ЭВОЛЮЦИЯ ЖИЗНИ НА ЗЕМЛЕ.КОСМИЧЕСКАЯ ЭВОЛЮЦИЯ МАТЕРИИ - ЭВОЛЮЦИЯ И ЭКОЛОГИЯ

Вселенная представляет собой уникальный всеобъемлющий предмет для размышления и изучения.

Эволюцию материи во Вселенной мы можем представить в виде трех ее составляющих — вещества, энергии, организации. Если модуль материи, т. е. сумма вещества энергии и организации остается постоянным (по законам сохранения), то вся эволюция материи составляет многократный и непрерывный переход вещества в энергию, энергии в организацию и, наоборот, организации в энергию, энергии в вещество (по законам перехода).

В настоящее время наибольшее количество фактов в свою пользу набрала теория “Большого взрыва”, которая, несмотря на все ее недостатки, позволяет рассуждать о процессе усложнения материи, опираясь на известные нам фундаментальные законы.

Изучение любого процесса невозможно без расчленения его на части, без рассмотрения этих частей отдельно с целью анализа различных его сторон. Рассматривая эволюцию начальной стадии развития материи, астрофизики используют для нового качественного этапа название “эра”. И это несмотря на то, что длительность эры может быть очень малой по нашим понятиям.

Эра первичного вещества

В самом начале — ноль-пункте времени — вещество и энергия были сдавлены в единую гигантскую массу, которая не имела ни пространства, ни времени. Поскольку наука не обладает более ранним представлением о материи, начало “Большого взрыва” иногда обозначают “точкой неопределенности”. Температура в “точке неопределенности” достигала колоссальной величины. Состояние ее являлось неустойчивым. Произошел взрыв. Не такой взрыв, который мы можем наблюдать на Земле и который начинается из определенного центра и затем распространяется, захватывая все большее и большее пространство, а взрыв, который произошел одновременно везде, организовав и заполнив с самого начала все пространство. При этом каждая частица материи устремилась прочь от любой другой частицы, образуя вектор времени. На основании приобретенных наукой знаний считается, что проследить эволюцию Вселенной от момента “Большого взрыва” возможно. Для этого необходимо задать плотность трем сохраняющимся величинам в исходный момент ранней Вселенной, которыми являются: электрический заряд, барионное число, лептонное число.

1. Электрический заряд. Возможно появление или исчезновение пары частиц с равными по величине и противоположными по знаку электрическими зарядами, но полный электрический заряд никогда не меняется.

2. Барионное число. Барион — это объединяющий термин, включающий ядерные частицы (протоны и нейтроны) вместе с более тяжелыми нестабильными частицами, известными как гипероны. Барионы и антибарионы могут рождаться и уничтожаться парами; кроме того, барионы могут распадаться на другие барионы, как в бета-распаде радиоактивных ядер, когда нейтрон переходит в протон, и наоборот. Однако полное число барионов минус число антибарионов (антипротонов, антинейтронов, антигиперонов) никогда не меняется.

3. Лептонное число. Лептоны — это легкие, отрицательно заряженные частицы — электрон и мюон, а также электрически нейтральная частица нулевой массы, называемая нейтрино, и их античастицы — позитрон, антимюон и антинейтрино. Несмотря на нулевые массы и заряд, нейтрино и антинейтрино несут энергию и импульс, как и любые другие частицы. Полное число лептонов минус полное число антилептонов никогда не меняется.

Эра теплового равновесия

В результате “Большого взрыва” Вселенная быстро расширяется и остывает. Основную роль в пространстве, которое теперь занимает материя, играют мюоны, электроны, позитроны, нейтрино и антинейтрино. Но Вселенная еще столь плотна, что даже нейтрино, которые могут годами “путешествовать” сквозь свинцовые бруски, не будучи рассеянными, удерживаются в тепловом равновесии с электронами, позитронами и фотонами, благодаря быстрым столкновениям с ними и друг с другом.

Температура Вселенной, равная 100 миллиардам градусом Кельвина (10¹¹ К), в момент взрыва резко падает и уже через две секунды от начала достигает 10 миллиардов градусом Кельвина (10¹⁰ К). Время этой эры быстротечно и составило менее 10 с. Основным конечным результатом этой эры является аннигиляция электронно-позитронных пар, превращение их в фотоны, что приводит к заполнению Вселенной светом.

Эра нуклеосинтеза

Менее чем через 14 с от НАЧАЛА температура Вселенной упала до 3 миллиардов градусов Кельвина (3 ⋅ 10⁹ К). С этого момента, говоря о температуре Вселенной, подразумевают температуру фотонов. Теперь уже достаточно “прохладно” для того, чтобы образовались различные стабильные ядра вроде гелия и водорода. То есть большинство свободных электронов и позитронов исчезло, перешло к электрическому типу взаимодсйствия, и главными составными частями Вселенной являются теперь фотоны, нейтрино и антинейтрино. Почти все нейтроны также ушли на образование ядер гелия. Вселенная продолжала расширяться и охлаждаться, и в течение 700 000 лет не произошло ничего “интересного”. После первых трех минут материал, из которого должны были образоваться звезды, состоял на 22 — 28% из гелия, а остальное — почти все из водорода. Таким образом, Солнце и другие звезды начали жизнь, имея в своем составе лишь водород и гелий.

Звездная эра

Наша эра. Температура по истечении 700 000 лет становится ниже 3000 К. Время течет, и качественных скачков во Вселенной не возникает. Вещество эволюционирует, образуя галактики и звезды в результате сгущения. Начинают образовываться атомы (рис. 6.1) — элементарные “кирпичики” вещества, которые Д. И. Менделееву удалось привести в систему. Большинство из этих элементов образуются в звездах и попадают в пространство при взрывах звезд. В недрах звезд образуются углерод, железо и т. п. Разлет сложных элементов при взрыве звезд приводит их к новому сгущению и образованию планетных систем.

Рис. 6.1. Пример слияния атомов водорода с образованием тома гелия. Один атом гелия легче, чем четыре атома водорода. Дефект массы соответствует выделению энергии излучения (а. е. м. — атомная единица массы)

Диаметр нашей Солнечной системы, ограниченной орбитой Плутона, составляет 12 млрд км. Лучу света требуется более 11 ч для того, чтобы пройти это расстояние, в то время как дорогу от Земли до Луны он покрывает за 1,25 с. Возможно, что Вселенная сейчас имеет конечную длину окружности, оцениваемую примерно в 125 млрд световых лет (рис. 6.2).

Рис. 6.2. Сопоставление орбит и размеров планет Солнечной системы