Почему зародилась вселенная


Происхождение Вселенной остается одной из главных загадок науки. С начала наблюдений за звездным небом человечество пыталось понять, как возникло все, что его окружает, и что там за пределами нашего мира. С развитием технологий ему покорились многие природные явления и даже просторы космоса, но никто так до сих пор и не установил, как зародилась Вселенная. Однако, астрономы выдвинули множество теорий на этот счет, некоторые из них вполне логичны и правдоподобны.

Теория большого взрыва

Основной теорией возникновения Вселенной в ее нынешнем состоянии является теория большого взрыва. Впервые этот термин был применен британским астрономом Ф. Хойлом в 1949 году. При этом сам ученый считал данное предположение о происхождении и эволюции Вселенной ошибочным.

Сами же идеи о расширении Вселенной и ее развитии в результате взрывного процесса возникли в начале 20 века. Способствовал этому Альберт Эйнштейн, опубликовавший свою теорию относительности. Нестационарное решение его гравитационного уравнения натолкнуло советского физика Фридмана на гипотезу о том, что Универсум – постоянно расширяющийся объект. По его версии, вначале она представляла собой очень плотное, однородное вещество. Оно в результате большого взрыва начало распространяться, образуя привычные нам элементы космоса – галактики, туманности, звезды, планеты и другие тела.


Теория происхождения Вселенной по Фридману неоднократно подвергалась дополнениям и улучшениям. В 1948 году астрофизик Георгий Гамов опубликовал работу, в которой описывал первичное вещество до Большого взрыва не только как очень плотное, но и как очень горячее. В нем постоянно происходили реакции термоядерного синтеза, в результате которых образовались ядра легких химических элементов. Выделяемое при этом электромагнитное излучение сохранилось до сих пор, но в остывающем виде. Теория была подтверждена почти через 20 лет после того, как ученым удалось открыть и измерить температуру космического фона. Изучение реликтового излучения также помогла установить возраст мироздания и распределение в нем вещества.

Современное представление о возникновении Вселенной

  • Теория Большого взрыва – описывает то, что стало пусковым механизмом расширения первичной материи.
  • Инфляционная теория – рассматривает причины расширения вещества.
  • Модель расширения Фридмана – описывает процессы распределения материи в пространстве.
  • Иерархическая теория – описывает возникновение всех структур космоса.

Хронология событий в теории Большого взрыва

Теория эволюции Вселенной подразумевает, что до Большого взрыва все мироздание находилось в принципиально другом состоянии. А после – проходило стадии развития, благодаря которым заполнилось частицами, химическими элементами и другими структурами. Они же послужили строительным материалом для всех космических тел и объектов. Каждый эпоха развития имеет свою продолжительность от незначительных долей секунды до миллиардов лет. Попробуем изложить теорию происхождения Вселенной кратко и простым языком.

Эпоха сингулярности

Большому взрыву и происхождению Вселенной в современном ее виде предшествовала стадия космологической сингулярности. Это состояние Универсума, при котором вещество имеет почти бесконечные значения плотности и температуры, а само оно стремится к нулю.

Космологическая сингулярность – один из самых трудных вопросов современной науки. Невозможно точно установить, что именно было до Большого взрыва. Но бесконечная плотность раннего вселенского вещества не может сопровождаться его бесконечной температурой. Следовательно, сингулярная Вселенная противоречит современным законам физики.

По некоторым предположениям, эпохи сингулярности вообще не существовало. Еще по предположению группы ученых, в число которых входит С.Хокинг, все сущее могло возникнуть из абсолютного вакуума («ничего») из-за колебаний системы. По другой теории, Большой взрыв привел лишь к образованию Метагалактики, как «пузырька» в плотном веществе Универсума. Есть также гипотеза о том, что вселенные образуются из-за разрывов сингулярности в пределах черных дыр. Доподлинно же установить, что было до Большого взрыва, не представляется возможным.


Планковская эпоха

Итак, в первичном мироздании произошел катастрофический процесс, в результате которого вещество начало стремительно расширяться и охлаждаться. При чем для формирования всех структур космического пространства взрыв должен был произойти повсюду.  Это и является точкой отчета возникновения мироздания в его нынешнем виде.

В период от нуля до 10-43 секунд вещество Универсума имело физические параметры (температура, энергия, плотность) соответствующие постоянным Планка. В таких условиях планковской эпохи произошло рождение частиц.

Эпоха великого объединения

В период с 10-43 по 10-35 секунд после Большого взрыва в относительно устойчивой системе возникли силы гравитации. Они впоследствии способствовали возникновению звезд и планет. Первичная материя перестала быть однородно плотной. Но электромагнитное и ядерное взаимодействия в ней  были еще объединены, поэтому любые физико-химические параметры для этого вещества не имеют смысла.


Эпоха инфляции

При переходе в эту стадию эволюции Вселенная начала ускоренно расширяться. Это позволило перераспределиться высокоплотному изотропному первичному веществу. Эпоха заняла промежуток времени с 10-35 по 10-32 секунды от взрывного процесса.

Электрослабая эпоха

К этому моменту сильное ядерное взаимодействие, как и гравитация, отделено от первичной материи. Период с 10-32 по 10-12 секунд – момент рождения таких элементарных частиц, как хиггсовский бозон и W-, Z-частицы. Симметрия до вселенского вещества окончательно разрушена.

Кварковая эпоха

С 10-12 по 10-6 секунд все четыре фундаментальные взаимодействия начинают существовать отдельно. Все вещество Универсума представляет собой «кварковый суп» из безмассовых и бесструктурных фундаментальных частиц.

Андронная эпоха

Из фундаментальных частиц начали образовываться андроны – частицы с сильным ядерным взаимодействием. Именно из них образуются нуклоны, формирующее атомные ядра, протоны и нейтроны. Весь процесс андронизации занял порядка ста секунд после Большого взрыва.

Лептонная эпоха

Первые три минуты существования Универсума происходит формирование лептонов, в том числе и их подвида – нейтрино. Это еще одни фундаментальные структуры вселенского вещества, из которых в дальнейшем было построено все в мироздании.


Протонная эпоха

Более 300 тысяч лет ушло на первичный процесс нуклеосинтеза легких химических элементов  и перераспределения вещества Универсума. Оно стало доминировать над излучением, что замедлило расширение космического пространства. Конец данной стадии ознаменовался возможностью передвижения тепловых фотонов.

Темные века

Ни одной привычной нам космической структуры в первые 500 млн. лет после возникновения Вселенной не существовало. Она была заполнена водородно-гелиевой массой и реликтовым тепловым излучением, распространяющимся по всему ее пространству.

Реионизация

Постепенно облака водорода и гелия под воздействием гравитации начали сжиматься, в них стали зарождаться процессы термоядерного синтеза. Появились первые звезды. Они стали собираться в скопления, называемые галактиками. В центре формирующихся галактик возникал источник мощнейшего излучения и гравитационного притяжения – квазар. Этот процесс занял более 300 млн. лет.

Эра вещества

Молодые звезды формируют вокруг себя протопланетные диски, из которых впоследствии образовываются целые планетарные системы. В эту эру 4,6 млрд. лет назад возникла и Солнечная система со всеми окружающими ее планетами.  Вся же история Вселенной продолжается более 13,7 млрд.лет.

Будущее Вселенной

Теория возникновения Вселенной путем Большого взрыва официально признана в научном мире. Согласно ее основным утверждениям, космическое пространство все еще продолжает эволюционировать  и на смену одним структурам приходят абсолютно новые. Существуют две противоположные версии дальнейшего развития событий:


  • Большой разрыв. Если Универсум и дальше продолжит расширяться, то в дальнейшем гравитационное взаимодействие между его элементами начнет стремительно ослабевать. Произойдет распад галактик и их скоплений. После этого распадутся отдельные звездные системы, где гравитация звезды не в силах будет удержать планеты вокруг себя. Постепенно все элементы Вселенной разрушаться вновь до элементарных частиц, законы физики перестанут иметь смысл. Что произойдет дальше – предсказать невозможно.
  • Большое сжатие. В этом сценарии описывается предположение, что космическое пространство постепенно замедлит свое расширение и начнет обратно сжиматься. Все его элементы образуют единое мега скопление, в котором будет продолжаться процессы рождения, эволюции и смерти галактик. Однако, вещество будет сжиматься и далее, что приведет к образованию одной гигантской галактики. Космическое пространство вновь начнет нагреваться, реликтовое излучение разрушит планеты и звезды. Все структуры перейдут в состояние элементарных частиц. Вселенная приобретет свой первоначальный вид до Большого взрыва.

