Понятие эволюции
Эволюция - развитие системы, её постепенное преобразование. Иногда под эволюцией понимают медленное развитие, своего рода накопление количественных изменений. Эти спокойные этапы чередуются с быстрыми, на которых происходит качественное преобразование системы или же её замена другой, новой системой. В последнем случае этап выглядит как скачок, почти мгновенный переход из одного состояния в другое, но с обязательной «памятью» о прежнем. В зависимости от вида системы качественные скачки называют либо революцией, либо «катастрофой». В математике скачкообразные процессы описываются специальной «теорией катастроф». В нашем курсе термин «эволюция» трактуется в обобщенном смысле. Революции, катастрофы и другие качественные трансформации мы рассматриваем как этапы единого процесса эволюции.
Таким образом, термин «эволюция мира» фактически включает в себя всё, что произошло и происходит во Вселенной от её рождения до нынешнего состояния.
Вселенная - это весь наблюдаемый материальный мир. Близок к нему термин «Метагалактика» - это то, что мы в состоянии наблюдать, своего рода реальный компонент Вселенной. Во Вселенной имеют место также виртуальные объекты, явления и процессы; в естествознании «виртуальный» означает мыслимый, но ненаблюдаемый. По современным представлениям размеры Метагалактики оцениваются примерно в 1010 световых лет, при этом один световой год равен примерно 1016 метров - то расстояние, которое свет, имея скорость с = 3.108 м/с, проходит за один земной год.
Элементарные частицы материи
«Элементарные» означает самые простые, не сводимые к другим. Таких частиц в физике известно много, но для качественного описания достаточно пяти «корпускул». Это фотон, нейтрино, электрон, протон и нейтрон. Фотон, или квант света, или квант электромагнитного излучения - частица с массой покоя, равной нулю, существующая только в состоянии движения со скоростью света. Нейтрино - легкая частица, её масса покоя очень мала и пока что неизмерима. Нейтрино участвует в гравитационном и в так называемом слабом взаимодействиях. Нейтрино и фотон электрически не заряжены. Электрон - заряженная частица с элементарным зарядом е = - 1.6·10-19 Кл и массой покоя m0 = 9.1·10-31 кг. Протон и нейтрон (нуклоны) примерно в 1840 раз массивнее электрона. Протон имеет положительный элементарный заряд, нейтрон электрически нейтрален, за что он и получил свое имя. Из протонов и нейтронов состоят атомные ядра; системы «ядро + электроны» - это атомы. У каждого вида частиц есть античастицы. Когда-то они рождались парами: нейтрино и антинейтрино, электрон и позитрон, нуклон и антинуклон. Антифотон - исключение, он полностью идентичен фотону. При встрече частица и античастица обязательно аннигилируют, то есть исчезают, порождая вместо себя два или три фотона («масса превращается в энергию»). Есть и обратная реакция - при столкновении фотонов большой энергии возможно рождение вещественных пар «частица - античастица».
Эволюция мира
Великие умы человечества придумали множество умозрительных теорий о строении, происхождении, развитии Вселенной и её подсистем - галактик, Солнца, планеты Земля, человека и его мышления. В основе религиозных теорий - идея разовых созидательных деяний Бога. Характерно, что во всех религиях мира явно или неявно присутствует мысль о создании времени вместе с Вселенной и законами её бытия. Поэтому основным признаком конца мира будет исчезновение времени. («…что времени уже не будет». Откровения св. Иоанна Богослова, гл.10, стих 6.) Те же, кто не принимал идеи божественного вмешательства, полагали, как правило, что окружающий мир существовал всегда и будет существовать вечно. Поэтому никаких «начала» и «конца» быть не может. Аристотель, считал, что не только среда обитания, но и сами люди существовали вечно, а их цивилизации периодически исчезали из-за потопов и затем стартовали вновь, чередуя тем самым быстрые и медленные этапы своего развития. В теории Канта предполагалось, что Солнечная система возникла из «первоначальной туманности», но откуда взялась эта самая туманность – ни слова. Содержание и изящество многих теорий и картин ничем не были обоснованы, так как все они базировались лишь на свободном полете разума и не опирались на какие-либо реалии. В них нет достоверных сведений о первооснове и первопричине. В настоящее время наиболее адекватной является теория «Большого взрыва», или теория «горячей Вселенной». В 1916 году Альберт Эйнштейн в рамках созданной им общей теории относительности дал научную картину устройства Вселенной. Основу картины составляло представление о том, что пространство и время, во-первых, активно влияют на все, что происходит во Вселенной, а во-вторых, что они сами изменяются под воздействием событий, происходящих во Вселенной. Сама Вселенная в теории Эйнштейна предполагалась стационарной, то есть существующей вечно. Он полагал: во всем пространстве существует некоторая средняя плотность материи, которая отлична от нуля и в большом масштабе всюду одна и та же.
