислоты. Из таких соединений затем могли возникать элементы, составляющие основу жизни.
В 1953 году Миллер впервые провел модельные лабораторные эксперименты, подтвердившие сказанное выше. В смеси метана, аммиака и водяных паров осуществлялись электрические разряды, после чего обнаруживался весь набор упоминавшейся органики. Подобные
эксперименты неоднократно повторялись в разных вариантах другими исследователями, и
результаты воспроизводились, наглядно демонстрируя реальность такого пути образования
органических соединений, обеспечивших исходным сырьем протекание в дальнейшем второй
стадии возникновения жизни. Но особенно сильное впечатление на ученых произвел факт обнаружения подобного набора мономерных органических молекул в выпадавших на Землю
углистых каменных метеоритах. Высказывается предположение, что такие соединения возникали в астероидах 4,5 миллиарда лет назад, в период, когда формировалась Солнечная система. Углистые метеориты рассматриваются как фрагменты распавшихся астероидов. Обнаружение столь сложной органики вне Земли указывает на повсеместный процесс образования
преджизни во Вселенной, выражаясь образно, везде, где есть пыль и газ. Но последующие
стадии, ведущие к появлению самой жизни, протекают не везде, а только там, где возникают
необходимые для этого условия.
84
Итак, на первой стадии должны были образоваться и накопиться в океане в достаточных
количествах молекулы различных видов, часть из которых вошла позднее в состав живых организмов. Известно, что все системы жизни используют всего лишь 29 органических молекул,
относящихся к азотистым основаниям, сахарам, углеводам и аминокислотам. Все эти молекулы составлены из нескольких легких элементов, занимающих верхнюю строчку таблицы
Менделеева: это водород, углерод, кислород и азот, а также фосфор и сера. Эти элементы химически активны, они легко вступают в реакции, образуя весьма сложные молекулы. Современные организмы кроме шести основополагающих элементов используют еще 15 других, в
том числе некоторые металлы, среди которых хорошо известна роль железа, входящего в состав гемоглобина крови. Но материальной основой жизни служат именно шесть указанных
выше элементов. Особая роль среди них принадлежит углероду, который по праву считается
основой жизни. Возможность протекания процессов синтеза необходимых для жизни молекул
в первичной атмосфере Земли подтверждается не только теоретическими умозаключениями,
но и лабораторными экспериментами. В земных условиях последующее развитие химической
эволюции, ее переход к биохимической, а затем и биологической эволюции, могло протекать
только в водной среде, в первичном океане.
Следующий шаг в формировании основ жизни на Земле, иначе говоря, вторая стадия долгого пути, предстает как наиболее трудная и наименее разработанная часть проблемы происхождения жизни. Как писал Бернал, "Здесь в наших попытках создать правдоподобную гипотезу мы можем рассчитывать только на логику". Предполагается, что на этой стадии произошел переход от молекул к биомолекулярным комплексам, оформились предтечи материальных и функциональных основ жизни. Понять те вопросы, которые поставили перед учеными
попытки объяснить происходившую в этот период эволюцию, проще всего забежав далеко
вперед и кратко рассмотрев конечные результаты, достигнутые Природой на протяжении второй стадии. Выше упоминалось, что фаза жизни начинается после того, как появляются два
характеризующих ее процесса: обмен веществ и точное воспроизведение определенных органических молекул и биомолекулярных комплексов. У современных организмов оба жизнеобеспечивающих процесса достигли высочайшего уровня совершенства, но для этого понадобилось свыше миллиарда лет эволюции. На второй стадии возникновения жизни должны были появиться самые ранние предшественники этих процессов, однако их следы затерялись в
глубочайшей древности. Современная наука не располагает возможностью экспериментального исследования этой проблемы и в своих гипотетических реконструкциях второй стадии
опирается на аналогии из области химии, биологии и геологии. Вряд ли такой путь поиска
можно считать надежным. В последние годы в качестве ключа к решению проблемы пытаются активно использовать представления о самоорганизации природных систем.
Процесс обмена веществ обеспечивает поддержание уровня упорядоченности организма
и его частей. Такая задача решается путем отбора извне веществ, обеспечивающих после соответствующей их переработки протекание синтеза нужных для жизнедеятельности соединений. С другой стороны, система выводит из организма все то, что не может быть утилизовано
или появляется как шлаки процессов жизнедеятельности. Система обмена веществ представляет собой цепь тончайшим образом взаимосогласованных биохимических реакций синтеза и
расщепления белковых тел. Лучшие наши химические производства могут лишь позавидовать
тому, как экономно и филигранно точно осуществляет природа функцию обмена у всех своих
созданий – от простейшей клетки до высших организмов.
Материальной основой системы обмена служат белки. Они выполняют функцию органических катализаторов (ферментов), обеспечивающих в условиях организма протекание биохимических реакций, а также исполняют роль структурных клеточных элементов. Белки
представляют собой длинные цепочки аминокислот, удерживаемых пептидными связями. Поэтому их называют также полипептидами. Из огромного числа известных органической химии аминокислот, для построения своих белков жизнь использовала лишь 20 типов. Разнообразие белков определяется не только входящими в их состав аминокислотами, но и последовательностью аминокислот в пептидных цепочках. Более того, при полной идентичности состава и последовательности аминокислот, различия в пространственной структуре молекул
85
белков ведет к различию их физико-химических свойств. В природе существуют два типа
структурной организации органических молекул. Характерно, что белки живого происхождения всегда имеют одну и ту же пространственную структуру, в то время как белки абиогенного происхождения содержат молекулы обоих возможных структурных разновидностей в равных количествах.
Система воспроизведения содержит в закодированном виде информацию, необходимую
для построения из запасенного клеткой органического материала нужного в данный момент
белка, обеспечивающего протекание определенной биохимической реакции. Она же ведает
механизмом извлечения и реализации соответствующей программной информации. Свои
функции эта система осуществляет через посредство полимерных биокомплексов – полинуклеидов. Хранителями генетической информации служат молекулы дезоксирибонуклеиновой
кислоты (ДНК), такая информация заложена в последовательности оснований вдоль цепи
ДНК, скрученной в двойную спираль. А "считывают" эту информацию, переносят ее в среду,
содержащую исходные компоненты будущего белка, и осуществляют из них синтез этого
белка молекулы рибонуклеиновой кислоты (РНК). Другая функция системы воспроизведения
состоит в том, что она сдержит программу биологического развития любого организма от начальной стадии до последующих периодов. В случае одиночной клетки эта система определяет начало и последующее протекание процесса ее деления, в многоклеточных организмах она
руководит развитием от исходной оплодотворенной яйцеклетки до полного оформления
взрослого организма.
В изучении механизмов действия системы обмена веществ и воспроизведения достигнуты
выдающиеся успехи. Но здесь нас волнует один вопрос: как могли в ходе химической эволюции сложиться из вещества абиогенного происхождения такие высокоупорядоченные, тонко
подогнанные системы, теснейшим образом связанные с обменом веществ и с функционированием живой клетки? Нет никаких сомнений в том, что образование обоих жизненных систем
не могло произойти в результате каких-то случайных переборов вариантов. Также как нет сомнений, что обе системы должны были возникнуть в некоем едином процессе. С другой стороны, без возникновения этих систем, пусть в значительно более упрощенном варианте, чем
теперь, не мог появиться метаболизм, присущий живой клетке. Процесс метаболизма слагается из трех функций. Ферментная функция заключается в каталитическом ускорении реакций
энергетического обмена, синтеза или распада молекул с высвобождением энергии. Эта функция выполняется белковыми молекулами. Коферментная функция заключается в поставке
или отнятии энергии малыми дискретными порциями в процессах ферментативных реакций.
Она выполняется особыми фосфатными соединениями, наиболее важным из которых является
аденозинтрифосфат (АТФ). Наконец, функция хранения и переноса информации, осуществляется нуклеиновыми кислотами. Именно эти три функции и обеспечивающие их протекание
элементы должны были сложиться к концу второй стадии развития жизни.
Первым шагом второй стадии развития жизни стал процесс сборки в ходе химической эволюции полимерных молекул из образовавшихся на первой стадии мономеров. В современных
условиях такой процесс образования цепочки последовательно соединяющихся органических
молекул, называемый полимеризацией, происходит только внутри клетки, и воспроизвести
его в лабораторных условиях не представляется возможным. Даже этап полимеризации труден и практически не обоснован во всех существующих гипотезах.
Но и с представлениями о последующих шагах дело обстоит не лучше. Нет смысла углубляться в дебри интересной, но мало понятной неспециалистам проблемы. Стоит отметить
лишь одно обстоятельство, непосредственно относящееся к рассматриваемой нами новой
концепции развития. Следующим шагом на второй стадии развития преджизни стало образование в процессе взаимодействия полимеров предшественников обеих жизненных систем –
обмена веществ и воспроизведения сложных молекулярных биокомплексов, через которые
обеспечивается протекание метаболизма жизни. Все жизненные процессы  брожение, окисление, фотосинтез, пищеварение, выделение  контролируются специфическими молекулами
ферментов специализированных типов. И эти молекулы воспроизводятся только через посредство нуклеиновых кислот. Как отметил Бернал, раздельное возникновение предшествен86
ников обеих тесно связанных между собой жизненных систем просто невозможно себе представить, они возникали взаимосвязано, в едином процессе. Случайность здесь исключается,
это должен был быть целенаправленный процесс, пусть даже растянутый на многие тысячелетия. Что же лежит в основе направленности? Теперь популяризаторы науки включают понятие самоорганизации в рассмотрение процесса возникновения жизни из косной материи уже
как нечто само собой разумеющееся. Вот, например, что написано по этому поводу в книге
болгарского палеонтолога Т.Николова "Долгий путь жизни" [53]:
"Добиологический чисто химический этап переходит в этап самоорганизации, на котором
возникают самовоспроизводящиеся сложные молекулярные комплексы. Эти макромолекулярные комплексы дают начало жизни. Граница между двумя этапами – этапом чисто химической эволюции и этапом самоорганизации биологических макромолекул – весьма условна и
не фиксирована во времени". И далее: "В понимании вопроса о происхождении жизни понятия "нуклеиновая кислота" и "белок" можно заменить понятиями "информация, содержащая
инструкцию" и "функция". И тогда вопрос "что первично?" становится абсурдным, так как не
может осуществляться определенная функция, если нет информации. А информация приобретает смысл только через функцию, которую она кодирует". Итак, кроме понятий вещества,
энергии и процессов, в которых они участвуют, добавляется понятие "информации" как еще
одного равноправного участника мироздания. Запомним это.
На заключительном этапе второй стадии должен был проявиться фактор, способствовавший образованию мембран, играющих решающую роль в структуре всех существующих клеток. Мембраны – это липиды и белковые тела. В лабораторных экспериментах, имитирующих
процессы в атмосфере и на поверхности молодой Земли, получено подтверждение способности этих соединений при определенной концентрации в водоемах к самосборке микрооболочек, то есть, к самоорганизации. Допустимо считать, что процесс самосборки мембран совместился с процессом возникновения систем обмена и воспроизведения, отделив материальных участников этих процессов от окружающей неорганизованной среды. Вряд ли справедливо считать такое совмещение результатом случайности. По-видимому, это и стало актом образования протоклетки. В наши дни мембраны не только отделяют клетку от окружения, но и
играют важную роль в организации внутриклеточного пространства.
На третьей стадии развития жизни завершился переход от биокомплексов к оформившейся
клетке, то есть возникла жизнь, если ее началом можно считать появление клеточных форм
организации вещества. Это был непростой процесс. Даже простейшая клетка предстает как
сообщество определенного набора субчастиц, так называемых органелл, и, как показывают
электронно-микроскопические исследования, она чрезвычайно сложна. А клетки, из которых
слагаются многоклеточные организмы, не только характеризуются нарастающим уровнем
сложности, но и огромным их разнообразием. За всем этим лежит длительная и сложная история. Как пишет Бернал, "Воссоздать облик исходных клеток очень трудно: они, безусловно,
сильно отличались от современных клеток. Должно быть, бактерии представляют собой высокоразвитых потомков этих примитивных клеток" [52]. Существует гипотеза, сторонником
которой является и Бернал, согласно которой органеллы первоначально существовали как независимые единицы и лишь на поздней стадии они объединились в клеточный комплекс. Независимое существование органелл, которые содержали в своем составе молекулы РНК и некоторые ферменты, а также были заключены в простейшие мембранные оболочки, позволяет
рассматривать их, по аналогии с вирусами, как первые живые существа. "Согласно моей гипотезе, - пишет Бернал, - из общей живой макромолекулярной доорганизменной массы почти
одновременно возникло большое число различных организмов. Эти примитивные организмы
были в какой-то степени отделены от своей биохимической основы. Вместе с тем они никогда
не были одни. С самого начала они существовали в среде, содержащей много других организмов, отличающихся от них самих и в какой-то степени комплиментарных им. Они постоянно
обменивались метаболическими продуктами". Наличие подобных взаимоотношений могло
привести к образованию органелл, а объединение взаимодополняющих друг друга органелл
породило простейшую клетку.
