3. СТРУКТУРНАЯ САМООРГАНИЗАЦИЯ ВСЕЛЕННОЙ И ЕЕ СОСТАВНЫХ ЧАСТЕЙ |
3.1 Формирование структур как этап самоорганизации Вселенной |
На рубеже рекомбинации Вселенная достигла своеобразной точки бифуркации.
До этого ее развитие шло через последовательные преобразования вакуума и
вещества, достижения в ходе таких преобразований все более высоких уровней
упорядоченности и сложности. Процесс протекал с охватом всей Вселенной как
целого. Движущей силой самоорганизации служили глубинные свойства вакуума и
вещества и особенности их проявления в экстремальных условиях начального периода
развития. В дальнейшем эта роль перешла к четырем фундаментальным силам природы.
Но вот исчерпались возможности дальнейшего развития Вселенной в том ключе, в
каком оно происходило раньше, наступил критический момент. В рамках старого
научного мировоззрения следовало бы сказать, что гигантская флуктуация,
породившая местное возмущение бесконечной Вселенной, достигла своей кульминации
и впереди предстоит неизбежный возврат к состоянию термодинамического
равновесия, сопровождающийся деградацией организованных структур. В итоге
будет достигнут самый низкий уровень организации вещества, так называемая
"фотонно-лептонная пустыня". Но этого не случилось, произошел скачок системы
в качественно новое состояние: во Вселенной возникли разномасштабные структуры,
пребывающие в крайне неравновесных состояниях. С этого момента система перешла
в состояние, для которого равновесность противопоказана. Процессы последующего
усложнения вещества и его структур стали протекать в образовавшихся локальных
подсистемах, находящихся в состояниях сильной неравновесности относительно
окружающей среды. Такой ход событий противоречит идеологии стационарной модели
Вселенной.
Уместен вопрос: вправе ли мы рассматривать Вселенную как самоорганизующуюся систему, самую большую из всех, с которыми приходится иметь дело науке? Распространимы ли на эту систему те принципы, которые выработаны в настоящее время для самоорганизующихся систем земного масштаба? Ответить на эти вопросы непросто, поскольку существует огромная разница в масштабе и степени сложности сравниваемых систем, к тому же наши знания о Вселенной и о самоорганизации далеки от полноты. Прежде всего следует уточнить смысл используемых понятий. Говоря о Вселенной, имеем в виду ту ее часть, которая сегодня доступна наблюдению и, кроме того, подразумеваем, что речь идет о вещественной Вселенной, состоящей из атомарного, лептонного и бозонного вещества. Мы предполагаем, что в такой Вселенной действуют одни и те же физические законы, в том числе и общие законы развития систем, в основе которых лежат изначально присущие материи свойства. Для этого есть основания: наш опыт распространения на Вселенную экспериментальных и теоретических результатов изучения строения вещества в земных условиях и восстановления на этой базе главных особенностей истории ее развития, а также убежденность в универсальности открываемых наукой физических законов, пока не давали сбоев. Ограничимся формальным подходом и зададимся вопросом: присущи ли Вселенной как системе признаки, характеризующие ее, в понятиях научных критериев, как самоорганизующуюся (диссипативную в терминах И. Пригожина) систему и выполнялись ли на рубеже этапа рекомбинации условия, которые можно рассматривать как необходимые для совершения качественного скачка? Первое требование к диссипативной системе – открытость, предполагающая существование среды, с которой система может обмениваться энергией, веществом, информацией. Такой средой по отношению к Вселенной является физический вакуум. Вспомним, что во всех скачкообразных переходах, происходивших в ранней Вселенной, именно вакуум исполнял роль базовой формы материи, он служил источником энергии и вещества, обеспечивая формирование и развитие появившейся Вселенной. Тесно связанный с веществом, вакуум и в наше время продолжает взаимодействовать с вещественной Вселенной, хотя далеко не все нам понятно в таком взаимодействии. Далее, диссипативные системы в критических точках достигают состояния крайней неравновесности и неустойчивости. На рубеже рекомбинации Вселенная обнаруживает заметные отклонения от равновесного состояния. В ней нарушен равновесный состав вещества и антивещества (барионная асимметрия) , она состоит из трех почти не взаимодействующих между собой частей (нейтринный газ, реликтовое излучение, барионное вещество), каждая из которых имеет свою, отличную от других, температуру и концентрацию. Это – типичные признаки неравновесности системы, способные в определенных условиях породить ее неустойчивость. Наконец, критическое состояние системы, завершающееся скачкообразным переходом в качественно иное состояние, достигается при определенных параметрах системы и внешней среды, когда становится невозможным ее дальнейшее существование в прежнем виде. Состояние Вселенной на раннем периоде развития характеризовалось температурой и плотностью вещества. Значение этих параметров на этапе рекомбинации следующие:
В сложившихся условиях из четырех фундаментальных сил активно участвовать в процессах самоорганизации могла только гравитация, но она сама по себе не обеспечивала направленное развитие Вселенной. Этим обстоятельством определяется кризис в развитии системы, лишающий ее будущего. Но здесь в просматриваемой нами "киноленте" образуется явный пробел, мы пропускаем несколько неразборчивых кадров, а за ними Вселенная предстает в новом облике, демонстрируя иерархическую цепочку образовавшихся в ней разно-масштабных подсистем – от сверхскопления галактик до мелких небесных тел, входящих в звездные системы. Этот резкий переход выглядит как типичный скачок, фазовый переход, сопровождаемый появлением качественно иной организации исходной системы. Образовавшаяся структурность Вселенной делает возможным существование в ней локальных неравновесных образований, состояние которых сильно отличается от средних характеристик окружающей среды. Это типичные диссипативные системы, и в них обеспечивается возможность нарастания упорядоченности вещества.