Однако совместная математическая модель этих двух предположений потребовала введения в уравнения некоторого параметра в виде «космологической постоянной», не имеющей никакого естественного обоснования. Эту постоянную Эйнштейн ввел, опираясь только на свою веру в стационарность Вселенной и доверяя математике как языку науки. Но в 1923 году ленинградский геофизик и математик Александр Александрович Фридман показал, что более естественно и красиво выглядят решения тех же уравнений, освобожденных от «космологической виртуальности». В решениях Фридмана «радиус мира» зависит от времени. Иными словами, теория требовала расширения или сжатия Вселенной. Этот вывод теории в первые годы представлялся очень странным, для многих - просто абсурдом.
В 1928 году Эдвин Хаббл, исследуя свечение внегалактических туманностей с помощью спектральной аппаратуры, обнаружил «красное смещение спектральных линий», которое было тем больше, чем дальше от нас туманность. Такое смещение возникает, если источник света удаляется от наблюдателя с заметной скоростью (эффект Допплера). Физически такой наблюдаемый факт означал всестороннее расширение системы звезд, или разбегание галактик. Тем самым было экспериментально подтверждено, что решения Фридмана - не каприз ума ученого, а реальность. Радиус Вселенной непрерывно увеличивается. Но если это так, то логично предположить, что когда-то Вселенная была очень маленькой, и тогда у неё должна быть «дата рождения». Она же – дата рождения пространства и времени, ибо, как писал Эйнштейн, «никакой пространственно-временной континуум не может существовать без порождающей его материи». По измерениям Хаббла начало расширения было всего лишь 109 лет тому назад. В дальнейшем более точные эксперименты дали для возраста Вселенной величину около 13.109 лет. 13 миллиардов земных лет, но это не означает, что наша планета родилась тогда же. В первой половине 20-го столетия физики, астрономы, астрофизики путем обобщения экспериментальных данных по спектрам светового излучения небесных объектов установили, что химический состав вещественной части материи во всей Метагалактике (наблюдаемой Вселенной) идентичен. Везде одни и те же химические элементы, известные землянам по таблице Менделеева. «Вселенское» единство вещества означало, что оно либо имеет один и тот же источник, либо возникает всюду по одним и тем же законам.
В 1948 году Георгий Анатольевич Гамов (он же Дж. Гамов, гражданин США с 1934 г.) вместе с Гансом Бете и Ральфом Альфером опубликовал работу, в которой была построена непротиворечивая картина «горячей Вселенной», возникшей в результате «Большого Взрыва». Анализируя созданную физико-математическую модель, Гамов пришел к выводу, что фотоны, излученные в пространство на одной из ранних стадий развития Вселенной, должны «быть живы» до сих пор, хотя это реликтовое излучение порядком остыло («состарилось»). В 1965 году это излучение было обнаружено экспериментально. Его экспериментально измеренная температура оказалась около 2,7 К, а возраст близким к 1010 лет, то есть к тем же значениям, что были получены из анализа красного смещения в линиях излучения разбегающихся во все стороны галактик. Это означало, что модель Гамова вполне правдоподобна.
Наблюдаемые факты: однородность химического состава Вселенной, наличие непрерывного расширения и наличие реликтового излучения вместе составили естественное обоснование горячей модели большого взрыва, модели рождения нашего мира. В этой модели принято, что от рождения до наших дней эволюция Вселенной описывается теорий Фридмана.
