WWW.KNIGA.SELUK.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА - Книги, пособия, учебники, издания, публикации

 


Pages:   || 2 | 3 | 4 | 5 |   ...   | 6 |

«Сегодня позитивное познание вещей отождествляется с изучением их развития. П.Тейяр де Шарден. РАЗВИВАЮЩАЯСЯ ВСЕЛЕННАЯ Дополненное издание. 2007 г. ОТ АВТОРА За 10 лет ...»

-- [ Страница 1 ] --

Р.Е.РОВИНСКИЙ

Сегодня позитивное

познание вещей

отождествляется

с изучением их развития.

П.Тейяр де Шарден.

РАЗВИВАЮЩАЯСЯ ВСЕЛЕННАЯ

Дополненное издание.

2007 г.

ОТ АВТОРА

За 10 лет после выхода в Москве первого издания предлагаемой читателю

книги многое изменилось в научном видении нашего Мира, в научном мировоззрении. Частично пробел в отражении произошедших изменениях устранен во втором издании, вышедшем в 2001 году в Иерусалиме. За прошедшие годы автором получены многочисленные положительные отзывы о книге, что стимулирует сделать е доступной для российского читателя и издать дополненный е вариант в Москве.

Вселенная намного сложнее наших представлений о ней, которые далеки от законченности. В данной книге автор в форме, доступной для широкого круга читателей, рассказывает о научной картине Мира сегодняшнего дня, о сформировавшейся на ее основе современной научной концепции развития Природы.

Охвачен широкий круг явлений – от микромира до вещественной Вселенной и человеческого общества. Выясняется, что мы живем в развивающемся Мире, в котором господствует недавно открытая субстанция невещественного характера.

Скорее всего, эта субстанция является базовой основой Мегамира. Изучавшаяся до сих пор астрономами и астрофизиками вещественная Вселенная представляется производной от этой базовой формы материи, а процесс ее развития носит направленный характер – от исходного относительно «простого» состояния к нарастающей сложности и упорядоченности. Вещественная Вселенная предстает как самоорганизующаяся система, и появление на определенном этапе ее развития жизни и разума не может рассматриваться как случайность. Перед наукой ближайшего будущего встает проблема выяснения роли жизни и разума в процессе развития Вселенной.

DEVELOPING UNIVERSE

By Reomar E. Rovinsky Copyright ©2007 R.E. Rovinsky All rights reserved including the right of reproduction in whole or in part in any form and the right of using of the principal idea for mass For information write To Reomar E. Rovinsky E-mail: remrovinsky@yahoo.com

ОГЛАВЛЕНИЕ

Основы естественнонаучной концепции развития 1.

1.1. Человек в развивающемся мире.......................................... 1.2. Три кита, на которых стоит новая космология.............................. 1.3. Что же такое самоорганизация материи?................................... 1.4. Рождение нового научного направления................................... 2. Самоорганизация вещества в ранней Вселенной 2.1. Гипотезы о начале вещественной Вселенной................................ 2.2. Научные представления о строении вещества в сжатом изложении............ 2.3.Самоорганизуемость микромира в ранней Вселенной......................... 2.4.Завершение раннего периода развития Вселенной............................ 3.Структурная самоорганизация Вселенной и ее составных частей 3.1.Формирование структур как этап самоорганизации Вселенной.................. 3.2.Тяжелые элементы - зола ядерных костров................................. 3.3.Солнечная система - малая часть звездной пыли.......................... 3.4.Земля среди планет.................................................... 3.5.Оболочки Земли......................................................... 3.6.От химической эволюции к биохимической эволюции...................... 3.7.Биосфера и феномен человека............................................ 3.8.От биосферы к ноосфере?................................................ 4.Естественнонаучная концепция развития и антропный принцип 4.1 Развитие и информация............................................... 4.2. Феномен "тонкой подстройки........................................ 4.3..Антропный принцип................................................ Литература........................................................

1.ОСНОВЫ ЕСТЕСТВЕННОНАУЧНОЙ КОНЦЕПЦИИ РАЗВИТИЯ

1.1 Человек в развивающемся мире Из всех обитающих на Земле живых существ только человек, захваченный картиной звездного ночного неба, способен оценить красоту открывающегося его взору зрелища, ощутить желание познать устройство Мира и глубоко задуматься о своем предназначении в нем.

Более того, с незапамятных времен у людей укоренилась глубокая убежденность, что их жизнь, складывающаяся из повседневных житейских забот, как-то связана со звездами, планетами и всем тем бескрайним простором, который называют Вселенной. В представлениях об устройстве Вселенной человек ищет ответ на вечный вопрос о смысле своего существования и его духовное развитие во многом определяется такими представлениями.





Знания людей обо всем, что их окружает, концентрируются и обобщаются наукой. И именно она в основном формирует наши представления о Мире и действующих в нем законах. По мере накопления и углубления знаний менялась и рисуемая наукой картина мира. Со временем первоначальный примитивизм такой картины сменялся все более сложной моделью и этот процесс далек от завершения. В истории современной науки отмечают несколько звездных моментов, характеризовавшихся переходами к принципиально новому видению мира. Последняя по времени кардинальная перестройка научной картины мира произошла в XX столетии, и она на протяжении жизни одного-двух поколений ученых полностью поменяла многие казавшиеся ранее незыблемыми убеждения.

В конце 20-х годов ХХ века выдающийся ученый и мыслитель Владимир Иванович Вернадский писал [1]: «Мы переживаем коренную ломку научного мировоззрения, происходящую в течение жизни ныне живущих поколений, переживаем создание огромных новых областей знания, расширяющее научно охватываемый космос конца прошлого века, и в его пространстве, и в его времени, до неузнаваемости переживаем изменение научной методики, идущее с быстротой, какую мы напрасно стали бы искать в сохранившихся летописях и в записях мировой науки».

Поскольку единое Знание пока остается раздробленным на отдельные научные дисциплины, процесс ломки старого научного мировоззрения предстает как серия научных революций, совершающихся в каждой из таких дисциплин. Вот краткий перечень подобных событий.

На рубеже XIX - XX веков началась революция в физике, вызванная новыми знаниями о строении вещества, необычными с точки зрения классической физики законами микромира, новыми представлениями о свойствах пространства и времени и многим другим, что составило содержание современной физики. Внедрение новых идей и представлений в науку и в сознание людей не закончилось и сегодня. Революция в физике – лишь звено в происходящем преобразовании единого знания.

В начале 20-х годов открытие расширения Вселенной, конечного времени ее существования, и историчности развития вызвало революционные изменения в космологии с далеко идущими последствиями. Вместо прежней Стационарной Вселенной, не способной к прогрессивному развитию, появилась Развивающаяся Вселенная, обладающая огромным разнообразием свойств и возможностей. Благодаря этому изменилось понимание наукой окружающего нас Мира и нашего места в нем.

В начале 30-х годов появились признаки наступления новых времен и в науках о Земле – геологии, геофизике, физике атмосферы, океанологии и других. Кульминация решительного обновления научных представлений о Земле и ее оболочках, включая внешнюю оболочку, называемую биосферой, наступила совсем недавно, в 60-х - 70-х годах. Новые данные о динамике развития недр планеты, ее суши, гидросферы и атмосферы сформировали представления о Земле как о целостной системе, естественном теле, в своем развитии следующем как законам внешней среды – Космоса и Солнечной системы, так и своим автономным внутренним законам.

Наконец, в последние 4 десятилетия прошлого века проявились в полную силу революционные перемены в биологических науках. Они вызваны, с одной стороны, фундаментальными открытиями в области генетики, молекулярной биологии, новым пониманием законов развития организмов и их сообществ, а также осознанием того, что жизнь на Земле предстает, по словам В.И.Вернадского, как геологическое явление, тесно связанное с общим процессом развития планеты, и образует системный объект, называемый биосферой.

Новая научная картина мира складывается под влиянием всех перечисленных дисциплин, но особая роль принадлежит здесь космологии, которая формирует наиболее общие представления о Мире. Замена представлений о стационарности Вселенной представлениями о ее динамичном развитии вызвала еще одно важное следствие, а именно, рождение нового естественнонаучного представления о развитии Природы и ее составных частей.

Термин научная картина Мира, возможно, вызывает невольную ассоциацию с огромным холстом, на котором художник (ученый) изобразил каждый из множества предметов на своем месте, объединив детали общим сюжетом. Но намного точнее отражает ситуацию аналогия научной картины с кинолентой, проекция которой дает представление не просто о движении, но об историческом развитии сюжета во времени. Продолжая эту аналогию, приходится отметить, что каждый кадр нашей киноленты имеет дефекты в виде пробелов, а иные кадры и вовсе туманны. Дефекты вызваны неполнотой и несовершенством сегодняшних наших знаний. Можно надеяться, что по мере развития науки кадры будут проясняться, хотя не исключено, что возникнет необходимость замены отдельных кадров и целых эпизодов.

При всем несовершенстве сегодняшней киноленты с запечатленной на ней картиной Мира, ее просмотр оставляет сильное впечатление. Вырисовывается единство Вселенной и ее составных частей, выявляется цельная естественнонаучная концепция развития Природы. Ее не следует путать с философскими концепциями развития, которых может быть одновременно несколько и каждая противопоставляется всем другим. Естественнонаучная концепция развития – это прямой продукт достигнутого на данный момент времени уровня научного знания и степени его обобщения, она изменяется с изменением последних. Так, наука XIX века сформировала концепцию развития, близкую философской метафизической концепции. В наш век формируется концепция развития, которой близки диалектические представления о развитии материи. Философские проблемы развития Природы подробно обсуждаются профессиональными философами и в данной книге они не затрагиваются.

Цель данной книги – на основе просмотра сюжетных ключевых моментов киноленты под названием Современная научная картина Мира помочь читателю выяснить, что заставляет нас отказаться от эволюционистских представлений недавнего прошлого и каковы основополагающие положения новой естественнонаучной концепции развития.

1.2. Три кита, на которых стоит новая космология.

К концу XIX века сложилась концепция развития Мира, опиравшаяся на космологические представления того времени и на представления, выработанные, в частности, в рамках двух научных дисциплин, оказавших глубокое воздействие на научное мышление не только недавнего прошлого, но частично и наших дней. Имеются в виду классическая термодинамика и статистическая физика. В основе концепции лежали следующие положения.

Вселенная бесконечна в пространстве и во времени, к ней в целом, видимо, приложимы законы классической термодинамики, согласно которым ее базовым состоянием следует считать состояние термодинамического равновесия (ТДР). Это самое простое из всех возможных состояний системы, не обменивающейся с окружающей средой ни энергией, ни веществом.

Такие системы называют изолированными. ТДР характеризуется полным отсутствием упорядоченности, выражаясь житейским языком – это хаос. Наблюдаемая упорядоченность Вселенной наших дней возникла случайно, в результате непредсказуемого возмущения какой-то части хаоса. Такие возмущения называют флуктуациями. В результате появляется та или иная степень упорядоченности в этой части пространства. Если флуктуация гигантская, то упорядоченность может достигнуть высокого уровня, появляются галактики, звезды, планетные системы, то есть наблюдаемые астрономами крайне неравновесные образования с заметной организацией структур. Вероятность столь сильной флуктуации крайне мала, но при бесконечном времени существования Вселенной есть шанс на ее реализацию. Еще менее вероятное событие, – флуктуация, породившая на планете Земля жизнь. Феномен жизни почти невероятен и потому противоестественен. Будучи изолированной системой, земная жизнь – явление преходящее, не связанное с процессами, протекающими в Космосе и в Солнечной системе.

