Развивающаяся Вселенная

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-первых, появились особые локальные условия, обеспечивающие протекание новых актов самоорганизации. Такие акты совершаются на этапах, когда предшествовавшее развитие Вселенной создает для них необходимые условия. Например, биосфера Земли смогла возникнуть лишь после появления Солнечной системы с входящей в ее состав нашей планетой; Солнечная система с тяжелыми планетами земной группы возникла в условиях, когда процессы нуклеосинтеза в звездах предшествовавших поколений создали в их недрах и выбросили в межзвездную среду всю гамму химических элементов, тяжелее водорода и гелия; но сами эти звезды возникли лишь после того, как некогда однородная Вселенная приобрела структурную организацию, и так далее.

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.