Отдельным участком астрономии есть космология. Она занимается проблемами происхождения Вселенной.
Подавляющее большинство современных астрономов — материалисты. Они решают для себя проблему происхождения Вселенной в материалистическом ключе. Причем, в материалистической космологической мысли можно выделить два принципиальных направления: 1) вечная Вселенная без начала и конца; 2) невечная Вселенная, имевшая во времени конкретное начало и будет иметь конец.
Сразу укажем, что первая мысль противоречит всем основным научным сведениям. Наша Вселенная однозначно началась во времени, и большинство процессов в ней протекает необратимо (стрела времени) — Вселенная будто “раскручивается”, бывши первоначально “закрученной” (II-й закон термодинамики).
Существует ещё одно, третье направление, являющееся своеобразным симбиозом первых двух, — а именно, гипотеза “вечно-невечной” Вселенной. Эту гипотезу можно коротко сформулировать так: внутри большой Вселенной-вакуума, не имеющей начала и конца во времени, беспрерывно спонтанно возникают меньшие Вселенные с началом и концом, наподобие нашей (“Вселенная, вечно воссоздающая себя”).
Идея вечной Вселенной наиболее удобна для эволюционистов, а вышеприведённая третья формулировка как раз и позволяет оставаться на позициях вечности. По этой причине, большинство эволюционистов отвергло идею о вечности нашей Вселенной и перешло к третьему направлению, то есть, к идее вечности большой Вселенной.
Итак, наиболее распространённой моделью материалистической космологии есть “супер Вселенная”, внутри которой, словно пузырька в кипящей жидкости, постоянно “самовзрываются” сравнительно маленькие Вселенные со случайным набором внутренних параметров (фундаментальные константы и физические законы); при определённых значениях фундаментальных констант новорожденная Вселенная приобретает сложную внутреннюю структуру со стабильными атомами и высокоорганизованными атомарными системами[1] .
Что же касается отдельного участка этой общей модели — а именно, происхождения отдельного “пузырька” (нашей Вселенной) — то здесь эволюционисты сошлись на теории большого взрыва.
Эта основополагающая концепция происхождения сложной организации неживой материи базируется на космологических моделях начала минувшего века. В 1917 году Эйнштейн на основании только что открытой им общей теории относительности, получает первую теоретическую стационарную модель Вселенной, выраженную в двух коротких уравнениях. В 1923 году советский математик Александр Фридман получил общие решения этих уравнений и продемонстрировал нестационарность эйнштейновской Вселенной, предложив теорию расширяющейся Вселенной. Через 6 лет американец Эдвин Хабл открывает явление красного сдвига, состоящее в сдвиге положения характерных спектральных полос на спектре электромагнитного излучения звёзд в сторону более низких частот (к инфракрасной области). Причиной этого может быть разбегание галактик (допплеровский сдвиг частоты). Далее, в конце 1940х годов американец, росский по происхождению, Георгий Гамов с учениками выдвигает гипотезу, что расширению Вселенной может существовать подтверждение в виде “остаточного” электромагнитного излучения с характерной температурой ~5 К. В 1965 году такое явление было действительно наблюдено Уильсоном и Пензиасом (микроволновая фоновая радиация). Характерная температура составляла ~2,7 К. Реликтовое излучение оказалось квазиизотропным (приблизительно одинаковым по всем направлениям), то есть не исходящим от какого-либо одного конкретного источника. На каждую частицу во Вселенной приходится приблизительно 1 млрд. фотонов микроволновой фоновой радиации.
Итак, подытожим историю развития теории большого взрыва такой формулой:
Теория большого взрыва:
Общая теория относительности a ->>
Идея, что Вселенная расширяется a ->>
Идея, что Вселенная раньше имела высокую температуру
+ Два аргумента в подтверждение.
Теория большого взрыва служит отправным пунктом в построении других астрономических моделей происхождения: происхождение галактик и планетных систем, рождения и жизни звёзд и т.п.