Такими представлялись Вселенная и наше появление в ней ученым в конце XIX – начале ХХ веков.

Судьба любой флуктуации в изолированной системе предопределена: случайно возникшая упорядоченность неизбежно разрушится в ходе возвращения системы в базовое состояние, к ТДР. При этом высшие формы энергии деградируют, превращаясь в тепло, которое рассеивается. Обобщение подобных представлений на Вселенную приводит к заключению, что ее будущее – это тепловая смерть.

На таких представлениях науки прошлого века была построена стационарная модель Вселенной, просуществовавшая до конца 20-х годов XX века. Развитие такой Вселенной и составляющих ее частей – это однонаправленный процесс деградации, разрушения случайно возникшей упорядоченности на пути возврата к исходному базовому состоянию. Развитие любой изолированной системы – это ее последовательное разрушение. Стационарная модель Вселенной содержит следствие морально-этического плана: раз жизнь – случайное явление в Природе, то отрицается смысл человеческого существования в ней (в философском плане).

Научные открытия XX века привели к отказу от стационарной модели, вместо нее возникла модель динамичной, развивающейся Вселенной, имеющей начало, прошлое, настоящее и будущее. Иначе говоря, Вселенная имеет историю. Человечество, пока единственный известный нам носитель Разума, существует в этой истории столь короткое время и занимает столь ничтожное пространство в объеме Вселенной, что ему физически не дано увидеть даже самый незначительный эпизод этой истории. Подобно фотовспышке, наши прямые наблюдения выхватывают лишь ничтожное мгновение, в котором Вселенная кажется застывшей в неподвижности. Главная задача новой космологии состоит в том, чтобы создать надежный метод реконструкции прошлого Вселенной на основе ее современного состояния. Без этого нельзя построить динамичную модель. На что же может опереться наука сегодняшнего дня при проведении столь масштабных реконструкционных работ?

Подобно тому, как Мир в некоторых древнейших мифах стоял, опираясь на трех китов, новейшая космология стоит на трех мощных опорах. Первая из них – наблюдательные данные астрономии и астрофизики, вторая опора – Общая теория относительности (ОТО), третья – физика высоких энергий, в частности Теория великого объединения.

Важнейшим вкладом наблюдательной астрономии в космологические представления сегодняшнего дня следует считать открытие в конце ХХ века существования господствующей в нашем мире субстанции, получившей название темной энергии. Открытие возникло в ходе проводившихся астрономами оценочных измерений масс различных галактик.

Существует два способа таких измерений. Во-первых, оценивается суммарная масса составляющих галактику звезд, к этой массе добавляются оценки масс газовых и пылевых облаков и таких объектов, как предполагаемые черные дыры и остатки потухших звезд определенного класса, так называемых темных карликов. Другой способ, получивший название определения динамической массы, состоит в измерении силы притяжения галактики путем определения скорости движения звезд или газовых облаков на ее периферии. К удивлению исследователей динамическая масса оказалась в 10 раз больше, чем масса, оцененная по подсчету суммарной массы вещественных объектов. У каждого способа существует своя погрешность измерений, но не в такой же степени! Тем более, что никаких видимых или регистрируемых другими способами проявлений таинственной субстанции (кроме гравитации) на периферии галактик не обнаруживали. Для примера ограничусь приведением нескольких сообщений из большого количества имеющихся публикаций о подобном открытии.

В 1933 году известный астроном Цвики сообщил о возможном существовании во Вселенной «темной материи», но тогда на это сообщение не обратили внимания.

В 1986 году в [2] сообщалось как об установленном факте, что как эллиптические, так и спиральные галактики окружены гало из невидимой материи, и масса таких гало примерно в 10 раз превышает собственную массу самих галактик. В масштабе групп и скоплений галактик динамическая масса также в 10 раз превышает массу видимых объектов. Остается неясным, какие частицы или объекты формируют эту скрытую массу.

В 1990 году в [3] опубликованы результаты, полученные итальянскими астрофизиками, исследовавшими ближайшую к нам галактику в созвездии Андромеды. Выяснилось, что в пределах 16 килопарсек измеренная масса остается примерно равной содержащейся там массе звезд. Но в сфере диаметром 26 килопарсек, то есть на периферии галактики, масса возрастает в 10 раз, хотя в промежутке между сферами звезды практически отсутствуют. Вывод: вся гигантская добавочная масса связана с темным гало непонятной природы.

В ноябре 1993 года в обсерватории Ла Силла (Чили) была завершена работа по определению динамической массы у гигантской эллиптической галактики NGC 1399, находящейся на расстоянии 50 миллионов световых лет от нас [4]. Оцененная масса галактики оказалась в раз больше суммарной массы всех ее звезд.

Космологическая наука внезапно столкнулась с ситуацией, которую невозможно игнорировать, но пока она не в состоянии ее разрешить. До сих пор астрономия в основном изучала вещественную часть Вселенной, то есть ту ее часть, в основе которой находятся три класса элементарных частиц: класс кварков, класс лептонов и класс бозонов. Для этих целей был создан могучий астрономический инструментарий – оптические и радиотелескопы, тончайшие приборы, способные регистрировать и исследовать приходящие из космоса излучения и корпускулярные частицы, а в последние десятилетия появились искусственные спутники Земли, способные выводить в космическое пространство все типы таких инструментов, что резко расширило астрономические возможности. Однако вдруг выяснилось, что вещество – это небольшая часть Вселенной, всего порядка 5% тяготеющей ее массы. И непонятно, сможет ли существующий могучий инструментарий обеспечить проникновение в суть материи, которая составляет господствующую часть нашего Мира (95% тяготеющей массы). Не удивительно, что некоторые специалисты пессимистически изрекают: «Темные составляющие Вселенной – величайшая загадка современной космологии».

Предпринимаются попытки дать хотя бы общие объяснения явлений, с которыми мы столкнулись, опирающиеся на научные знания сегодняшнего дня. Достаточно ли таких знаний для решения столь непростой задачи? Возможности для этого ограничены. Тем не менее, обратим внимание на то, что сегодня можно рассматривать, как вполне допустимые предположения.

Возникает предположение, что, по крайней мере, часть темной материи все-таки является вещественной, но скрытой от наблюдательных возможностей. Для такого допущения есть основания. Прежде всего, речь идет о лептонных частицах нейтрино, образующихся в огромных количествах в процессах, главным образом связанных со слабыми взаимодействиями. Лишь в последние годы появились косвенные данные о том, что эти частицы обладают небольшой массой, примерно в 500 тысяч раз меньшей массы электрона. По оценкам концентрация нейтрино в космосе достигает от 200 до 500 частиц в кубическом сантиметре. Это на десятки порядков больше, чем концентрации барионных частиц – протонов и нейтронов. Поэтому в целом суммарная масса нейтрино в космосе оказывается вполне заметной, по разным оценкам она составляет от 0,5 до 16% тяготеющей массы Вселенной. Сильный разброс в оценках связан с тем, что пока точно определить массу нейтрино не удалось. Далее без серьезных обоснований предполагается, что вместе с нейтрино субстанция, получившая название «темной материи», также может иметь вещественную основу и, исходя из не вполне понятных предпосылок, ее тяготеющая масса оценивается в 20% и даже более.

По публикуемым данным для выяснения подлинной природы темной материи возник российско-итальянский проект «Рим – Памела». В основе проекта – созданный в России уникальный летный образец спектрометра, получивший название «Памела». Прибор будет выведен в космос на космическом аппарате «Ресурс ДК-1», где сможет проникнуть в мир темной материи путем измерения массы частиц, если этот мир состоит из элементарных частиц. В проекте кроме России и Италии участвуют Германия и Швеция. Но даже если выяснится вещественная природа темной материи, остается не менее 70% субстанции явно невещественной природы. Эта субстанция получила название темной энергии. Именно она доминирует во Вселенной [5].

Обращает на себя внимание, что эта господствующая во Вселенной субстанция реагирует с веществом только через гравитационные взаимодействия, и пока никаких других связей не обнаружено. Возникает предположение, что природа этой субстанции отлична от вещественной. Это не должно нас удивлять, ведь давно изучаемая субстанция, названная физическим вакуумом, также проявляет признаки невещественной природы. Это выражается, в частности, в том, что излучения и вещественные тела проходят через такую среду, не испытывая заметных физических воздействий. Но на микроуровне именно вакуум взаимодействует с элементарными частицами, снабжая их массой и определяя характер их взаимодействия между собой.

Без сомнения природа, как вещества, так и вакуума, материальна. Но философский термин «материя» носит слишком абстрактный характер. Еще Аристотель утверждал, что в реальном мире материя неразрывно связана с формой своего существования. В нашем мире явно различаются две такие формы – вещество и физический вакуум. Свойства темной энергии, насколько можно судить по их проявлениям, таковы, что дают основания для отнесения ее к той же форме, к которой относится физический вакуум. Более того, допустимы обобщающие предположения, что темная энергия является составной частью физического вакуума В этой связи допустимо предположить, что существует некое общее понятие термина «Вселенная», включающее все известные и, возможно, пока неизвестные формы материи. В рамках такой Вселенной существует небольшая, но очень важная ее часть, которую можно назвать вещественной Вселенной. А в целом вырисовывается некая иерархия уровней, проявляющаяся во Вселенной. Существует базовый уровень, состоящий из господствующей субстанции, названной темной энергией. Можно предполагать, что от этого уровня исходят все выше лежащие уровни. С этих уровней начинается вещественная составляющая Вселенной.

Это уровень Микромира, за ним идет уровень Макромира (зона нашего существования), за которым следует уровень Мегамира с неопределенной верхней границей. Каждый последующий уровень иерархии опирается на нижележащие уровни. Особая роль в таком построении принадлежит базовому уровню, таинственной темной энергии В современных представлениях Мегамир – это галактики, их скопления и сверхскопления.

Масштаб сверхскоплений порядка 100 мегапарсек (Мпс)*. Новейшие данные указывают на то, что это гигантское образование обнаруживает ячеистую структуру. Пока еще не все ясно в получаемой картине, но возникает убеждение, что Вселенная не есть случайное хаотическое скопление отдельных частей, а нечто цельное в структурном плане. Масштаб скопления галактик порядка 10 Мпс. Затем идут галактики с масштабом порядка 30 килопарсек (кпс), далее, составляющие галактики звезды. Диаметры звезд меняются от десятка километров в случае нейтронных звезд до десятков и даже сотен миллионов километров в случае звездгигантов (например, таких как Бетельгейзе). Звезды – это как бы атомы дискретной структуры Мегамира. Существуют более крупные образования типа газовых и пылевых туманностей и более мелкие структурные единицы, известные пока что в своих локальных формах, составляющих Солнечную систему (планеты, астероиды, кометы и другие небесные тела).

Они дополняют эту далекую от завершения классификацию.

В 20-х годах XX века было установлено, что многочисленные наблюдаемые астрономами небольшие слабо светящиеся расплывчатые туманности на самом деле представляют собой гигантские звездные скопления, удаленные от нас на огромные расстояния. Эти звездные системы назвали галактиками.

Физики знают, что нагретые атомы химических элементов излучают свет, который, если разложить его по длинам волн с помощью спектрографа, предстает в виде отдельных разнопарсек (пс) равен 3,26 световых лет или 3,0861013 км цветных линий, разделенных темными промежутками. Расположение таких линий по длинам волн у каждого элемента является строго индивидуальным, что позволяет по расположению линий в спектре определить сам излучающий элемент. Благодаря этому астрофизикам удается определить химический состав звездных атмосфер и любых светящихся туманностей.

