Структурные уровни организации материи. проблемы возникновения и эволюции вселенной

          ПРОБЛЕМЫ ВОЗНИКНОВЕНИЯ И ЭВОЛЮЦИИ ВСЕЛЕННОЙ.

   Классическая ньютоновская механика была не в состоянии описать Вселенную в целом, и до XX века Вселенная рассматривалась как бесконечная и в среднем неизменяющаяся система. Предполагалось, что материя во Вселенной является вечной, то есть всегда была, есть и будет. Такая Вселенная не нуждается в Творце, она выглядит одинаково в любой момент времени и, в принципе, не поддается изучению. Представление о вечной и бесконечной Вселенной и ее материи, бытующее в атеистическом мировозрении, приводит к некоему метафизическому парадоксу - "бесконечности всего", который подразумевает бесконечное число взаимодействий и законов, сил и самих вселенных.

   Попытка А. Эйнштейна описать такую Вселенную, основываясь на общей теории относительности (неньютоновская теория тяготения), оказалась неудовлетворительной. Чтобы спасти стационарность Вселенной, Эйнштейн произвольно ввел в уравнения космологический член, описывающий отталкивание.

    Однако в 1922 году на основе этой же теории петроградский физик А. А. Фридман получил ряд решений уравнений поля тяготения, которые описывали расширяющуюся Вселенную. В этой Вселенной массы вещества удаляются друг от друга, как точки на поверхности раздувающегося шара. А в 1928 году американский астроном Э. Хэббл, изучая спектры галактик, обнаружил, что все галактики нашей Вселенной действительно разлетаются друг от друга со скоростями прямо пропорциональными расстояниям их от наблюдателя. Таким образом, теоретически предсказанная расширяющаяся Вселенная стала экспериментальным фактом.

   Сейчас эта модель расширяющейся Вселенной названа стандартной космологической моделью и подразумевает, что раньше галактики были ближе друг к другу, а на ранней стадии расширения даже слиты в один гигантский раскаленный шар. Возвращаясь мысленно по шкале времени в прошлое, мы приходим к началу расширения, называемому начальной сингулярностью, в которой время и радиус Вселенной равны нулю, а температура и плотность материи стремятся к бесконечности. Корректное описание Вселенной в рамках общей теории относительности начинается с так называемых планковских величин, то есть с момента времени, равного 10-43 сек. (единица, делённая на число с 43 нулями), размера Вселенной - 10-33 см. и температуры её материи - 1032 К (число с 32 нулями).

    Причину расширения Вселенной физики видят в особом состоянии материи в начальный момент времени, названном "Большим взрывом". "Большой взрыв" в сингулярности обусловлен гравитационным отталкиванием, которое возникло из-за гигантской плотности материи и предсказывается общей теорией относительности.

   Таким образом, космологическая модель устанавливает начало возникновения Вселенной и оценивает ее возраст (15-20 миллиардов лет), который согласуется с возрастом звезд и галактик. А современная космология - наука, описывающая свойства Вселенной в целом, - считает, что мы живем в расширяющейся Вселенной, возникшей как сгусток материи, из которого потом образовались звезды, галактики и планеты.

   Возникновение видимого физического мира описано и в 1-м стихе Книги Бытия пророком Моисеем: в начале сотворил Бог небо и землю. В 8-м стихе дается понятие второго неба, названного твердью и относящегося к планете Земля. Поэтому творение неба и земли в 1-м стихе подразумевается как создание всей Вселенной. В последующих стихах Книги Бытия мы находим усложнение и многообразие материальных объектов, и следовательно, начало возникновения Вселенной рассматривается как начало эволюционного процесса.

   Понятие начало связано с представлением о времени. Современные научные представления, основанные на частной и общей теориях относительности, устанавливают взаимосвязь между временем, пространством и материей. При этом время оказывается связанным с пространством и все законы природы записываются в четырехмерном пространстве-времени, геометрия которого, в свою очередь, задается полем тяготения (материей).

    Отсюда следует, что до начала возникновения Вселенной не было ни материи, ни пространства, ни времени. Поэтому начало творения неба и земли "первого дня" Книги Бытия истолковывается как создание пространства, времени и материи. Одновременное возникновение неба и земли не противоречит вышеприведенным научным представлениям. А опираясь на акт творения, блаженный Августин пишет: "Все времена Ты сотворил, и Ты превыше всех времен, и до сотворения их, конечно, не было никакого времени".