Любой из основных сценариев смерти Вселенной в нынешнем ее состоянии предполагает распад всех ее структур до фундаментальных частиц и прекращения любых сил взаимодействия. Так ли оно будет на самом деле, предсказать современной науке невозможно.

Основные теории происхождения Вселенной

Большой взрыв не единственное современное представление о происхождении и эволюции Вселенной. Научный мир знает множество теорий возникновения мира, основными из которых являются:

  • Теория струн. Ее основное утверждение заключается в том, что все существующее состоит из мельчающих энергетических нитей. Такие квантовые струны могут растягиваться, искривляться и располагаться в любых направлениях, что делает космическое пространство многомерным. И каждое из этих измерений имеет свою эволюционную стадийность.
  • Теория стационарной Вселенной. По этой версии, в расширяющемся пространстве космоса постоянно возникает новая материя, что делают всю систему стабильной. Идея была популярна в середине 20-го века, но после открытия и изучения реликтового излучения у нее практически не осталось сторонников.

Не исключено, что все предположения о возникновении мироздания, признанные сейчас в научном мире, не будут опровергнуты в будущем. И чем дальше и дольше человечество исследует космические просторы, тем больше новых ответов и вопросов оно находит.

Источник: spaceworlds.ru

Борис Штерн
«Троицкий вариант» №12(156), 17 июня 2014 года


Публикуем очередной фрагмент из книги Бориса Штерна «Прорыв за край мира» — главы из III части, где описана теория космологической инфляции, или раздувающейся вселенной, которая ответила на фундаментальные вопросы, разрешила парадоксы, касающиеся Большого взрыва, и находит всё новые подтверждения. Книга вышла в начале июня, информация о ней дана на сайте «Троицкого варианта — Наука». 19 июня в Тургеневской библиотеке-читальне (Москва, Бобров переулок, дом 6, стр. 2) состоялась презентация книги, включающая доклад автора «Сто лет развития космологии» и дискуссию.

Детали картины, которая впоследствии получила название «космологическая инфляция», оставалось только собрать воедино для того, чтобы выявилось нечто очень важное, произошедшее в самом начале. Напомним, Большой взрыв давно стал такой же очевидностью, как шарообразность Земли. Однако теория Большого взрыва имела одну очень смутную сторону: начальные условия. Они привели к удивительной однородности в причинно не связанных областях, к гигантским размерам, «плоской» геометрии и обеспечили громадное содержимое. Начальные условия выступили тем ковром, под который приходилось заметать основные проблемы космологии. Причем казалось, что вопрос о начальных условиях будет в терминах науки решен не скоро, что это, скорее, вопрос для философов или, прости господи, теологов.


Оказалось, что этот проклятый вопрос решается той же силой природы, что придала Земле шарообразную форму, — гравитацией. Только не в ее тяготеющей ипостаси, а в отталкивающей.

Это был, конечно, прорыв. Возьмем на себя смелость назвать его второй космологической революцией, которая произошла в начале 1980-х годов в несколько стадий, которые мы осветим, придерживаясь хронологической последовательности.

Исторически первый достаточно проработанный вариант механизма инфляции предложил Алексей Старобинский в 1980 году. В основе механизма лежала модификация уравнений Эйнштейна — такая, что сказывается только при огромной кривизне пространства-времени. Модификация заключалась в добавлении члена, пропорционального квадрату кривизны пространства-времени. Основания для такой модификации были почерпнуты из квантовой теории поля. Это напоминает эффект Казимира, в котором металлические пластины «деформируют» нулевые колебания электромагнитного поля в вакууме. В модели Старобинского нулевые колебания вакуумных полей «деформируются» большой кривизной четырехмерного пространства-времени. При этом энергия вакуума не уменьшается, как в эффекте Казимира, а увеличивается, причем очень сильно. Это в точности соответствует возникновению скалярного поля, которое дает гравитационное расталкивание пространства. Тот же эффект, с другой стороны, эквивалентен действию лямбда-члена Эйнштейна, только в данном случае он не постоянен, а становится ничтожным, когда ускоренное расширение Вселенной прекратилось.


Ретроспективный анализ показал, что модель Старобинского эквивалентна более поздней и наиболее реалистичной модели инфляции с сильным полем (сценарий медленного скатывания). К сожалению, в момент появления эта работа не вызвала должного резонанса. Называют разные причины, в частности, вспоминают о самоизоляции советской науки тех времен. Однако статья была опубликована в хорошем международном журнале и впоследствии неплохо цитировалась. Более того, в свете новых данных по реликтовому излучению модель Старобинского, дополненная работой В. Муханова и Г. Чибисова (см. ниже), вышла в число фаворитов. Сейчас, когда опубликованы окончательные данные космического микроволнового телескопа WMAP и когда они проанализированы вместе со всей совокупностью разнообразных данных, добытых разными инструментами, видно, что эта модель лучше многих других вписывается в общую картину.

Наконец работа Старобинского завоевала заслуженную популярность. Осознавал ли сам Алексей всё значение своей работы? Действительно, в статье не говорится, что этот механизм позволяет решить главные проблемы космологии. Впрочем, лучше мы об этом спросим его самого ближе к концу книги.

Заявления, что инфляция решает основные парадоксы, совершенно явно и с изрядной настойчивостью начал делать Алан Гут, опубликовавший в том же году, но позже, статью с другим механизмом космологической инфляции. Именно эта статья привела к появлению новой парадигмы. Возможно, даже не столько статья, сколько интенсивная пропагандистская кампания, которую вел Гут, выступая на десятках конференций и семинаров по всему миру, убеждая и вдалбливая.

Научные работники зачастую опасаются докладывать свои результаты, пока они не опубликованы: дескать, украдут. Как правило, это не слишком опытные ученые. Конечно, бывает, что и крадут, но редко — намного чаще не замечают или игнорируют. Особенно когда работа открывает направление, перпендикулярное мейнстриму, или находится вне сферы внимания основных действующих лиц данной области науки. В этом случае упорное продвижение новых результатов в круг внимания научной общественности — такая же неотъемлемая часть работы, как и написание статьи. Алан Гут хорошо справился с этой частью работы.

Вот сценарий Алана Гута. Существует скалярное поле с потенциалом, где есть метастабильное и основное состояния. Это, например, может быть аналог поля Хиггса, но с гораздо более высокой плотностью энергии. Такое поле может отвечать за нарушение симметрии, связанной с великим объединением. Мы этого поля не «щупали» и никогда не сможем этого сделать напрямую. Скалярное поле можно обнаружить, возбудив его — родив частицу поля, что и произошло недавно с полем Хиггса. В данном же случае частица поля имеет такую массу, что о перспективах ее рождения на ускорителях можно забыть. Однако есть достаточно сильные аргументы в пользу того, что такое поле должно существовать. Например, теория Великого объединения, в которой энергетический масштаб этого поля, т. е. характерный потенциал V1, неплохо экстраполируется из физики доступных нам масштабов: видно, что он лишь на два-три порядка ниже планковской энергии.