Приступив к изучению химического состава галактик по излучаемым спектрам, астрономы с удивлением обнаружили, что расположение спектральных линий по длинам волн ни на что не похоже. Напрашивалось предположение, что весь удаленный от нас мир состоит из неведомых химических элементов. Но загадка разрешилась просто: хорошо знакомые серии линий (например, водорода) оказались сдвинутыми как одно целое в длинноволновую сторону, в сторону, занимаемую красными линиями. Отсюда и название – красное смещение. Одновременный сдвиг всех спектральных линий в сторону длинных волн объясняется оптическим эффектом Доплера, возникающим при удалении светящегося объекта от наблюдателя. Такой сдвиг тем сильнее, чем выше скорость удаления. Известный американский астрофизик Хаббл (в его честь назван крупнейший телескоп, выведенный на околоземную орбиту) обобщил к 1929 году многочисленные астрономические данные такого рода и пришел к выводу, что галактики разбегаются равномерно во все стороны, а это означает, что вещественная Вселенная в целом расширяется. Это стало революционным открытием века, положившим начало кардинальным изменениям наших представлений об устройстве Вселенной.

Среди знаменательных астрономических открытий конца ХХ века необходимо отметить наблюдательное подтверждение существования в Природе, помимо сил гравитационного притяжения тел, обладающих массами, сил отталкивания. Носителем таких сил считают физический вакуум, получивший название антигравитирующего вакуума. Из предположения, что темная энергия является важнейшей составляющей вакуумной субстанции, следует, что силы отталкивания имеют непосредственное отношение к этой субстанции.

Идею о существовании во Вселенной сил отталкивания впервые высказал Эйнштейн в 1917 году, когда он решил распространить уравнения общей теории относительности (ОТО) на стационарную Вселенную. Только при таком допущении удалось решить проблему совмещения стационарности с существованием сил гравитационного притяжения. Тяготение, как известно, проявляет себя как однополярное явление. В отличие, например, от электричества или магнетизма, гравитация создает только притяжение, но не создает эффектов отталкивания. От гравитации невозможно защититься никакими известными нам экранами. Априори ясно, что в мире, где господствует тяготение, стационарность невозможна. Гравитация не позволит звездам, галактикам и любым другим объектам Вселенной оставаться в неподвижности на своих исходных местах.

В уравнения своей теории Эйнштейн ввел константу, названную космологической постоянной, учитывавшую интенсивность антигравитирующего отталкивания. Эта постоянная равнялась мизерной величине, несоизмеримой с постоянной тяготения G. Но ускорение, сообщаемое телам под действием силы отталкивания, растет пропорционально расстоянию, в то время как ускорение под действием сил притяжения уменьшается обратно пропорционально квадрату расстояния. Поэтому на расстояниях, превышающих примерно один миллиард световых лет, силы отталкивания должны выделяться среди сил притяжения.

В результате открытия расширения Вселенной большинство космологов предпочло похоронить идею антигравитирующего вакуума и считать в уравнениях нестационарной Вселенной космологическую постоянную равной нулю. Однако эта идея была отвергнута не всеми.

Начиная с 30-х годов прошлого века периодически на научных конференциях и в физических журналах возникали обсуждения тех последствий для Вселенной, которые вытекают из предположений об отличии космологической постоянной от нуля.

Сомнения по этому поводу разрешились в 1988 году, когда две независимые группы исследователей опубликовали результаты своих многолетних исследований взрывающихся в разных галактиках звезд типа Сверхновые 1. Группу, работавшую в США, возглавлял профессор Саул Перлмутер, а работавшую в Австралии – профессор Бриан Шмидт. Взрыв Сверхновой – это окончание жизненного пути звезды, масса которой в несколько раз превышает массу Солнца. После взрыва возникает остаточная нейтронная звезда, которую также называют пульсаром. В момент максимального блеска Сверхновой ее светимость в десять миллиардов раз превышает светимость Солнца. Светимостью звезды называют энергию, которую она излучает во всем диапазоне электромагнитных волн за одну секунду. При такой светимости Сверхновая обнаруживает себя даже в отдаленных галактиках, находящихся на периферии видимой Вселенной. Сегодня известно, что взрывы Сверхновых – достаточно редкое явление.

В одной галактике такое событие в среднем происходит один раз за 360 лет. Но галактик очень много, и при нынешних инструментальных возможностях в год удается зафиксировать до 20 таких событий.

Важная особенность Сверхновой 1 состоит в том, что ее светимость в максимуме и в последующее время практически идентична у всех таких звезд. Это позволяет непосредственно определить ее абсолютную светимость. Сравнение абсолютной светимости с относительной светимостью, измеренной на входе телескопа, позволяет определить расстояние до звезды, а тем самым и расстояние до галактики, в которой она взорвалась. Такое определение расстояния не связано с привлечением тех или иных модельных представлений.

Другой способ определить расстояние до галактики – измерить в ее излучении красное смещение в сериях линий, испускаемых определенными атомами и молекулами, например, водородом или гелием. Красное смещение – это результат оптического эффекта Доплера, возникающий при удалении галактики от наблюдателя. По величине смещения определяется скорость удаления. Существует эмпирический закон Хаббла, утверждающий, что расстояние до удаляющейся галактики пропорционально ее скорости. Но эмпирический закон Хаббла прямо связан с моделью Вселенной, в которой космологическая постоянная равна нулю. Если во всех случаях расстояния до удаляющихся галактик, измеренные обоими способами, совпадут между собой, то это означает, что = 0, и об антигравитирующем вакууме следует забыть. Но подобные совпадения наблюдаются у сравнительно близких галактик, то есть в области, где силы отталкивания теряются на фоне более могучих сил притяжения. Что же касается периферийных галактик, расстояния до которых превышает примерно миллиард световых лет, то, как показали обе группы исследователей, расстояния до Сверхновых в таких галактиках превышает расстояние, определенное по закону Хаббла. Периферийные галактики убегают ускоренно, что доказывает наличие сил отталкивания. Тем самым можно считать установленным, что космологическая постоянная равна небольшой положительной величине.

Существование в Природе, наряду с гравитационным притяжением, сил отталкивания имеет огромное значения для космологии. За такими силами вырисовывается некий источник мощнейшей энергии, о наличии которого наука подозревала, но ничего конкретного до этого не знала. Благодаря таким силам естественным образом удается объяснить природу первотолчка, приведшего к возникновению вещественной части Вселенной, что рассматривается в инфляционной теории, предполагающей описание самой начальной фазы процесса, предшествовавшего тому, что получило название Большого Взрыва. Ускоренное движение периферийных галактик дает основание для предположений о далеком будущем Вселенной. Некоторыми теоретиками уже сегодня выдвигаются идеи о Большом Разрыве, завершающем историю, начавшуюся Большим Взрывом. И во всем этом вырисовывается тесная взаимосвязь открытия сил отталкивания с открытием темной энергии. В таких представлениях темная энергия предстает тем, что, по определению П.Дэвиса [22], можно назвать «суперсилой», достаточной для создания вещественной Вселенной, наделения ее веществом, светом, энергией и придания ей наблюдаемой структуры.

Существующая космологическая парадигма остается справедливой лишь для вещественной части Вселенной. Но отсутствует общая космологическая парадигма для Вселенной в целом, и она сможет сформироваться только в результате существенного возрастания научного уровня понимания последних астрономических открытий, а также возможных в будущем новых, не менее значимых открытий.

В дальнейшем изложении ограничусь тем, что напрямую относится к вещественной Вселенной, которая для краткости будет пониматься под термином Вселенная. Наблюдательные данные астрономии и астрофизики дают немало сведений, необходимых как для построения модели Развивающейся Вселенной, так и для проверки ее справедливости. Об этом речь впереди. Но на одном наблюдательном материале невозможно представить себе прошлое состояние Вселенной. Необходимы надежные знания о гравитации и ее законах, так как гравитация тормозит разбегание галактик, необходимо также разобраться в силах, сообщивших галактикам начальную скорость движения и нужную для этого энергию. Современной ступенью таких знаний стала разработанная в 1915 году Альбертом Эйнштейном Общая теория относительности. Со школьной скамьи нас знакомят с более ранней теорией – с классической теорией тяготения Исаака Ньютона. В ней на основании наблюдательных данных устанавливается, что между любыми двумя телами действует сила взаимного притяжения (тяготения), пропорциональная произведению масс взаимодействующих тел и обратно пропорциональная квадрату расстояния между ними. Классическая теория тяготения позволяет с высокой точностью вычислять взаимные перемещения двух тяготеющих тел, если скорость их движения много меньше скорости распространения света.

Но в рамках классической теории тяготения решить задачу о гравитационном взаимодействии многих тел удается лишь в некоторых частных случаях. Например, в Солнечной системе очень массивное центральное тело, Солнце, на долю которого приходится ~99% всей массы системы, взаимодействует с каждой из планет, комет и другими небесными телами, массы которых на несколько порядков меньше солнечной, так, как будто других участников не существует. С каждым из своих подданных Солнце без помех осуществляет парное взаимодействие. Влияние же подданных друг на друга на фоне такого взаимодействия выглядит как слабое возмущение, учитываемое в форме поправки к основному взаимодействию. Соответствующие расчетные методы составляют предмет классической небесной механики, основанной на ньютоновской теории тяготения.

Классическую небесную механику, блестяще проявившую себя в масштабе Солнечной системы, невозможно распространить на Вселенную. Дело здесь не только в великом множестве взаимодействующих массивных систем, а в качественно новой ситуации. Представления классической теории тяготения опираются на постулат, что пространство и время – это независимые фундаментальные физические понятия, существующие вне связи с веществом. Тяготение определяется силой, которая мгновенно распространяет свое действие на любые тела, обладающие массами. Теория Эйнштейна вносит два принципиальных новшества в классические представления. Известно, что масса тела выступает в двух обличиях. Она либо представляет собой меру притяжения телом других тел (масса тяготения), либо ее следует рассматривать как меру противодействия тела силе, сообщающей ему ускорение (масса инерции). Еще в XIX веке обратили внимание на тот факт, что величины этих двух масс у одного тела одни и те же. Классическая теория не могла объяснить этот факт, и совпадение сочли случайным.

Эйнштейн исходил из того, что обе массы эквивалентны, это два проявления одного феномена. Утверждение об эквивалентности массы тяготения и инерционной массы означает, что эффекты гравитации и ускоренного движения неразличимы. Отсюда напрашивается вывод, что тяготение – это кажущаяся сила, и эффект тяготения можно создавать или устранять выбором соответствующей системы отсчета. Вывод подтверждается нашим опытом. Мы знаем, что при тренировках космонавтов эффект невесомости на время создается внутри самолета, движущегося по соответственно выбранной траектории его «падения» к Земле. Гравитация как бы исчезает. И наоборот, при ускорении самолета пилот и пассажиры ощущают увеличение своего веса. Перегрузка, в зависимости от величины ускорения, может быть сколь угодно большой.