В теории большого взрыва и его последствий расширение Вселенной сопровождается охлаждением вещества и излучения. Температура падает обратно пропорционально размерам Вселенной. Как известно из школьной физики, температура есть мера средней энергии движения частиц (их скорости). Если корпускулы двигаются очень быстро, то они имеют возможность «не обращать внимания» на силы притяжения между ними. При охлаждении системы частиц силы притяжения вызывали слияние частиц и их превращение в новые системы. Это означает, что не только энергии частиц, но и сам тип частиц будут зависеть от температуры и, тем самым, от возраста Вселенной. Иными словами, с увеличением возраста должен изменяться уровень организации материи. Чем ниже температура, тем вероятнее появление все более сложных образований и, соответственно, все более сложных «жизненных» процессов в таких системах. Вплоть до появления жизни без кавычек. На старте размеры Вселенной были близкими к нулю, а плотность материи, кривизна пространства и температура - огромными, быть может, даже бесконечными, как в математических моделях. Такие системы называются сингулярностями, для их описания создан специальный математический аппарат, базирующийся на понятии «дельта-функции».
Почти одновременно с Солнцем возникла и Солнечная система. Выбросы тяжелых элементов вероятнее всего должны происходить в экваториальных областях вращающихся звезд, именно поэтому все планеты солнечной системы вращаются примерно в одной плоскости. Взрывы и выбросы - явления высокотемпературные, поэтому Земля вначале была горячей, и атмосферы на ней не было. Горные породы, остывая, выделяли много газов, прежде всего, сероводорода. Так что при своем рождении наша атмосфера была ядовитой. Затем возникли океаны, в которых появились макромолекулы, способные к самовоспроизведению. Здесь интенсивно шли и процессы самоорганизации, и процессы деградации, но выживали формы, более адаптированные к тогдашним условиям. В эволюции наступала эра живого вещества. Первичные организмы потребляли все, что было вокруг, но выделяли преимущественно кислород. Состав атмосферы изменялся, что и способствовало появлению более сложных форм жизни, в том числе и появлению человека.
Стрелы времени
Понятие времени со временем изменяется. Абсолютного времени нет. Реальное, относительное время однонаправлено, оно идет только вперед. Как стрела. В науке анализируют три базовых «стрелы времени». Общеизвестна стрела термодинамическая. Она указывает направление времени, в котором возрастает энтропия, или мера беспорядка. Вторая стрела - психологическая. Мы, как наблюдатели, воспринимаем ход времени в направлении, в котором мы помним прошлое и не в состоянии помнить будущее, хотя и можем как-то его спрогнозировать. Третья стрела - космологическая. Это - то время, в котором Вселенная расширяется, а не сжимается. Три стрелы - это не более чем прием научного анализа, когда требуется рассмотреть одну из граней сущности. Стивен Хокинг доказал, что направления этих стрел совпадают, иначе не могли бы реализоваться условия для зарождения и развития разумных существ.
Стрелы излучения и вещества
Ясно, что эти стрелы должны идти параллельно основной стреле. Фактически излучение и вещество – это два вида материи, той самой «плоти Вселенной». Иногда к излучению относят и другие физические поля, но мы ограничимся электромагнитной сущностью излучения. Вещество в основе своей построено из электронов, протонов и нейтронов. Масса вещественных частиц всегда отлична от нуля. Можно сказать, что любая материальная сущность состоит из «веполей» - взаимодействующих доз вещества и поля.
Биологическая стрела
Наша биосфера уже стала фактором планетарного масштаба - состояние Земли как планеты все сильнее зависит от процессов в биосфере. В основе научных представлений о происхождении живой материи лежит мысль о том, что живое на планете возникло как результат длительной эволюции углеродных соединений. Период чисто химической эволюции состоял из последовательности трех основных процессов:
-Синтез низкомолекулярной органики из газов протоатмосферы. В ней практически не было свободного кислорода. Были метан, аммиак, пары воды. Экспериментально доказано, что при электрических искровых разрядах в газовых смесях восстановительного характера синтезируются низкомолекулярные органические соединения.
-Полимеризация мономеров с образованием цепей нуклеиновых кислот и белков. Первыми здесь были, скорее всего, молекулы рибонуклеиновой кислоты – РНК. Древние РНК были и катализаторами в синтезе белков, и информационно-генетическими носителями. Затем появились ДНК как более «специализированные» молекулы.
Экологическая стрела
Как порождение и спутник биологической стрелы на определенном этапе возникла стрела экологическая. В современном естествознании экология трактуется как наука о взаимоотношениях внутри живого сообщества и живого со своей средой обитания. Сам термин ввел в обращение Э.Геккель в 1866г, но экологические процессы протекают с эпохи появления живого. Это те процессы, которые составляют суть и относительной устойчивости («гомеостаз») видового состава живых организмов, и эволюционных процессов в биосфере Земли. Экологические явления стали переходить в ранг «экологических проблем» только с появлением человека.