Сценарий Гута начинается с очень плотного и очень горячего зародыша Вселенной. Откуда этот зародыш взялся — отдельный вопрос, многократно обсуждавшийся. Например, микровселенная может появиться как результат редкой (но не безнадежно редкой) квантовой флуктуации. Важно, чтобы зародыш расширялся (по закону Фридмана) и чтобы все поля были в термодинамическом равновесии. Характерное время первой стадии сценария — 10–37 или 10–36 с, за это время зародыш расширился и остыл до 1016 ГэВ. Это важный момент, поскольку при такой температуре плотность энергии поля φ становится сравнимой с плотностью энергии частиц, а у эффективного потенциала поля появляется новый минимум. Это момент фазового перехода.

Но переход поля в новый минимум задерживается — происходит переохлаждение, подобное тому, что может происходить при замерзании воды. Поле φ «успокаивается», оставаясь в локальном минимуме φ1 — именно в том, где величина поля равна нулю, а потенциал V1 огромен. Это метастабильное состояние также известно как «ложный вакуум». Согласно остроумной формулировке Андрея Линде, «тяжелое ничто» (heavy nothing). По мере остывания плотность энергии статического поля всё больше начинает перевешивать тепловую плотность энергии. А давление у постоянного и однородного скалярного поля, напомним, отрицательное. И в какой-то момент суммарное давление в зародыше вселенной меняет знак — становится отрицательным. Вселенная переохлаждается — скалярное поле застревает в локальном минимуме, в метастабильном состоянии. По мере охлаждения давление идет всё дальше в минус и наконец пересекает критическую черту –1/3 ε.

Как только это происходит, знак самотяготения вселенной меняется. До этого гравитация стремилась замедлить скорость расширения пузырька, теперь она начинает его раздувать. Размер вселенной начинает расти, кривизна уменьшается. А скалярное поле никуда не девается — оно по-прежнему занимает весь объем, лишь становится однородней. Получается тот же самый закон роста, что у размножения нейтронов при ядерном взрыве или бактерий в идеальных условиях, — экспоненциальное расширение. Каждый равный промежуток времени типа 10–37 с размер вселенной удваивается, а кривизна уменьшается в два раза. И это продолжается довольно долго — пока поле φ остается в минимуме φ1, могут пройти многие десятки или сотни времен удвоения размеров Вселенной. За это время из микроскопического зародыша вселенная становится гигантской, ее пространство совершенно «плоским» — евклидовым.

При этом скорость удаления любых двух точек друг от друга быстро становится выше скорости света. Это ничему не противоречит — точки попадают в причинно не связанные области пространства, никакая информация от одной точки к другой не может быть передана в принципе. Ограничение на относительную скорость движения тел в специальной теории относительности — локальный принцип. Он глобален в стационарной вселенной, но не в расширяющейся. Возможно, причинная связь теряется не навсегда — когда-нибудь при более медленном расширении вселенной она восстановится, но на стадии экспоненциального раздувания любой объем быстро «рассыпается» на гигантское количество ничего не знающих друг о друге областей. Однако важно то, что эти причинно не связанные области имеют общее происхождение — они помнят общие условия, с которых стартовали.

Наконец, скажем через 10–35 с, метастабильное поле «вскипает», выделяя свою энергию в частицы. Как это происходит? В сценарии Гута поле в отдельных местах туннелирует через потенциальный барьер в основное состояние φ0. При этом образуются растущие пузырьки новой фазы — истинного вакуума. Пузырьки сталкиваются, ложный вакуум «выгорает», передавая свою энергию частицам. Вселенная снова разогревается, давление меняет знак — становится положительным. Экспоненциальное расширение заканчивается.

Дальше всё снова происходит по сценарию Фридмана, только вселенная уже имеет гигантские размеры и почти нулевую кривизну. Она продолжает расширяться с замедлением и еще вырастет на много порядков, испытав в самом начале ряд других метаморфоз. При этом ей гарантировано практически вечное, а может быть, и просто вечное существование.

Таков сценарий возникновения нашей Вселенной с помощью механизма космологической инфляции, который первым получил широкую известность. В этом сценарии, однако, есть один неправильный эпизод. О нем скажем ниже. Очень часто достижения, менявшие представления о мире, содержали в себе неправильные элементы: Колумб думал, что открыл периферию Индии, Коперник считал орбиты планет круговыми, Хаббл ошибся в определении своей постоянной более чем в пять раз. Гут предложил сценарий рождения Вселенной, который в данном конкретном виде работать не мог, но ухватывал суть. Поэтому прежде, чем перейти к последующим более правильным сценариям, мы перечислим важнейшие вещи, зафиксированные и четко изложенные Гутом в основополагающей статье.

Вернемся к фундаментальным вопросам, перечисленным в начале предыдущей части.

  1. Почему Вселенная так велика и сбалансирована (близка к «плоской») с невероятной точностью?
    Потому, что инфляция раздула ее на десятки порядков, сделав кривизну Вселенной ничтожной. Напомним, согласно уравнениям Фридмана динамику расширения Вселенной определяет отношение кривизны трехмерного пространства к постоянной Хаббла (мы можем сравнивать величины разных размерностей, выразив их в планковских единицах или, в данном случае, помножив кривизну на скорость света). Это отношение Ωk могло быть порядка единицы до начала инфляции. В процессе инфляции кривизна уменьшилась на много порядков, а постоянная Хаббла не изменилась. Вселенная стала «плоской» с огромной точностью — это и есть та «точность броска», которая обеспечила огромное время расширения с замедлением до ничтожной скорости в отдаленном будущем. Если Вселенная раздулась, например на 100 порядков, то после инфляции Ωk ~ 10–100. Можно говорить в терминах средней плотности Вселенной — ее отличие от критической как раз и определятся параметром Ωk, т. е. инфляция автоматически обеспечивает точнейший баланс между скоростью расширения и плотностью — настолько точный, что он будет сохраняться неопределенно долгое время.

  2. Почему Вселенная столь однородна, хотя ее наблюдаемые области не были причинно связаны в первые мгновения?
    Что так согласовало параметры Большого взрыва в причинно не связанных областях? Все наблюдаемые части Вселенной составляли одну причинно связанную область до начала инфляции. Эта связь была потеряна, но общее прошлое, а вместе с ним и общее скалярное поле остались. Поле, практически не меняясь, раздулось вместе с пространством и к окончанию инфляции было повсюду одинаковым. «Выгорание» однородного поля дало однородные условия в областях, потерявших причинную связь.

  3. Почему во Вселенной так много частиц (порядка 1090 только в ее видимой части)?
    Другими словами, откуда у Вселенной такая большая энтропия? Частицы образовались в результате распада скалярного поля, которого стало очень много — при расширении вселенной заполняющее ее поле, в отличие от газа частиц, не меняет своей плотности и остается тождественным себе самому. То есть суммарная энергия поля на инфляционной стадии росла экспоненциально. Вся эта энергия перешла в частицы. При дальнейшем расширении Вселенной число частиц в сопутствующем объеме оставалось примерно одинаковым. Причем никакого нарушения закона сохранения энергии не было: в каждый момент отрицательная гравитационная энергия связи Вселенной равна по абсолютной величине энергии скалярного поля (а потом и энергии частиц). Так что всё содержимое огромной Вселенной получено как бы «бесплатно». Этим Вселенная как целое отличается от любого объекта внутри нее: в ней глобально не действует принцип сохранения материи — всё, что есть во Вселенной, образовалось практически из ничего, вопреки классикам естествознания, начиная с древних греков, утверждавшим невозможность подобного. Необъятное содержимое Вселенной перед нами. А то, что оно получено ценой абстрактной отрицательной энергией связи, не портит впечатления от грандиозного процесса творения всего из ничего.

  4. Что дало начальный толчок расширению вселенной?
    Сценарий космологической инфляции как раз и представляет собой описание этого начального толчка.

Пока оставляем в стороне четвертый вопрос: почему физика Вселенной оказалась как будто специально подогнанной под существование человека? На этот вопрос будет дан ответ ниже, когда речь пойдет о следующих стадиях развития теории.