87
Итак, сегодня наука далека от того, чтобы объяснить возникновение жизни, в том числе и
ее возникновение путем перехода в земных условиях химической эволюции в биохимическую
эволюцию. Проводившиеся работы в этом направлении вскрыли невероятную сложность живого даже в его простейших формах. Невозможно представить себе протекание процесса появления жизни как случайность. Включение в рассмотрение процесса появления жизни на
Земле понятия самоорганизации материи подсказывает возможное решение проблемы при
условии, что будет раскрыт механизм ее действия в данной ситуации.
Свой вклад в решение проблемы происхождения жизни на Земле постарались внести и физики. Они обратили внимание на открытое еще Луи Пастером явление оптической активности
органических соединений живого происхождения, не свойственное таким же соединениям
абиогенного происхождения. Так, входящие в состав белков аминокислоты поворачивают
плоскость поляризации проходящего через их среду света влево, а входящие в состав клеточных аминокислот сахара поворачивают эту плоскость вправо. Соответствующие абиогенные
соединения образуют смеси, в которых равновероятно содержание молекул обоих возможных
конфигураций, поэтому поворота плоскости поляризации при прохождении света через такие
смеси не происходит. Современные данные об оптической активности органических соединений живого происхождения и предположения об отношении такого эффекта к происхождению жизни содержатся в обзорных статьях популярного плана [54,55]. Коротко речь идет о
следующем.
Сохранение в процессах, связанных с жизнью, органических молекул только одной из
двух возможных пространственных структур, называют хиральностью, а соответствующим
образом отобранные молекулы – хиральными. Хаотическая же смесь органических молекул
обоих пространственных конфигураций называют рацематом, а процесс образования такой
смеси – рацемизацией. Возникающий при абиогенном синтезе органических молекул рацемат
– это типичный пример равновесного, симметричного состояния конечного продукта. В
преджизненный период существования Земли органические соединения могли образовываться только в состоянии рацемата. При переходе к жизни у соответствующих органических соединений в некоем коллективном процессе произошла сортировка молекул, возникла хиральность, которая затем закрепилась в механизме воспроизведения. Как это произошло, и почему
появилась именно наблюдаемая оптическая активность  на эти вопросы пока нет ответа. Но
качественное объяснение такого хода событий может быть получено, исходя из современного
понимания процессов самоорганизации. С этих позиций переход к жизни мог произойти в условиях, когда открытая система, предшественница биосферы, находилась в крайне неравновесном критическом состоянии. Присущая биосфере хиральность подтверждает неравновесность ее исходного состояния перед скачком в новое качество. Необходимая для образования
такого состояния энергия поступала извне. Что же касается той или иной конфигурации отобранных молекул, то она могла возникнуть или случайно, или по пока неизвестным нам, но
важным для жизни причинам. По меньшей мере установлено, что хиральная чистота живых
организмов принципиально важна: хирально нечистые полимеры менее прочны, медленнее
растут и быстрее разрушаются, чем хирально чистые. Анализируя переход от рацемата к хиральности, Л.Л. Морозов [55] пришел к выводу, что появление жизни – это типичный скачок,
носящий характерные черты фазового перехода в процессе самоорганизации вещества. Он
даже предложил назвать этот скачок Большим Биологическим Взрывом по аналогии с Большим Взрывом, образовавшим Вселенную. В этом предложении заключен определенный
смысл, ведь появление и развитие жизни на Земле – событие для нас не менее таинственное,
чем происхождение и развитие Вселенной.
Наш обзор показывает, что наука, не объяснив появление жизни на Земле, наметила только
контуры сложнейшего процесса, но ни на один кардинальный вопрос, возникающий в этой
связи, не получен окончательный ответ. Нам предстоит обсудить последующее после появления жизни развитие биосферы, приведшее к возникновению разума.
88
3.7 Биосфера и феномен Человека
Современные палеонтологические данные позволяют в общих чертах проследить развитие
биосферы на протяжении, по крайней мере, 3,8 миллиардов лет. Биосфера возникла на протяжении первого миллиарда лет существования Земли как оформившейся планеты. Первоначально в ее состав входили простейшие одноклеточные организмы, получившие название
прокариотов. Нет сомнений, что появление таких оформленных организмов произошло значительно раньше, где-то на протяжении первого миллиарда лет истории Земли.
Примерно два миллиарда лет назад вдруг возникли значительно более сложные одноклеточные организмы, названные эукариотами. Слово «вдруг» означает, что эти клетки не являются производными от прокариот, они появились независимо от них в результате объединения трех исходных форм органелл. Усложнение не давало эукариотам явных преимуществ
над прокариотами, скорее наоборот. Древнейшие клеткипрокариоты при всей своей относительной простоте обеспечили своим потомкам возможность дожить до наших дней (бактерии,
сине-зеленые водоросли) и прекрасно сосуществовать с куда более сложными современными
организмами. Какой стимул толкал биосферу на хлопотный путь прогрессивного развития, не
удовлетворившись исходным примитивным, но вполне жизнеспособным уровнем? Появление
эукариот, вопреки теории естественного отбора, оправдалось после того, как примерно 700
миллионов лет назад на их основе возникли первые многоклеточные организмы, чего не могло произойти на основе прокариот. Так появилась эдиакарская фауна, состоящая из многоклеточных беспозвоночных организмов. Дальнейшие крупные преобразования биосферы проходили в периоды Великих массовых вымираний биоты. В истории биосферы отмечаются четыре таких вымираний.
1. Кембрийское великое вымирание по современным данным началось примерно 544 миллиона лет назад. Мгновенно в геологических масштабах времени полностью изменилась
эдиакарская фауна биосферы. Вместо нее возникло огромное разнообразие скелетных организмов. Вот как описывает палеонтолог наблюдаемое им на разрезах пограничных отложений
почти полное обновление биосферы: "Двигаясь вверх по разрезу от докембрийских пород к
кембрийским, мы вдруг обнаруживаем в какой-то момент, что порода насыщена многочисленными и разнообразными остатками организмов, облик которых уже более или менее привычен для нас" [58]. Это типичное описание скачка, приведшего к перестройке биосферы, ее
переходу в качественно новое состояние с заметным обновлением обитателей. Скачок привел
биосферу от докембрийского однообразия живого мира к необычайному разнообразию скелетных организмов. Такой переход совершился всего за 5 - 6 миллионов лет, по геологическим меркам ничтожный срок. Появление скелетных организмов открыло путь к развитию
высших животных.
2. Пермское великое вымирание случилось примерно 250 миллионов лет назад. За период
порядка 100 тысяч лет на суше исчезла почти вся растительность и 70% сухопутной жизни. В
морях погибло 85% всех форм морской жизни. Именно после такого события в биосфере наступила эра господства рептилий, достигшая кульминации примерно 210 миллионов лет назад.
3. Триасовое великое вымирание произошло примерно 190 миллионов лет назад. Об этом событии пока известно лишь то, что за время порядка одного миллиона лет исчезли многие сухопутные и морские виды животных и растений. Но это не коснулось большинства рептилий.
4. Позднемеловое великое вымирание случилось 65 миллионов лет назад. Исчезла половина
всех родов и ¾ видов животных и растений. В морях вымерли аммониты, белемниты, морские
рептилии. На суше исчезли крылатые рептилии и динозавры, а также значительная часть растительного мира. В этот период времени отмечено действительно катастрофическое событие,
по-видимому, Земля столкнулась с крупным астероидом, диаметр которого оценивается в 10
километров. Такое событие способно вызвать глобальную катастрофу с непредсказуемыми
последствиями для биосферы. Но специалисты отмечают, что вымирание рептилий началось
задолго до падения астероида и было вызвано геологическими подвижками и изменением
климата планеты. Космическая катастрофа резко ускорила эти ранее начавшиеся процессы.
89
В рамках Международной программы геологической корреляции «Редкие события в геологии» отмечается, что в промежутках между великими вымираниями существовало более
десяти малых вымираний с интервалами между ними от 26 до 34 миллионов лет.
Перед фактами периодических массовых вымираний в прошлой истории биосферы, не
возвращаемся ли мы на новом уровне к катастрофической гипотезе знаменитого Кювье? Обнаружение в его время гигантских захоронений неведомых животных (динозавров) и растений
привело его к выводу, что периодические катастрофы сметали с лица Земли все живое, после
чего жизнь начиналась заново. Катастрофа практически непредсказуема, а ее последствия тем
более невозможно предвидеть. Без сомнения то, что катастрофа – это стихия, возвращающая
мир к хаосу. Поэтому катастрофу никак нельзя считать скачком в развитии системы. Известные последствия глобальных вымираний на Земле не выглядят деградацией, как можно было
бы ожидать. Никогда не отмечался возврат биосферы к исходному примитивизму. Вместо
предполагаемого хаоса и полного вырождения отмечается новый всплеск упорядоченности.
Устраняются те формы жизни, которые в предшествовавший вымиранию период достигли
расцвета, но господство которых стало препятствием для последующего совершенствования
биосферы. И наоборот, выживают в катастрофах те формы жизни, возникшие в рамках старой
структуры, которые не имели там шанса проявить свою прогрессивную сущность. Именно это
наблюдалось в кембрийскую революцию, то же самое можно сказать и о позднемеловой революции. После исчезновения динозавров (для них это была катастрофа) их место поразительно быстро заняли млекопитающие. Древнейшие представители этого семейства появились примерно 200 миллионов лет назад предположительно от одной из ветвей сравнительно
некрупных динозавров. Первоначально это были мелкие зверьки типа землероек. На протяжении примерно 150 миллионов лет они занимали скромное место в биосфере, теряясь на фоне
гигантов той эпохи. Заняв после позднемеловой революции освободившуюся экологическую
нишу, они очень скоро предстали в огромном разнообразии новых видов. Биосфера перестроилась, начался новый этап ее развития, в ходе которого со временем появился носитель
разума – человек. Это событие знаменовало собой еще один скачок в развитии биосферы, за
которым последовала эра психогенеза.
Появление Человека стало вершиной направленного развития биосферы. В истории Земли
был период чисто геологической эволюции, его сменил период геолого-биологической эволюции, а с появлением человека открылся период психогенеза, то есть духовной эволюции.
Рождение разума знаменует собой ни с чем не сравнимый качественный переход к новой стадии развития жизни на Земле.
Известный палеонтолог и биолог П. Тейяр де Шарден, сочетавший научную деятельность
с саном священнослужителя ордена иезуитов, изложил свои представления о движущей силе
развития Природы и, в частности, биосферы, в блестящей книге "Феномен человека" [56].
Книга была написана в середине 30-х годов, но увидела свет лишь в 1957 году, спустя два года после смерти автора. Взгляды ученого на эволюционные процессы в Природе были сочтены руководством Ордена противоречащими догматам веры. Тейяра вынудили отказаться от
публикации своих философских трудов, от публичных выступлений и участия в дискуссиях,
затрагивающих эволюционные проблемы, от чтения лекций по геологии в Католическом университете Парижа. А когда книга все же была издана, отцы Ордена призвали охранять католическую молодежь от этого нежелательного произведения. Здесь нет необходимости обсуждать теологические разногласия между руководителями Ордена и убежденным католиком
Тейяром де Шарденом. Отмечу только, что научные занятия палеонтологией, участие в крупных палеонтологических раскопках в Китае и на острове Ява (в ходе которых был найден синантроп) снабдили ученого современными данными об исторической эволюции биосферы в
целом и об эволюционном пути развития высших приматов и человека, в частности. А способность за частным видеть общее позволила Тейяру де Шардену представить путь развития
биосферы в виде Дерева жизни и выделить основные закономерные черты такого развития.
Во-первых, жизни присуща экспансия, создание избыточного изобилия живых организмов
каждого появляющегося вида. Но при этом биосфера остается единым целым, части которого
очень тесно взаимосвязаны между собой. "Взятое в целом живое вещество, расползшееся по
90
Земле, с первых же стадий своей эволюции вырисовывает контуры одного гигантского организма".
Во-вторых, в своей экспансии жизнь разветвляется, распадается на отдельные "ветви", естественные подразделения. Так, среди бесчисленного множества древнейших одноклеточных
форм практически сразу выделились две ветви: "растительная ветвь", составленная клетками,
способными осуществлять фотосинтез, и "животная ветвь", состоящая из клеток, питающихся
растительными собратьями. Каждое разветвление обособляется в замкнутый пучок, названный филой, эволюционирующий самостоятельно. На каждом уровне Дерева возникает семейство фил, образующих "крону". Со временем большинство ветвей кроны стареет и отмирает и
в настоящее время число существующих организмов составляет ничтожную часть того, что
вырастало на Дереве за всю историю его существования. Так, в современном мире общее число известных видов живых существ достигает примерно 1,4 миллиона, а за всю геологическую историю Земли число существовавших видов оценивается примерно в 4 миллиарда. Обновление фил Дерева жизни не является непрерывным процессом, оно происходит скачками.