Второе новшество состоит в том, что теория Эйнштейна рассматривает пространство и время как единый четырехмерный континуум, геометрические свойства которого определяются наличным веществом. Массивное вещество искривляет пространство-время, а радиус кривизны оказывается обратно пропорциональным корню квадратному из плотности массы. В таком пространстве прямая линия не является кратчайшим расстоянием между двумя точками, а траектории световых лучей и движущихся частиц становятся криволинейными. То, что мы считаем силой, вызывающей эффект гравитации, является всего лишь проявлением особенностей геометрических свойств пространства–времени. Тяготение – это следствие геометрических свойств пространственно-временного континуума вблизи массивных тел. Новая гравитационная теория, опирающаяся на такие представления, позволяет математически описать динамику и геометрию любых систем в зависимости от плотности и распределения вещества в них. В том числе это можно сделать и для такой системы, как Вселенная, если только определены ее исходные данные.

Дальнейшее развитие событий протекало так. В 1922-1923 годах петербургский ученый А.А. Фридман получил выдающийся результат, по достоинству оцененный не сразу и не всеми. Он получил нестационарное решение уравнений ОТО применительно к Вселенной, не прибегая к дополнительным постулатам. В последующем выяснилось, что только нестационарное решение устойчиво. Это означало, что Вселенная может либо расширяться, либо сжиматься, но не может пребывать в неподвижности. После небольшого спора с автором нестационарного решения, Эйнштейн публично признал, что математически все безупречно и остается выяснить, имеет ли такое решение физический смысл. Когда же через семь лет после этого Э.Хаббл объяснил наблюдаемое красное смещение в спектрах галактик расширением Вселенной, физический смысл решения был определен, а в сознание людей начало проникать понимание того, что мы живем в развивающемся Мире. Из наблюдательных данных Хаббл вывел названный его именем закон, связывающий скорость v удаления галактики от наблюдателя с расстоянием до нее R: v = HR. Коэффициент пропорциональности Н получил название постоянной Хаббла, его размерность [км/(сМпс)]. При этом размерность скорости км/с, а расстояния – Мпс. Значение Н определяется на основе наблюдательных данных.

Нестационарное решение уравнений ОТО для Вселенной позволило обратить время назад, прокрутить киноленту в обратном направлении – от Вселенной сегодняшнего дня к ее далекому прошлому. Теоретический экскурс в прошлое показал, что расширение началось много миллиардов лет назад из одной точки, в которой первоначально концентрировалось все вещество. В математической интерпретации точка не имеет размера и, следовательно, плотность вещества в ней должна быть бесконечно большой. Точка, в которой физический или математический параметр обращается в бесконечность, называют сингулярностью. В данном случае сингулярность выступает как начало Вселенной, она получила название космологической сингулярности. К этому феномену мы вернемся позже. Но независимо от того, идет ли речь о космологической сингулярности как о физической реальности или она есть продукт неоправданной математической экстраполяции ОТО на область, в которой ее исходные уравнения не работают, расширение Вселенной началось из особого состояния. В этом состоянии свойства вещества и связанного с ним пространственно-временного континуума были совсем иными, чем в современной Вселенной. В исходном состоянии должны были возникнуть могучие силы, произведшие некий взрыв и сообщившие веществу огромную кинетическую энергию, разорвавшую цепи гравитации. Только так можно понять наблюдаемое расширение вещества Вселенной в наши дни.

Нестационарное решение уравнений ОТО предсказывает три возможных варианта ее динамического развития из исходной сингулярности. Выбор конкретного варианта определяется начальными условиями, в первую очередь отношением кинетической энергии разлетающихся частиц вещества к гравитационной энергии, стремящейся затормозить разлет до полной остановки с последующим возвратом частиц в исходное положение. Так и произойдет, если гравитационная энергия превысит кинетическую. Для наблюдателя момент перехода от расширения к сжатию будет отмечен сменой в спектрах галактик красного смещения на синее смещение, то есть на сдвиг линий химических элементов в сторону более коротких длин волн.

Вселенную такого типа назвали закрытой. Если же кинетическая энергия будет преобладать над гравитационной, то разлет никогда не будет остановлен. Это Вселенная открытого типа.

Наконец, в граничном случае, при точном равенстве энергий обоих видов, расширение не прекратится, но его скорость будет стремиться к нулю и через несколько десятков миллиардов лет наступит квазистационарное состояние.

Кинетическая энергия вещества в единичном объеме при прочих равных условиях пропорциональна плотности вещества. Гравитационная энергия в таком объеме также пропорциональна плотности вещества. В конкретной ситуации k 1 место только при вполне определенном значении плотности, называемом критической плотностью: к=1,61033 Н k 1 г/см3, где Н – постоянная Хаббла. В современной Вселенной наиболее вероятное значение Н~55км/(сМпс) и если реальная плотность вещества во Вселенной больше криk 1 тической плотности к, то гравитационная энергия превысит кинетическую. Соответствующее условие записывается так: к 1, это условие реализации закрытой Всеtp tb tc Рис. 1.1. Зависимость радиуса критической, то преобладает кинетическая энергия, граВселенной R от времени t после витация не сможет остановить разлет частиц и реализуетначала расширения: tp - современся открытая Вселенная. Условие запишется так: к 1.

ный момент времени; tb - момент tc - момент возврата в точку сингу- ных варианта развития Вселенной представлены на гралярности. фике рис.1.1. Возникает естественный вопрос: какой из остается за наблюдательной астрономией. Она должна оценить среднюю плотность вещества в современной Вселенной и уточнить значение постоянной Хаббла, определяемое данными наблюдений. Достаточно надежные оценки этих величин пока отсутствуют. Современные данные создают впечатление, что средняя плотность тяготеющих масс во Вселенной близка к критическому значению, она либо немного больше, либо немного меньше критической плотности к. Однако, от этого немного зависит будущее Вселенной, правда, весьма отдаленное будущее. Остается добавить, что в последние годы разрабатываются модели ранней Вселенной, из которых следует, что в начальный момент ее возникновения существовало точное равенство значений кинетической и гравитационной энергий, то есть выполнялось равенство к = 1. Если будет получено подтверждение такого допущения, то разрешатся многие фундаментальные затруднения космологии в вопросе о ранней Вселенной.

Постоянная Хаббла позволяет оценить время tp от начала расширения до наших дней. Для этого можно воспользоваться простым приближенным соотношением: tp = 31019H. Если в формулу подставляется Н в единицах км(Мпсс), то время выразится в секундах. Считая Н постоянной, не меняющейся со временем, в пределах существующего разброса в оценках этой величины время существования Вселенной определяется интервалом от 12 до 18 миллиардов лет. Наиболее вероятный возраст Вселенной полагают равным 15 миллиардам лет, но появляются данные, говорящие о том, что возраст на самом деле не менее 20 миллиардов лет. Эти данные обсудим позже.

Расширением вещества не исчерпываются важнейшие процессы, которые необходимо учитывать при создании модели динамичной Вселенной. Возникают, по меньшей мере, еще две проблемы. Прежде всего – проблема начала, ставящая ряд трудных вопросов: каким было исходное состояние Мира перед взрывом, каков механизм взрыва, откуда получена необходимая энергия и как она передана веществу, что было с пространственно-временным континуумом в экстремальных условиях начала и другие. Рассмотрение наукой этих вопросов пока находится на уровне гипотез. История самого раннего периода расширяющейся Вселенной наиболее уязвима для критики.

Другая проблема состоит в том, что вещество в начальный период расширения было совсем не таким, как в наше время. Согласно наиболее продвинутой гипотезе горячей Вселенной предполагается, что вначале появился сгусток очень плотного и очень горячего вещества, сосредоточенного в области с предельно малыми размерами. Температура частиц в сгустке оценивается фантастически высоким значением порядка 1028 К при предельной плотности вещества 1094 г см3. Такие условия невоспроизводимы в земных лабораториях, они не встречаются и в известных астрономам космических объектах. Самая высокая температура в недрах наиболее горячих стабильных звезд порядка 109 К, а самые высокие плотности вещества (в недрах нейтронных звезд) достигают 1015 гсм3. Эти сами по себе внушительные цифры, не идут ни в какое сравнение с тем, что предполагается в концепции горячей Вселенной в качестве ее исходных параметров. Состояние вещества в таких условиях кардинально отличается от современного, микромир оказывается представленным своими простейшими формами, которые назовем протовеществом. По мере расширения Вселенной снижались температура и плотность сгустка, что сопровождалось преобразованием исходных форм вещества во все более сложные. Подобные процессы трансформации вещества одних форм в другие в зависимости от состояния среды, изучаются разделом науки, называемым Физикой высоких энергий.

Уровень знаний в этой дисциплине обеспечивает возможность обоснования соответствующей части модели расширяющейся Вселенной и ее следует считать еще одним, третьим китом космологии. Преобразование вещества из одних форм в другие происходит при точно известных значениях двух параметров сгустка – температуры (она же служит мерой кинетической энергии частиц) и плотности. Теория определяет закон снижения со временем этих параметров в ранней Вселенной. В определенные моменты времени температура и плотность расширяющегося вещества достигали критических значений, при этом совершались преобразования вещества. Характерная особенность трансформации: чем ниже температура, тем появлялись все более сложные формы вещества, тем в большей степени нарастала упорядоченность систем. Это позволяет говорить о направленности процесса развития Вселенной. В частности, раз общим направлением эволюции Мира является движение по восходящей, а не по нисходящей линии, как считалось раньше, то материи должна быть присуща не только разрушительная, но и созидательная тенденция.

Современная наука сумела установить существо и механизм действия созидательной тенденции, и произошло это на наших глазах, во второй половине ХХ века. В основе созидательной тенденции лежит способность материи к самоорганизации.

Под влиянием величайших научных открытий ко второй половине ХХ века возникла новая ситуация, заставившая пересмотреть ряд, казалось бы, основополагающих мировоззренческих представлений недавнего прошлого, занимавших относительно стабильное положение в науке на протяжении значительной части его первой половины.

Классическая физика ввела понятие об обратимости основных физических законов. Крайним выражением этого понятия стал лапласовский детерминизм, согласно которому знание некоторых начальных условий любой развивающейся системы позволяет определить как все ее прошлые состояния, так и предсказать все будущие состояния. Оставалось непонятным, как при этом могут существовать необратимые процессы, «стрела времени», то есть однонаправленное во времени развитие событий, как в таких условиях в принципе может возникать новое в мире.

Термодинамика, в противовес классической динамической физике, признала необратимость существующей реальностью, а вторым началом закреплялось реальное существование стрелы времени. Противоречие двух мировоззренческих представлений удалось устранить ко второй половине ХХ века. В классической физике произошло освобождение от таких предпосылок, как понятие обратимости во времени фундаментальных законов, как детерминистический характер динамических процессов и линейный характер подавляющего большинства протекающих в природе процессов. На смену пришло понимание, что при определенных условиях в Мире господствуют нелинейные, необратимые процессы, обеспечивающие возможность спонтанного возникновения новых типов структур в сильно неравновесных условиях, в результате чего возникает возможность перехода от беспорядка к нарастающему порядку [6].

Здесь речь не идет об отмене законов классической физики, они остаются неприкосновенными в той области, которой ограничивается их применимость. Меняются мировоззренческие представления, касающиеся процессов развития открытых неравновесных систем.

Но и термодинамика к этому времени претерпела серьезные изменения. Эта наука изучает процессы преобразования одних видов энергии в другие, что сопровождается совершением работы. Раздел, получивший название равновесной или классической термодинамики, изучал подобные процессы, происходящие в изолированных системах, не обменивающихся с внешней средой энергией и/или веществом, и находящихся при этом в состояниях, близких к равновесным. Каждый акт совершения внутри системы работы сопровождался необратимыми потерями части энергии, превращавшейся в тепло, равномерно рассеивавшегося в системе.

