Космологическая модель Вселенной. Биологическое время

    В результате своих  наблюдений Хаббл  обосновал представление, согласно которому Вселенная  - это множество галактик, разделенных между собой огромными расстояниями.

    Фридман предложил три  модели Вселенной.

    1. Вселенная расширяется медленно  для того, чтобы в силу гравитационного притяжения между различными галактиками расширение Вселенной замедлялось и, в конце концов, прекращалось. После этого Вселенная начинала сжиматься. В этой модели пространство искривляется, образуя сферу.

    2. Вселенная расширяется бесконечно, пространство искривлено и бесконечно.

    3. Пространство плоское и бесконечное  

    По  какому из этих вариантов идет эволюция Вселенной, зависит от отношения гравитационной энергии к кинетической энергии разлета вещества.

    Если  кинетическая энергия  разлета вещества преобладает над  гравитационной энергией, препятствующей разлету, то силы тяготения  не остановят разбегания галактик, и расширение Вселенной будет носить необратимый характер. Этот вариант динамичной модели Вселенной называют «открытой Вселенной».

    Если  же преобладает гравитационное взаимодействие, то темп расширения со временем замедлится до полной остановки, после чего начнется сжатие вещества вплоть до возврата Вселенной в исходное состояние сингулярности. Такой вариант модели назван осциллирующей, или «закрытой Вселенной».

    В случае, когда силы гравитации равны энергии разлета вещества, расширение не прекратится, но его скорость со временем будет стремиться к нулю [6].  
 
 
 
 

    Глава 2. Теория большого взрыва

    Представление о развитии Вселенной привело к постановке вопроса о начале эволюции (рождении) Вселенной и ее конце (смерти). Основной теорией объясняющей возникновение и развитие Вселенной, и по сей день, является теория Большого взрыва. Основные черты этой модели сохранились до сих пор, хотя позже она была дополнена теорией инфляции, или теорией раздувающейся Вселенной, разработанной американскими учеными А. Гутом и П. Стейнхардтом, и дополненной советским физиком А.Д. Линде.

    В 1948 году Гамов выдвинул предположение, что  Вселенная образовалась в результате гигантского  взрыва, произошедшего  примерно 15 млрд лет  тому назад. Тогда все вещество и вся энергия Вселенной были сконцентрированы в одном сверхплотном сгустке. Если верить математическим расчетам, то в начале расширения радиус Вселенной был равен нулю, а ее плотность - бесконечности. Это начальное состояние называется сингулярностью.

    Но  по принципу неопределенности В. Гейзенберга вещество невозможно стянуть  в одну точку, поэтому  считается, что Вселенная  в начальном состоянии  имела определенную плотность и размеры.

    Долгое  время ничего нельзя было сказать о  причинах Большого взрыва, переходе к расширению Вселенной. Но сегодня появились некоторые гипотезы, пытающиеся объяснить эти процессы. Они лежат в основе инфляционной модели развития Вселенной [5].

      «Начало»  Вселенной. Основная идея концепции Большого взрыва состоит в том, что Вселенная на ранних стадиях возникновения имела неустойчивое вакуумоподобное состояние с большой плотностью энергии, возникшей из квантового излучения, т.е. из ничего. В вакууме отсутствуют фиксируемые частицы, поля и волны, но пока вакуум находится в равновесном состоянии, в нем существуют виртуальные частицы, которые берут у вакуума энергию на короткий промежуток времени, чтобы родиться, быстро вернуть занятую энергию и исчезнуть. Когда же вакуум по какой-то причине в некоторой исходной точке вышел из состояния равновесия, то виртуальные частицы стали схватывать энергию без отдачи и превращаться в реальные. Поэтому в определенной точке пространства образовалось огромное количество последних. Когда же возбужденный вакуум разрушился, высвободилась гигантская энергия излучения, а суперсила сжала частицы в сверхплотную материю. Начинается стремительное расширение Вселенной, возникают время и пространство.  