Согласно представлениям большинства современных астрономов[2] , развитие Вселенной имело такую хронологию. В начале (10-20 млрд. лет тому назад) вся материя находилась в состоянии чрезвычайно высокого давления и температуры. Причем, вещество, то есть элементарные частицы, а также законы взаимодействия между ними, находились не в реальной, а виртуальной (потенциально возможной) форме. (Нужно, наверное, так понимать, что сначала вещество было виртуальным, а потом внезапно стало реальным, поскольку невозможно говорить о высоком давлении и температуре виртуального вещества.) Потом в этой первоначальной Сингулярности объёмом ~1 см3 произошла какая-то флюктуация (отклонение), и она начала расширяться, что сопровождалось её охлаждением. Скорость расширения Сингулярности сначала была максимальной, но спадала по мере расширения. На протяжении только первой секунды объём Сингулярности возрос так сильно, что температура упала на 30 порядков — от ~1040 К до ~1010 К (!). Это очень напоминает процесс взрыва, откуда и название теории. Материя начала “свёртываться” в атомные ядра и электроны, те “слипались” в звёзды и планеты. Образовывались звёздные системы, галактики и скопления галактик. Возникли (в теперешнем виде) не только все элементы материи, но и все основные законы её функционирования, например, закон гравитации. Этот закон заставляет все космические единицы вращаться вокруг более крупных единиц: спутники вращаются вокруг планеты, планеты — вокруг звезды, звёзды — вокруг центра галактики, галактики — вокруг центра галактических скоплений. Из химических элементов первым образовался однопротонный водород. Водород был очень горячим. Гелий возник как продукт термоядерного синтеза водорода. Литий и прочие легкие элементы (до железа) тоже могли образоваться от термоядерного синтеза более простых элементов. Нуклеосинтез (синтез ядер) длился лишь первые 300 секунд. Через миллиард лет, когда сформировались галактики и звёзды, он возобновляется. Во вспышках сверхновых звёзд теоретически мог происходить нуклеосинтез тяжёлых элементов (тяжелее железа). Рис. 5 изображает хронологию событий после “рождения”[3] .
Происхождение материи в этой теории рассматривается от взрыва Сингулярности и дальше. Откуда взялась сама Сингулярность — авторы не говорят. Если постулировать сложность Вселенной следствием сложности Сингулярности, то такая теория была бы просто попыткой уйти от ответа на вопрос о Происхождении. Авторы теории так не делают. Чтобы быть последовательными материалистами, они предлагают рассматривать первоначальную Сингулярность как неупорядоченную, как энергетическую мешанину, а сложность строения Вселенной — следствием “бездумного” самособирания отдельных элементов Сингулярности. Материалисты верят, что сложность устройства Вселенной и высокая подогнанность его параметров случайна и вполне возможна, а также, что Вселенная развивается от нулевой (или очень низкой) организации к высокой. Имеет место последовательное развитие главной мысли материализма, перенесение материально-случайной логики на проблему происхождения неживой материи.
Ну что ж, каждая гипотеза имеет право на существование. Проверем её научную прочность.
Важно отметить, что оснований полагать, будто неживая материя когда-либо усложнялась, нет. Общеизвестной и универсальной есть противоположная тенденция, тенденция к упрощению — это ІІ-й закон термодинамики о неуменьшении энтропии (неувеличении упорядоченности) замкнутых систем. Если всё же вообразить, что материя до определённого времени усложнялась, то возникает вопрос: “А почему потом она начала упрощаться?”
Постулирование основы, противоречащей фундаментальному закону физики есть первым алогизмом модели большого взрыва.
Второй алогізм состоит в, мягко говоря, непривычном виде причинно-следственной цепочки: высокая организация неживой материи постулируется следствием случайных процессов. Разве хаос (взрыв) порождает порядок?
Некоторые эволюционисты на основании ІІ-го закона термодинамики сейчас говорят, что теперешняя высокая организация Вселенной ничтожна по сравнению с первоначальной[4] . Упорядоченные структуры современной Вселенной являются будто обломками первоначальной суперструктуры. Известный материалистический писатель-фантаст Айзек Азимов сравнивает модель большого взрыва с идеей, что тысяча одноэтажных домов образовалась вследствие взрыва одного большого небоскрёба[5] . Идея “обломковости” в сочетании с синергетической гипотезой (см. раздел 2.3) об упорядочении отдельных мест системы за счёт ещё большего разупорядочения системы в целом, создаёт у эволюционистов иллюзию выхода из тупика. — Наоборот!, тогда ещё острее становится вопрос: “А откуда взялся столь упорядоченный ‘первонебоскрёб’?” — Переход из одного тупика в другой...