При отсутствии притока энергии извне система вынужденно деградировала, достигая, в конечном счете, состояния полного термодинамического равновесия, самого простого состояния конкретной системы. На пути к термодинамическому равновесию в системе разрушалась всякая упорядоченность, всякая структурная организованность. Термодинамическое равновесие характеризуется полным отсутствием упорядоченности в нем.

Классическая термодинамика утвердила в науке представление о единственном пути развития подобных систем, деструктивном пути, завершающимся «тепловой смертью» системы.

Ко второй половине ХХ века выяснилось, что все разномасштабные развивающиеся системы, изучаемые в разных научных дисциплинах, являются открытыми неравновесными системами.

Это означает, что все такие системы в той или иной степени взаимодействуют с внешней средой, обмениваясь с ней энергией и/или веществом. В нашем Мире не встречаются изолированные системы, такие представления есть идеализация, допустимая в случаях, когда взаимодействие реальной системы с окружающей средой настолько слабое, что в первом приближении им можно пренебречь. Большинство сложных развивающихся систем далеки от таких допущений, к ним неприменимы представления классической термодинамики. Пригожиным и руководимой им брюссельской школой термодинамики были разработаны основы нового раздела этой дисциплины, получившего название неравновесной термодинамики.

Не меньшее влияние на мировоззрение недавнего прошлого оказала статистическая физика, опирающаяся на атомно-молекулярную модель строения вещества. Любое макротело состоит из огромного множества микрочастиц. Предсказать поведение каждой частицы в сообществе невозможно, но при статистическом подходе удается выяснить точные законы, определяющие свойства и параметры макротела как целого. Например, статистическое рассмотрение хаотичного движения микрочастиц газа в замкнутом объеме позволяет определить основные макропараметры газа, такие как температура, давление, теплопроводность, теплоемкость, вязкость и некоторые другие. Статистическая физика приучила считать Мир состоящим из квазиизолированных макросистем, взаимодействием которых с окружением можно пренебречь, и она же прочно внедрила в сознание ученых представление о статистическом характере основных физических законов.

Интересно проследить на одном примере, как новое знание начало менять установившиеся классические представления термодинамики и статистической физики. В 1944 году выдающийся физик-теоретик Эрвин Шредингер, находившийся в годы войны в Англии, издал там маленькую книжку под названием Что такое жизнь с точки зрения физики?. В русском переводе книга появилась несколько позже [7]. Книга вызвала большой интерес в научных кругах. Считают, что она дала начало формированию новой научной дисциплине на стыке физики и биологии – биофизике. Автор анализирует причины, по которым феномен жизни противоречит господствующим физическим представлениям, сформировавшимся еще в XIX веке.

Суть противоречия сформулирована в книге так:

Невероятно маленькие группы атомов, слишком малые, чтобы они могли проявить точные статистические законы, играют главенствующую роль в весьма упорядоченных и закономерных явлениях внутри живого организма. Законы физики, как мы их знаем, это статистические законы. Они связаны с естественной тенденцией вещей переходить к неупорядоченности... Жизнь представляет собой упорядоченное и закономерное поведение материи, основанное не только на одной тенденции переходить от упорядоченности к неупорядоченности, но частично и на существовании упорядоченности, которая поддерживается все время.

В этом ключевом высказывании обращают на себя внимание три момента. Первый момент, жизнь противоречит сложившемуся в XIX веке представлению о единственности “естественной” тенденции развития – возврату системы со случайно возникшей в ней упорядоченностью к исходному хаосу. Второй момент, жизнь разрушает рожденный классической статистической физикой постулат о господстве в макромире статистических законов. Так, важнейшие жизненные процессы, обеспечивающие высочайшую организованность живых систем любой степени сложности, управляются сравнительно небольшими группами молекул, не подпадающими под действие законов больших чисел, иначе говоря, статистических законов.

Третий момент, Шредингер даже не ставит вопрос, как могли возникнуть столь высокие уровни упорядоченности вещества в мире, где господствует однонаправленное деградационное развитие? Он только констатирует способность биоорганизмов поддерживать как-то достигнутый ими высокий уровень организованности вопреки тенденции к деградации.

Высказанные Шредингером идеи были восприняты научным сообществом. Но создалась любопытная ситуация: за живым веществом признавалась способность проявлять как тенденцию к разрушению упорядоченности, так и тенденцию к ее сохранению. А за неживой природой по-прежнему признавалась только одна тенденция – неизбежное разрушение любой упорядоченности, возникающей в результате случайных отклонений от состояния равновесности. И лишь сравнительно недавно вдруг стало ясно, что тенденция к созиданию, к переходу из менее в более упорядоченные состояния, то есть самоорганизация, присуща неживой природе в той же мере, что и живой. Для ее проявления нужны лишь подходящие условия.

В биологии появление дарвиновского учения прочно ввело в обиход представление о существовании процессов развития живых организмов. Это было выдающееся достижение. Механизм биологической эволюции базировался на известной дарвиновской триаде: изменчивость – наследственность – естественный отбор. Основной силой, способной рождать новое, стали считать естественный отбор, действие которого даже пытались распространить далеко за пределы биологической науки. При этом культивировалось представление о том, что законы биологического развития принципиально отличаются от законов развития неорганических систем. Но в свете новых открытий ко второй половине ХХ века исходная теория Дарвина претерпела изменения, ее заменила так называемая синтетическая теория биологической эволюции. В ней учтены новые представления об изменчивости и наследственности, но сохранено представление о плавном характере развития, способном создавать качественно новые состояния биологических систем путем накопления последовательных мелких изменений. Сохранено также представление о естественном отборе, как главной движущей силе биологической эволюции. Вопреки таким утверждениям высказывается мнение, что современные научные открытия меняют подобные представления. Полагают, что естественный отбор обеспечивает популяции адаптацию к среде обитания, однако он не занимает ведущего положения в процессах, сопровождающихся качественными изменениями объектов. Иначе говоря, естественный отбор не способен создавать принципиально новое, например, создавать новые виды.

Принципиально новое в биологии возникает так же, как и в неорганических развивающихся системах, то есть не плавно, а скачкообразно, в кризисные этапы развития. Создается убеждение о единстве законов развития сложных систем как в органическом, так и в неорганическом мирах.

Решающую роль в наступивших переменах играет открытие в 70-х годах явления, получившего название самоорганизации материи. Это понятие означает экспериментально открытую способность материи в определенных условиях осуществлять созидательные процессы, повышающие степень организованности развивающейся системы. Утверждение о существовании в природе созидательных процессов высказывалось задолго до указанного открытия, но теперь удалось понять механизмы, которые реализуют способность материи осуществлять созидательную деятельность. Отсюда более узкое понимание термина самоорганизация, предполагающее описание самого процесса перехода системы из менее в более организованное состояние. Следовательно, самоорганизация проявляет себя лишь в условиях, когда осуществляются подобные качественные переходы. Для пояснения сказанного полезно рассмотреть общие закономерности развития сложных систем.

Различают два последовательных этапа в их развитии. Первый этап стационарен, на всем его протяжении возникающие изменения не носят качественного характера, не меняют его устойчивого протекания. Эволюционный процесс жестко детерминирован и в принципе предсказуем. Чтобы добиться такого состояния, требуется, чтобы в системе протекали определенные внутренние и внешние взаимодействия, обеспечивающие сохранение устойчивого внутреннего равновесия при сильной неравновесности системы относительно окружающей среды.

Например, любой живой организм в принципе неравновесен по отношению к окружающей среде, но при этом на стационарном этапе развития сохраняет внутреннее устойчивое равновесие. Такое состояние обеспечивается протеканием внутри организма определенного комплекса биохимических реакций при активном обмене энергией и веществом с окружающей средой. Для биологических систем такие взаимодействия называют гомеостазом. В случае развивающихся неорганических систем внутреннее равновесие поддерживается либо постоянной выработкой энергии внутри системы, либо постоянным притоком необходимой энергии извне. Примером первого случая служит стационарная звезда, устойчиво сохраняющая внутреннее равновесие благодаря протеканию ядерных реакций, сопровождающихся выделением необходимого количества энергии. Такая внутренняя деятельности устанавливает равновесие между стремлением к сжатию массы звезды под действием сил гравитации, и стремлением расшириться под действием давления, создаваемого выделяющейся энергией. Один из многочисленных примеров второго случая – лазер, стационарно испускающий высокоорганизованное оптическое излучение при постоянной его накачке энергией от внешнего источника питания. Самоорганизации нечего делать на стационарном этапе развития, она там не проявляется.

Но под влиянием внешних воздействий, или в результате развития внутренних противоречий стационарное состояние рано или поздно заканчивается, система достигает состояния крайней внутренней неравновесности, в ней начинаются внутренние перестройки, она теряет устойчивость. Наступает кризис, из которого необходим выход в одно из возможных устойчивых состояний. Это и есть второй этап развития. Параметры системы, при которых возникает кризис, называют критическим этапом развития. На этом этапе совершается переход в качественно новое состояние одним из двух способов: либо деструктивным путем, разрушающим упорядоченную систему, либо конструктивным путем перехода в устойчивое состояние с более высоким уровнем организации, чем в предшествующем стационарном состоянии. Затем начинается новый стационарный этап развития качественно видоизмененной системы вплоть до следующей критической точки.

Потенциально возможное раздвоение выхода системы из кризисного состояния (деструктивное или конструктивное) привело к введению в оборот понятия «точки бифуркации». В синергетике смысл такого понятия несколько иной по сравнению с принятым в литературе его математизированным определением. В Нобелевской лекции И. Пригожин так определил синергетическое представление о бифуркации:

«Обнаружение феномена бифуркации ввело в физику элемент исторического подхода.

… Любое описание системы, претерпевшей бифуркацию, требует включения, как вероятностных представлений, так и детерминизма. Находясь между двумя точками бифуркации, система развивается закономерно, тогда как вблизи точек бифуркации существенную роль играют флуктуации, которые и определяют какой из ветвей кривой будет далее определяться поведение системы» [8].

Речь идет о том, что на кризисном этапе развития системы заканчивается однозначный эволюционный путь, характерный для ее предыдущего стационарного этапа. Возникает несколько ветвей потенциально возможных продолжений развития после выхода из кризиса.

Количество таких переходов определяется особенностями развивающейся системы и условиями ее взаимодействия с внешней средой. «Выбор» одной из таких ветвей определяется воздействием на систему одной из возникающих в этот период времени флуктуаций.

Что же происходит на этапе бифуркации, как протекают процессы перехода в качественно новые состояния исторически развивающейся системы?

В том, как протекают такие переходные процессы, не вс до конца ясно. В случае сложных систем решающее значение имеет их открытость, взаимодействие с внешней средой, откуда поступает энергия и/или вещество, обеспечивающие выход из состояния кризиса. Из классической термодинамики известно, что при отсутствии такого взаимодействия (изолированные системы) любые процессы преобразования одних видов энергии в другие, сопровождаемые совершением работы, завершаются необратимыми переходами части участвующей энергии в тепло, которое равномерно рассеивается внутри системы. Необратимые потери энергии создают увеличение неупорядоченности, численно характеризуемое увеличением энтропии. Так что в изолированных системах неизбежен исторический процесс производства энтропии вплоть до достижения ею максимального значения в состоянии термодинамического равновесия, которое является самым простым состоянием данной системы.