    Инфляционный  период - 10 в минус 33 степени секунды после начала расширения Вселенной, за которые ее размеры увеличились в 10 в 50 степени раз.

    К концу фазы инфляции Вселенная была пустой и холодной, но когда  инфляция иссякла, Вселенная  стала чрезвычайно  «горячей». С этого  момента Вселенная  развивается стандартно согласно теории «горячего» Большого взрыва.

    Ранний  этап эволюции Вселенной. Эволюция Вселенной происходило поэтапно, и сопровождалась, с одной стороны, дифференциацией, а с другой – усложнением ее структур. Этапы различаются характеристиками взаимодействия элементарных частиц и называются эрами: адронной,  лептонной, эрой излучения. 

    После Большого взрыва образовавшееся вещество и электромагнитное поле были рассеяны и представлял собой газовопылевое облако и электромагнитный фон. Спустя 1 млрд лет  после образования  Вселенной из случайных  уплотнений вещества стали появляться галактики и звезды.

    Галактики существуют в виде групп (несколько  галактик), скоплений (сотни галактик) и облаков скоплений (тысячи галактик). Одиночные галактики во Вселенной встречаются очень редко. Средние расстояние между галактиками в группах и скоплениях в 10-20 раз больше, чем размеры самых крупных галактик. Гигантские галактики имеют размеры до 18 млн световых лет. Пространство между галактиками заполнено газом, пылью и разного рода излучениями.

    Звезды  рождаются из космического вещества в результате его конденсации под действием гравитационных, магнитных и других сил.  

    Рождение  звезд в галактике  происходит непрерывно. Этот процесс компенсирует также непрерывно происходящую смерть звезд. Источник собственного свечения звезд – термоядерная реакция, превращающая водород в гелий.

    С момента начала этой реакции звезда переходит  на главную последовательность, в соответствии с  которой будут  изменяться с течением времени ее характеристики: светимость, температура, радиус, химический состав и масса [9].  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

    Глава 3. Циклическая модель Вселенной. Возникновение Вселенной с точки зрения М-теории

    В 2001 году два космолога - Нил Тьюрок и Пол Стэйнхардт, осуществили попытку объяснения возникновения Вселенной с точки зрения современной, сформировавшейся в 90-е годы двадцатого века многообещающей М-теории, которой прочат звание единой теории всех фундаментальных сил составляющих Вселенную. Согласно М-теории пространство состоит не из привычных нам трёх измерений, а из 11 измерений, 11 измерением является время. Стэйнхардт и Тьюрок выдвинули предположение, что взрывы, а точнее столкновения бран (брана в М-теории – это многомерная мембрана, протяжённый двухмерный или с большим числом измерений n-брана объект) были и будут, они вечны. Вселенная - это бесконечный цикл движимый бесконечным количеством взрывов на протяжении вечности. М-теория показала возможность существования бесконечного множества параллельных Вселенных, которые словно параллельные мембраны находятся от нас в долях миллиметров. Столкновение же бран приводит к тому, что мы называем Большим Взрывом. Браны притягиваются, но с крайне слабой силой. Недавнее открытие увеличивающейся скорости расширения Вселенной, «разбегания» галактик, привело в частности к гипотезе о существовании Тёмной энергии, хорошо вписывающейся в космологическую модель М-теории. Тёмная энергия, это сила заставляющаяся Вселенную расширяться ещё быстрее, на языке М-теории это приводит к плоской бране. Две браны сходясь вместе заряжают друг друга энергией. Затем Тёмная энергия на протяжении триллионов лет рассеивает эту энергию [10].

      «Тёмная энергия со временем меняет свои характеристики, - рассказывает Стейнхардт Би-би-си. - В конце концов, поле начинает вырабатывать энергию до момента нестабильности, когда оно взрывается материей и излучением, наполняя Вселенную. Это ведет к следующему периоду расширения [11]».

    «В  обычном изложении подразумевается, что Большой взрыв - это начало пространства и времени, что в начале было ничто, и из этого ничто появились пустота, время, материя, излучение и так далее, - говорит Стейнхардт. - Мы предлагаем новую картину, в которой Большой взрыв - не начало времени, а лишь начало последнего цикла из бесконечной серии нагревания, расширения, застоя, опустошения и вновь расширения [11]».