В-третьих, можно провести качественные оценки вероятности самоорганизации Вселенной.
Можно ли говорить о Вселенной как о случайном образовании? Неужели настолько сложные структуры возникают сами по себе, произвольно? Материалисты отвечают на этот вопрос положительно:
“Наша Вселенная — не одинока. В Мире, судя по всему, существует вакуум большой, возможно бесконечной размерности. В нём произвольно возникают разнообразнейшие вселенные с разными розмерностями, наборами взаимодействий между частицами и разными числовыми значениями фундаментальных констант.”[6]
В принципе, чисто теоретически, самосборка сложных систем возможна/вероятна, но всегда важно представлять себе конкретную величину такой возможности для конкретной системы. Вероятность самосборки катастрофически спадает с увеличением уровня сложности системы. Чем сложнее система, тем меньше вероятность её самовозникновения. Поэтому, для оценки вероятности самовозникновения Вселенной, оценим уровень её сложности.
Имеющихся на сегодня сведений об устройстве материи от нуклонов до галактик достаточно для утверждения, что уровень сложности Вселенной очень высок. Накоплена огромная масса сведений о Вселенной. Наши знания разбиты по категориям; отдельные научные дисциплины занимаются исследованиями Вселенной в своих секторах; много места займёт само только перечисление этих категорий и дисциплин. И при всём этом, наши знания/информация, наверное, представляют лишь мизерную часть от всей информации (даже не в шенноновском[7] понимании информации, а алгоритмическом), — столь сложно устройство Вселенной, так много организационных нюансов в её строении! Совокупность всех организационных нюансов и определяет уровень сложности строения Вселенной. А может, этот уровень сложности безграничен? (Что выглядит сомнительным).
Нам до сих пор точно не известно о границах материи как на мегауровне, так и микроуровне.
О границах материи на мегауровне достаточно сказать, что у физиков мало фактических данных даже для однозначного ответа на принципиальную дилемму “Является ли Вселенная геометрически ограниченной или безграничной?”, не говоря уже о точных её “габаритах”. (И хотя, по нашему мнению, Вселенная является геометрически ограниченной, всё же интересен факт, что он настолько велика, что не удаётся достичь его границ).
А как с границами Вселенной на микроуровне? Может, здесь ситуация лучше, и физики идентифицировали наиэлементарнейшие составляющие материи и знают их геометрические размеры? Звучит непривычно, — но оказывается, что сам термин геометрия (геометрические размеры и координаты нахождения) теряет обычный смысл для объектов субатомарного уровня (принцип неопределённости Гейзенберга): объект имеет возможно такие геометрические размеры/координаты, а возможно такие (!), — известна лишь мера такой возможности (то есть вероятность) и её пространственный профиль (границы которого, между прочим, уходят в бесконечность, делая очертания профиля неопределёнными). Всё на микроуровне приобретает вероятностный/случайный характер: и энергия, и форма, и координаты, и процесс распада. (Хорошо, что хоть законы взаимодействия, кажется, сохраняют однозначность).
У нас нет даже предположения о номенклатуре наиэлементарнейших составляющих материи и о “геометрии” Вселенной на глубочайшем уровне.
Немало людей имеют стереотип, будто проблема строения материальных объектов решена или она близится к решению. Приходится констатировать, что после ста лет исследований структуры атома, дойти до “окончательных первоэлементов” материи не удалось и устройство её оказывается всё более неожиданным. Освежим наши представления о строении видимой материи в свете давно известных фактов и новых гипотез.
Внутренняя структура атома
Достаточно взглянуть вокруг себя, чтобы понять насколько разнообразны формы/проявления видимой материи. Тем не менее, все материальные тела состоят всего из сотни химических элементов. Те, в свою очередь, строятся из “стандартного набора” в виде протона, нейтрона и электрона. От элемента к элементу изменяется лишь количество этих трёх составляющих. Так что, изменив число протонов в свинце, можно получить золото. Какая элегантность устройства материи! — за всё разнообразие отвечают всего три составляющие.