В-третьих, реализуется то, что Тейяр назвал "техникой пробного нащупывания". Многочисленные филы, образующие крону Дерева, позволяют жизни нащупать перспективный путь
последующего развития, непременно связанный с направленным усложнением организмов. "В
пробном нащупывании, – пишет Тейяр, – весьма любопытно сочетаются слепая фантазия
больших чисел и определенная целенаправленность. Пробное нащупывание – это не просто
случай, с которым его хотели смешать, но направленный случай. Все заполнить, чтобы все испробовать. Все испробовать, чтобы все найти" [56].
Из множества фил данного уровня незаметно выделяется одна, не занимавшая господствующего положения, более того, малозаметная на фоне процветающих фил, которая в критический момент дает побег, продолжающий ствол Дерева и открывающий качественно новый уровень в развитии. Побег разветвляется, создает новую крону. И такая картина наблюдается от основания Дерева до его вершины. Для стороннего наблюдателя, например, палеонтолога, пытающегося проследить плавную линию развития жизни, внезапное появление совершенно новых ее форм, по геологическим меркам мгновенно сменивших еще недавно пышно
процветавшие растительные и животные виды, выглядит чем-то необъяснимым. Но с позиций
теории самоорганизации наблюдаемая смена господствующих форм рассматривается как типичный скачок системы (биосферы) в качественно новое состояние с более высоким уровнем
упорядоченности.
Изложенные в книге Тейяра эволюционные представления кратко сводятся к следующему.
Вселенная – это цельное природное образование, пребывающее в состоянии развития. В ходе
такого развития на планете Земля естественным путем произошел качественный скачок, совершился переход от неживого к живому, возникло системное образование, называемое биосферой, и начался сложный путь развития этой системы. Развитие биосферы носит явно выраженный направленный характер, движущей силой направленности выступает созидательная
тенденция. Ее порождают элементарные частицы сознания, изначально присутствующие в
каждой элементарной частице вещества. Но в микрочастицах сознание проявляется слабо, оно
создает лишь стремление к объединению частиц в блоки. По мере укрупнения ансамблей частиц нарастает концентрация сознания, и возникают все более сложные его проявления. Когда
концентрация сознания превысит некоторый критический уровень, а это может случиться в
организмах высокой степени сложности, происходит переход в новое качество, возникает разум, мысль. Эволюция – это движение по пути совершенствования сознания вплоть до образования некоего высшего сознания, сверхсознания, которое появится в будущем в результате
объединения индивидуальных сознаний. Здесь Тейяр де Шарден по существу вводит новую
сущность – элементарное сознание, нарушая тем самым «принцип бритвы Оккамы».
Большинство биофизиков полагают, что физические представления наших дней достаточны, чтобы на их основе, не вводя новых сущностей, понять специфические проблемы биологии. С этих позиций нет необходимости вводить и такую новую сущность, как "элементарное
сознание". "Современная физика, – формулирует это положение М.В. Волькенштейн [57], –
91
достаточна для понимания эволюции. Здесь могут потребоваться новые понятия, но не новые
физические принципы".
Вот, например, как в наши дни общие физические представления, в том числе и представления теории самоорганизации, прилагаются к разработке труднейшей биологической проблемы образования и развития многоклеточных организмов. Одна из загадок такого процесса
– как из единственной зародышевой клетки развивается многообразие типов специализированных клеток, как эти клетки узнают, где, в каком локальном участке пространства они
должны расположиться, какими путями передается и принимается подобная "строительная"
информация среди вновь образующихся клеток. У человека, например, насчитывается более
200 разновидностей специализированных клеток. В обзорной статье Б.Н. Белинцева,
посвященной проблеме биологического формообразования [59], говорится, что каждая из
вновь образующихся делением клеток зародыша содержит в своих хромосомах весь набор
генетических программ возможного развития. Специализация клетки происходит после того,
как она получает сигнал, включающий одну из таких программ, а соответствующий сигнал
локализован в том месте, где предстоит образоваться соответствующему органу. Правильное
включение программы обеспечивает формирование головы впереди, а не позади туловища,
внутри головы позволяет оформиться мозгу, а не, например, почкам, короче говоря,
обеспечивает возникновение и развитие всех частей организма на положенных местах и с
положенными функциями.
Предполагается, что архитектура многоклеточного организма задается им самим в процессе самоорганизации. Вся совокупность делящихся клеток вырабатывает пространственную
информацию, включающую в каждой локальной точке пространства конкретную генетическую программу развития появляющихся там клеток. С этой целью создается морфогенетическое поле, материальной основой которого служат выделяемые клетками химические реагенты (морфогены), а команда на включение той или иной программы развития клетки в данном
месте определяется пространственными перепадами концентрации реагентов. "Сложность и
уникальность биологических структур есть результат "сложного" отклика на "простые"
управленческие факторы. Пространственный план задается неоднородным распределением
физических параметров, влияющих на динамику внутриклеточных процессов <...> он именно
возникает как продукт коллективного процесса самоорганизации, выражающегося в спонтанном возникновении диссипативных структур" [59].
Предлагаемый механизм формообразования многоклеточных организмов опирается на
серьезную экспериментальную основу. Не углубляясь в подробности, отметим, что хотя в целом проблему нельзя считать решенной, слегка приподнялся занавес над тайной развития и
функционирования сложнейшей биологической системы, каковой является многоклеточный
организм. И решающая роль в этом успехе принадлежит таким представлениям нового научного мышления, как диссипативные системы, их самоорганизация, коллективные упорядоченные взаимодействия многих элементов. Но все же немало вопросов остаются без ответа, и,
прежде всего, вопрос о том, как появились и саморегулировались в процессе исторической
эволюции жизни такие процессы.
Здесь самое время перейти к рассмотрению вершины Дерева жизни Тейяра де Шардена.
Она представлена на рис.3.1 [56] и отображает процесс развития приматов, среди которых
выпестовался человек. Картина типичная для развития биосферы: из исходного черенка возникло множество ответвлений, большинство из которых оказались тупиковыми формами, к
настоящему времени они вымерли. Но все они составляли естественный блок, включавший
также исходные формы сохранившихся до наших дней обезьян и Человека разумного (Homo
sapiens). Откуда он появился, этот Человек, каковы его корни в биосфере?
"Я охотно представляю себе, – пишет Тейяр, – нового пришельца (то есть Человека разумного) возникшим из автономной, долгое время скрытой, хотя и в тайне активной эволюционной линии, которая в один прекрасный день выступила победоносно среди всех других линий,
несомненно, из самой сердцевины этих псевдонеандерталоидов".
92
В последние десятилетия выдающиеся антропологические открытия предположительно
позволили проследить цепочку предшественников человека. Теперь нет сомнений, что Человек своими корнями прочно уходит в биосферу, он предстает как один из результатов естественного процесса ее эволюции. Древнейший известный науке общий предок человека и высших обезьян, рамапитек, жил на территоt, тысяч лет
Точка 
рии от Индии до Африки примерно 14 миллионов лет назад. Около 10 миллионов лет
назад от него отделился предок орангутанга,
0
современный
сивапитек, который остался в Азии, где и
живут поныне его потомки. А общий предок
10
гориллы, шимпанзе и человека, понеолит
видимому, укоренился на Африканском
континенте. Именно там обнаружен зинд30 Человек
Гомо
жантроп (африканский человек), возраст
10
из Сохо
сапиенс
Неандертальцы
останков которого определяется примерно 2
миллионами лет. Там же найдены грубые
орудия труда, которыми он пользовался.
50
Другие находки позволяют ученым утверСинантроп
ждать, что человекоподобные существа
обитали в Северной Танзании более трех
Питекантроп
миллионов лет назад. Эти существа, обла100
давшие способностью прямохождения и
умением изготавливать простейшие орудия
Австралопитек
труда, получили наименование Человека
умелого (Homo habilis) и они считаются
Рис. 3.1 Верхушка дерева Жизни по Тейдостоверными древнейшими предками чеяру де Шардену [56]. Точка  - будущее схо- ловека. От них цепочка тянется к питеканждение всех человеческих ветвей к единому Четропу (возраст до 1,5 миллионов лет), и си50ловечеству и рождение Сверхсознания.
нантропу (возраст 500 тысяч лет), получившему теперь наименование Человека прямоходящего. Синантропы не только изготавливали орудия труда, но и владели огнем. Примерно 50 тысяч лет назад одновременно проживали два типа человеческих существ  неандертальцы и человек современного типа, наш прародитель кроманьонец. Предполагается, что
разделение этих двух ветвей произошло около 100 тысяч лет назад, но в дальнейшем неандертальцы таинственно исчезли, скорее всего, вследствие заметной их деградации во времени.
Высказывается и такое мнение (Л. Лики), что на самом деле разделение на две ветви произошло
100 еще 2 миллиона лет назад, одна ветвь через питекантропа привела к классическим неандертальцам и на этом завершилась, другая ветвь привела к современному человеку. Пока
еще не все ясно в ходе ранней эволюции антропоидов, но совокупные данные указывают на
естественный характер возникновения человека из животного мира биосферы.
"Человек, - писал В.И. Вернадский [1], - должен понять, как только научная концепция
мира его охватит, что он не есть случайное, независимое от окружающего (биосфера или ноосфера) свободно действующее природное явление. Он составляет неизбежное проявление
большого природного процесса, закономерно длящегося в течение, по крайней мере, двух
миллиардов лет".
Став носителем мысли, человек выделился из животного мира, и это создает особый феномен Природы  феномен Человека.
"Изменение биологического состояния, приведшее к пробуждению мысли, не просто соответствует критической точке, пройденной индивидом или даже видом. Будучи более обширным, это изменение затрагивает саму жизнь в ее органической целости, и, следовательно, это
знаменует собой трансформацию, затрагивающую состояние всей планеты" [56].
Оценка Тейяром де Шарденом роли мысли совпадает с оценкой этого события Вернадским. На протяжении 1-2 миллиардов лет в биосфере шел процесс цефализации, нарастания
93
разумности, и он никогда не обнаруживал движения вспять. В ходе этого процесса сформировался мозг, материальная основа разума. Элементы разумного поведения обнаруживают высшие животные и некоторые птицы. Но полноценное проявление разума в биосфере присуще
только человеку, лишь в его социальном сообществе сформировалась, а затем с ускорением во
времени развивалась коллективная память, названная Вернадским "научной мыслью". Научная мысль  это созданный человеком на определенной стадии своего развития независимый
от отдельной особи коллективный аппарат сбора, накопления, обобщения и хранения Знания.
И только человек в состоянии использовать этот аппарат для решения своих практических
проблем. Научная мысль в сочетании с трудовой деятельностью человека стала великой геологической силой, способной преобразовывать биосферу. "Научная мысль как проявление
живого вещества по существу не может быть обратимым явлением – она может остановиться
в своем движении, но раз создавшись и проявившись в эволюции биосферы, она несет в себе
возможность неограниченного развития в ходе времени" [1].
Интеллектуальное преимущество человека перед другими высшими животными должно
быть закреплено в материальном носителе разума, в мозге. Чем мозг человека отличается, например, от мозга своих ближайших родственников, приматов? Как это ни покажется странным, но сравнительно недавно специалисты не могли обнаружить принципиальных отличий в
строении мозга человека и шимпанзе. Конечно, у человека объем мозга существенно больше,
чем у высших приматов, в среднем он равен 1500 см3. Однако, речь идет о качественных различиях и выделить их удалось только на новом уровне понимания строения и функционирования мозга, достигнутом в последние 30 – 40 лет. В этот период времени выяснилось, что
простейшей структурной единицей мозга служит не нервная клетка (нейрон, нейроглия) как
считалось раньше, а структурный ансамбль таких клеток со сложным, но фиксированным разветвлением взаимосвязей. Один ансамбль обычно управляет или анализирует один процесс
или одну функцию организма.
Эволюция мозга, его усложнение идет не только и не столько за счет количественного роста нервных клеток, хотя такой рост имеет место, сколько за счет растущей организованности,
упорядоченности, как отдельных структурных ансамблей, так и центров, объединяющих отдельные функции в сложные поведенческие реакции. Новообразования мозга никогда не создаются в форме изолированных "молодежных" ансамблей. Образование структурных единиц
в ходе развития совершается путем появления вертикальных колонок, включающих как расположенные в нижних слоях клетки древних отделов мозга, так и клетки более молодых образований, располагающиеся над этими пластами. Количественное увеличение ансамблей происходит, главным образом, за счет перестройки старых отделов и использования освобождающихся нервных клеток, а качественные изменения инициируются усложнением связей,
увеличением их числа и широтой охвата связями клеток всего структурного ансамбля.
Структурные ансамбли мозга человека и высших приматов, ведающие такими функциями,
как зрение, слух, двигательные реакции ног, тела и многими другими динамическими процессами, практически не отличаются между собой. Существенные отличия выявляются в размерах и связях структурных ансамблей, ведающих у человека речью и двигательными реакциями рук, особенно кистей, чем определяется способность человека к трудовой деятельности.
Выделяются у человека лобные доли мозга, они, согласно сложившимся представлениям,
осуществляют координацию различных функций при выполнении целенаправленных поведенческих реакций и участвуют в ассоциативных и обобщающих мыслительных процессах. У
человека рекордная для животного мира относительная площадь лобных долей мозга, она
достигает 25%. Здесь комментарии излишни.