Теперь о неправильности этого замечательного сценария. Она заключается в его конечной стадии — в выходе из режима инфляции. Гут предположил, что поле переходит в новое состояние с нулевой энергией путем туннельного перехода в разных точках — образуются пузырьки новой фазы, которые потом растут и объединяются. Оказывается, не объединяются! На самом деле пузырьки удаляются друг от друга продолжающейся инфляцией гораздо быстрее, чем они растут, — расстояние между ними увеличивается экспоненциально, и никакого темпа рождения новых пузырьков не хватит, чтобы победить эту экспоненту.

Если вернуться к исходным предположениям, то неправильной оказалась форма потенциала, точнее, барьер между двумя минимумами. Но, как выяснилось, никакой барьер и не нужен — без него всё работает лучше и проще.

Всё даже еще проще

Где-то году в 1982-м в столовой ФИАН произошел разговор, который хорошо запомнился Игорю Ткачёву. Рассказ об этом разговоре заслуживает того, чтобы передать его полностью.

Итак, потенциальный барьер был призван задержать скалярное поле в локальном минимуме, чтобы оно успело раздуть вселенную прежде, чем «упадет» в основное состояние. Но, оказывается, поле и без барьера может «застрять» вблизи своего первоначального значения. Для этого нужно, чтобы расширение было быстрым, а потенциал поля пологим. На языке хорошо знакомых явлений быстрое расширение играет роль вязкого трения, а наклон потенциала V(φ) аналогичен наклону поверхности, по которой катится шарик. Есть разные возможности сконструировать скалярное поле. Вариант, предложенный взамен сценария Гута Андреем Линде и на три месяца позже Андреасом Альбрехтом и Полом Стейнхардтом, — потенциал с плоской вершиной при нулевом поле и минимумом в стороне, как изображено на рис. 20.2.

Вход в стадию инфляции, как и в сценарии Гута, — термодинамический: горячая протовселенная расширяется и адиабатически охлаждается. Если в начале поле находится в термодинамическом равновесии при высокой температуре, оно должно «сесть» в нуль. Это довольно общее свойство систем — находиться при высокой температуре в наиболее симметричном состоянии (на самом деле изображенный потенциал похож на донышко бутылки в комплексных координатах, и нуль оказывается центром симметрии). При расширении зародыша вселенной опять происходит переохлаждение, и инфляция стартует точно так же, как изложено выше. И точно так же вселенная успевает раздуться на десятки порядков величины, пока поле, преодолевая вязкое трение, катится вниз с «пологой горки».

Разница в том, что в этом сценарии поле, не встречая никаких барьеров, в конце концов целиком сваливается в минимум. Потенциальная энергия поля превращается сначала в энергию его колебаний, а потом в конечном счете передается рождаемым частицам. Наступает новое термодинамическое равновесие, дальше всё идет по хорошо знакомому закону Фридмана, хотя впереди остается еще много нетривиальных событий.

Этот вариант выхода из инфляции пережил придирчивую проверку многими авторами — он действительно работает при достаточно общих предположениях.

Как в исходном сценарии Гута, так и в новом сценарии (он так и называется: «новая инфляция») остается один этап, который для своего объяснения требует слегка напрячься: как протовселенная добралась до старта инфляции? Она должна была достаточно расшириться и остыть, чтобы скалярное поле с отрицательным давлением перевесило энергию частиц и переменных полей. Дистанция от планковского состояния до начала раздувания относительно невелика, и проблема ее преодоления решается несравненно проще, чем создание огромной Вселенной без механизма инфляции. И всё же зазор в три порядка по температуре и интервал в миллион планковских времен требуется преодолеть (он именно таков, если механизм приводится в действие полем масштаба великого объединения). Вероятно, для описания этого скачка можно было бы использовать что-то вроде квантомеханического описания подбарьерного туннелирования (распад ядер и т. п.). Можно было бы… если б существовала наука под названием «квантовая гравитация». Увы, до применения квантовой механики к подобным задачам еще далеко. Но, по крайней мере, концепция туннельного перехода дает подходящую метафору (см. рис. 20.3), позволяющую легко смириться с проблемой доинфляционной стадии.

…И еще проще

Следующий важный шаг сделал Андрей Линде уже без других претендентов на приоритет. На самом деле всё может быть еще проще — инфляция может произойти без всяких хитростей типа специального потенциала с плоским максимумом в нуле и без термодинамического равновесия с переохлаждением. Возьмем произвольное поле с естественным чашеобразным потенциалом.

Предположим, что вблизи планковского состояния образовался фрагмент пространства-времени, заполненного скалярным полем. «Вблизи» означает удаление от планковских условий, достаточное для того, чтобы фрагмент мог рассматриваться в рамках классической теории. Пусть поле будет достаточно однородным, а вклад горячей материи незначительным. Тогда давление в нем может оказаться отрицательным, удовлетворяющим условию инфляции: p < –1/3 ε.

Примет ли эта инфляция «вселенский» масштаб (т. е. раздует пространство на много порядков) или тут же прекратится? Это зависит от того, насколько пологий склон потенциала и насколько быстро пошло раздувание. Напомним: скорость раздувания (постоянная Хаббла) играет роль вязкого трения. Для большой скорости раздувания требуется большое отрицательное давление, значит, и большая плотность энергии, она же — потенциал поля (V(φ) на картинке и ε в формуле совпадают, если поле однородно и постоянно). А для пологости склона ось Х должна быть длинной, т. е. величина φ должна быть большой. Величина поля имеет размерность массы, и необходимое значение оказывается больше планковской массы. Ничего страшного, величина поля — достаточно абстрактная величина, главное, чтобы значение потенциала было ниже планковского масштаба — тогда есть классическое пространство-время, с которым можно работать. Еще важно, чтобы поле было достаточно однородным в некоторой области пространства, в несколько раз превышающей размеры горизонта.

Так вот, если «чаша» потенциала достаточно широка и если природа пробует любые стартовые условия, то она обязательно попробует и те, что перечислены выше. И тут уже возврата нет — готова гигантская вселенная. И не только. Но об этом «не только» — ниже.

Из-за того, что для запуска механизма достаточно подходящей комбинации из разнообразного множества случайных начальных условий, Андрей Линде назвал этот сценарий хаотической инфляцией. Только надо помнить, что термин «хаотический» относится лишь к старту. В дальнейшем всё происходит, как и в предыдущем варианте, — вполне регулярно и с предсказуемым исходом.

Большое преимущество этого сценария в том, что не требуется ни термодинамического равновесия, ни фазового перехода, предшествующих инфляции. В сценариях Гута и «новой инфляции» цепочка событий выглядела следующим образом: горячая вселенная — переохлаждение — инфляция — горячая вселенная. В случае с хаотической инфляцией первые две стадии, каковые, безусловно, являются обузой, отпадают. Не надо больше объяснять, как установилось доинфляционное термодинамическое равновесие (далеко не очевидно, что это возможно), не нужен весьма специфический вид потенциала и т. п.

Пожалуй, хаотическая инфляция и есть общепринятая ныне концепция зарождения Вселенной, точнее, ее часть.

Источник: elementy.ru

Что такое Вселенная?

Вселенная — невероятно огромное, бесконечно расширяющееся пространство. Но откуда взялось все, что нас окружает? Этот вопрос терзал и продолжает терзать всех ученых, мыслителей, и энтузиастов. Когда-то давным-давно ответ на этот вопрос людям давала религия. До появления физики и космологии религия являлась основополагающей областью, объясняющей возникновения окружающего мира. Время шло. В начале 18-го века стала зарождаться физика, как наука, повествующая всем нам фундаментальные принципы устройства и создания Вселенной. Серьезное влияние на это оказало развитие технологий (особенно совершенствование телескопов и появление радиолокационных средств). Вы когда-нибудь слышали такое имя, как Эдвин Хаббл? Эдвин Хаббл — американский астроном, который смог в 1929-м году доказать, что все окружающие галактики удаляются от нас.