    Таким образом, в конце концов, браны, уплощаются, затем сходятся вновь, и весь цикл повторяется, уже бесконечное число раз.  
 
 
 
 
 
 
 
 

    4. Биологическое время

    В условиях современности науке нельзя ограничиваться отдельным анализом пространственного аспекта отдельно от временного, они связаны воедино: Тимофеев-Ресовский: “в любое определение, которое мы пытаемся сформулировать для понятия системы, должно входить время, история, преемственность, иначе все теряет смысл, и понятия “система” без остатка идентифицируется с понятием “структура”… Так же как элементарные составные части данной системы являются звеньями именно этой системы и неотделимы с точки зрения этой системы, так и время относится к числу этих неотделимых элементарных, составных частей” [2].

    То или иное состояние пространственное организации живых систем (в 3-х мерном пространстве) всегда относится к какому-то определенному моменту (до, после) состояние иное. Развертывание структуры в пространстве неотделимо от развертывания ее во времени, которое для системы становится 4-ым измерением.

    Пространство в естествознании выражает протяженность, порядок и характер размещения материального объекта, их взаимное расположение. 
Время в естествознании отражает последовательность процессов изменений и длительность существований объекта.

    Попыток определить единство пространственно-временной организации в отношении живого объекта не предпринималось.

    Писатель Сартаков в романе “Философский камень”: 
“Альберт Эйнштейн как математик разгадал единое пространство-время, найдя 4-ое измерение. Но это только для мертвой материи. А между тем жизнь, течение жизни никак не отделимы от пространства и времени. Эйнштейн, почему же вы пренебрегли этим? Я тоже хочу разгадать пространство и время, но для живой материи. Я все испробовал. Какая наука даст мне ответ на это?”

    Ответа нет. 

    4.1. Проблема «биологического времени»

    С понятием временной организации тесно связана проблема специфичности течения времени в живых системах, или, как ее называют, проблема биологического времени.

    Большинство авторов подчеркивает, что время едино во Вселенной, какого-либо особого (например, биологического времени) нет, правомерно говорить лишь о субъективной оценке времени. Однако существует и противоположная позиция, имеющая немалое число сторонников. Проблема биологического времени была поставлена более 100 лет назад К.Бэром, основоположником эмбриологии. Научно обоснованная идея о биологическом времени принадлежит В.И. Вернадскому, который в это понятие включил время, связанное с жизненными явлениями, точнее, с отвечающим живым организмам пространством, обладающим дисимметрией. По Леконте де Нюп (1936), биологическое время нерегулярно, поскольку нерегулярны изменения, лежащие в его основе. Это составляет отличие от физического времени. Ф.Чижек (1967) обращает внимание на то, что в разном возрасте нужно неодинаковое количество физического времени для совершения равной физической работы. Примером отличия физического и биологического времени является календарный и биологический возраст человека. По мнению В.А.Межерина (1980), две формы времени (физическое и биологическое) не тождественны, при сведении биологического времени к физическому утрачивается представление о специфике биологических систем. В современной научной литературе приводится много свидетельств довольно существенной изменчивости масштабов времени в психофизическом восприятии его течения человеком. Особенно это касается стрессовых ситуаций, когда время «сжимается» или «растягивается» [7].

    Существование биологического времени признается не всеми. Есть те, кто считает, что время обладает всеми свойствами физического времени:

    1. однонаправленность (необратимость)

    2. одномерность (при наличии начала отсчета любой момент времени может быть задан с помощью только одного числа, а для фиксации любого события требуется один временной параметр)

    3. упорядоченность (моменты времени расположены по отношению друг к другу в линейном порядке)

    4. непрерывность и связанность (время состоит из несчетного множества мгновений, его нельзя разбить на части, чтобы в одной из них не было бы момента времени, бесконечно близкого ко второй части).