Отметим еще одну характерную особенность функционирования мозга. Строение ансамблей нервных клеток, их связи в мозгу программируются генетическим аппаратом. Развитость
речевых и двигательно-трудовых ансамблей мозга человека наследуются детьми от родителей. Но наследуются не речь и трудовые навыки как таковые, а только потенциальная возможность их приобретения в процессах последующего обучения. Генетические возможности
осуществляются лишь при условии, что с раннего детства ребенок воспитывается и обучается
в сообществе людей, в постоянном общении с ними. Сказка Киплинга о маленьком Маугли,
94
воспитанном волками и другими благородными животными джунглей, а затем, уже зрелым
юношей вернувшимся в "человеческую стаю"  это всего лишь красивая сказка. Редкие случаи, когда человеческое дитя силой обстоятельств вырывалось из людского сообщества и не
погибало вдали от него, а затем, возмужав, возвращалось к людям, показывают, что оно уже
не могло полноценно овладеть речью и приобрести сложные трудовые навыки, необходимые
для сознательной деятельности. Генетический потенциал ограничен жесткими временными
рамками. Если сроки пропущены, потенциал угасает, а человек остается на уровне того же
примата.
В истории человечества немало примеров показывающих, что не только отдельная личность, но и целые сообщества людей обязаны вести непрекращающуюся борьбу за овладение,
сохранение и приумножение того, что выделяет их из животного мира. Малейшее ослабление
усилий, или, что еще хуже, сознательное пробуждение в людях низменных начал в ущерб разуму с поразительной быстротой ведет к потере культурных завоеваний, к возрождению дикости и агрессивности даже в условиях технической развитости.
Ученые отмечают, что с момента возникновения мысли медленный процесс биологической эволюции Человека разумного сменяется быстро протекающим процессом духовной
эволюции. С точки зрения Тейяра де Шардена это обстоятельство связывается с изменением
характера развития кроны Дерева жизни. Впервые за всю его историю вместо привычного
бурного разветвления идет процесс схождения человеческих ветвей, как это видно из рисунка
3.1. Со временем все ветви сойдутся в точке , что будет означать объединение всех индивидуальных сознаний в единое Сверхсознание. При этом произойдет и полное объединение всех
человеческих рас и национальностей с образованием единого земного человеческого сообщества. Вернадский также выражал убежденность в том, что дальнейший путь развития человечества непременно обусловливается объединением всех ныне разрозненных групп, рас и национальностей в единое целое. Объективные потребности сегодняшнего дня подтверждают
назревшую необходимость в объединении. Следует лишь подчеркнуть, что речь идет о тенденции, а не о конкретном движении. По крайней мере, в обозримом будущем не прекратят
свое существование национальные особенности, национальные культуры и традиции. Процесс объединения людей в единое целое понимается как создание всеземной кооперации, призванной совместно решать в общих интересах стоящие перед человечеством проблемы. Такой
процесс возможен лишь при условии резкого расширения сознания, роста духовности отдельных людей и их сообществ.
В биологии особая роль принадлежит эволюционным идеям, выдвинутым Ч.Дарвиным в
прошлом веке. Историческое значение дарвиновских идей огромно, они не только внедрили в
биологию эволюционистские представления и совершили переворот во взглядах на происхождение человека, но оказали влияние на все естествознание и даже на социологические разделы науки. Без преувеличения можно утверждать, что с теории Дарвина в XIX веке началось
широкое внедрение эволюционистских представлений в научное мышление. Но дарвиновское
представление об эволюции не охватывало всего мироздания в целом, да и в биологии оно
ограничивалось внутривидовыми процессами. В своем классическом виде теория Дарвина
предполагает плавность развития, в этом процессе отсутствуют скачки. Такой взгляд на развитие создал для дарвиновской теории непреодолимые трудности, неспособность объяснить
появление новых видов, резкие смены флоры и фауны в истории развития биосферы. "Вопреки первоначальному положению Дарвина об отсутствии скачков в эволюции, - пишет М.В.
Волькенштейн [57], - возникновение вида имеет скачкообразный характер <...> В эволюции
этапы непрерывного развития в устойчивом режиме чередуются с переходными этапами, подобными фазовым переходам. Переходы эти неравновесны".
Механизм эволюции определен классической дарвиновской триадой: изменчивость, наследственность, естественный отбор. Достижения генетики, молекулярной биологии, общие положения теории самоорганизации потребовали пересмотра основ дарвиновской теории
эволюции. Изменчивость в классической триаде предполагает случайное изменение какого-то
признака, и оно затем наследуется организмом, а естественный отбор беспощадно отбраковывает те признаки вместе с их носителями, которые не подходят к условиям существования. По
95
современным представлениям все выглядит значительно сложнее. Классическую изменчивость теперь связывают с мутациями, спонтанно возникающими в генном наследственном
аппарате (геноме). Именно мутирующий ген создает у особи новый признак. Но сам по себе
этот факт еще мало что значит. Дело в том, что минимальной, элементарной единицей эволюции в биосфере считается не особь, судьба которой, в общем-то, не столь важна для вида в
целом, а популяция, то есть группа особей одного вида, участвующих в процессах скрещивания между собой. Закрепление нового признака в популяции считается свершившимся фактом, если частота его появления в группе превысит некоторый уровень, считающийся пороговым. А это произойдет в том случае, если новый признак окажется ценным для популяции в
целом. Изложенные представления вызвали частичный пересмотр классической теории эволюции, на их основе сформировался синтез дарвинизма с новейшими достижениями генетики,
получивший название синтетической теории эволюции. Но и такой синтез не закрыл всех расхождений классической теории эволюции с новейшими научными данными.
Пожалуй, самым важным и удивительным результатом стало понимание того, что биологическая эволюция протекает не случайными путями. Многочисленные факты последнего
времени позволяют все более уверенно говорить о ее направленном характере, о ее "канализации". Отмечается явное ускорение эволюции во времени. В своем начальном периоде жизнь
на Земле была представлена одноклеточными организмами, и этот период продолжался более
2,5 миллиардов лет. После появления многоклеточных организмов в течение 400 миллионов
лет было достигнуто необычайное разнообразие животного и растительного мира, в котором
господствовали рептилии. Развитие млекопитающих и птиц потребовало только 100 миллионов лет, приматов - 60 миллионов, гоминиды возникли 16 миллионов лет назад, прямые предки человека – примерно 3 миллиона лет назад, современный человек начал формироваться
примерно 60 тысяч лет назад, а история развития человеческой цивилизации – это история
необычайного ее ускорения во времени. На современном этапе развития биосферы известны
многочисленные примеры того, что направленно возникают новые свойства, новые поведенческие реакции и их невозможно объяснить в рамках классической триады. Поэтому официально признанной задачей эволюционной биологии стало выяснение тех факторов и механизмов, которые создают "канализацию" и ускорение биологических процессов развития.
В этом плане обращают внимание на следующее. Во-первых, не всякая мутация гена вызывает изменение связанного с ним признака, для этого необходимо воздействовать не на ген
в целом, а на его "ядро", что резко снижает вероятность кардинальных последствий для его
свойств случайного повреждения гена. Известно, что большинство мутаций создает неблагоприятные новые признаки. Известно также, что существует достаточно эффективный механизм стабилизации генома и даже реставрации поврежденных его участков. Следовательно,
геном обладает развитой способностью противостоять случайной изменчивости, а именно она
лежит в основе классической эволюционной теории. Во-вторых, известны случаи изменения
наследуемого признака при отсутствии мутации гена. Такие события вызываются внезапными
изменениями положения так называемых скачущих генов. Они не занимают в хромосоме раз и
навсегда заданного места и до поры, до времени не участвуют в наследственной передаче определенного признака. Но при "неожиданной" смене положения они способны проявить наследственную активность. Скачущие гены составляют до 10% генома. В-третьих, мутации и
перемещения скачущих генов не совсем случайны, подозревают, что изменения генома на самом деле регулируются и управляются пока неизвестным нам механизмом, реагирующим на
состояние окружающей среды.
Таким образом, предположительно регулируемая изменчивость генома может рассматриваться как один из факторов направленной биологической эволюции. Другим фактором специалисты считают вирусы. "В последнее время становится все более очевидной роль вирусов
как переносчиков генетической информации от одного вида к другому. Эта идея, как подчеркивают развивающие ее ученые, объясняет важную особенность жизни: ее генетикоинформационное единство, которое вместе с единой химической основой и историческим
единством характеризует живой мир как непрерывно обогащающуюся систему. Новые науч-
96
ные данные показывают, однако, что естественный отбор – не единственный движущий фактор эволюции" [53].
К сказанному остается добавить, что эволюционный процесс в биосфере носит многоуровневый характер. В разное время эволюция протекала, и продолжает протекать в наши дни, на
молекулярном, клеточном, тканевом уровнях, на уровне органов, организмов, популяций,
биоценозов. Различаясь на каждом из этих уровней, процессы эволюции сливаются в единый
процесс развития биосферы.
Возвращаясь к роли человека в этом потоке жизни, отмечают следующее. Феномен Человека ставит перед наукой в сложившихся условиях серьезные проблемы. По убеждению Тейяра де Шардена, на первый план выдвигается настоятельная необходимость познания самого
человека. "Человек, как "предмет познания" – это ключ ко всей науке о природе <...> Расшифровать человека, значит, в сущности, попытаться узнать, как образовался мир и как он должен
продолжать образовываться <...> Если у человечества есть будущее, то оно может быть представлено лишь в виде какого-то гармонического примирения свободы с планированием и объединением в целостность" [56]. Но при этом "Человек – самый таинственный и сбивающий с
толку исследователей объект науки". Возникающие в биосфере в связи с феноменом человека
проблемы рассмотрим в следующей главе.
3.8. От биосферы к ноосфере?
Появление в биосфере того, что Тейяр де Шарден называл "мыслью", а Вернадский "научной мыслью", в перспективе неизбежно приводит к ее перестройке. В сочетании с трудовой
деятельностью человека мысль становится неведомой до этого геологической силой, способной преобразовать вместе с биосферой весь поверхностный слой Земли. Носитель земного
разума, человек, с нарастающим во времени темпом воздействует на биосферу, активно захватывая все занимаемое ею пространство, окультуривая флору и фауну, по мере сил приспосабливая окружающую среду к своим потребностям. Преобразование биосферы грядет неизбежно и необратимо. Об этом независимо друг от друга заявляли и Тейяр де Шарден, и Вернадский еще в начале 30-х годов, что тогда воспринималось научным сообществом с известным
скептицизмом. Во что же преобразуется биосфера, и что несет такое преобразование человеку, являющемуся неотъемлемой составной частью той же биосферы? Оба ученых называли
трансформированную биосферу ноосферой, но при близко совпадающих взглядах на характер
эволюционного процесса в биосфере и убежденности в направленном его протекании, каждый
из них вкладывал в этот термин свое содержание.
Тейяр де Шарден воспринимал направленность эволюционного процесса в биосфере как
восхождение к Сверхсознанию. Появление в биосфере мысли – одна из высших ступеней восхождения, с этого момента начинает протекать конвергенция духа, определяемая тем, что
концентрация элементарных сознаний превысила определенный пороговый рубеж. Процесс
развития духа назван ноогенезом и по мере его протекания образуется некий "мыслящий
пласт", он-то и назван ноосферой. Этот пласт возникает и развивается вне биосферы, как бы
над ней. В биосфере остается все биологическое, материальное. С рождением же мысли центр
эволюции перемещается в духовную область, а кульминацией процесса станет образование
Сверхсознания.
"Самый проницательный исследователь нашей современной науки может обнаружить
здесь, что все ценное, все активное, все прогрессивное, с самого начала содержавшееся в космическом лоскуте, из которого вышел наш мир, теперь сконцентрировано в "кроне" ноосферы" [56].
Движение к ноосфере идет в условиях охватившего биосферу кризиса. Войны, распри,
преобладающая тенденция к разобщению людей, их взаимная враждебность – все это, по
мнению Тейяра, есть следствие бушующих в человеческой среде остатков неолита, самого
раннего периода развития человечества. К освобождению от них ведут экономические, промышленные и социальные изменения, а также пробуждение масс к активным действиям. Неолитические пережитки будут преодолены, так как ведущая тенденция развития мысли –
97
слияние или объединение рас и народов в земное единое сообщество. "Выход для будущего,
вход в сверхчеловечество открываются вперед и не для нескольких привилегированных лиц,
не для одного избранного народа! Они открываются лишь под напором всех вместе и в том
направлении, в котором все вместе могут соединиться и завершить себя в духовном обновлении Земли" [56]. На пути к ноосфере невозможны остановка или возврат назад.