   Основной проблемой, которую исследуют сейчас ученые в космологической модели, является состояние Вселенной в сингулярности (в начале), где пространство-время оказывается порядка планковских величин и теряет свое основное свойство - непрерывность, то есть оно становится квантовым и изучается квантовой теорией гравитации. Согласно одной из гипотез, Вселенная родилась как крохотный пузырек пространства-времени, заключавший в себе всю материю. Этот зародыш материи возникает "из ничего" как квантовая флуктуация "ложного" физического вакуума. Или, приблизительно расшифровывая эту научную терминологию, Вселенная родилась как микроскопическое отклонение от средних "пустоты и небытия". Раздуваясь, эта флуктуация перерастает в "Большой взрыв", который и описывается космологической моделью. На ранней стадии (до 10-35 сек.) раздувающаяся Вселенная описывается "инфляционной" моделью, которая подразумевает экспоненциальное расширение ее размеров.

    Творческий акт, при котором Создатель сотворил Вселенную, является абсолютным "творением из ничего". Поскольку физический вакуум не является абсолютной пустотой ("ложный" вакуум - в нем флуктуируют наинизшие состояния полей взаимодействия), то предполагается, что "творение из ничего" Творец начал с создания физического вакуума. "Творение из ничего" принципиально отличается от обычной творческой деятельности человека, которая связана в основном с переделкой одних форм материи в другие. Например, из глины, песка и воды создаются кирпичи, из кирпичей - дом. Эти перестройки форм материи основаны на знании законов природы. Неким исключением является интеллектуальное творчество, связанное с деятельностью писателей, художников и других, при котором с помощью материальных средств формируются произведения, обладающие некой духовной сущностью, то есть отражающие мировоззрение своих творцов.

     Полнота Божественного творчества отражена и в законах природы. То, что сотворено, создано по определенным законам, оно - закономерно. Материи без законов, которые ее формируют, не существует. Земля и Солнечная система существуют потому, что есть закон тяготения Ньютона; атомы и молекулы существуют, так как есть законы квантовой механики и т. д. Нет законов - нет материи.

    Таким образом, Божественное творение материи сопровождается созданием законов, на основании которых она существует и развивается. В Божественном творчестве нет хаоса, так как появлению материи предшествует Божественный замысел, формулирующий законы природы. Эта полнота Божественного творчества отражена и в Евангелии от Иоанна: 1. В начале было Слово, и Слово было у Бога, и Слово было Бог. 2. Оно было в начале у Бога. 3. Все через Него начало быть, и без Него ничто не начало быть, что начало быть.

  Сам человек не создал ни одного закона; он открывает их, исследуя природу, и при религиозном мировоззрении считает их крупицей Божественного Разума. Поэтому для религиозного человека материальный мир (природа) является "естественным откровением" Бога.

    Умозрительно непредставляемое научное описание Вселенной в сингулярности вполне соответствует 2-му стиху Книги Бытия: Земля же была безвидна и пуста и тьма над бездною, и Дух Божий носился над водою. Это соответствие усиливается при дословном переводе с древнееврейского: Земля есть нигде и ни в чем, а тьма над бездною переводится как отсутствие явлений. В последних словах о Духе Божием как бы подчеркивается уже готовая возможность продолжения творчества из бесформенной материи, которую символизирует вода.

   Космологическая модель расширяющейся Вселенной предсказывает две возможности ее эволюции. Первая описывает неограниченно расширяющуюся Вселенную. В этом случае при бесконечном расширении по прошествии многих миллиардов лет Вселенную ждет исчезновение всякой ее структуры и, следовательно, тепловая смерть в вечности. Процесс потери структуры Вселенной описывается как затухание всех малых звезд через тысячу миллиардов лет, коллапсирование центральных областей галактик в черные дыры по прошествии еще большего числа миллиардов лет, далее распад протонов и всех элементов в течение многих миллионов миллиардов лет, наконец, "испарение" черных дыр через излучение, которое будет охлаждаться по мере расширения Вселенной.

  Однако исчезновение структуры Вселенной не означает ее эволюцию, но скорее представляет противоположный процесс - распад, деградацию. Поскольку возраст Вселенной не превышает сейчас 20 миллиардов лет, то, по-видимому. Вселенная находится ближе к началу, чем к концу эволюции.

   Вторая эволюционная возможность предсказывает, что через 100 миллиардов лет расширение Вселенной сменится сжатием, которое также соответствует деградации. При сжатии температура Вселенной начнет расти, и при сокращении ее размеров до 0,01 теперешней величины фон излучения в небе ночью станет таким же теплым, как днем. При дальнейшем сжатии после 700 000 лет космическая температура достигнет 10 миллионов градусов, а звезды и планеты начнут превращаться в космическую плазму, состоящую из ядер, электронов и излучения. Понятно, что в конце концов вся материя Вселенной превратится в огненный шар и далее исчезнет вместе с пространством-временем при "Большом схлопывании" в сингулярности.

