Истрия мира от Начала времен до Конца света

В результате первичного нуклеосинтеза после 15 минут существования нашего мира ядра водорода стали составлять три четверти его массы, а четверть — ядра гелия. Образовалось еще небольшое количество дейтерия, и лития (тритий и бериллий-7 оказались неустойчивы и вскоре распались).

Примерно с 16 минуты процессы во Вселенной существенно замедлились, и начался долгий и довольно скучный период остывания. Впрочем, всё это время незаметно шла огромная работа по организации будущей структуры Вселенной. Её выполняла тёмная материя, которая под действием силы тяготения уплотнялась в одних местах и разрежалась в других. Таким образом, она намечала области космоса, в которых будут образовываться скопления галактик, галактики и звезды.

Приблизительно через 300 тысяч лет Вселенная остыла до 3 000 градусов Кельвина13, и электрической силы оказалось достаточно для того, чтобы положительно заряженные ядра водорода и гелия захватили и удерживали электроны. Постепенно плазма из этих заряженных ядер, электронов и фотонов превратилась в газ, состоящий, главным образом, из атомов водорода. При этом фотоны, которые в горячей плазме постоянно сталкивались с протонами (ядрами водорода) и другими ядрами, теперь вырвались на свободу. Вселенная стала прозрачной для фотонов, а значит, для света. Как сказано в Библии: «И стал свет». Этот свет в форме реликтового излучения дошел до нас. Только в то далекое время фотоны, как и вся Вселенная, имели температуру 3 000 градусов. С тех пор Вселенная сильно расширилась, и температура тех самых первых фотонов, прорвавшихся на свободу после образования атомов, понизилась до 3 градусов Кельвина14.

Итак, с момента рождения нашего мира последовательно произошла целая череда событий, каждое из которых очень маловероятно:

тонкая настройка всех четырех сил, соотношение которых точно такое, какое необходимо для существования ядер, атомов, звезд и т.д.;

время инфляции с огромной точностью соответствует нуждам построения нашего мира;

почти необъяснимое, но происшедшее мизерное преобладание частиц материи над антиматерией, без которого нашего мира не было бы;

тонкая настройка масс кварков, протонов, нейтронов, электронов и других элементарных частиц;

точная настройка уровней устойчивости для создания протонов и нейтронов из кварков, ядер из протонов и нейтронов и самих атомов элементов из ядер и электронов.

Вероятность каждого из этих событий очень мала, а их сочетания оценивается в 10-50. Это такое маленькое число, что и сравнить-то его не с чем. Замысел в построении Вселенной очевиден для непредвзятого наблюдателя. Однако если есть замысел, есть и Творец, Бог или подобная ему по могуществу идеальная или материальная сущность. А это для многих ученых, придерживающихся атеистических взглядов, неприемлемо. Чтобы не допустить идею замысла, они готовы буквально на всё. Поэтому многие физики предпочитают альтернативную теорию множественности вселенных. По этой теории вселенные постоянно образуются в немыслимом множестве. Чтобы компенсировать мизерную вероятность, их должно возникнуть порядка 1050. Почти все они лопаются и исчезают, как мыльные пузыри. Другие, немногие, остаются пустыми и безжизненными. А нам вот так исключительно повезло возникнуть в жизнеспособном варианте вселенной. Где остальные вселенные, никто не знает и никогда не узнает.

Представьте себе, что на ваших глазах происходит самосборка автомобиля: из резины отливаются колеса и точно насаживаются на диски; из пластмассы отливаются ручки и руль и устанавливаются на предназначенные им места; отливается корпус; сам собой создается и монтируется двигатель; сама спаивается в цепи электроника. Вы садитесь в машину, и она едет. Вы наивно считаете, что машина собралась по какому-то проекту, чьему-то замыслу. Но мудрый ученый объясняет вам, что где-то, неизвестно где, не в нашем мире, а в других мирах, которым несть числа, по воле случая постоянно идет сборка разнообразных автомобилей. До вашего автомобиля множество авто, число которых намного больше, чем число частиц в вашей Вселенной, оказались неудачными. А вот вам исключительно повезло.

Может быть, кому-то понравится такое объяснение. Дело вкуса. Мне нет! Я уверен, что был замысел! И для самособирающегося автомобиля, и для Вселенной!

В заключении немного об акте творения, описанном в Библии. В этом разделе описаны события, соответствующие первому дню творения. Думаю, даже образованный человек XXI века с некоторым усилием прочел этот раздел и, возможно, не всё понял. Хотя я очень старался описать сложные явления понятно. А теперь попробуйте адаптировать полученные знания и сведения для их понятной передачи человеку, который жил в XII веке до нашей эры, то есть три с лишним тысячелетия до нас, например, библейскому Моисею и его менее продвинутым современникам. Напишите ему короткое послание с изложением реальных событий рождения нашего мира. Уверен, что после этой попытки вы перечитаете описание первого дня творения в Библии не только с уважением, но и с восхищением.

..2.