Но как ему это удалось сделать? — Довольно просто. В очередной раз исследовав ночное небо Эдвин заметил, что многие из галактик, которые находятся от нас дальше всех остальных, также быстрее других и отдаляются. Дело в том, что, когда такие крупные объекты двигаются в направлении от наблюдателя с большой скоростью, световая волна имеет меньшую частоту, и свет в таком случае обретает красный оттенок. Если объекты двигаются в сторону к наблюдателю, световая волна начинает обретать большую частоту, и свет окрашивается в синие тона. Эффект «красного смещения» основывается на «доплеровском эффекте». Чтобы понять, в чем заключается эффект Доплера, необязательно пытаться найти ближайшую обсерваторию, чтобы увидеть далекие галактики.

Можно просто взять и обратить внимание на звук проезжающего автомобиля. До удаления от микрофона звуковая волна имеет ярко выраженную высокую частоту, а после постепенно частота понижается. Свет, будучи волной (хоть и электромагнитной), также подчиняется этому закону. «Красное смещение» стало основой, доказывающей теорию расширения нашей Вселенной. Позже, это стало неплохим подспорьем в создании Теории Большого взрыва — общепринятой космологической модели возникновения пространства. Что было в самом начале? Давайте вернемся на 13.8 миллиарда лет назад, когда наша Вселенная находилась в состоянии пространственно-временной сингулярности.

Что было вначале?

Полное отсутствие пространства, времени, абсолютное ничего — так можно описать то, что было до Большого взрыва. Вселенная, будучи в состоянии сингулярности, была бесконечно плотной и невообразимо маленькой, меньше любого атома — размером примерно с протон. Из-за высокой плотности энергии температура сингулярности также доходила до внушительных значений. То, как выглядела сингулярность, точно смоделировать мы вряд ли сможем, как и в точности описать то, что творилось в ней. Ведь все актуальные законы физики не рассчитаны на описание таких состояний. Но одно можно сказать точно — до того, пока сингулярность не взорвалась, ни пространства, ни времени не было.

Как думаете, возможно ли менее чем за одну секунду создать целую вселенную? — Да. Жалкие доли планковского времени потребовались для образования первичной структуры из которой возникло все наше пространство. Так называемая «планковская эпоха» началась с момента, как сингулярность взорвалась — начался процесс расширения Вселенной. Сравнить его можно с пружиной — если вы будете её сжимать, тогда она накопит в себе какое-то количество энергии, и как только вы отпустите руки эта энергия будет высвобождена резким самостоятельным растягиванием пружины.

Никаких объектов в тот период не было. Вселенная была размером с горошину и с температурой в миллиарды градусов. Длилась эта эпоха крайне недолго — от нуля до 10^(-43) секунды. В этот период все образованное пространство состояло из кварков и глюонов, из которых (по мере расширения и остывания пространства) стали образовываться протоны и электроны. Об этом чуть позже. С 10^(-43) до 10(-36) секунды начали разделяться из одной суперсилы силы взаимодействия (гравитация, электромагнетизм, сильная и слабая ядерные силы), благодаря которым существуем мы и наш мир. До этого перечисленные явления были одним сплошным сгустком энергии. Без гравитации не смогли бы образовываться планеты, звезды, живые организмы и так далее. Без электромагнетизма не было бы реакций между суборбитальными частицами, что также помешало бы возникновению материи в пространстве. Без ядерных сил было бы невозможным образование новых химических элементов.

В период между 10^(-36) до 10^(-32) Вселенная после взрыва стала остывать. В это время её температура стала составлять примерно тысячу градусов по Кельвину. Спустя еще одну крошечную долю 10^(-31) началась эпоха инфляции. Ученые считают, что в этот период Вселенная была равномерно заполнена разгоряченной энергией. Высокая плотность и давление стали причиной начала экспоненциального расширения пространства. Когда все стало остывать, кварки и глюоны начали объединяться и образовывать простейшие частицы (протоны и электроны). Вместе с частицами стали образовываться и античастицы. В целом отличия между ними заключается в противоположных зарядах. Если обычные частицы протона и электрона имеют положительный и отрицательный заряд, то их античастицы имеют соответственно отрицательный и положительный заряды, то есть все наоборот. Когда в период инфляции частицы и античастицы двигались в пространстве с околосветовой скоростью, сталкиваясь они уничтожали друг друга. Выходит, что все мы, планеты, звезды, галактики созданы из той крайне скромной горсточки частиц, которые не были уничтожены античастицами. Именно поэтому в нашем мире материя доминирует над антиматерией. Время шло — Вселенная стала размером с нашу солнечную систему и все также продолжала остывать, образовывая постепенно внутри себя материю.

Процесс этот требовал времени, так как на момент 10^(-6) секунды наша Вселенная все еще была в миллионы раз горячее нашего Солнца. Субатомные частицы еще не могли объединяться в атомы, чтобы потом из атомов образовывались химические элементы, а после этого физические тела. Этот процесс можно сравнить с кипячением или заморозкой воды. Если мы возьмем небольшой кубик льда и поместим его в герметичную емкость, которую мы будем постепенно нагревать, лед сначала растает и перейдет в жидкое состояние. Далее мы увеличиваем мощность нагревания, и вода начнет переходить в газообразное состояние, то есть становится паром. Потом, если мы чисто гипотетически возьмем и прибавим еще температуры, мы разделим молекулы пара на составные элементы — водород и кислород. Как только мы перестанем нагревать емкость, и поместим её в холодильник, процесс пойдет в обратную сторону. В конечном счете, когда температура внутри опустится ниже отметки нуля в градусах по Цельсию, мы получим твердую материю — лед.

Со Вселенной точно также — после того, как пространство стало остывать, частицы в нем начали объединяться в атомы. Самым первым и самым распространенным во всей Вселенной веществом является водород, так как для образования всего одной молекулы требуется два атома. Мощность и плотность энергии в пространстве были все также велики. В первые минуты в действие начинает вступать радиация — благодаря термоядерным реакциям молекулы водорода начинают образовывать изотопы: дейтерий и тритий. После этого начался синтез более тяжелых элементов, в пространстве появился гелий. С течением времени молекулы водорода и гелия стали объединяться и образовывать звезды. В дальнейшем звезды стали генераторами других химических элементов благодаря термоядерному синтезу, происходящему внутри них.

Ядра звезд являются очень плотными телами, имеющими большую массу! наверное, многие знают, что с течением времени звезды гаснут, взрываются и иногда образовывают на своем месте черные дыры. Благодаря тому, что во время своей жизни ядро у звезд выделяет огромное количество энергии — это не позволяет им сжаться и поглотить самих себя. Выходящая энергия в данном случае является противовесом гравитации. Поэтому они, так сказать, балансируют. А вообще — что такое гравитация? Почему, например, на Земле притяжение больше, чем на Луне или на Марсе? Оказывается, дело в том, что абсолютно все объекты искривляют пространство-время, образовывая зону, при пересечении которой другие объекты начинают притягиваться, попадая в эдакую «воронку». Давайте проведем мысленный эксперимент и представим, что у нас есть натянутая эластичная ткань, почти как у батута. Если поместить в центр, или в любое другое место крупный металлический шарик, мы увидим, как под его весом на ткани вокруг образуется углубление. Дальше если мы возьмем один или несколько шариков меньшего размера, поместим их рядом, то мы увидим, как маленькие шарики будут скатываться к большому. Именно так просто работает гравитация. Но что, если мы, например, возьмем гантелю весом эдак десять килограммов и с усилием бросим в нашу тряпичную модель «пространства-времени»? — Ткань порвется, образуется дыра. Примерно так, если говорить простым языком, образуются черные дыры в нашей Вселенной. Посмотрите на видео, как один из американских преподавателей провёл этот эксперимент вместе со своими учениками:

На самом деле гравитация куда более важное явление в нашей вселенной, чем может показаться. Без неё не было бы галактик, звёзд, планет и нас с вами. Что мы еще можем узнать о Большом взрыве? Можем ли мы заглянуть в прошлое на 14 миллиардов лет? Оказывается да! О реликтовом излучении в следующей главе.