Правила взаимодействия структурных элементов системы определяются внутренней структурой этих элементов. Попробуем оценить уровень сложности структурных элементов такой системы как Вселенная. Их всего три. Они настолько сложно ведут себя, что можно говорить об их способностях, активных характеристиках. Например, электрон и протон являются противоположно заряженными, то есть способными к притягиванию, а протоны между собой — способными притягиваться на маленьких расстояниях, вопреки электростатическому отталкиванию. Элементарные частицы очень сложно ведут себя, так как имеют сложную структуру.
Электроны не просто “вращаются” вокруг ядер — они “вращаются” на орбиталях сложной геометрии по сложным правилам. Пространственная геометрия этих орбиталей зависит от количества электронов в данном атоме: появился новый электрон — электронно-нуклонное сообщество немедленно “указывает” ему, какую орбиталь занять, а тот имеет способность взирать на то, полностью ли занята орбиталь, чтобы в случае присутствия там напарника, “сделать” свой спин противоположным его спину. От окружения, температуры и других условий зависит то, будет ли электрон “перепрыгивать” на другие атомы (и в какой мере), или он совсем оставит атом (плазма), он ли “выпадет в осадок” (станет бозе-частицей), образовав с другими электронами длинные цепи-токи[8], циркулирующие без сопротивления (сверхпроводимость). Нуклонная совокупность (ядро) ещё более чувствительна к количеству: прибавьте к 18-протонной конструкции всего один протон, — и совокупность существенным образом перестроится, так что инертный газ аргон станет металлом калием. Прибавьте ещё 7 протонов, — снова получим газ. Высокая чувствительность системы к количеству составных частей — признак сложности структуры. (Даже не сразу же удастся найти аналогичную по сложности систему в нашем мире сложной техники.) Атом азота (7 протонов) почему-то проявляет валентность от III до V; атом кислорода (8 протонов) присоединяет к себе два атома водорода почему-то именно под взаимным углом 105о (sp3-гибридизация) и результирующая молекула воды приобретает особенность быть наиболее компактной именно при +4 оС, а не при 0 оС; из всех химических элементов почему-то только 6-протонный углерод способен образовывать с атомом водорода практически неограниченное количество структурно разных соединений; выше определённой температуры атомы многих металлов почему-то “решают” измениться так, что перестраивается целая кристаллическая структура; и так далее.
Не позавидуешь физикам-материаловедам, ведь всё в их работе упирается в атом. Феноменологическое видение атома, то есть понимание на уровне сведений о проявлениях “черного ящика” без осознания связи между этими проявлениями и внутренней структурой, исчерпывает себя, поскольку огромное количество физических процессов в веществе остается непонятным.
Структура частиц настолько тонка, что правила их поведения становятся очень разнообразными, — кажется, будто кто-то отдает им приказы. Элементарные частицы имеют настолько сложную структуру, что “было бы весьма тяжело определить, чья структура сложнее — протона или молекулы ДНК.”[9] Готово ли человечество к мысли, что эти “примитивные” и “неделимые” атомы[10] имеют более сложную структуру, чем структура наисложнейшего человеческого устройства или даже ДНК? Всё разнообразие материальных форм заложено (в значительной мере) в трёх элементарных компонентах, что означает тонкость/сложность их структуры. Элементарные частицы — эти микрообъекты, — похоже, сам сами есть макрообъектами, относительно своих составляющих[11]. Тем не менее, не следует представлять себе это простым масштабированием, — будто атомы по своей структуре есть обычной совокупностью “атомарных атомов”, связанных обычным способом, или что-то подобное.
