ЗЕМЛЯ КАК ГЛОБАЛЬНАЯ ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ СИСТЕМА
ЗЕМЛЯ ВО ВСЕЛЕННОЙ
СТРУКТУРА И ЭВОЛЮЦИЯ ВСЕЛЕННОЙ
Гигантская мегасистема мира состоит из множества как бы вложенных друг в друга, соседствующих и иерархически упорядоченных сложных подсистем: сверхгалактик, галактик, звездных систем, планетарных систем. Земля также является сложной системой и содержит такие подсистемы, как магнитосфера, атмосфера, гидросфера, биосфера, литосфера, мантия, ядро. Все составляющие Вселенной развиваются за счет взаимодействия друг с другом и усложнения своей структуры. То же относится к нашей Солнечной системе и непосредственно к Земле. Взаимодействия Земли имеют внешний и внутренний характер, они различны по спектру связей, интенсивности, масштабу и продолжительности.
В 80-е годы XX в. многие астрономы считали, что в больших масштабах Вселенная практически однородна, полагая, что сгущения вещества, такие как скопления галактик, распределены по пространству равномерно. Наблюдения последних лет показали, что видимое вещество собрано в образования, имеющие несколько различных форм. Были обнаружены сверхскопления галактик, сосуществующие со столь же гигантскими пустотами, в которых видимого вещества крайне мало. Возник естественный вопрос о происхождении этих структур. В поисках ответа были объединены усилия астрономов, физиков по элементарным частицам и космологов. Роль астрономов заключалась в поиске и картографировании очень больших структур и определении их общих характеристик. Физики должны были понять суть законов, управлявших процессами в ранней Вселенной и влиявших на формирование ранних структур. Космологам предстояло выяснить пути эволюции этих структур к современным формам.
Предложено много моделей, объясняющих неоднородность крупномасштабной структуры. Однако исследователи остановились на той, согласно которой неоднородности были заложены изначально в момент возникновения Вселенной и затем эволюционировали в наблюдаемые ныне суперструктуры. Были обнаружены 102 предполагаемых сверхскопления галактик и 29 пустот (для сфер радиусом 160 млн световых лет).
Первые попытки описать происхождение и эволюцию Метагалактики (так называли Вселенную, содержащую только видимое вещество) основывались на разработанной в 1916 г. общей теории относительности (ОТО) (А. Эйнштейн, В. Де Ситтер, А.А. Фридман). Эйнштейн придерживался мнения о стационарности Метагалактики. В 1922 г. А.А. Фридман получил нестационарное решение ОТО. По Фридману, Метагалактика состояла только из вещества и была холодной. В 1948 г. Г.А. Гамов предположил, что Метагалактика вначале состояла только из излучения, и, следовательно, речь должна идти уже не о Метагалактике, а о Вселенной. В рамках объединенной модели Фридмана—Гамова это дало возможность утвердить идею о взрывном начале Вселенной, определить возраст Вселенной в 20 млрд лет.
В 1980 г. Алан Гут предложил модель раздувающейся (инфляционной) Вселенной. На начальном этапе эволюции Вселенной гравитационное, сильное, слабое и электромагнитное взаимодействия при чрезвычайно высоких энергиях (или температурах) можно рассматривать как единую силу. Само начало называют эпохой Всего Сущего, а состояние — сингулярностью, представляющей собой точечный объем с бесконечно большой плотностью вещества. Радиус сингулярного образования в соответствии с расчетами составлял Ю50 см, Е = 1028 эВ, Т = 1032 К, р = Ю90 г/см3, а само образование обладало высочайшей степенью симметрии (рис. 3.1).
В результате Большого взрыва в период 10_43с произошло отделение от единого состояния гравитационного взаимодействия и возникло первое нарушение симметрии. В момент отделения сильного взаимодействия (в период 10_35с) возникли глюоны — переносчики сильного взаимодействия, которые совместно с кварками начали образовывать кварк-глюонную плазму при Т = 1028 К, Е = 1024 эВ и R * Ю см. Это второе нарушение симметрии. Одновременно начался раздув, или инфляция Вселенной. За кратчайший срок, с 10-35 по 10-30 с, размеры Вселенной увеличились в Ю30 раз. Далее эволюция шла согласно сценарию обычной модели остывающей горячей Вселенной. К моменту 1 с произошло третье нарушение симметрии за счет разделения электрослабого взаимодействия на электромагнитное и слабое.
При Т = 1012 К начался нуклеосинтез ядер водорода, гелия, дейтерия, лития, бериллия (при Т = 109 К). По окончании нуклеосинтеза дозвездное вещество уже состояло из 70% Н2, почти 30% Не и небольшого количества других элементов. Эпоха нуклеосинтеза продолжалась примерно в течение года, а затем началась эпоха образования нейтральных атомов и отделение вещества от излучения (Т = 103 К), длившаяся примерно 100 тыс. лет. Причем в первое тысячелетие Вселенная была заполнена почти однородным нейтральным газом и нейтрино.
Рис. 3.1. Схема эволюции Вселенной (Мазур, Иванов, 2004)
Затем последовало образование молекул, и в течение примерно 100 млн лет происходило образование сгущений плотности и стабильного вещества.
Согласно квантовой теории любое поле флуктуирует на субатомном уровне, подобно ряби на поверхности озера. Пики флуктуации энергии после инфляции могли быть достаточно большими, чтобы стать зародышами звезд и галактик. При этом должна была возникнуть неоднородность реликтового излучения. Реликтовое фоновое излучение охватывает диапазон длин волн от 60 см до 0,6 мм (диапазон частот от 500 МГц до 500 ГГц). Важнейшим свойством этого излучения является то, что оно имеет равновесный спектр, описываемой формулой Планка, и температуру 2,7 К.
В течение последующих примерно 3 млрд лет образовались протозвезды, протогалактики и их протоскопления. Образование Млечного Пути относят к периоду 3—4 млрд лет от начала, а Солнечной системы — к периоду 10—11 млрд лет (4,7 млрд лет от современного летоисчисления). Около 3,8 млрд лет назад на Земле возникли условия, при которых консервативный способ достижения устойчивости систем через наращивание энергии внутренних связей дополнился более адаптивным способом, состоящим в наращивании структурного и поведенческого разнообразия. Это в четвертый раз нарушило симметрию косной материи и привело к появлению жизни.