Машина времени

Как же еще мы можем узнать о нашем прошлом? Для этого нам стоит посмотреть в небо. Космос — самая настоящая машина времени, с её помощью мы можем увидеть Вселенную такой, какой она была более 10 миллиардов лет назад. Наверняка вы знаете, что свет от далеких звезд доходит до нас в течение многих миллионов лет. Даже лучи Солнца, до которого, как нам кажется рукой подать, достигают Земли за восемь минут. То есть, если вы встанете и посмотрите в окно, то увидите солнце там, где оно было восемь минут назад. Отголоски Большого взрыва доходят до нас до сих пор. Одним из них является реликтовое излучение.

Впервые гипотеза о существовании реликтового излучения была выдвинута советским и американским ученым Георгием Гамовым, когда он вместе со своим коллегами Ральфом Альфером и Робертом Германом разрабатывал самую первую модель теории Большого взрыва. Сам Георгий, кстати, практически точно угадал температуру излучения — три кельвина (позже, в ходе исследований, было принято точное значение 2.7 К). Давайте перейдем к самой сути. Реликтовое излучение — это след из прошлого нашей Вселенной. Для наглядности мы можем сравнить это со следами человека. По ним мы можем определить, откуда человек начал свой путь, каким шагом он шел, куда направлялся. Однако в данном случае эти следы куда масштабнее.

Согласно космологической модели, наша Вселенная состояла целиком из плазмы, образовавшейся под воздействием высоких температур от взрыва. Тогда безостановочно происходили процессы объединения протонов и электронов. В итоге, при их объединении появлялись атомы водорода. Однако под воздействием ионизирующего излучения, то есть фотонов, атомы водорода расщеплялись обратно. По мере расширения излучение стало отделяться от материи. И именно его мы до сих пор можем видеть, как реликтовое излучение. Но зафиксировать его возможно только в микроволновом фоне. Если бы наш человеческий глаз был бы способен видеть волны света миллиметрового диапазона, то его количество превосходило бы свет, испускаемый всеми взятыми звездами.

Впервые реликтовое излучение было практически обнаружено в 1964-м году американскими астрономами Арно Пензиасом и Робертом Уилсоном. Как им удалось это сделать? Во время настройки рупорно-параболической антенны в Холмдейле для радиоисследования космоса, ученые все никак не могли избавиться от загадочного шума. Сначала они считали, что он исходит от внешних источников, которые могли бы мешать работе системы, но избавившись от всего, что только могло бы помешать, шум не пропал. Его особенностью была равномерность. Вне зависимости положения антенны его мощность не снижалась. Исследовав шум более подробно, ученые доказали существование реликтового излучения. Это событие стало еще одним доводом в пользу Теории Большого взрыва. Примечательно, что каждый из нас может увидеть реликтовое излучение у себя дома. Для этого необходимо включить телевизор на ненастроенный канал — вы увидите белый шум.

Благодаря открытию реликтового излучения мы смогли узнать больше о составе пространства, изучить подробно явление темной материи, а также убедиться в двумерности нашего пространства.

Несколько процентов этого белого шума и составляет излучение от Большого взрыва. А почему свет от него мы теперь можем видеть только в микроволновом фоне? Помните, я в одном из предыдущих пунктов рассказывал о «эффекте доплера», ну или так называемом «красном смещении». Так вот, по мере остывания Вселенной, субатомные частицы в плазме стали объединяться в элементы — началась эпоха рекомбинации. Пространство внутри неё стало прозрачным, и фотоны продолжили свое движение во всех направлениях, но так как Вселенная даже не собиралась останавливаться в расширении, частота волн света начала меняться. Сегодня мы имеем возможность наблюдать и исследовать реликтовое излучение в микроволновом диапазоне. Возможно, спустя несколько миллиардов лет наши потомки, либо другие разумные цивилизации смогут наблюдать реликтовое излучение исключительно, как радиоволны.

Удивительно, что мы стали первой цивилизацией, которая приблизилась настолько близко к ответам на вечные вопросы. О том, как появилось все живое в следующей главе.

Как появились мы?

Этот вопрос мучает человечество на протяжении всего времени существования, наверное, даже куда больше, чем вопрос о возникновении Вселенной. Для ответа на него нам необходимо выяснить, как появляются галактики. Ведь не будь нашего Млечного пути, тогда бы не было и нас. Так вот, если говорить о возникновении конкретно нашей галактики, то стоит сказать, что её примерный возраст, судя по количеству межзвездного газа, составляет примерно 12 миллиардов лет. Выходит, Млечный Путь слегка моложе нашей вселенной. Ведь ей, относительно скоро, будет ровно 14 миллиардов лет. В процессе охлаждения вселенной после Большого взрыва частицы водорода и гелия объединялись, создавая газовые облака — протогалактики. Одним из них был Млечный Путь.

По размерам Млечный Путь в состоянии протогалактики был намного больше, чем сейчас. В его состав входили самые простые и легкие элементы (основа основ нашего мира: гелий и водород). Благодаря силам гравитации огромные газовые облака вращались и сжимались в течение миллиардов лет. В этом танце появились первые звезды. Протогалактики стали утрачивать свою однородность, образуя в некоторых участках более плотные скопления вещества. Данные скопления, ровно, как и протогалактики, подчинялись законам природы. Они вращались, сжимались, а как следствие и разогревались. Именно так, если говорить более подробно, стали появляться звёзды первого поколения.

Те звёзды были мало чем похожи на современные — они были невообразимо огромными, а их температура превышала солнечную в несколько раз. Происходил термоядерный синтез — внутри ядра образовывались более тяжёлые химические элементы, а после, когда звёзды взрывались, наружу были выброшены новые синтезированные элементы. Поэтому звёзды второго поколения имели повышенный уровень металличности. Яркость и мощность вспышки от взрыва таких звёзд ни с чем не сравнима. Этот процесс называется — «образование гиперновы», когда звезда умирая выбрасывает в пространство химические элементы и образует что-то новое. Звёзды второго поколения вместе с неизрасходованным водородным газом образовали в нашей галактике так называемые галактические рукава, благодаря которым гравитационное взаимодействие во всей нашей галактике было стабилизировано. Процесс её сжатия закончился. Теперь в этих рукавах продолжил происходить процесс образования новых звёзд. В одном из них (в рукаве Ориона) появилось наше Солнце. А как оно появилось? Ответ на этот вопрос до боли схож с ответом на вопрос о том, как появилась галактика.

Огромное облако в рукаве, состоящее из водорода и пыли, начало сжиматься, образовав тем самым в центре себя звезду — Солнце. Под воздействием гравитации остальные частицы водорода и пыли начали притягиваться и вращаться вокруг звезды. Стали формироваться планеты. Так как Солнце наиболее близко к себе притягивало тяжелые вещества, возникли планеты так называемого «земного типа»: Меркурий, Венера, Земля, Марс. У них есть твердая поверхность, а также множество минералов в ядре и почве. Самыми отдалёнными стали газовые гиганты: Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун. Как только Земля сформировалась, она была гораздо меньше нынешнего размера. Существует теория, которая предполагает, что давным-давно, когда у Земли еще не было атмосферы, а температура её поверхности составляла тысячи градусов, она столкнулась с другой гипотетической планетой Теей. Она по многим параметрам была похожа на Марс.

Образовалась она одновременно со всеми другими планетами Солнечной системы — четыре с половиной миллиарда лет назад. В силу того, что она была меньше, большую часть обломков поглотила Земля. А из того, что осталось, образовалась Луна. Из-за этого столкновения предположительно возник наклон оси планеты. Но это еще не все. Земля стала более плотной. Из-за возросшей силы притяжения падающие на неё объекты (кометы, метеориты, астероиды и т. п.) не просто деформировали и разогревали поверхность, но и вовсе проникали глубоко внутрь, чуть ли не к ядру, отдавая всю свою энергию недрам. Постепенно верхние слои атмосферы стали остывать. А из-за все более редких контактов с внешними космическими телами стала формироваться земная кора. В этот момент глубоко внутри нашей планеты начал работу своеобразный ядерный реактор, не дающий нам по сей день стать мертвой ледяной планетой. Процесс распада калия, плутония и алюминия продолжает поддерживать температуру поверхности на комфортном для нас уровне. Как только температура начала еще более значительно снижаться, облака пара, состоящего из объединенных в молекулы воды атомов кислорода и углерода, стали проливаться на поверхность Земли образовав тем самым Мировой океан. В нем в один момент возникла жизнь.