Три упомянутых элементарных частицы оказываются отнюдь не наиболее элементарными. “Просвечивание” протонов и нейтронов сверхбыстрыми электронами (>1 ГэВ) даёт информацию об их внутренней структуре. Результатам недавних экспериментов обнаруживают, что протоны сам сами состоят из частиц — кварков, а держатся вместе кварки путем постоянного обмена ещё меньшими частицами — глюонами. Кварки имеют вид пространственных точек с размером, не поддающимся измерению (<10-16 см). Электроны тоже ведут себя как пространственные точки с неизмеримо малым размером. То, что мы называем протоном или нейтроном, есть, на самом деле, пространственным рисунком, “вытанцовываемым” тремя кварками. При этом диаметр протона составляет ~10-12 см, а диаметр кварка неизмеримо мал (меньше 10-16 см). Таким образом, протон — это громадина из ... трёх малюсеньких кварков. Аналогичная ситуация и с электроном: электрон классического диаметра (5,6·10-13 см) является “фикцией”, пространственным рисунком собственно электрона — частицы с неизмеримо малым фактическим диаметром.
Можно ли провести аналогию между элементарной частицей и 10-ти метровой махиной, начинённой электроникой и сложной механикой?
Если наиболее элементарными оказываются уже не протоны, а кварки, тогда, значит, всё потенциальное разнообразие природы заложено в структуре кварков. А эти последние такие маленькие, что “не имеют” размеров — насколько велика тогда “удельная сложность” материи, насколько высока плотность упаковки алгоритмической информации!
Гипотеза о том, что у субатомарных объектов очень тонкая структура, позволяет ухватиться за понимание такой трудно доступной воображению особенности элементарных частиц, как вероятностный характер почти всех их параметров. В самом деле, в макромире существует немало объектов, которые внешне проявляют себя единицами, но внутренне являются ансамблем вероятностных (неупорядоченных) элементов. Например, газовый пузырёк в жидкости: снаружи он есть одним целым с вполне определёнными характеристиками, но внутренне отдельные его элементы (газовые молекулы) хаотичны/вероятностны. Отдельные элементы хаотичны, а их совокупность нехаотична — новый уровень организации. Итак, случайность параметров субатомарных частиц может объясняться аналогично: элементарная частица, в обычном до сих пор понимании, не является на самом деле элементарной, а представляет собой подчинённое определённым правилам “хаотическое движение” своих составляющих. Потому-то и параметры у неё (частицы) несколько хаотичные.
Какими есть характерные “геометрические размеры” атомарных атомов? Согласно теории размерностей, из набора фундаментальных констант, характеризующих нашу Вселенную (прежде всего, это постоянная скорости света в вакууме с, гравитационная постоянная G и постоянная Планка h) можно путем комбинирования этих констант получить определённые числа, которые, судя по их размерности, будут отвечать характерной длине, массе, частоте колебаний и другим параметрам (температура, заряд и т.п.) “чего-то”: ~10-33 см, ~10-5 г, ~1043 Гц,... Эти цифры известны в энциклопедиях под названием планковской длины, планковской массы и частоты. Эволюционные космологи говорят, что это характеристики Вселенной в первый миг (10-43 с) после взрыва. Но более вероятной видится гипотеза, что эти цифры характеризуют наименьший элемент Вселенной (“фундаментальный квант”)[12] .
Эти несколько метафизические данные служат для составления очень поверхностного представления об атомах атомов. Если размер наименьшего элемента Вселенной составляет ~10-33 см, тогда “под” атомом может размещаться ещё два “этажа”. Подтверждением этому служит вышеупомянутое свидетельство тонкой структуры кварков (“Если наиболее элементарными оказываются уже не протоны, а кварки, тогда, значит, всё потенциальное разнообразие природы заложено в структуре кварков”). Атомы состоят из электронов и кварков — это второй перед низшим этаж мироздания. А “кварки кварков” — наверное, низший этаж.
Расстояние от микромира до макромира
Разрыа между двумя мирами становится катастрофическим. Возможно, человечеству никогда не удастся дойти до “дна” материи (~10-35 м против ~1 м). Аналогично и с “потолком” материи — разрыв свыше 27 порядков! (~1 м против более 1027 м, принимая диаметр Вселенной равным 10 млрд. световых лет). 30 порядков вниз, 30 порядков вверх — не дотянуться (хотя бы теоретически) ни до дна Вселенной, ни до её потолка. — Настолько могущественным есть устройство Вселенной!