В открытой системе, попавшей в кризисную ситуацию, при наличии внешнего источника энергии в систему осуществляется приток свежей энергии. Если величина поступающей энергии не превысит потерь энергии внутри системы, то выход из кризиса произойдет деструктивным путем, путем частичного или полного разрушения упорядоченного состояния системы. Деструктивный путь выхода из кризиса реализуется механизмами достижения равновесных состояний. Переход неравновесной системы в некоторое промежуточное равновесное состояние сопровождается ростом энтропии, что означает снижение уровня организованности. При деструктивном выходе из кризиса нередко наблюдается однозначность перехода.

Например, после выработки в недрах звезды ядерного горючего катастрофический ее переход в качественно новое состояние однозначно определяется исходной массой. В новом облике белого карлика или нейтронной звезды достигается неустойчивое состояние внутреннего равновесия при более низком уровне организованности, чем в исходном стационарном состоянии. Другой пример: любой многоклеточный организм, исчерпавший свои жизненные возможности, завершает жизненный путь летальным выходом из кризиса, достижением полного равновесия с окружающей средой.

Неожиданностью для ученых стало открытие конструктивного пути выхода системы из кризиса. Существование такого пути означает, что материи изначально присуща не только разрушительная тенденция развития, но также созидательная тенденция, без которой невозможно объяснить возникновение нового в этом мире. И если механизм деструктивной тенденции развития заложен в стремлении систем к достижению равновесия, то самоорганизация предстает в качестве физической основы механизма созидания. Основное условие для проявления самоорганизации – поступающая извне энергия должна уверенно перекрывать протекающую в системе диссипацию энергии. Это необходимое, но недостаточное условие для конструктивного выхода из кризиса.

Выход из кризисного этапа считается конструктивным, если система приобретает качественно новое состояние с более высоким уровнем организации, чем до ее вступления в этап бифуркации. Такой переход может протекать в форме гигантской коллективной флуктуации, во время которой элементы системы, до того проявлявшие лишь способность к хаотическим близкодействиям, вдруг обретают способность к дальнодействиям, объединяющую элементы в единый когерентный коллектив. Отсюда следует, что существуют ситуации, в которых проявляются коллективные действия элементов сложных систем, приводящие к возникновению новых качественных состояний с повышением уровня организованности. Ничего подобного прежняя наука не знала. Пригожин образно расценивает ситуацию так [19]: «Можно сказать, что в равновесии материя слепа, а вне равновесия прозревает». К смыслу слова «прозревает»


мы еще вернемся.

Гигантская коллективная флуктуация, входящая в понятие самоорганизации как один из существующих механизмов рождения нового, не является единственной флуктуацией, возникающей на кризисном этапе развития системы. Естественный вопрос – откуда берутся и что собой представляют иные флуктуации?

Значительная часть спонтанно возникающих флуктуаций вносится в систему извне. Многие такие флуктуации статистически обосновываются и носят вероятностный характер. Их выявление требует конкретного рассмотрения в каждом отдельном случае. Например, закономерный процесс биологического развития сложного организма может прерываться болезнью или несчастным случаем. Возможность заболевания, а также возможность того или иного исхода конкретного заболевания, как и возможность несчастного случая и его последствий, поддаются статистической обработке и определяются вероятностно. Такие флуктуации создают кризисный этап исторического развития организма, выход из которого рассматривается как проявление случайности. Наряду с этим кризисные этапы развития могут возникнуть из-за неизвестных науке одноразовых флуктуаций, вызывающих особые формы выхода из кризиса.

Такие флуктуации не носят вероятностного характера, и их появление создает состояние неопределенности выхода, который невозможно оценить вероятностными понятиями. Соответственно и выход системы из кризиса носит неопределенный, непредсказуемый характер.

Разветвление эволюционных путей в кризисных точках развития, случайный или неопределенный характер «выбора» послекризисного пути дальнейшего развития, исключают возможность точного предсказания будущего системы на основании тенденций, наблюдаемых на предшествовавшем стационарном этапе [9,10].

В своей совокупности новые мировоззренческие представления в науке позволяют решить старый спор о становлении нового в Мире в пользу существования процессов, в которых возникают качественно новые объекты и состояния [11]. Так что в широком смысле этого понятия самоорганизация выступает, как присущее материи свойство осуществлять созидательные процессы в Мире.

Открытие кризисного этапа развития сложных систем, на котором совершаются переходы в качественно новые состояния, открытие явления самоорганизации материи, благодаря которому в Природе рождается новое, – все это заставляет серьезно исследовать, что и как происходит в кризисных ситуациях. Так в семидесятых годах прошлого века была осознана необходимость появления нового научного направления, целью которого становится изучение разнообразных переходов систем в качественно новые состояния, и, в частности, изучения феномена самоорганизации материи.

Провозвестниками такого научного направления стала появившиеся в 1977 году книга Г.Хакена под названием «Синергетика» [12], и вышедшая несколько раньше книга руководителя брюссельской школы термодинамики И. Пригожина [13], в которой излагались основы неравновесной термодинамики. Пока наиболее употребительным названием нового направления стало заглавие книги Хакена Синергетика. Через шесть лет, когда работы в новом направлении уже приняли широкий размах, появилась статья Данилова Ю.А. и Кадомцева Б.Б. под названием «Что такое синергетика» [14]. Авторы определили синергетику как одно из возможных обозначений некоей «Х-науки», для которой пока еще нет установившегося названия.

Эта наука занимается исследованием процессов самоорганизации, а также процессов образования, поддержания и распада структур в системах, природа которых изучается в различных научных дисциплинах. По словам авторов [14], необходимость такой науки давно назрела, но она пока делает первые шаги, в ней еще не выработана единая общепризнанная терминология, отсутствует единая теория, она «существует сразу в нескольких вариантах, отличающихся не только названиями, но и степенью общности и акцентами в интересах».

С тех пор прошло более 30 лет, но то основное, что сказано в [14] в отношении незавершенности и проблем синергетики, можно повторить и сегодня. Наряду с положительными результатами активно ведущихся исследований продолжаются споры вокруг многочисленных проблем и трудностей нового научного направления. Диапазон споров широк, от отрицания синергетики как науки, от нежелания признавать универсальный характер ее подходов, ее междисциплинарности, до утверждений о бесплодности попыток ее практических приложений. Последние утверждения, как правило, вызваны неправомерными попытками приложить далекую от завершения Х-науку к задачам биологии и социологии. Вместе с тем наблюдается широкий интерес к синергетике не только со стороны представителей естественных наук, но также и со стороны гуманитариев. Интерес вызывается тем, что «Х-наука» в перспективе обещает создание универсальной теории, описывающей переходы любых развивающихся систем в качественно новые состояния, определяющие возникновение нового в мире.

В начале 70-х годов выяснилось, что все разномасштабные самоорганизующиеся системы независимо от того, каким разделом науки они изучаются, будь то физика, химия, биология или социальные науки, реализуют одинаковый способ перехода в более сложные и более упорядоченные состояния. Тем самым открывается возможность единого теоретического описания подобных процессов во времени и в пространстве. Тогда же наметились три разных подхода к описанию переходного скачка от исходного неустойчивого состояния системы к устойчивому качественно новому ее состоянию. Это разрабатываемая Г.Хакеном Синергетика (синергизм буквально переводится как совместное действие), Термодинамика неравновесных процессов, созданная под руководством И.Пригожина, и Математическая теория катастроф, основатель – французский математик Р.Том.

В предисловии к своей основополагающей книге «Синергетика» Г.Хакен так определил предмет разрабатываемой им теории: Синергетика занимается изучением систем, состоящих из многих подсистем самой различной природы, таких как электроны, атомы, молекулы, клетки, нейроны, механические элементы, фотоны, органы животных и даже люди... Мы сосредоточим внимание на тех ситуациях, когда структуры возникают в результате самоорганизации, и попытаемся выяснить, какие причины управляют процессами самоорганизации безотносительно к природе подсистем. [12].

Синергетика рассматривает возникновение упорядоченных макроструктур как рождение коллективных типов поведения огромного числа входящих в макроструктуру элементов. Такие типы поведения, называемые модами, появляются под действием флуктуаций в момент потери макросистемой устойчивости. Они конкурируют между собой, и выживает форма, наиболее приспособленная к внешним условиям. Можно сказать, - отмечает Хакен, - что в определенном смысле мы приходим к своего рода обобщенному дарвинизму, действие которого распространяется не только на органический, но и на неорганический мир [12]. Это высказывание Хакена навеяно традиционной убежденностью многих людей науки в универсальном характере дарвиновских представлений об эволюции. Но такое утверждение, как было сказано выше, неправомерно.

В точных науках теоретический подход к любому новому явлению считается состоявшимся, если удается создать математический аппарат, способный адекватно отобразить главные закономерности изучаемого феномена. В случае синергетики следует обеспечить математическое описание поведения открытых систем при потере ими устойчивости и скачкообразном переходе в качественно новое устойчивое состояние. Такая задача осложняется тем обстоятельством, что скачок – это крайне нелинейный процесс, при котором малые изменения управляющих параметров вызывают очень сильные изменения состояния системы, ее переход в новое качество. Здесь напрашивается аналогия с фазовыми переходами, ведущими к изменению агрегатного состояния вещества. Процесс перехода начинается при незначительном изменении управляющего параметра вблизи от критической точки. Классическая физика, как правило, стремится иметь дело с плавными, линейными процессами, для описания которых отработан надежный математический аппарат. При слабой нелинейности удается использовать тот же линейный аппарат с поправками на нелинейность. Процессы переходов систем в качественно новые состояния не укладываются в такие рамки, они требуют использования сугубо нелинейного математического аппарата, который в готовом виде отсутствует.

В рамках Синергетики Хакен разработал такой аппарат в виде системы нелинейных дифференциальных уравнений, названных им эволюционными уравнениями. Они учитывают роль внешних факторов, толкающих систему к переходу в качественно новое состояние, это потоки энергии и вещества, и роль случайных, непредсказуемых факторов, определяющих выбор одного из возможных устойчивых конечных состояний. Математический аппарат теории очень сложен и пользование им сопряжено с большими и не всегда преодолимыми трудностями.

Первоначально сферой приложения Синергетики была квантовая электроника и радиофизика, области узкопрофессиональных интересов Хакена. Поэтому в качестве примера самоорганизации выберем объект, изучаемый этими дисциплинами, а именно, лазер. Этот квантовый прибор, получивший в последние десятилетия широкую известность, создает высокоорганизованное оптическое излучение. Особенность квантового прибора состоит в том, что процесс самоорганизации реализуется в нем на уровне микромира. Само название прибора представляет собой аббревиатуру полного английского наименования, содержащего два ключевых понятия, определяющих принцип его действия: вынужденное излучение и усиление света.

В самом начале ХХ века наука открыла для себя новый мир – мир микрочастиц и протекающих в этом мире процессов. Одним из следствий прорыва в новую область знания явилось понимание глубинных механизмов поглощения и излучения света вещественными средами.

Активными участниками таких процессов выступают атомы, молекулы и ионы, а сами процессы протекают при обменах строго определенными порциями энергий (квантами энергии) между микрочастицами, включая в их число частицы света – фотоны. При определенных условиях атом (молекула, ион) способен получить определенную дозу энергии в процессе взаимодействия с другими микрочастицами, что переводит его в возбужденное состояние. Такое состояние неустойчиво, и через небольшой промежуток времени, определяемый вероятностно, атом освобождается от лишней энергии, испуская фотон. Такой процесс называют спонтанным излучением возбужденного атома. В вещественной среде, содержащей большое количество возбужденных атомов, спонтанные фотоны излучаются в случайных направлениях, со случайными фазами и в определенных пределах с разными длинами волн.