Особенности наступившей фазы развития определяют два качественно новых момента.
Во-вторых, структурная организация Вселенной открыла возможность появления огромного разнообразия форм и разновидностей подсистем, тем самым расширив поиск и выбор путей дальнейшего развития. На стадии ранней Вселенной ничего подобного не было. В каждой иерархической подсистеме возникают, развиваются и умирают разные вариации элементов и процессов, чем поддерживается динамическое существование подсистемы как целого. Современная астрономия на основании наблюдательного материала разработала обширную классификацию множества типов галактик и звезд, отличающихся своими структурами, параметрами и путями развития [24, 25]. Подробные сведения о разнообразии типов галактик, звезд и более мелких объектов приводятся в многочисленных популярных книгах по астрономии и нет смысла обсуждать эти особенности здесь. Итак, этап рекомбинации вещества во Вселенной дал старт следующему периоду ее развития, периоду образования разномасштабных (в первую очередь крупномасштабных) структур. Переход к современной структурной организации произошел не сразу. Так, по оценкам астрофизиков самый тяжелый природный элемент таблицы Менделеева – уран – появился примерно три миллиарда лет спустя после начала расширения Вселенной. Процесс образования тяжелых элементов в водородно-гелиевой Вселенной протекает в звездах, которые, в свою очередь, рождаются и существуют в галактиках. Поэтому время появления урана с небольшой задержкой согласуется с временем образования галактик. Но галактики и составляющие их звезды завершают, а не начинают процесс образования крупномасштабных структур. Есть основание предполагать, что начало структурообразования, то есть сам скачок, совершился за время, которое в космических масштабах следует считать мгновенным. В соответствии с представлениями о гигантской "коллективной флуктуации", характерной для скачка самоорганизующихся систем, между всеми ее частями должна была существовать взаимосвязь. Во Вселенной причинно-следственные связи возможны только в пределах горизонта событий, то есть на расстояниях, на которые успевает распространиться сигнал за время от начала расширения Вселенной и до рассматриваемого момента. На рубеже рекомбинации горизонт событий составлял ~100 Мпс. Именно таков масштаб самого крупного из известных науке структурного образования, а именно, сверхскопления галактик, и это, возможно, не является случайным совпадением. Что говорит современная наука о механизме структурообразования в расширяющейся Вселенной? До недавнего времени поиск ответа на вопрос о механизме формирования структуры велся в предположении, что в качестве движущей силы процесса выступает гравитация. Еще в 1947 году Е.М. .Лифшиц выдвинул и расчетно обосновал идею о развитии уплотнений. Предполагается, что в расширяющейся Вселенной возникают и развиваются случайные уплотнения вещества. Силы тяготения внутри уплотнений проявляют себя заметнее, чем в невозмущенной среде. Поэтому, несмотря на общее расширение Вселенной, вещество в уплотнениях притормаживается, и его плотность постепенно нарастает. Концентрации вещества противодействуют факторы, стремящиеся выровнять плотность вещества в системе. До рекомбинации таким фактором служило излучение, связанное с барионным веществом. Но после завершения рекомбинации и отделения реликтового излучения от остального вещества, противодействие местным гравитационным возмущениям прекратилось. Слабые уплотнения постепенно превратились в сильные. К категории сильных отнесены уплотнения, в которых плотность вещества в два раза и больше превышает среднюю плотность во Вселенной. Появление сильных уплотнений и стало началом рождения крупномасштабных структур. |
Ваши отзывы, мнения и предложения могут быть отправлены автору по адресу:
remrovinsky@yahoo.com
© 2001 Reomar Rovinsky