Как вместить в своём воображении систему, размеры наименьшего элемента которой на 60 порядков величины (и не известно точно, не на 160 ли) отличаются от размеров наибольшего?
Между человеком и атомом — всего 10 порядков. Это глубина одного геометрического “этажа” организации. Можно предположить, что таких “этажей” 6: один уровень есть вложенным в другой; один служит как бы атомом для другого. В каждом из этажей заложена уйма тонких организационных моментов, уникальная взаимосогласованность параметров. — И всё это продукт случайной организации? Такая себе самоорганизация глубиной в 60 порядков!
“Гипомикромир” вместе с “гипермакромиром” для нас безнадёжно недосягаем.
Однако, вспомним французского философа середины 19го века О. Конта, который утверждал, что “мы никогда ничего не сможем узнать о звёздах, кроме того, что они существуют. Даже их температура навсегда останется неопределённой...”, на фоне современных богатейших сведений о звёздах: размеры, расстояния, скорости, температура, состав, типология, внутренние процессы и т.п..
Волновая природа: все вокруг — поле?
В начале 20го века Ейнштейн гениально предположил, что световая волна имеет импульс (а значит, и массу) и может вести себя как частица. Вскоре после экспериментального подтверждения этой гипотезы, Луи де Бройль (1923 г.) выдвигает гениальное противоположное предположение, что частица под названием электрон может вести себя как волна. Было доказано, что не только электрон, но и все элементы материи субатомарного уровня являются волнами (корпускулярно-волновой дуализм). Волновую природу имеют все тела/частицы, но она выражается тем более сильнее, чем меньше импульс (произведение массы на скорость). Если все тела состоят из элементарных частиц, а те являются волнами, тогда чем являются тела?
Ещё из эксперимента Резерфорда в 1911 году известно о “пустоте” атома. Оказывается, объём атомного ядра занимает всего 10-14 полного объёма атома (радиус ядра почти в 100 тыс. раз меньше расстояния от ядра к ближайшему электрону). Все тела (кроме как в состоянии плазмы) состоят из атомов. Если атом “пуст”, тогда “твердость” и “непроницаемость” видимой материи иллюзорны. В коротковолновом свете макротела прозрачны. Для описания макротел больше подходят определения неплотное, пустое и дырявое. Между электроном и ядром — пустота, а точнее, — электромагнитное поле.
До сих пор наука не может сказать о поле больше, чем “Поле — это то, что проявляет себя так-то и так” или “Поле — это сфера влияния”. Поле остается наиболее актуальной проблемой физики: всё базируется на нём, а что оно такое — не известно. “От поля и выше” нам известно немало; ниже — нам почти ничего не известно. Построение единой теории поля, которая показывало бы и объясняла связь между разновидностями полей, остаётся сверхсложной задачей по недостатку даже предположений о глубинной сущности поля.
Корпускулярное является надстройкой, оно есть всего лишь одной из возможных форм организации полевого. Корпускулярное есть “полевым эффектом”. Это “надматерия”, в отличие от “подматерии”. Поэтому, “полёвость” — более глубинное свойство материи, нежели “частичковость” (корпускулярность).
Корпускулярную природу мы, кажется, более или менее представляем себе; — а вот как представить себе полевую природу? Законы микромира, кажется, полностью противоречат законам макромира, законам традиционной и легко понятной ньютоновской физики. Всё есть полем. Корпускулярное есть всего лишь способом организации (формой/проявлением) полевого. Но как раз полевое и есть тем, что наиболее плохо поддаётся пониманию. Всё уперлось в поле.
Разве не удивительно устроен мир? Задумываясь над строением и физическими процессами в материи, иногда больше верится, что это виртуальная реальность, сказка, а не “реальная” реальность. Поль Дирак, пионер волновой механики, занимаясь изучением законов микромира, говорил, что мы имеем дело с субстратом (“подматериалом”), о котором мы не можем составить адекватную умственную картину. Представить себе микромир в обычных образах, без внесения ошибочных стереотипов, невозможно. В устройстве материи субатомарного уровня — от форм до законов — есть что-то недосягаемое воображению. Чем ближе/глубже мы смотрим на материю, тем более она оказывается “полевым субстратом”, полем.