   Вышеприведенные выводы относительно возможной эволюции и деградации Вселенной зависят только от средней плотности материи , которая определяет, будет ли Вселенная расширяться бесконечно или расширение сменится сжатием. Если величина  меньше или равна некоторой критической плотности к то Вселенная имеет бесконечную протяженность и будет расширяться вечно. Если  больше к, то Вселенная замкнута и расширение сменится сжатием.

   Оценка реальной плотности материи Вселенной очень трудна, так как в нее входят все виды вещества и излучения. Современные астрономические данные свидетельствуют скорее о вечном расширении. Однако в наблюдениях последних лет существует тенденция к повышению величины .

   Таким образом, будущее Вселенной в космологической модели выглядит для человечества трагично и даже апокалиптически. Ей предстоит деградация после эволюции либо в бескрайнем холоде, либо в невыносимой жаре. Христианская эсхатология также предвещает гибель "нынешнему веку" в окончательной катастрофе: ...после скорби дней тех, солнце померкнет, и луна не даст света своего, и звезды спадут с неба, и силы небесные поколеблются.

  В рамках космологической модели в физике элементарных частиц рассмотрена эволюция материи, начиная с планковского времени Вселенной. В основу этого рассмотрения положена "горячая" модель, которая позволяет связать время, плотность и температуру (энергию) Вселенной с превращениями вещества и излучения.

   Известно, что все формы матери образуются в результате взаимодействий четырех видов: сильных (ядерных), электромагнитных, слабых (радиоактивный распад) и гравитационных (тяготение). Согласно квантовой теории поля, константы этих взаимодействий изменяются в зависимости от энергии - "бегущие константы". На основании этой зависимости предполагается, что виды взаимодействий проявляются как разные только при относительно небольших энергиях. При высоких энергиях они объединяются в единую силу. Так, теорией предсказано и экспериментально подтверждено, что при энергиях порядка миллиона миллиардов градусов электромагнитные и слабые силы объединяются в электрослабые. Далее предсказывается, что при многих миллиардах миллиардов градусов происходит "великое объединение", унифицирующее сильные, электромагнитные и слабые взаимодействия. И, наконец, при планковской температуре предполагается всеобщее объединение взаимодействий, включая гравитационное, в единую силу. Энергии двух последних объединений столь велики, что недостижимы в земных условиях в настоящее время, и их модели проверяются по косвенным данным.

   Сопоставляя энергии объединений с температурами расширяющейся Вселенной, находим, что всеобщее объединение должно реализоваться при планковских параметрах Вселенной, то есть в самом начале раздувания Вселенной. Таким образом, в начальный момент времени действует единая сила, которая затем, при расширении и остывании Вселенной, разветвилась на четыре вида взаимодействий. Такова теоретическая схема предполагаемого развития единой силы, сопровождающего эволюцию Вселенной. Этот монизм взаимодействий коррелирует с монизмом христианства - Единый Творец Вселенной и единая начальная сила.

   Именно плотность и температура определяют взаимодействия и состав материи в модели "Большого взрыва". Основные процессы, которые происходят в первые 100 сек. - это процессы взаимодействия, рождения, распада и уничтожения (аннигиляции) элементарных частиц, античастиц и излучения. При аннигиляции частицы и античастицы возникает излучение. В свою очередь, излучение высокой энергии может породить пару: частицу и античастицу. По составу частиц эволюцию материи можно разделить на несколько периодов, которые характеризуются интервалами времени, плотности и энергии.

    Первый период называют адронным, по имени сильно взаимодействующих тяжелых частиц - адронов. Состав материи в начале этого периода представлен частицами и античастицами столь высоких энергий, что их невозможно получить экспериментально в земных условиях. Если бы частиц и античастиц в этот период оказалось поровну, то они аннигилировали бы в излучение, эволюция вещества прекратилась, а Вселенная представляла бы собой расширяющийся объем, наполненный одним излучением. Но к концу адронного периода остается избыточное число адронов, которым не с чем аннигилировать, и эволюция вещества продолжается.

   Адронный период существует при плотностях больше ядерной плотности и временах меньше десятитысячной доли секунды. Его материю можно представить как адронную плазму, состоящую из смеси частиц, античастиц и излучения, которая затем эволюционирует в другие формы материи. Так, судя по энергиям, вещество при временах меньше миллионной доли секунды, рассматривают как "кварковую плазму", состоящую из свободных кварков и глюонов, которые затем соединяются в протоны и нейтроны (три кварка образуют протон). Таким образом, именно в конце адронного периода происходит ядерный синтез, то есть возникают протоны и нейтроны, из которых потом формируются ядра атомов.

   Для физиков это наиболее интересный и мистический период эволюции материи. Ожидается, что именно в этот период реализуется "великое объединение" физических взаимодействий в силу, которая затем эволюционировала в ядерные, электромагнитные и слабые взаимодействия, наблюдаемые сейчас.