Характерный пример используемого спонтанного излучения – традиционные источники света – лампы накаливания и более современные газоразрядные лампы. Во время работы они пребывают в состоянии, близком к равновесному, а в таком состоянии для самоорганизации нет места. Нагретая до высокой температуры нить накаливания или нагретый электрическим разрядом газ содержат большое количество возбужденных атомов (молекул, ионов). Степень возбуждения частиц различна, соответственно они непредсказуемо (спонтанно) излучают фотоны во всех направлениях с различными длинами волн. Уровень организации подобных сред низкий, упорядоченность излучаемого света мала.

Но в 1907 году Альберт Эйнштейн теоретически установил существование другого вида излучения, названного вынужденным излучением. Вскоре этот вывод получил экспериментальное подтверждение. Вынужденное излучение возникает, когда вблизи возбужденного атома (молекулы, иона) пролетает фотон определенной длины волны. Между фотоном и внешним электроном возбужденного атома возникает взаимодействие волнового характера. В результате возбужденный атом вынужденно испускает фотон с той же частотой, с той же фазой и поляризацией, как и у фотона-инициатора, и такой фотон-близнец движется по направлению движения исходного фотона.

До открытия вынужденного излучения ученые знали, что прохождение светового луча через оптическую среду сопровождается только процессами поглощения и рассеяния. Всегда интенсивность луча на выходе из оптической среды оказывается меньше его интенсивности на входе в эту среду. Никому не удавалось наблюдать в природе процесс усиления проходящего через среду света. С открытием вынужденного излучения выяснилось, что существует принципиальная возможность усиления светового луча, но для этого в среде, через которую проходит луч, должно господствовать вынужденное излучение. Между тем во всех наблюдаемых на Земле естественных оптических средах их состояния близки к равновесным, а в условиях равновесности вынужденное излучение составляет незначительную добавку к спонтанному излучению, которое господствует. Из сказанного следует вывод, что усиление света может происходить только в сильно неравновесной оптической среде, в которой к тому же выполняются особые требования к свойствам частиц, составляющих эту среду. Такие требования селектируют отбор вещества, при прохождении через который можно ожидать усиление света.

В 1948 году профессор В.А. Фабрикант совместно со своей аспиранткой Ф.А. Бутаевой создал специальную газоразрядную установку, в которой были выполнены условия, необходимые для получения состояния среды с господством вынужденного излучения на определенной длине волны. На установке впервые было получено усиление проходящего через эту среду монохроматичного светового луча, что продемонстрировало возможность создания квантовых приборов, усиливающих монохроматичный свет. Чтобы усилитель электромагнитных волн превратить в генератор таких волн, необходимо осуществить в системе обратную положительную связь. Это удалось сделать в 1960 году Мейману, поместившему твердотельную оптическую среду в оптический резонатор, в простейшем случае представляющий два плоскопараллельных зеркала, между которыми такая среда располагалась.

Отсюда началась эпоха создания оптических квантовых приборов, в которых активную лазерную среду, состоящую из специально подобранных атомов, молекул или ионов, приводят в состояние сильной неравновесности направленным введением специально организованного потока энергии (накачка лазера). В таком состоянии становится возможным избирательное возбуждение активной лазерной среды до строго определенного уровня. Как только превышается пороговое значение лазерной накачки, в подготовленной среде лавинообразно нарастает вынужденное, а не спонтанное, излучение на строго определенной длине волны. Тогда скачком возникает лазерная генерация узконаправленного почти монохроматичного луча, яркость которого на генерируемой длине волны в миллионы раз превышает яркость любого традиционного источника света. Лазерная генерация есть результат самоорганизации активной среды при выполнении трех перечисленных выше условий: открытости системы, снабжаемой извне энергией, ее крайней неравновесности и превышения порога вводимой в среду энергии.

Другой подход к математическому описанию физических процессов, сопровождаемых разрывами функций (скачками), разработал Р.Том, использовавший топологическую теорию динамических систем. Им созданы основы теории, получившей название теории катастроф. Существенный вклад в последующее развитие этой теории сделал В.И.Арнольд, благодаря чему стали возможными некоторые важные ее практические приложения. Содержание теории и практические приложения изложены в книге Арнольда [15], предназначенной для нематематиков. Катастрофами называют скачкообразные переходы, возникающие в виде внезапного ответа системы на плавное изменение внешних условий. Соответственно, теория катастроф дает универсальный метод исследования любых скачкообразных переходов, разрывов, внезапных качественных изменений. Самоорганизация – это одно из типичных проявлений подобных событий. Сегодня теория катастроф успешно решает задачи, связанные с определением предельной прочности конструкций, с протеканием циклических химических реакций типа реакций Белоусова – Жаботинского, с поведением волновых фронтов. Однако, серьезные трудности возникают при попытках приложения этой теории к биологическим объектам и социальному сообществу людей. Перспективы теории на будущее в [16] оцениваются так:

“В непосредственном будущем лишь физические науки извлекут из нее (из теории катастроф, Р.Р.) действительную выгоду, поскольку они имеют дело с «простыми» системами, в крайнем случае, со «статистически простыми» системами неорганизованной сложности. Организованная сложность биологии представляется наиболее вероятным объектом изучения на следующем, «промежуточном» этапе, но здесь уже может понадобиться вся теория динамических систем (имеющая теорию катастроф лишь малой, хотя и существенной составляющей).

Организованная сложность социальных систем вряд ли будет хорошо понята, пока мы не освоимся как следует с биологическими системами”.

Оба рассмотренных подхода к новому научному направлению (синергетика и теория катастроф) не используют термодинамические представления, поскольку классическая термодинамика имеет дело с изолированными равновесными системами, в которых самоорганизация себя не проявляет. Между тем, термодинамический подход добавляет новые детали, важные для понимания проблемы, поскольку самоорганизация тесно связана с необратимыми процессами, доминирующими во Вселенной. Выяснилось, что именно необратимые процессы играют конструктивную роль в развивающихся открытых неравновесных системах, иначе говоря, в самоорганизующихся системах.

. Основоположник новой термодинамики бельгиец Илья Пригожин, удостоенный Нобелевской премии по химии, в своей Нобелевской лекции формулирует проблему так:

В теоретической химии и физике возникло новое направление, находящееся в самом начале своего развития, в котором термодинамические концепции будут играть еще более важную роль... Чтобы разработать термодинамику самоорганизующихся структур необходимо показать, что неравновесие может быть причиной порядка. Оказалось, что необратимые процессы приводят к возникновению нового типа динамических состояний материи, названных мною диссипативными структурами [8]. Под термином «диссипативная структура» Пригожин подразумевает образование некоторой формы супермолекулярной организации, возникающей в результате коллективных действий элементов системы.

С изложением основных идей неравновесной термодинамики, решенных и нерешенных проблем можно ознакомиться в [8], основательное изложение теории дано в книге [13]. Но для нашей темы наибольший интерес имеют идеологические аспекты теории, излагаемые в [17,18]. Как отмечалось выше, чтобы система могла создавать и поддерживать упорядоченность, она должна быть открытой и получать энергию извне. Оказывается, весь доступный нашему познанию Мир состоит только из таких систем, в развитии которых прослеживаются два взаимосвязанных этапа, описание которых дано выше.. В развиваемой Пригожиным теории определены критерии, при которых диссипативная система теряет устойчивость, и предсказывается возможное достижение ею качественно новых состояний при скачкообразном выходе из кризиса. Скачок протекает в форме гигантской коллективной флуктуации, при которой многочисленные элементы системы ведут себя согласованно, хотя перед этим их взаимодействие носило хаотический характер.

Представить себе гигантскую коллективную флуктуацию, возникающую в момент скачка, поможет известное в гидродинамике явление, получившее название ячеек Бенара. Если подогревать снизу сосуд, в котором находится жидкость, обладающая необходимой вязкостью, то в его вертикальном сечении образуется перепад температур, вследствие чего возникают хаотичные конвективные потоки. Но как только интенсивность подогрева нижнего слоя жидкости превысит определенное для данной системы пороговое значение, вертикальные потоки скачком перестраиваются и образуют хорошо организованные замкнутые циркулирующие структуры, демонстрирующие высокую степень упорядоченности. Сверху это выглядит так, как будто поверхность жидкости имеет регулярную ячеистую структуру. Картина устойчиво сохраняется все время, пока снизу продолжается подогрев с постоянной интенсивностью. В рамках классических представлений вероятность организации миллиардов и миллиардов молекул жидкости с образованием шестиугольных ячеек Бенара определенного размера практически равна нулю, а если бы даже такое состояние случайно возникло, то упорядоченные структуры сразу после этого распались бы. Но эффект реализуется, он надежно воспроизводится и устойчиво сохраняется, если поддерживаются необходимые условия. Организованное поведение участников эффекта возможно благодаря поступлению извне необходимой для этого энергии. Статистические законы здесь явно не работают, и для объяснения феномена привлекается, в частности, неравновесная термодинамика.

Одна из проблем, которую необходимо решить в рамках неравновесной термодинамики – это проблема необратимости времени. Самоорганизация не подчиняется статистическим законам, формально на нее не распространяется действие второго начала термодинамики, из которого вытекает необратимость времени. Но при протекании скачка в явном виде обнаруживается стрела времени: процесс скачка невозможно повернуть вспять. Сложность проблемы в том, что второе начало опирается на эмпирическую основу и его универсальная сущность предполагается, но ничем не подтверждается. В равновесной термодинамике оно получено при изучении процессов в системах, подчиняющихся статистическим законам.

Второе начало имеет несколько разных, но эквивалентных определений. Для простоты выберем формулировку, предложенную одним из основоположников термодинамики Клаузиусом: невозможен процесс, единственным результатом которого был бы переход теплоты от тела с данной температурой к телу с более высокой температурой. Самопроизвольный переход тепла от менее к более нагретому телу действительно никому не доводилось наблюдать.



Pages:   || 2 | 3 | 4 | 5 |   ...   | 6 |
 

Похожие работы:

«ЯНВАРЬ 3 – 145 лет со дня рождения Николая Федоровича Чернявского (1868-1938), украинского поэта, прозаика 4 – 370 лет со дня рождения Исаака Ньютона (1643 - 1727), великого английского физика, астронома, математика 8 – 75 лет со дня рождения Василия Семеновича Стуса (1938 - 1985), украинского поэта, переводчика 6 – 115 лет со дня рождения Владимира Николаевича Сосюры (1898 -1965), украинского поэта 10 – 130 лет со дня рождения Алексея Николаевича Толстого (1883 - 1945), русского прозаика 12 –...»

«МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ РЯЗАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ПЕДАГОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМ. С.А. ЕСЕНИНА А.К.Муртазов Русско-английский астрономический словарь Около 10 000 терминов A.K.Murtazov Russian-English Astronomical Dictionary About 10.000 terms Рязань - 2010 Рецензенты: доктор физико-математических наук, профессор МГУ А.С. Расторгуев доктор филологических наук, профессор МГУ Л.А. Манерко А.К. Муртазов Русско-английский астрономический словарь. – Рязань.: 2010, 188 с. Словарь является...»