Так все-таки, как конкретно появилось все живое на Земле? Заранее скажу, что у ученых однозначного ответа на этот вопрос нет. Многие даже стараются избегать его. Однако это не помешало за два столетия хотя бы на шаг приблизиться к объяснению начала нашей с вами истории. Вообще существуют много теорий. Однако я выделю три. Первая — это теория панспермии. Приверженцы этой теории есть не только среди дилетантов, но и среди великих ученых. Суть этой теории состоит в том, что жизнь на нашу планету была занесена извне: либо это была высокоразвитая цивилизация, которая решила взрастить (словно в инкубаторе) на только что появившейся планете живых существ, либо простейшие организмы попали на поверхность на одной из комет. В целом первый вариант с внеземными цивилизациями звучит утопично. Но важно не забывать, что наша Вселенная настолько огромная, что исключать случайностей нельзя. Да и вариант с занесением органических веществ и их последующей эволюции с ледяной кометы тоже выглядит вполне вероятным. Не будем останавливаться на этом. Следом за панспермией идет теория абиогенеза. О ней мы поговорим подробнее.

Принято считать, что первые бактерии возникли на нашей планете около трёх с половиной миллиардов лет назад. Их возникновению способствовала атмосфера Земли. Тогда она состояла по большей мере из аммиака, метана и водного пара. Под воздействием электрических разрядов молний, которые на том этапе эволюции планеты были во много-много раз мощнее нынешних, из этих составляющих стали образовываться сложные молекулярные соединения, способные самовоспроизводиться (то есть копировать самих себя). Также важной составляющей была температура окружающей среды. Благодаря стабильному нагреву веществ образовался так называемый «первичный бульон». Данный термин был введен нашим ученым Александром Опариным в прошлом веке. Он предполагал, что мировой океан, занимавший довольно высокий процент всей поверхности Земли, «кишел» разного рода неорганическими и относительно сложными органическими веществами, из которых спустя несколько миллионов лет образовались первые бактерии прокариоты, не имевший ядра. Эксперименты по воспроизведению этих условий начались в прошлого века.

Самый первый эксперимент, известный как «Эксперимент Миллера-Юри» проведенный в 1953-м году Стэнли Миллером и Гарольдом Юри показал, что в закрытой оболочке заполненной водой, аммиаком и метаном под воздействием разрядов тока и постоянного нагрева образуются некоторые аминокислоты. Данный эксперимент доказал принципиальную возможность образования сложных органических веществ из более простых. В целом, если учесть, что путь от прокариотов до эукариотов занял около миллиарда лет, увеличив масштабы данного эксперимента, возможно мы бы потенциально смогли создать что-то новое искусственно. Но это лишь в теории. Я не биолог, так что утверждать точно не могу. Так вот, эукариоты уже имели ядро и органеллы, а принцип их существования состоял в кислородном дыхании, то есть в потреблении кислорода. Без него данные бактерии существовать вряд ли бы смогли. Спустя еще несколько сотен миллионов лет бактерии эволюционировали. Они стали стали размножаться половым путем. Уровень кислорода на Земле рос. Над планетой стал образовываться озоновый слой, защищающий все живое от смертоносного солнечного и космического излучения.

Из-за этого, примерно 400 миллионов лет назад первые растения стали прорастать в почве. Это было предпосылкой к выходу на сушу животных. Раньше все живые организмы обитали исключительно в воде. Но по ходу эволюции они стали эволюционировать в амфибий. А после, обретя более плотную кожу, защищенную от пересыхания, амфибии эволюционировали в современных рептилий. Потомство, вместо икринок, стало взращиваться в яйцах, имеющих плотную скорлупу, благодаря которой внутри поддерживались влажность и стерильность. Далее началась эпоха динозавров, продолжавшаяся в течение 160 миллионов лет. Забавно, но эпоха динозавров длилась намного дольше нашей. В то время все млекопитающие были размером с мышей. И господствовать перед динозаврами они никак не могли. Предки современных приматов появились примерно 95 миллионов лет назад. С них и началась активная эволюция. 65 миллионов лет назад на Землю, в районе Северной Америки упал астероид, из-за которого погибло довольно много живых видов.

Мощность от удара выбросила в атмосферу огромное количество пыли, из-за которой вся планета погрузилась во тьму. Живые организмы, которые не могли жить без фотосинтеза, погибли. Выжили лишь те виды, которые были способны находится продолжительное время без солнечного света, а также при низких температурах. Когда пыль в атмосфере рассеялась, начался новый этап в образовании жизни. В это нелегкое время вымер весь вид динозавров. Однако начался этап активной эволюции других животных, в том числе млекопитающих. Так приматы, имевшие и без того куда более развитый зрительный анализатор, полувыпрямленное положение тела и ловкие лапы, стали постепенно эволюционировать в людей. Но как? Почему именно приматы? О когнитивной эволюции мы поговорим в следующей главе.

Как мы обрели разум?

Музыка, книги, театр, кино, современные технологии — все это плоды человеческого разума. Без возможности людьми придумывать что-то новое, то, чего еще никогда не было, мы жили бы абсолютно в другом мире. Культура и история — понятия намного более широкие, чем могут показаться на первый взгляд. Возникли они сугубо благодаря когнитивной революции. Случилась она, кстати, всего 70 тысяч лет назад. Когнитивная революция, в свою очередь 12 тысяч лет назад стала причиной аграрной революции. А аграрная 500 лет назад привела к научной революции. О том, к чему спустя несколько тысяч лет приведёт научная революция, можно только догадываться.

Долгое время мы — люди, считали себя уникальным творением природы, у которого нет и никогда не было других родственных видов, как например у кошек или собак. На самом деле — это не так. Люди (Homo Sapiens) принадлежат к семейству больших обезьян, ну или высших приматов, тут кому как удобнее и к роду Homo, то есть людей. Однако давным-давно вместе сосуществовали несколько видов людей. Откуда они появились? Когда самые первые австралопитеки вышли из лесов Африки они стали осваивать близлежащие территории. Особо этому способствовал навык прямохождения и умение пользоваться простейшими орудиями. Среди этих территорий были пространства Европы, Северной Африки и Азии. Так как у каждой территории были свои уникальные климатические условия, своя фауна. Австралопитекам было необходимо приспосабливаться к окружающей среде, а также пище, чтобы выжить.

В конечном счёте каждый из расселившихся видов стал обретать эволюционные изменения. Те, кто покорил Земли районов Западной Азии и Европы, ученые стали классифицировать как «неандертальцев» (Homo neanderthalensis). Ну или просто «Человек из долины Неандер». Просторы Азии тем временем исследовал Homo erectus (Человек прямоходящий). А просторы пещер Алтая покорял Homo denisova.

В 2008-м году в Денисовой пещере, что на Алтае, группа археологов нашла окаменелость фаланги пальца маленькой девочки, принадлежавшей к неизвестному ранее виду человека. Вид окрестили Homo denisova. Всего обнаружено пять фрагментов скелета этого человеческого вида. Кроме фаланги были найдены три коренных зуба особи мужского пола. И вот совсем недавно, в феврале 2019-го года, был найден фрагмент черепа этого представителя одного из древних видов людей. Анализ ДНК показал, что девочка была рождена от матери neanderthalensis и отца Homo denisova. Я все это веду к тому, что в те времена вместе обитали, скрещивались десятки, если не сотни разных видов людей, создавая тем самым все новые виды, одним из которых стали мы. Но почему в современном мире существует только один вид — Homo sapiens, где остальные?