В.И.Вернадский иначе понимал переход биосферы в ноосферу, а также сущность этого
нового ее состояния. Носителем мысли в биосфере стал Человек разумный, но само появление
мысли не случайно, к этому событию вела вся предшествовавшая эволюция биосферы на протяжении нескольких миллиардов лет. Возникновение научной мысли открыло новую эру в
развитии биосферы, поскольку мысль стала мощнейшим геологическим фактором: как только
сформировалось научное ее проявление, оно стало направлять строительство и техническую
деятельность человека, переделывающего биосферу. Воздействие научной мысли на биосферу
выявилось не сразу после появления человека в ней. На протяжении нескольких тысяч поколений людей никаких заметных изменений в биосфере не наблюдалось, но исподволь шло
развитие научной мысли и накопление сил. Постепенно, используя свое интеллектуальное
превосходство над остальными представителями животного мира, "<...>человек охватил своей
жизнью, своей культурой всю верхнюю оболочку планеты – в общем, всю биосферу, всю связанную с жизнью область планеты" [1]. Развитие научной мысли привело к приручению животных, к созданию культурных растений. "Человек стал менять окружающий его животный
мир и создавать для себя новую, не бывшую никогда на планете живую природу" [60].
Под влиянием научной мысли и человеческого труда на протяжении последних 5 – 7 тысяч
лет начался и в нарастающем темпе продолжает происходить стихийный процесс видоизменения биосферы и ее перехода в качественно новое состояние, в ноосферу. В отличие от Тейяра де Шардена, под ноосферой Вернадский понимал не выделенный над биосферой "мыслящий пласт", а качественно новое состояние самой биосферы, ее очередную трансформацию в
ходе эволюции. О более ранних переходах биосферы в качественно новые состояния, когда в
короткие по геологическим меркам сроки происходила почти полная ее перестройка, речь шла
в предыдущей главе. Но современная ее трансформация представляет собой нечто особенное.
"На наших глазах, – писал Вернадский, – биосфера резко меняется и едва ли может быть
сомнение в том, что проявляющаяся этим путем ее перестройка научной мыслью через организованный человеческий труд не есть случайное явление, зависящее от воли человека, но
есть стихийный природный процесс, корни которого лежат глубоко и подготавливались эволюционным процессом, длительность которого исчисляется сотнями миллионов лет <...> Создание ноосферы из биосферы есть природное явление, более глубокое и мощное в своей основе, чем человеческая история. Она требует проявления человечества как единого целого" [60].
Развитие научной мысли резко ускорило свой темп в последние два-три столетия. В настоящее время можно говорить о взрыве научного творчества, что ускоряет переход биосферы
в ноосферу. Ноосфера, как высокоорганизованное состояние биосферы, может возникнуть и
существовать при условии, что дальнейший процесс ее развития протекает сознательным путем, направляется и организуется научной мыслью. Это требует, с одной стороны, настолько
высокого уровня развития науки, при котором такая задача становится посильной человечеству. С другой стороны, это ставит перед учеными задачу овладения в ближайшем будущем методами управления развитием биосферы и создания необходимых для этого средств.
Что же касается единства целей и действий всего человечества, то такое требование составляет важнейшее условие образования ноосферы. Вернадский выражал надежду, что независимо от деления людей по расовым и национальным признакам, единство такого рода неизбежно сложится в ближайшем будущем вопреки всему тому, что мешает этому процессу. Еще
в 30-е годы он писал:
"В настоящее время под влиянием окружающих ужасов жизни, наряду с небывалым расцветом научной мысли, приходится слышать о приближении варварства, о крушении цивилизации, о самоистреблении человечества. Мне представляются эти настроения и эти суждения
следствием недостаточно глубокого проникновения в окружающее <...> Реальная обстановка
98
в наше бурное и кровавое время не может дать развиться и победить силам варваризации, которые сейчас как будто выступают на видное место" [60].
Анализ процесса перехода биосферы в новое состояние, в ноосферу, Вернадский заканчивает такими обобщениями.
1.Наступающее изменение биосферы – это естественный природный процесс, не зависящий от воли человека, он связан с ее переходом в более упорядоченное и устойчивое состояние. Этот процесс порожден ростом научной мысли и научным творчеством человека, который, в свою очередь, порожден самой биосферой. Появление в ней человека есть начало новой эры в истории планеты.
2.Человек может рассматриваться как определенная функция биосферы, в определенном ее
пространстве-времени. Во всех своих проявлениях человек составляет определенную закономерную часть биосферы.
3. Взрыв научной мысли в ХХ столетии подготовлен всем прошлым биосферы и имеет
глубочайшие корни в ее строении. Он не может остановиться и пойти назад. Биосфера же неизбежно, рано или поздно, перейдет в ноосферу. И в истории народов, населяющих планету,
произойдут нужные для этого события, а не события, этому противоречащие.
Что же по поводу перехода биосферы в ноосферу может сказать современная естественнонаучная концепция развития? Во-первых, процесс преобразования биосферы – это объективная реальность. Все мы, живущие на Земле, являемся свидетелями и, в определенной мере,
участниками этого переходного процесса, даже если не отдаем себе отчета в характере происходящего. Процесс преобразования биосферы начался не вчера и завершится не завтра. По
человеческому масштабу времени преобразование растянуто на несколько поколений, хотя в
геологическом масштабе времени оно мгновенно и должно рассматриваться как скачок в развитии биосферы. Во-вторых, современные представления об этом процессе близки к представлениям Вернадского, хотя есть дополнения, определяемые представлениями о биосфере
как о самоорганизующейся системе.
В свете современной естественнонаучной концепции развития самоорганизующаяся система проходит в своем развитии относительно продолжительный этап эволюции, в ходе которого возникают и нарастают противоречия, приводящие систему в крайне неравновесное состояние, что сопровождается потерей устойчивости. Такое кризисное состояние соответствует
представлению о нахождении системы в точке бифуркации, из которой она выходит за относительно короткий срок, скачком, в одно из нескольких возможных устойчивых дискретных
состояний, откуда начинается новый эволюционный этап развития. Эта схема соответствует
тому, что наблюдается нами на современной стадии развития биосферы. Появление человека
в ней стало началом нового этапа эволюционного развития. На ранних стадиях этого этапа,
когда человеческая цивилизация только нарождалась, воздействие человека на биосферу было
практически незаметным. Но постепенно человек своей деятельностью начал оказывать все
возрастающее со временем влияние в сфере своего обитания. Интенсивность воздействия на
биосферу сельскохозяйственной, а затем и промышленной деятельности людей нарастала в
ускоренном темпе и достигла особенно высокого уровня в последние пару сотен лет. Справиться с таким напором своими силами биосфера уже не могла, назрел кризис системы, выход
из которого состоит в ее перестройке применительно к новым условиям. Именно об этом предупреждали человечество еще в 30-е годы Вернадский, Тейяр де Шарден и некоторые другие
ученые, способные смотреть вперед. Выходом из кризиса они считали переход биосферы в
новое состояние, которое назвали ноосферой. Однако, согласно современным представлениям, ноосфера – это только один из возможных вариантов выхода из кризиса, и его осуществление не гарантируется. Существуют и другие варианты, в том числе приводящие к исчезновению жизни на Земле или к исчезновению человечества.
Итак, бесспорно, что биосфера и человечество, как ее составная часть, вступили в кризисный период своего развития. Кризис усугубляется целым рядом неблагоприятных факторов.
Впервые в своей истории человечество стало обладателем мощнейших источников энергии и
токсичности, что позволяет за считанные минуты уничтожить все живое на Земле. И это в условиях крайне несовершенного социального устройства человеческого сообщества, его разде99
ления на части, между которыми существуют антагонистические взаимоотношения. Лишь по
счастливой случайности осознание безумия использования подобных средств в традиционных
способах решения межгосударственных и идеологических конфликтов, в войнах, проявилось
раньше, чем дело дошло до самоуничтожения. Но полной гарантии, что такого не произойдет
и впредь, никто дать не может. А за угрозой ядерного, радиационного или токсичного уничтожения биосферы вырисовывается другая не менее страшная угроза, называемая экологической катастрофой. В ее основе – стихийная деятельность людей, в результате которой происходит бесконтрольное загрязнение среды обитания, нарушение теплового баланса Земли,
что ведет, в частности, к так называемому парниковому эффекту. В ближайшей перспективе
назревает истощение жизненно важных для современной человеческой цивилизации сырьевых источников планеты, к этому добавляется демографический взрыв, очень быстрый рост
численности людей с тяжелыми для биосферы последствиями. Об этих и других неприятностях много пишут, так что задерживаться на подобных тревожных симптомах нет необходимости, о них мы хорошо информированы.
Вернадский, Тейяр де Шарден, как и многие другие крупные ученые, жившие в их время,
были оптимистами, верившими в то, что любые грозящие человечеству неприятности будут
преодолены, и мы продолжим свое исторически предопределенное движение вперед. Однако,
в свете современной научной концепции развития такой оптимизм не оправдывается. В точке
бифуркации, как уже говорилось ранее, "выбор" системой конкретного перехода в устойчивое
состояние является случайным актом. В кризисной ситуации развиваются разные флуктуации
и любая из них способна подтолкнуть систему к тому или иному переходу. Это будет случайный акт, оцениваемый вероятностными представлениями. Но после того, как переход произошел, назад возврата нет, созданные свершившимся переходом стартовые условия определяют новый эволюционный этап развития. Например, по случайным причинам или преднамеренно может произойти самоуничтожение человечества в ядерном конфликте. Или к тем же
результатам приведет неспособность человечества справиться с экологической катастрофой.
Благоприятным для человечества и биосферы выходом может стать только образование ноосферы.
Является ли в действительности переходный процесс в точке бифуркации независящим от
воли человека, чисто случайным явлением? Вопрос для нас очень важный, так как ответ на
него определяет позицию каждого в происходящем: стоит ли вести борьбу за будущее или ее
исход предрешен, и наше участие ничего не изменит. Оказывается, что присутствие в самоорганизующейся системе разума меняет ситуацию. Предотвратить переход, оставить все как
было, человек не в силах, но он в состоянии, приложив для этого необходимые усилия и волю,
свести к минимуму или вовсе убрать неблагоприятные флуктуации, подталкивающие систему
к нежелательному переходу. Так, запрещение и полное уничтожение ядерного и химического
оружия, а, точнее, любого оружия массового уничтожения, устраняет флуктуацию, толкающую систему к ее самоуничтожению в конфликте людей. Еще надежнее, если будут достигнуты договоренности о сокращении, а затем и полной ликвидации обычных видов вооружений. При этом высвободятся огромные материальные, интеллектуальные и финансовые ресурсы, столь необходимые для предотвращения экологической катастрофы. В идеале желательно привести людей к пониманию противоестественности и вредности самой идеи решать
свои проблемы силовыми методами, но это уже лежит в сфере перестройки сознания, а такая
перестройка осуществляется медленно и мучительно.
Значительно труднее решить экологические проблемы. Человечество не может (и не
должно) отказаться от достигнутого на сегодняшний день уровня цивилизации, хотя этот уровень порождает не только благополучие и комфортные условия существования для части людей, но и создает неблагоприятные флуктуации в кризисный период развития биосферы. Такие флуктуации пока еще до конца не выявлены, что усложняет попытки их подавления. Однако, уже теперь ясно, что экологические проблемы следует решать только совместными усилиями всех стран, всех народов, всех людей. Предстоящий путь нелегок, потребуются, повидимому, ограничительные меры, такие, как сокращение потребления энергии, организация
более экономного и экологически чистого промышленного и сельскохозяйственного произ100
водства, сокращение добычи и расходования важнейших полезных ископаемых. Необходимо
всеобщее изменение отношения к животному и растительному миру планеты, осознание демографических проблем и еще многое другое. Решение всей совокупности подобных задач
невозможно без научного предвидения результатов любой природопреобразующей и социальной деятельности людей, без создания налаженной системы управления и контроля, обеспечивающих проведение в жизнь разрабатываемых мероприятий.
Государственная и национальная разобщенность людей создают неблагоприятную флуктуацию для переходного процесса. Ее подавление представляется очень сложной задачей,
свидетельством чему служат события наших дней. Происходящий на наших глазах распад
многонациональных государств, кровопролитные межнациональные конфликты в еще совсем
недавно мирных уголках планеты, необъяснимые вспышки ненависти, агрессивности, жестокости – все это создает впечатление о господстве тенденции, противоположной той, какую
требует переход от биосферы к ноосфере. Силы, сознательно разжигающие рознь между
людьми в своих корыстных интересах, совершают в современной кризисной ситуации тяжкое
и не подлежащее прощению преступление, как в отношении своего народа, так и всего человечества.
Можно сказать, что в ситуации переходного скачка человечество держит экзамен на разумность. Кто-то из современных философов сказал, что человек – это эволюция, осознающая
сама себя. Осознание предполагает выявление закономерностей эволюционного процесса и на
основе полученного знания обеспечение последующего движения процесса развития в нужном для Природы направлении, то есть к достижению следующих по сложности уровней самоорганизации материи. Не всякий разум способен справиться с подобной задачей. И если в
какой-то одной локальной точке Вселенной возник разум, не способный в своем развитии
достичь необходимого уровня для решения задачи осознания эволюции, он удаляется со сцены либо в результате самоуничтожения, либо из-за неспособности справиться с им же созданными экологическими проблемами. В огромной Вселенной найдутся другие локальные центры возникновения жизни и разума, где критический рубеж окажется благополучно пройденным. Очень хотелось бы верить вместе с учеными-оптимистами недавнего прошлого, что непростой эволюционный путь земной биосферы пройден ею не напрасно и венчающий сегодня
этот путь Человек разумный окажется достойным второй части своего видового имени.