«Г.С. Хромов АСТРОНОМИЧЕСКИЕ ОБЩЕСТВА В РОССИИ И СССР Сто пятьдесят лет назад знаменитый русский хирург Н.И. Пирогов, бывший еще и крупным организатором науки своего времени, заметил, что. все переходы, повороты и катастрофы общества всегда отражаются на науке. История добровольных научных обществ и объединений отечественных астрономов, которую мы собираемся кратко изложить, может служить одной из многочисленных иллюстраций справедливости этих провидческих слов. К середине 19-го столетия во...»

«ТОМСКИЙ Г ОСУД АРСТВЕННЫ Й П ЕД АГОГИЧ ЕСКИЙ У НИВЕРСИТ ЕТ НАУЧНАЯ БИБЛИО ТЕКА БИБЛИО ГРАФИЧ ЕСКИЙ ИН ФО РМАЦИО ННЫ Й ЦЕ НТР Инфор мац ионны й бю ллетень новы х поступлений  №3, 2008 г. 1           Информационный   бюллетень   отражает   новые   поступления   книг   в   Научную  библиотеку ТГПУ с 30 июня по 10 октября 2008 г.           Каждая  библиографическая запись содержит основные сведения о книге: автор,  название, шифр книги, количество экземпляров и место хранения.           Обращаем  ...»

«УДК 133.52 ББК86.42 С14 Галина Волжина При рода Черной Луны в свете современной оккультной астрологии М: САНТОС, 2008, 272 с. ISBN 978-5-9900678-3-7 Книга известного российского астролога Галины Николаевны Волжиной При­ рода Черной Луны в свете современной оккультной астрологии написана на базе более чем двенадцатилетнего исследования. Данная работа справедливо может претендовать на звание наиболее полной и разносторонней. Автор попытался не только найти, но и обосновать ответы на самые спорные...»

«200 ЛЕТ АСТРОНОМИИ В ХАРЬКОВСКОМ УНИВЕРСИТЕТЕ Под редакцией проф. Ю. Г. Шкуратова ГЛАВА 2 НАУЧНЫЕ ДОСТИЖЕНИЯ ХАРЬКОВСКИХ АСТРОНОМОВ Харьков – 2008 СОДЕРЖАНИЕ ПРЕДИСЛОВИЕ РЕДАКТОРА 1. ИСТОРИЯ АСТРОНОМИЧЕСКОЙ ОБСЕРВАТОРИИ И КАФЕДРЫ АСТРОНОМИИ. 1.1. Астрономы и Астрономическая обсерватория Харьковского университета от 1808 по 1842 год. Г. В. Левицкий 1.2. Астрономы и Астрономическая обсерватория Харьковского университета от 1843 по 1879 год. Г. В. Левицкий 1.3. Кафедра астрономии. Н. Н. Евдокимов...»

«Валерий ГЕРМАНОВ МИФОЛОГИЗАЦИЯ ИРРИГАЦИОННОГО СТРОИТЕЛЬСТВА В СРЕДНЕЙ АЗИИ В ПОСТСОВЕТСКИХ ШКОЛЬНЫХ УЧЕБНИКАХ И СОВРЕМЕННЫЕ КОНФЛИКТЫ В РЕГИОНЕ ИЗ-ЗА ВОДЫ По постсоветским школьным учебникам государств Средней Азии посвящённым отечественной истории, родной литературе, экологии подобно призракам или аквамиражам бродят мифы, имеющие глубокие исторические корни, связанные с прошлым и настоящим орошения и ирригационного строительства в регионе. Мифы разжигают конфликты, а конфликты в свою очередь...»

«Научная жизнь Международный год астрономии – 2009 науки. Поэтому Международный астНачало третьего тысячелетия будет рономический союз (МАС) в 2006 г. отмечено в истории просвещения сопроявил инициативу, поддержанную бытиями нового рода – международЮНЕСКО, и 19 декабря 2007 г. 62-я ными годами наук. Инициатива их сессия Генеральной ассамблеи ООН проведения исходит от профессиообъявила 2009 год Международным нальных союзов ученых и ЮНЕСКО, годом астрономии (МГА-2009). а сами подобные годы...»

«200 ЛЕТ АСТРОНОМИИ В ХАРЬКОВСКОМ УНИВЕРСИТЕТЕ Под редакцией проф. Ю. Г. Шкуратова ГЛАВА 1 ИСТОРИЯ АСТРОНОМИЧЕСКОЙ ОБСЕРВАТОРИИ И КАФЕДРЫ АСТРОНОМИИ Харьков – 2008 Книга посвящена двухсотлетнему юбилею астрономии в Харьковском университете, одном из старейших университетов Украины. Однако ее значение, на мой взгляд, выходит далеко за рамки этого события, как относящегося только к Харьковскому университету. Это юбилей и всей харьковской астрономии, и важное событие в истории всей украинской...»

«http://eremeev.by.ru/tri/symbol/index.htm В.Е. Еремеев СИМВОЛЫ И ЧИСЛА КНИГИ ПЕРЕМЕН М., 2002 Электронная версия публикуется с исправлениями и добавлениями Оглавление Введение Часть 1 1.1. “Книга перемен” и ее категории 1.2. Символы гуа 1.3. Стихии 1.4. Музыкальная система 1.5. Астрономия 1.6. Медицинская арифмосемиотика Часть 2 2.1. Семантика триграмм 2.2. Триграммы и стихии 2.3. Пневмы и меридианы 2.4. Пространство и время 2.5. “Магический квадрат” Ло шу 2.6. Триграммы и теория люй 2.7....»

«ИЗВЕСТИЯ КРЫМСКОЙ Изв. Крымской Астрофиз. Обс. 103, № 3, 204-217 (2007) АСТРОФИЗИЧЕСКОЙ ОБСЕРВАТОРИИ УДК 520.2+52(091):52(092) Наследие В.Б. Никонова в наши дни В.В. Прокофьева, В.И. Бурнашев, Ю.С. Ефимов, П.П. Петров НИИ “Крымская астрофизическая обсерватория”, 98409, Украина, Крым, Научный Поступила в редакцию 14 февраля 2006 г. Аннотация. Профессор, доктор физико-математических наук Владимир Борисович Никонов является создателем методологии фундаментальной фотометрии звезд. Им разработан ряд...»

«ЖИЗНЬ СО ВКУСОМ №Т август–сентябрь 2012 ПОЕДЕМ ПОЕДИМ Календарь самых вкусных событий осени ГОТОВИМ С ДЕТЬМИ Рецепты лучших шефов для юных пиццайоло и маленьких императоров ДЕНЬ РОЖДЕНИЯ Хронология гастрономических открытий Азбуки Вкуса за 15 лет! ПИСЬМО ЧИТАТЕЛЮ ФОТО: СЕРГЕЙ МЕЛИХОВ ДОРОГИЕ ДРУЗЬЯ! Этой осенью Азбуке Вкуса исполняется 15 лет. За минувшие годы случилось то, что раньше казалось невозможным: у нас в стране появилось много людей, которые прекрасно ориентируются в разновидностях...»

«2                                                            3      Astrophysical quantities BY С. W. ALLEN Emeritus Professor of Astronomy University of London THIRD EDITION University of London The Athlone Press 4    К.У. Аллен Астрофизические величины Переработанное и дополненное издание Перевод с английского X. Ф. ХАЛИУЛЛИНА Под редакцией Д. Я. МАРТЫНОВА ИЗДАТЕЛЬСТВО...»

«Annotation В занимательной и доступной форме автор вводит читателя в удивительный мир микробиологии. Вы узнаете об истории открытия микроорганизмов и их жизнедеятельности. О том, что известно современной науке о морфологии, методах обнаружения, культивирования и хранения микробов, об их роли в поддержании жизни на нашей планете. О перспективах разработок новых технологий, применение которых может сыграть важную роль в решении многих глобальных проблем, стоящих перед человечеством. Книга...»

«Genre sci_math Author Info Леонард Млодинов (Не)совершенная случайность. Как случай управляет нашей жизнью В книге (Не)совершенная случайность. Как случай управляет нашей жизнью Млодинов запросто знакомит всех желающих с теорией вероятностей, теорией случайных блужданий, научной и прикладной статистикой, историей развития этих всепроникающих теорий, а также с тем, какое значение случай, закономерность и неизбежная путаница между ними имеют в нашей повседневной жизни. Эта книга — отличный способ...»

«4    К.У. Аллен Астрофизические величины Переработанное и дополненное издание Перевод с английского X. Ф. ХАЛИУЛЛИНА Под редакцией Д. Я. МАРТЫНОВА ИЗДАТЕЛЬСТВО МИР МОСКВА 1977 5      УДК 52 Книга профессора Лондонского университета К. У. Аллена приобрела широкую известность как удобный и весьма авторитетный справочник. В ней собраны основные формулы, единицы, константы, переводные множители и таблицы величин, которыми постоянно пользуются в своих работах астрономы, физики и геофизики. Перевод...»

«Б. Г. Тилак The Arctic Home in the Vedas Being also a new key to the interpretation of many Vedic Texts and Legends by Lokamanya Bal Gangadhar Tilak, b a, 11 B, the Proprietor of the Kesan & the Mahratta Newspapers, the Author of the Orion or Researches into the Antiquity of the Vedas the Gita Rahasya (a Book on Hindu Philosophy) etc etc Publishers Messrs Tilak Bros Gaikwar Wada, Poona City Price Rs 8 1956 Б.Г.ТИЛАК АРКТИЧЕСКАЯ РОДИНА В ВЕДАХ ИЗДАТЕЛЬСКО Москва Ж 2001 ББК 71.0 Т41 Тилак Б. Г....»

«ИНФОРМАЦИОННЫЙ ЦЕНТР ПО АТОМНОЙ ЭНЕРГИИ Г. ЕКАТЕРИНБУРГ КОНКУРСЫ И ПРОЕКТЫ Екатеринбург Январь 2014г. -1ИНФОРМАЦИОННЫЙ ЦЕНТР ПО АТОМНОЙ ЭНЕРГИИ ПРИГЛАШАЕТ ШКОЛЬНИКОВ К УЧАСТИЮ В КОНКУРСАХ ОРГАНИЗУЕТ ИНТЕРАКТИВНЫЕ УРОКИ, ВСТРЕЧИ, СЕМИНАРЫ Главное направление деятельности Информационного центра по атомной энергии – просвещение в вопросах атомной энергетики, популяризация наук и. В целях популяризации научных знаний, культурных традиций и современного технического образования ИЦАЭ выступает...»

«История ракетно-космической техники (Материалы секции 6) АКТУАЛЬНЫЕ ПРОБЛЕМЫ РАЗРАБОТКИ НАУЧНОГО ТРУДА ПО ИСТОРИИ ОТЕЧЕСТВЕННОЙ КОСМОНАВТИКИ Б.Н.Кантемиров (ИИЕТ РАН) Исполнилось 100 лет опубликования работы К.Э.Циолковского Исследование мировых пространств реактивными приборами (1903), положившей начало теоретической космонавтике. Уже скоро полвека, как космонавтика осуществляет свои практические шаги. Казалось бы, пришло время, когда можно ставить вопрос о написании фундаментального труда по...»

«Федеральное агентство по образованию Томский государственный педагогический университет Научная библиотека Библиографический информационный центр Педагогическая практика: в помощь студенту-практиканту Библиографический указатель Томск 2008 Оглавление Предисловие Педагогическая практика Методика преподавания в начальной школе Методика преподавания естествознания Методика преподавания химии Методика преподавания биологии Методика преподавания географии Методика преподавания экологии Методика...»






 
© 2014 www.kniga.seluk.ru - «Бесплатная электронная библиотека - Книги, пособия, учебники, издания, публикации»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.