Вид сапиенсов впервые появился в Африке предположительно около ста тысяч лет назад. В то время ещё продолжали своё существование неандертальцы. По своим физическим характеристикам они во многом превосходили сапиенсов. Неандертальцы могли лучше переносить холода, у них были значительно более развиты мышцы и выносливость. Однако у них не было такого же хорошо развитого мозга. Как думаете, чем первые сапиенсы анатомически отличались от нас? — На 99% ничем. У них был таких же пропорций, как у нас: мозг, скелет. Но значит ли это, что мы могли бы научить первых людей математике, искусству или сделать их приверженцами какой-либо религии? Нет. Мыслительный аппарат тех особей ещё не был так развит. Но спустя примерно 70 тысяч лет эволюция решила поступить иначе.

Из-за мутаций, происходивших в геноме, первые Homo sapiens начали активно развиваться в плане мышления. Почему это случилось именно с нашим видом? Конкретного ответа нет. Существуют лишь десятки и сотни гипотез из серии «наверное…». Можно предположить, что это была случайность, из-за которой организмы существ стали тратить ресурсы на развитие мозга и разума. По мере развития и укрепления нейронных связей сапиенсы стали мигрировать из Африки в другие районы, становясь с каждым поколением все умнее и изобретательнее. Исследования археологов доказывают, что первые представители нашего вида уже умели создавать более изощрённые орудия. А то, что они смогли пересечь океан и поселиться в Австралии, где раньше не ступала нога человека, означает, что люди уже умели изобретать лодки. Создание лука со стрелами, метательных топориков, открытие огня привело к тому, что люди из среднего пищевого звена приблизились к верху этой пирамиды. Сапиенсы стали отрабатывать целые планы по охоте на более крупных хищных животных. Раньше люди, вне зависимости от вида, доедали туши за львами или шакалами — им приходилось подолгу выжидать в сторонке, пока от какой-нибудь антилопы отойдёт стая, и только потом они ели то, что осталось. Так как человек был не так хорошо развит физически, чтобы выживать, природа начала задействовать разум, подключая при этом к процессу ещё навык социализации, изобретательности и умение говорить. Люди стали объединяться в племена. Но теперь вместо прямых набегов на крупных зверей, сапиенсы стали запугивать их — загонять в пещеры, где после с помощью луков, камней, палок и топоров умерщвляли.

Потом для этих целей люди стали строить специальные загоны — это была командная работа. Такой скачок в развитии привёл не только к эволюции, но и к уничтожению других видов людей. Существует несколько гипотез на этот счёт. Одна из них предполагает, что Homo sapiens, ощутив себя несколько сильнее и лучше остальных, провели самую масштабную этническую зачистку, уничтожив все другие виды людей. Но есть и другая, мирная, и лично для меня более предпочтительная гипотеза. Она состоит в том, что другие виды просто-напросто не могли с нами конкурировать. Представьте сами — приходит такая группа сапиенсов в поселение, где обжилось племя неандертальцев и со своими навыками и изобретениями начинает охотиться на животных с помощью усовершенствованных орудий, создать которые неандертальцам было не под силу. У неандертальцев по факту начинают просто из-под носа воровать всю еду. Что может стать с таким видом? — Он вымрет. Это касается не только Homo neanderthalius, но и всех остальных. Вот он — естественный отбор во всей своей красе.

Кроме умения создавать орудия, победили мы ещё благодаря тому, что научились разговаривать. Свой язык есть, по сути, есть у всех животных: киты, волки, дельфины, коты и другие — все издают звуки. Этот список можно продолжать долго. С помощью издаваемых звуков животные предупреждают своих сородичей о приближающейся опасности, либо лакомой добыче. Людям до определенного момента языковые навыки тоже были нужны только для таких задач. Однако эволюция, как мы уже поняли — «дама коварная». Изначально речь людей представляла обычные возгласы, однако умение сопоставлять эти возгласы с разными предметами или действиями привело к постепенному появлению членораздельной речи, а также отдельных правил построения предложений. Речевой навык привёл к развитию одного вида и смерти всех остальных. Благодаря языку было значительно проще и эффективнее делиться накопленными знаниями и лучше понимать друг друга. Общение стало объединять людей, живших даже в разных уголках материков. Это привело к скрещиванию разных рас и появлению нового потомства. Люди также обрели способность передавать большие объемы информации. Вместо исчерпывающего «Осторожно медведь!» сапиенсы научились рассказывать, как они видели где-то неподалёку после завтрака огромного медведя. Это порождало дискуссии. В ходе этих дискуссий стали приниматься решения. Например, чтобы этот медведь никому не мешал и не убил никого, люди объединялись в группу и шли охотиться на виновника беспокойства.

Люди — существа социальные. На когнитивную эволюцию могла оказать влияние и так называемая «теория слухов». То, что мы все иногда любим «пообсуждать кого-то за спиной» пускай не всегда этично, но вполне нормально. Именно это помогло нам когда-то в эволюции. Вообще, в чем подноготная теории слухов и сплетен? Почему мы и наши предки любим этим погрешить? Ответ кроется в получении информации о надежности и доверии к какому-либо из сородичей. В обсуждениях рождались выводы. Также это позволяло сплачивать малые группы сапиенсов в более крупные. Это работает также и до сих пор. Чтобы выжить с чужой особью, нужно убедиться в её надежности и доброжелательности.

Кроме того, что люди постепенно научились анализировать и делать выводы, в нас постепенно зарождался так называемый «язык вымысла». Благодаря ему появилась религия, искусство, а после государства, а теперь и крупные компании. В чем же суть языка вымысла? Чем он мог быть полезен в эволюции?

Как вы думаете, почему существуют такие крупные города, как например: Москва, Нью-Йорк, Париж? А почему существуют политические партии, и, например такие компании, как Microsoft, Apple и Google?

Для древних людей вера в высшее, неизведанное — в духов или богов, являлась инструментом сплочения. Люди всегда стремились и интересовались освоением новых территорий и ради этого собирались относительно большими группами и шли в долгие путешествия. Жажда исследований, сейчас можем мы сказать, была основным мотивом веры у древних людей. То, чего не существует, невозможно постичь. Этой неопределенностью можно сплотить и заставить идти в одном строю разных людей. Идеи, амбиции, цели — все это, по-сути, фикция. Но без этой фикции мы бы никогда не построили города, создав тем самым самые настоящие колыбели цивилизации, у нас не было бы государств, политических партий, бизнеса и культуры. Эта тема достойна отдельного внимания.

Заключение

На самом деле путь эволюции человека разумного имеет куда более обширную историю с кучей разных гипотез. То, что я описал в материале, это лишь несколько основных и популярных мнений о том, как появилось все с точки зрения науки. Меня до сих пор поражает, что мы смогли дойти от создания примитивных орудий до полетов в космос и умения задавать масштабные вопросы и отвечать на них. Должен сказать, что единого мнения возникновения и развития жизни в нашей Вселенной нет. С каждым годом наука развивается, и это порождает все больше новых вопросов. Однако поиск ответов на эти вопросы заставляет нас двигаться вперед, ещё дальше развивать науку и технику, лучше понимать свойства Вселенной, как явления, и лучше осознавать ценность жизни. Ведь жизнь, которую нам дала природа, является крошечным мгновением между огненным рождением Вселенной и её ледяной смертью.

О том, как может исчезнуть Вселенная я расскажу в одном из будущих материалов.

Спасибо большое, что дочитали до конца. Надеюсь, вам было интересно.

Материал описывает версию возникновение Вселенной и жизни исключительно в соответствии с теорией Большого взрыва, теорией Дарвина и теорией когнитивного развития и никак не отрицает других возможных вариантов возникновения всего.

Источник: trashbox.ru


You May Also Like

About the Author: admind

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Этот сайт использует Akismet для борьбы со спамом. Узнайте, как обрабатываются ваши данные комментариев.