Какой представляется будущее биосферы, если произойдет благоприятный для человечества ее переход в ноосферу? Не подвергаясь риску быть обвиненным в утопизме или в переходе на жанр научной фантастики, можно высказать следующие, не отличающиеся полнотой,
прогнозы. Ключевым фактором в условиях нарождающейся ноосферы станет задача организации научного управления деятельностью всего человечества и отдельных его частей в новых условиях. А главная особенность новых условий – недопустимость стихийной природопреобразующей деятельности. К исполнению будут приниматься лишь те проекты, для которых определены ближайшие и отдаленные последствия их реализации. Система научного
управления неизбежно охватит целиком всю планету. Это не будет печально известная административно-командная система управления. Отличие состоит в том, что научная система
управления будет опираться на познанные законы развития биосферы и таких ее составных
частей, как социальное сообщество людей, а вся ее направленность – только на благо и выживание всего человечества. В противоположность этому, административно-командная система
управления допускает волюнтаристские решения, пренебрегающие объективными экономическими, биологическими и социальными законами ради достижения тех целей, которые ставятся перед ней свыше или которые формулируются ею самой в собственных узко понимаемых интересах.
Осуществление научного управления потребует умения предвидеть результаты предполагаемых действий и обладания средствами управляющего воздействия на исполнительную систему при непременном контроле процесса. Сегодня человечество еще не готово осуществить
выполнение подобных задач в общепланетном масштабе. Но предпосылки для этого начинают возникать. Предвидение предполагает знание алгоритма поведения системы при действии
на нее управляющих и возмущающих факторов. Для сравнительно простых систем, обладаю101
щих линейным откликом на возмущающее воздействие, выявление такого алгоритма не требует больших усилий. Сложнее обстоит дело, когда состояние системы определяется большим
числом независимых параметров или параметров со сложными взаимосвязями. И совсем плохо приходится в случае, когда поведение сложной системы нелинейно, описывается функциями с разрывами (скачками). А биосфера и ее подсистемы принадлежат именно к системам такого типа. Подобные управленческие задачи пока не решаются. Но ведутся активные поиски
путей их решения, и некоторое представление о таких поисках было дано ранее (1.3, 1.4).
Что же касается управленческих средств и возможностей, то вселяют надежду ведущееся в
наши дни формирование базы вычислительных и моделирующих устройств, появление международных разветвленных сетей сбора, хранения, переработки и анализа информации, разработки автоматизированных систем принятия на основе поступающей информации необходимых быстрых управленческих решений, появление систем контроля над исполнением принятых решений. Хотя все это можно рассматривать как первые шаги на трудном пути, но они
обнадеживают. Можно сказать, что век бурного развития информатики подоспел очень своевременно. Скорее всего, на первых порах задача научного управления будет состоять в предотвращении разрушения биосферы как цельного организма на стадии ее перехода в ноосферу, а также в предотвращении самых угрожающих экологических неприятностей. Далее должен произойти глобальный охват основных сфер человеческой деятельности системами предвидения, управления и контроля.
Вряд ли грядущая новая эра станет утопическим раем для человечества, возникнут новые
проблемы, противоречия нового уровня. Многое будет зависеть от того, насколько успешно
продолжится процесс расширения сознания, сколь успешным будет процесс духовного развития людей, внедрения на деле этических и моральных норм, диктуемых космическими законами развития. Возможно, что в этих проблемах в зародыше присутствуют те противоречия,
которые приведут биосферу, выступающую в облике ноосферы, к следующей точке бифуркации, к следующей кризисной ситуации, из которой человечество, выдержав новый экзамен на
разумность, должно будет найти достойный выход. Новая эра – это эра более глубокого сотрудничества с Космосом, осознания себя не только жителями маленькой планеты Земля,
входящей в рядовую звездную планетную систему, но и неотъемлемой частью развивающейся
Вселенной. Движение человечества в таком направлении предсказывал еще в начале нашего
века провидец космической эры  Константин Эдуардович Циолковский.
4. ЕСТЕСТВЕННОНАУЧНАЯ КОНЦЕПЦИЯ РАЗВИТИЯ
И АНТРОПНЫЙ ПРИНЦИП
4.1 Развитие и информация.
Окончен просмотр "киноленты" под названием "Научная картина Мира". Что мы можем
извлечь из этой еще далекой от завершенности картины? Пожалуй, важнейший вывод, вытекающий из нашего просмотра, состоит в том, что мы живем в создавшем нас развивающемся
Мире. В недрах древних философских течений родились идеи, утверждавшие, что развитие
есть форма существования материи. В ХХ веке такие философские идеи обрели вполне осязаемую сущность. Нестационарное решение уравнений общей теории относительности, полученное А.Фридманом, выяснение того обстоятельства, что только такое решение устойчиво,
последующие наблюдательные открытия расширения вещественной Вселенной, ее поступательного развития, продемонстрировали, что вне движения, вне развития наш Мир существовать не может. Это относится не только к Вселенной в целом, но и к каждой ее подсистеме.
Известный науке Мир предстает в виде иерархии разномасштабных открытых систем. Что
же считать их развитием? Каждая система в иерархии обладает определенной степенью упорядоченности, чем выделяется из своего неупорядоченного окружения. Стабильно сохранять
подобную выделенность, иначе говоря, находиться в неравновесном состоянии с внешней
средой, системе удается путем постоянного обмена энергией и веществом со своим окруже-
102
нием, и протеканием внутренних процессов, способных использовать происходящий обмен в
целях поддержания устойчивого внутреннего равновесия. Такое состояние системы называют
квазистационарным этапом ее развития, на протяжении такого этапа происходящие изменения не носят качественного характера. Квазистационарный этап характеризуется жесткой детерминируемостью, что в принципе позволяет предсказывать его будущие состояния на основе тенденций, наблюдаемых на протяжении предшествующих состояниях.
Но из-за изменения внешних условий, или из-за изменения внутренних стабилизирующих
процессов система попадает в кризисное состояние, начинается второй этап развития, в ходе
которого возникает потеря устойчивости, начинаются внутренние перестройки структур. Разрешением кризиса служит скачкообразный выход системы в качественно новое состояние.
Выход системы из кризиса, изменение ее качественного состояния происходит либо переходом в состояние с более низким уровнем организованности, что сопровождается ростом энтропии, либо переходом в состояние с более высоким уровнем организованности, что сопровождается снижением величины энтропии. Подробно такие процессы рассмотрены в главах
1.3, 1.4. Таким образом можно сказать, что развитие организованных открытых систем – это
перемежающиеся этапы плавной эволюции с возникающими кризисными этапами, в ходе которых осуществляются переходы в качественно новые состояния.
Научная картина Мира показывает, что в развитии различных систем проявляют себя две
противоположные тенденции, изначально присущие материи: разрушительная и созидательная тенденции. В механизмах разрушительной тенденции используется стремление к достижению равновесных состояний, если отсутствуют силы, способные нейтрализовать такое
стремление, а механизмы реализации созидательной тенденции обеспечивают создание и
поддержание неравновесных состояний, из которых возможны переходы с нарастанием организованности системы. Такие механизмы объединены понятием самоорганизации материи.
Самоорганизация материи проявляет себя только в кризисных этапах развития, когда создаются условия для проявления созидательной тенденции. Особенность таких механизмов проявляется в возникновении коллективных действий элементов, составляющих системы, чем
обеспечивается когерентный переход системы в качественно новое состояние с более высоким уровнем организации, чем в исходном состоянии. Благодаря существованию созидательной тенденции развития, в Мире появляются новые образования, ранее в явном виде в нем не
присутствовавшие.
В развитии вещественной Вселенной от начала и до сегодняшнего дня в целом наблюдается господство созидательной тенденции. Но каждая возникающая в ходе развития Вселенной
подсистема подпадает под действие обоих тенденций и проходит в своем развитии как эпоху
господства созидательной тенденции (от рождения и до кульминации), так и сменяющую ее
эпоху господства разрушительной тенденции, приносящую угасание. Возможно, что и в развитии вещественной Вселенной будет достигнута кульминация и начнется угасание, но эта
перспектива теряется в туманном далеке.
Процесс развития вещественной Вселенной обнаруживает интересную и, видимо, принципиально важную особенность. Гипотеза горячей Вселенной, обеспечившая реконструкцию ее
важнейших прошлых состояний, показала исторический характер такого развития. Более того,
этот исторический путь характеризуется направленностью от относительно более простых к
более сложным состояниям, от исходного однообразия – к нарастающему со временем разнообразию элементов, систем и процессов. В образовавшейся в ходе такого развития иерархии
разномасштабных подсистем также наблюдается исторический характер их развития с признаками направленности. Такие признаки отмечаются у Солнечной системы, у Земли, как
планеты, на которой существуют развитые формы жизни, в развитии биосферы, человеческого сообщества, да и в развитии любого земного организма.
Так, в развитии Солнечной системы отмечаются этапы образования Солнца, возникновения возле него планетной системы, появление высочайшей устойчивости Солнца вместе с
планетами, определенные процессы развития самих планет, возникновение жизни в этой системе. В отдаленном будущем предсказывается завершение жизненного цикла Солнца и развал
103
всего, что было с ним связано. Четко прослеживается направленный исторический путь развития земной биосферы. Этот путь начался с появлением простейших одноклеточных организмов, далее последовало возникновение многоклеточных организмов, появление высших
растений и животных, процесс нарастающей цефализации вплоть до появления носителя разума – Человека, создавшего социальное сообщество людей, человечество. Любой земной организм обнаруживает исторический процесс направленного биологического развития. Но сейчас биосфера и еѐ составная часть – человечество, испытывают нахождение в кризисном состоянии, выход из которого неоднозначен.
Сегодня невозможно игнорировать существование в Природе направленного исторического развития высокоорганизованных открытых систем. Тем не менее, далеко не всеми признается даже сам факт существования направленности развития. Ведь признание такого феномена означает косвенное признание того, что в Природе существует целенаправленность в процессах, протекающих без участия человека, что совсем недавно расценивалось как протаскивание в науку чуждых ей теологических представлений. Между тем, факт существования целенаправленности без участия человека имеет веские научные подтверждения, не имеющие
ничего общего с привнесением в науку чуждых ей идей.
В 1953 году в журнале «Nature» появилась статья Ф.Крика и Дж.Уотсона, раскрывшая
существование тонко организованного механизма стабильной и надежной передачи наследственных признаков из поколения в поколение. Этот же механизм программно управляет биологическим развитием каждого земного организма, от бактерии и амебы до высших животных
и человека. Подозрения, что за вскрытыми Г. Менделем эмпирическими законами передачи
наследственных признаков стоит некое «организующее начало», возникло давно, получив, в
том числе и объяснение о вмешательстве в этот процесс божественной сущности. После сделанного в биологии великого открытия это «организующее начало» предстало перед учеными
во всей своей красоте и сложности. Оказывается, что существуют природные процессы, в которых развитием управляет информация, содержащаяся в закодированном виде в самой развивающейся системе. Открытие стало прецедентом, позволяющим подозревать, что за каждым случаем, когда в исторически направлено развивающейся системе проявляется закономерный порядок, стоит пока неизвестное организующее начало, в основе которого возможно
обнаружить информацию о будущем такой системы вместе с механизмом реализации этой
информации. В широком плане такая возможность анализируется в [61].
Можно утверждать, что наблюдаемую направленность развития объяснить случайными
причинами невозможно. Направленность возникает как результат того, что в цепочке кризисных ситуаций, возникающих на протяжении исторического развития системы, возникают
только созидательные выходы в качественно новые состояния, причем последовательность
таких выходов во всей цепочке должна быть жестко согласованной. Проницательный читатель скажет, что все сказанное означает существование у такой системы цели развития. Не
исключено. Ведь и у генетической программы тоже существует цель – создать организм с определенными признаками. Здесь нам необходимо остановиться. Исследователь не может и не
должен уклоняться от обнаруживаемых природных явлений. Но при этом не следует заниматься измышлением гипотез, для появления которых наука не подготовила условий.
Развить затронутую проблему поможет следующая глава, посвященная глобальному примеру направленного развития вещественной Вселенной, которая в целом является высокоорганизованной открытой развивающейся системой.
4.2.Феномен "тонкой подстройки вселенной".
Прежде чем излагать суть феномена, уточним вопрос о роли случайности в нашем мире.
От научного мировоззрения XIX века к нам "по наследству" перешла убежденность, что естественные процессы, в которых не участвует человек, не могут протекать "целенаправленно".
Ранее уже обсуждался другой штамп, внедренный статистической физикой, о безусловном
господстве в нашем окружении статистических законов физики. Первый штамп заставила пересмотреть генетика, второй – теория самоорганизации. Но оба эти обстоятельства не упразд-
104
няют в целом существование случайности как таковой. Однако, по складывающимся представлениям, случай проявляет себя только на кризисных этапах развития
Теория самоорганизации иначе, чем раньше, решает вопрос о соотношении случайного и
закономерного. Плавные эволюционные этапы развития систем жестко детерминированы,
поведение систем предсказуемо и, в принципе, управляемо. В критических же точках (точки
бифуркаций), достигаемых системой на завершающих стадиях эволюционного процесса, господствует случайность. В таких точках предугадать возможное устойчивое состояние, в которое перейдет система, можно в лучшем случае вероятностно. Появление случайности в процессе развития – это возникновение на пути движения точки бифуркации. Такой взгляд на
случайность отличается от представлений недавнего прошлого.
Концепция развития, сложившаяся в XIX веке, рассматривала появление и нарастание
упорядоченности в Мире как результат либо флуктуации, либо случайного перебора вариантов, происходящего непонятно каким образом. ХХ век раскрыл необычайно высокую степень
сложности не только жизни, но и всей Природы в любой ее части. К этому присоединилось
знание того, что для перебора вариантов Природа не располагает бесконечным временем, как
предполагалось раньше. А что можно достичь случайным перебором вариантов для получения сложной системы? В несколько утрированной форме подобный процесс можно представить на таком мысленном примере.
Допустим, что создан робот, умеющий быстро и качественно монтировать радиодетали на
платах, а готовые платы устанавливать в блоках, и опять же случайным образом соединять
между собой. Но у робота отсутствует целевая программа монтажа и все операции он выполняет, подчиняясь случайным командам. Извлекая из кучи деталей какую-то одну, робот ставит ее на случайное место и случайным образом соединяет с другими деталями на плате.
Столь же случайно он устанавливает плату в блоке и соединяет ее с другими платами, а затем
случайным образом соединяет между собой блоки. Какова вероятность того, что робот, перебирая варианты, когда-нибудь соберет цветной телевизор? Ответ ясен без каких-либо подсчетов: если время работы робота конечно, то никогда. Если же его труд продолжится бесконечно во времени, то теоретически есть маленький шанс случайного создания цветного телевизора. На самом деле в такой постановке задача сильно упрощена, ведь предполагается, что в куче находятся все необходимые детали для сборки именно цветного телевизора. Но их еще
нужно придумать и создать! Не мешает добавить к сказанному, что жизнь многократно сложнее цветного телевизора.
Как выглядит та же мысленная проблема создания цветного телевизора, если исходить из
представлений современной научной концепции развития? Прежде всего, отбрасывается, как
абсурдное, допущение о возможности создать телевизор методом случайных переборов чего
бы то ни было. Телевизор появляется как закономерный результат технического развития определенной области человеческого знания и технологического умения. В этом процессе возможны случайные обстоятельства, под их влиянием облик телевизора мог бы быть и не таким,
каким мы его знаем сегодня, он мог бы возникнуть раньше или позже, но он не мог не возникнуть. В процессе создания и совершенствования телевизора были эволюционные, плавные
этапы, время от времени они прерывались скачкообразными переходами в качественно новые
состояния. Первый решающий скачок – открытие электромагнитных волн сначала радиодиапазона, а затем значительно более коротковолновых диапазонов длин волн. За ним последовал
в целом эволюционный этап развития технических средств генерирования, передачи и приема
таких волн сначала в радиодиапазоне, а затем и в СВЧ-диапазоне длин волн. Следующий решающий скачок – создание электронно-лучевой трубки, после чего начался этап разработки и
совершенствования схем развертки луча, его модуляции, создания качественно новых электронных пушек, люминофоров и других элементов. Новый скачок – объединение электроннолучевой трубки с радиоаппаратурой, передача и прием изображения на расстоянии. Последующая эволюция создала развернутую сеть телевидения, технологию массового изготовления и обслуживания телевизоров и т. д. Лишь после этого открылись возможности для последнего качественного скачка – создания цветного телевизора.
105
Законы развития техники отражают более общие законы развития Природы. Но техника
порождена человеческой научной мыслью, движущей и направляющей силой развития, источником необходимой информации в этом случае выступает человеческий разум и созданный им научный аппарат. В природе эти функции выполняет сама материя с ее способностью
к самоорганизации, а с появлением разума – и со способностью самоосмысления.
Развивая тему случайности, мы можем задать серию вопросов: случайна ли Вселенная в
доступном нашему наблюдению облике, случаен ли человек во Вселенной и ряд других. При
поиске ответов на такие вопросы необходимо учитывать следующее. Современная космология тесно связана с физикой вещества, поскольку появилось понимание, что устройство и
путь развития Мегамира (Вселенной) определяются свойствами составляющих его частиц
Микромира – протонов, нейтронов, электронов и других. При описании Микромира физики
давно пользуются набором фундаментальных констант, называемых физическими постоянными (ФП). К ним относят: скорость света в вакууме, которая определяет предел достижимых
скоростей в Мире, постоянную Планка, которая фактически определяет минимальные значения дискретных порций энергии в микромире, гравитационную постоянную, определяющую
удельную силу притяжения между вещественными частицами, обладающими массами, заряд
и массу электрона, заряд и массу протона, константы четырех фундаментальных взаимодействий и некоторые другие. Значения всех ФП получены экспериментально и пока не существует
теоретических подтверждений их значений и того, что все они действительно являются константами. Также нет указаний на то, что все значения ФП как-то связаны друг с другом. Тем
не менее, постулируется, что ФП неизменны во всех известных нам уголках Вселенной. Правомерность этого утверждения не бесспорна. Так, согласно теории Большого Объединения
(единство электрослабого и сильного взаимодействий) константы фундаментальных взаимодействий не являются таковыми, поскольку при очень высоких энергиях частиц они существенно меняют свои значения. В свое время Макс Планк выдвинул предположение, что, по
крайней мере, некоторые ФП изменяют свои значения с течением времени. В наши дни астрофизики нашли возможность проверить это предположение и показали, что с высокой степенью точности на протяжении 10 миллиардов лет значения этих ФП оставались без изменений.
Тем не менее, в таких условиях правомерным представляется возникший у физиков "наивный" вопрос: почему известные значения ФП такие, а не какие-нибудь другие, и что стало бы
с Вселенной, если бы значения одной или нескольких ФП оказались иными? С этого вопроса
и начался феномен "тонкой подстройки" Вселенной, а с относящимися к нему подробностями
можно ознакомиться, например, в [62, 22].
Теоретическая физика располагает расчетными методами, обоснованными современным
знанием Микромира, позволяющими проверить подобные предположения. Задавая те или
иные отклонения конкретной ФП от ее известного значения, определяют следствия, к которым такое отклонение приводит микромир и Вселенную. Результаты расчетов показали, что
достаточно изменить даже одну константу в пределах всего 10 – 15% и Вселенная выродится,
в ней не смогут образовываться основные устойчивые структуры – ядра, атомы, звезды, галактики и другие упорядоченные системы. Так, увеличение постоянной Планка более чем на
15% лишает протон возможности объединяться с нейтроном, что делает невозможным протекание нуклеосинтеза и образование составных ядер. Уменьшение массы протона на 10% открывает возможность для образования устойчивого ядра 2Не (при нынешней массе протона
этот изотоп гелия крайне неустойчив), в результате чего произошло бы выгорание всего водорода. Тем самым стало бы невозможным образование водородно-гелиевой Вселенной с галактиками, звездами и всеми другими составными ее частями. Оказывается, Природа с высокой
точностью "подогнала" большое число представляющихся нам независимыми параметров
микромира, при которых возможно существование Развивающейся Вселенной.
Но это далеко не всѐ, существование взаимосогласованного пакета значений ФП еще не
обеспечивает направленное развитие Вселенной. Можно долго перечислять факты "случайных" совпадений обстоятельств, без которых направленное развитие оборвалось бы на некотором промежуточном этапе и не получило бы завершения, которое наблюдается сегодня.
106
Так, небольшая асимметрия между веществом и антивеществом позволила на ранней стадии
образоваться барионной Вселенной, без чего она выродилась бы в фотонно-лептонную пустыню. Неустойчивость нуклонов с атомными числами 5 и 8 прервала первичный нуклеосинтез
на стадии образования ядер гелия, благодаря чему смогла возникнуть водородно-гелиевая
Вселенная. Наличие у углерода 12С возбужденного уровня с энергией, почти точно равной
суммарной энергии трех ядер гелия (альфа-частиц), создало возможность для протекания
звездного нуклеосинтеза, в ходе которого образовались все элементы таблицы Менделеева
более тяжелые, чем водород и гелий. Расположение у ядра кислорода энергетических уровней опять же случайно оказалось таким, что не позволило в процессах звездного нуклеосинтеза превратиться всем ядрам углерода в ядра кислорода, а углерод, как известно, это основа
органики и жизни. Перечень подобных "случайностей" далек от завершения. Вероятность каждой из них очень мала, но совместное их случайное возникновение просто невероятно.
Совокупность многочисленных случайностей такого рода вместе с наличием строго определенного пакета взаимосогласованных значений ФП и была метко названа П. Дэвисом [22]
"тонкой подстройкой Вселенной". Существование этого феномена указывает на высочайшую
степень организованности Вселенной. Не менее удивительные совпадения похожего жанра
встречались нам при рассмотрении процессов, связанных с возникновением и развитием жизни. Поскольку устройство Макромира определяется свойствами составляющих его микрочастиц, то только при наличии "тонкой подстройки" развитие вещественной Вселенной может
протекать по восходящей, путем создания элементов нарастающей сложности и систем с возрастающими уровнями структурной и функциональной упорядоченности. В нашем Мире это
привело, в частности, к появлению жизни и разума на планете Земля. С позиций случайности
отмеченных многочисленных совпадений сам факт существования Развивающейся Вселенной
предстает как невероятное событие. Но ведь никто не заставляет нас считать подобные факты
результатом случайных совпадений. Почему бы не поставить вопрос так: существуют пока
непознанные закономерности, со следствиями которых мы столкнулись в феномене "тонкой
подстройки" и которые способны организовать Вселенную определенным образом. Такая постановка вопроса требует отказа от ряда стереотипов научного мышления недавнего прошлого, что хорошо иллюстрируется дискуссией, развернувшейся вокруг так называемого антропного принципа. Этот принцип широко обсуждается на научных семинарах, в научной, научнопопулярной и философской литературе, где он получает самые различные толкования. В обсуждениях раскрываются два противоположных подхода к одной из основных мировоззренческих проблем – случаен ли наш Мир и случаен ли человек в нем? Рассмотрим суть антропного принципа и споров вокруг него.
4.3 Антропный принцип
На определенном этапе направленного развития Вселенной может появиться "наблюдатель", способный обнаружить "тонкую подстройку" и задуматься о породивших ее причинах.
Все мы тому наглядный пример. У наблюдателя, обладающего нашей системой восприятия
мира и нашей логикой, неизбежно возникнет вопрос: случайна ли обнаруженная им "тонкая
подстройка" Вселенной или она предопределена каким-то глобальным процессом самоорганизации? За этим вопросом скрыт обширный подтекст. В частности, выплывает давняя проблема, волнующая человечество на протяжении всей его сознательной истории: занимаем ли
мы выделенное положение в этом мире. Признание феномена "тонкой подстройки" закономерным природным явлением приводит к заключению, что с самого начала во Вселенной потенциально заложено появление на определенном этапе ее развития "наблюдателя". Тем самым признается выделенность Вселенной и порождаемого ею "наблюдателя". В своем крайнем выражении подобное допущение может быть истолковано так, что создание условий для
появления "наблюдателя" и есть цель развития Вселенной. Но в рамках нового научного
мышления предлагается более разумный и скромный подход, признающий, что "наблюдатель" – это только ступень к решению последующих задач развития. Правда, такое заключение равносильно признанию существования у Природы некоей цели, что еще недавно счита107
лось недопустимым. Над многими умами даже в условиях лавинного развития информатики
все еще довлеют представления о случайном, стохастическом характере основных природных
процессов, и для них более приемлемым выглядит объяснение "тонкой подстройки", исходящее из предположения о случайном возникновении этого маловероятного феномена. Однако,
в свете открытий ХХ века обосновать выбор такого взгляда на наш Мир затруднительно.
Антропный принцип в современном виде сформулировал Картер в 70-е годы в двух вариантах. Первый из них получил наименование слабого антропного принципа: "То, что мы
предполагаем наблюдать, должно удовлетворять условиям, необходимым для присутствия
человека в качестве наблюдателя". Второй вариант назван сильным антропным принципом:
"Вселенная должна быть такой, чтобы в ней на некоторой стадии эволюции мог существовать
наблюдатель". Слабый антропный принцип не вызывает разночтений, в ходе эволюции Вселенной могли существовать самые различные условия, но человек-наблюдатель видит только
такой мир, в котором он может появиться и существовать. Человек не мог наблюдать раннюю
Вселенную, понадобились миллиарды лет после "начала", в течение которых Вселенная расширялась и преобразовывалась, прежде чем сформировались условия для появления в ней
человека. В эти прошлые эпохи своего существования должна была сформироваться водородно-гелиевая Вселенная, в ней должны были возникнуть сначала крупномасштабные, а затем и
мелкомасштабные структуры, в недрах появившихся звезд должны были образоваться элементы, более тяжелые, чем водород и гелий, затем среди звезд последующих поколений
должны были появиться планетные системы и так далее. Понятно, что человек не мог наблюдать перечисленные стадии развития Вселенной, в них для него не было места. Но все эти
стадии могли протекать лишь в мире, где существовала "тонкая подстройка". Поэтому после
своего появления человек увидел то, что было предопределено ему увидеть: современную
Вселенную и наличие в ней "тонкой подстройки".
Более серьезное содержание заложено в сильном антропном принципе. Но комментарии к
нему неоднозначны, в них закладываются разные основополагающие предпосылки. Если признать, что Вселенная закономерно организована, то это влечет за собой признание существования принципа, организующего ее. Противоположная предпосылка утверждает случайность
и Вселенной, и "тонкой подстройки", однако признается, что если "тонкая подстройка" случайно возникла, то последующее развитие протекает закономерно, и в такой вселенной в положенное время появляется наблюдатель. Для обоснования этой предпосылки вводятся новые сущности. Постулируется возможность появления случайных значений физических постоянных и случайных физических законов. В дополнении к этому необходимо допустить, что
одновременно рождается огромное множество вселенных, в каждой из которых набор ФП и
физических законов случайны. Подавляющее большинство таких вселенных оказывается вырожденными, неспособными к развитию, а в некоторых из них, или даже только в одной из
всех, случайно возникает "тонкая подстройка", в ней обеспечивается появление на определенном этапе развития "наблюдателя", который увидит вполне благоустроенный мир, о случайном возникновении которого не сможет даже подозревать. Существуют варианты гипотезы
множественного рождения вселенных (кстати, сама по себе такая гипотеза вполне допустима,
хотя проверить ее в обозримом будущем невозможно), которые сглаживают отдельные шероховатости, но суть дела от этого не меняется.
Другой подход опирается на признание закономерного устройства вещественной Вселенной, выступающей как крупная самоорганизующаяся система. В этом предположении самоорганизация с присущей ей информативностью является тем принципом, который ее организует.
"Тонкая подстройка" изначально заложена в единственной вселенной (или в каждой из многих возникающих вселенных). Значения ФП и характер физических законов предопределены
глубинными свойствами материи, до которых наука еще не добралась. При таком подходе
возникают проблемы иного плана. Если "тонкая подстройка" изначально заложена в системе,
то последующее развитие такой системы запрограммировано и появление на определенном
этапе "наблюдателя" предопределено. В родившейся Вселенной потенциально было заложено
ее будущее, а сам процесс развития носит направленный характер. Появление разума не толь108
ко "запланировано", но и имеет некое предназначение, которое проявит себя в ходе дальнейшего развития. С таких позиций разум, не соответствующий своему предназначению, не может выжить в столь упорядоченной вселенной.
Не кажется ли читателю, что положение в вопросе о направленном развитии Вселенной похоже на
то, которое возникло после открытия Менделем законов передачи наследственных признаков, но до
снятия с этого явления покрывала таинственности? В качестве аналогии приведу еще один мысленный
пример. Представим себе некоего наблюдателя, незнакомого с земными формами жизни вообще и с
генетическим механизмом их развития в частности. Этот наблюдатель стал свидетелем развития зародышевой клетки достаточно сложного земного многоклеточного организма. Он увидел, как исходная
оплодотворенная клетка начала делиться, как зародыш стал приобретать нарастающие по сложности
пространственные формы, а среди клеток стал протекать процесс их дифференциации и специализации. В конечном итоге сформировался новый организм, в своих главных чертах воспроизводящий облик родителей. Более того, после рождения этого организма его последующее биологическое развитие
продолжает управляться все тем же непонятным организующим началом. У наблюдателя возникнет
масса вопросов: что заставляет клетки делиться, как они узнают о своем пространственном расположении, о своей специализации, о том, какие именно органы и на каких местах должны при этом возникнуть, почему и как облик, биологическая и отчасти духовная структура нового организма наследуются от родителей и многие другие подобные вопросы. Сомнительно, чтобы наблюдателю при виде
такого необычайно сложного процесса развития показалась бы приемлемой идея трактовать увиденное
как случайный, стохастический (вероятностный) процесс. Ведь в этом процессе слишком явно присутствует некое организующее начало. И если время, знания и техническая оснащенность позволят ему
провести глубокие исследования, то он узнает о существовании генома, содержащего программу развития организма от зарождения до финала, узнает о материальных носителях программы, о коде, в
котором она записана, и о многом другом, что превратит исходную догадку в конкретное знание.
Конечно, масштабы Вселенной несравнимы с земными масштабами, а природа многих протекающих в ней процессов нам незнакома. Но, с другой стороны, земная жизнь – это очень малая часть гигантского целого, называемого Вселенной. А то, что доступно части, без сомнения доступно и всему
целому. Признав это, следует без протеста принять гипотезу о возможном существовании «организующего начала», определяющего характер направленного развития Вселенной и отдельных ее частей.
И если человечество не самоуничтожится в глобальном конфликте, если оно справится, а еще лучше,
предотвратит экологическую катастрофу и сохранит при этом способность познавать себя и окружающий Мир, то не исключено, что одной из главных задач научного поиска недалекого будущего
станет осознание человечеством своего предназначения в Развивающейся Вселенной.
109
ЛИТЕРАТУРА
Вернадский В.И. Размышления натуралиста. М.: Наука, 1977
Physical Rev. Letters, 1986, v. 59, N 3, p.263 – 265 (US)
Astronomy and Astrophysics, 1990, v. 236, p. 99 – 106
M. Arnabaldi, K.S. Freemen, H. Ford, X. Hui, M. Capaccioli, ESO Press Release, 1994, 15 April
Ровинский Р.Е. Загадка темной энергии, Вопросы философии, №12, с.103, 2004
Пригожин И., Стенгерс И., Порядок из хаоса, Эдиториал УРСС, М.: 2001
Шредингер Э. Что такое жизнь с точки зрения физики? М.: ГИИЛ, 1947;
Пригожин И. Время, структура и флуктуации (Нобелевская лекция). УФН, 1980, т.131, с.185;
Капица С.П., Курдюмов С.П., Малинецкий Г.Г., Синергетика и прогнозы будущего,
М.: «Наука», 1997
10. Князева Е.Н., Курдюмов С.П., Будущее и его горизонты: синергетическая методология
в прогнозировании. Труды семинара, т.4, М.: Изд. МГУ, с.5, 2001
11. Пригожин И., Стенгерс И, Время, хаос, квант. Эдиториал УРСС, М.: 2001
12. H.Haken, Synergetics, an introduction. Nonequilibrium phas-transitions and self-organization
in physics, chemistry and biology. Springer, 1977. Хакен Г., Синергетика, М.: «Мир», 1985
13. Гленсдорф П., Пригожин И. Термодинамическая теория структуры, устойчивости, флуктуаций.
М.: Мир,1975; Glansdorff P., Prigogine I. Thermodynamic theory of structure, stability, and
fluctuations, N.Y., Wiley-Interscience, 1971
14. Данилов Ю.А., Кадомцев Б.Б., Что такое синергетика. М.: 1983
15. Арнольд В.И. Теория катастроф. М.: Наука, 1990
16. Постон Т., Стюарт И. Теория катастроф и ее приложения. М.: Мир, 1980
17. Пригожин И. От существующего к возникающему. М.: Наука, 1985; Prigogine I. From Being
to Becoming. W.H. Freeman and Company. 1980
18. Николис Г., Пригожин И., Познание сложного. М.: Мир, 1989 Nicolis G., Prigogine I Exploring
Complexity. W.H. Freeman and Company, New York, 1989
19. Пригожин И., Философия нестабильности, Вопросы философии, №6, с.46, 1991
20. Зельдович Я.Б. Возможно ли образование Вселенной "из ничего"? "Природа", 1988, № 4, с.16
21. Хокинг С. Край Вселенной. "Природа", 1985, № 4, с. 21
22. Девис П. Случайная Вселенная. М.: Мир, 1985
23. Линде А.Д. Раздувающаяся Вселенная. Успехи физических наук (УФН), 1984, т.144, с.177
24. Окунь Л.Б. Физика элементарных частиц. М.: Наука, 1988
25. Фундаментальная структура материи. Сб. под ред. Дж. Малви. М.: Мир, 1984; The Nature of
Matter. Edited by J.H.Mulve Clarendon Press Oxford. 1981
26. Етиро Намубу. Кварки. М.: Мир, 1984
27. Фридман Д., Ван Ньювенхойзе П. УФН, 1979, т. 128, с. 135
28. Березинский В.С., Объединенные калибровочные теории и нестабильный протон.
"Природа",1984, № 11, с.24
Хоофт Г. Калибровочные теории сил между элементарными частицами. УФН, 1981, т.135, с.479
Джорджи Х. Единая теория элементарных частиц и сил. УФН, 1982, т.136, с.287
29. Долгов А.Д., Зельдович Я.Б. Космология и элементарные частицы. УФН, 1980, т.130, с.559
30. Вайнберг С. За рубежом первых трех минут. УФН, 1981, т.134, с.333
31. Хокинг Стивен, Краткая история времени, Санкт-Петербург, 2001
32. Физика космоса (энциклопедия) М.: Советская энциклопедия, 1988
33. Шкловский И.С. Звезды: их рождение, жизнь и смерть. М.: Наука, 1984
34. Гуревич Л.Э., Чернин А.Д. Происхождение галактик и звезд. М.: Наука, 1983
35. Шандорин С.Ф., Дорошкевич А.Г., Зельдович Я.Б. Крупномасштабная структура Вселенной.
УФН, 1983, т.139, с.83
36. Хокинг С. Черные дыры и молодые Вселенные, Санкт-Петербург, Амфора/Эврика, 2001
37. Сучков А.А. Галактики знакомые и загадочные. М.: Наука, 1988
38. Эйнасто Я.Э., Яанисте Я.А., В поисках крупномасштабной структуры Вселенной.
"Природа", 1982, № 12, с.80
39. Зигель Ф.Ю. Вещество Вселенной. М.: Химия, 1982
40. Фаулер У. Экспериментальная и теоретическая ядерная физика, поиск происхождения
элементов, УФН, 1985, т.145, с.441
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
110
41. Фишер Д. Рождение Земли. М.: Мир, 1990
42. Бронштэн В.А. Планеты и их наблюдение. М.: Наука, 1979
43. Альвен Х., Аррениус Г. Эволюция Солнечной системы. М.: Мир, 1979
44. Шкловский И.С. Вселенная, жизнь, разум. М.: Наука, 1973
45. Флоренский К.П. и др. Очерки сравнительной планетологии. М.: Наука, 1981
46. Маров М.Я. Планеты Солнечной системы. М.: Наука, 1986
47. Шварцбах М. Великие памятники природы. М.: Мир, 1973;
M.Schwarzbach, Wissenschaftliche
Verlagsgeselschaft MRH, Stuttgart, 1970
48. Барсуков В.Л., Базилевский А.Т. Геология Венеры. "Природа", 1986, № 6, с.24
49. Браун Д., Массет А. Недоступная Земля. М.: Мир, 1984
50. Войткевич Г.В. Происхождение и химическая эволюция Земли. М.: Наука, 1983
51. Рутен М. Происхождение жизни. М.: Мир, 1973; M.G.Rutten, The origin of life by natural
causes. Elsevier Publishing Company, Amsterdam. London. New York, 1971
52. Бернал Дж. Возникновение жизни. М.: Мир, 1969; J.D.Bernal, The origin of life. Weidenfeld and
Nicolson, 5 Winsley St. London WI 1967
53. Николов Т. Долгий путь жизни. М.: Мир, 1984
54. Кизель В.А. Физические причины дисимметрии живых систем. М.: Наука, 1985
55. Морозов Л.Л. Поможет ли физика понять, как возникла жизнь? "Природа", 1984, № 12, с.35
56. Тейяр де Шарден П. Феномен человека. М.: Наука, 1987; P.Teilhard de Chardin.
La phenomene humain. Editions de Seuil Paris, 1955
57. Волькенштейн М.В. Сущность биологической эволюции. УФН, 1984, т.143, с.429
58. Розанов А.Ю. Что произошло 600 миллионов лет назад. М.: Наука, 1986
59. Белинцев Б.Н. Диссипативные структуры и проблема биологического формообразования.
УФН, 1983, т.141, с.52
60. Вернадский В.И. Научная мысль как планетное явление. М.: Наука, 1991
61. Фейгенберг И.М., Ровинский Р.Е. Информационная модель будущего как программа развития.
Вопросы философии, 2000, №5, с.76
62. Розенталь И.Л. Физические закономерности и численные значения фундаментальных
постоянных. УФН, 1980, т.131, с.230
111
112