Эволюция без жизни

(от 13,8 млрд. лет до 4 млрд. лет назад)

В предыдущем разделе мы проследили эволюцию нашего мира до громадных газовых скоплений, оформиться которым незаметно помогают невидимые, но массивные структуры темной материи. Современная наука считает, что именно темная материя структурировала светлую, обычную материю и помогла ей обрести формы галактик и звезд.

Гравитация, которая, как мы помним, на множество порядков слабее трех других сил, долго пребывала в их мощной тени, но теперь вышла на передний план и начинает играть заглавную роль в звездообразовании. Под ее воздействием холодные скопления космического газа начинают сгущаться и образовывать протозвезды. Под воздействием притяжения плотность газовых облаков растет, и они разогреваются. Когда температура в центре протозвезды достигает примерно 10 млн градусов, в ней начинается ядерная реакция. Два протона (ядра водорода) и два нейтрона сливаются в ядро гелия, и высвобождается энергия, которая идет на нагревание и излучение. Именно так работает водородная бомба.

Примерно 500-600 млн лет после Большого Взрыва зажглись первые звезды. Их называют звездами первого поколения. Они имели огромные размеры, в тысячи раз превышающие размеры нашего Солнца.

Жизнь любой звезды — это непрерывная борьба между расталкивающим частицы вещества излучением и сжимающей их гравитацией. Судьбы у звезд разные, и они зависят от массы звезды (рис.1.1.2). За мерило массы обычно принимают наше Солнце. Чем больше звезда, тем сильнее гравитационное сжатие и выше температура в ее центре. Поэтому массивные звезды быстро выгорают. Например, сверхмассивные звезды первого поколения выгорали буквально за несколько миллионов лет.

В молодости все звезды похожи. В их центре постепенно выгорает водород, который превращается в гелий. После выгорания водорода в ядре звезды остается гелий. Его ядра, их называют альфа-частицы, соединяются по три в ядро углерода. Это тот самый элемент, из которого состоит всё живое, и мы с вами тоже. Углерод имеет совершенно уникальную способность создавать сложнейшие соединения – белки, а жизнь, как известно со времен Энгельса, «есть форма существования белковых тел»15.

Однако здесь имеется существенная трудность. Как мы уже знаем, устойчивых ядер с пятью и восемью нуклонами в природе нет. Вероятность одновременного столкновения трех ядер гелия ничтожна. Значит, нужно, чтобы сначала столкнулись и соединились два ядра, а потом в них попало третье. Для этого необходимо, чтобы два ядра гелия соединились бы в устойчивую структуру. Однако это объединение (ядро бериллия) будет иметь 4 нейтрона и 4 протона, то есть 8 нуклонов, и, значит, устойчивого соединения быть не может. Оно будет существовать очень, очень недолго, и за это время третье ядро не будет успевать в него попасть. Природа (или Бог) придумала еще одну тонкую настройку, позволяющую более чем в 2000 раз увеличить вероятность попадания третьего ядра гелия в ядро неустойчивого бериллия. Оказалось, что нуклоны ядер бериллия и гелия колеблются с одной и той же частотой, то есть попадают в резонанс. Это радикально меняет ситуацию. Из-за резонанса вероятность слипания трех ядер гелия растет как раз до тех значений, которые нужны для создания нашего мира и жизни в нем. Поразительно, что автор идеи резонанса английский физик Хойл догадался до нее на основании антропного принципа. То есть Хойл рассудил, что раз наш мир и он сам существуют, должен быть резонанс, а потом открыл его экспериментально.

Более того, Хойл предсказал, что резонанса между гелием и уже устойчивым углеродом быть не должно, иначе он весь превратился бы в кислород. И, действительно, его не обнаружилось.

Синтез углерода – еще один поразительный пример тонкой настройки нашей Вселенной. Для осуществления синтеза более сложной структуры в мироздание введено дополнительное «резонансное притяжение». Подобные методы часто используются в эволюции неживых и живых систем.

Но вернемся к звездам. У всех звезд при превращении гелия в углерод в ядре выделяется огромная энергия. Здесь дальнейшая судьба светил расходится (рис. 1.1.2).

Сначала рассмотрим случаи небольших звезд, по размеру меньших, равных или не сильно больших Солнца. У них на границе гелиевого ядра звезды продолжается синтез гелия из водорода с выделением дополнительной энергии. Гигантские потоки энергии заставляют звезду раздуться в тысячи раз. Например, Солнце после выгорания водорода и гелия через много миллионов лет раздуется до орбиты Венеры. При этом огромный внешний слой звезды остывает и становится красным. Звезда превращается в красный гигант. После выгорания водорода и гелия ядерные реакция постепенно затухают. Гравитация начинает преобладать над ослабевшим излучением. Начинается быстрое гравитационное сжатие, и звезда становится белым карликом, вокруг которого остается небольшая туманность из ее бренных останков.

Рис. 1.1.2. Эволюция звезд

У огромных светил, в десятки и более раз больших нашей родной звезды, хватает энергии и массы не только для синтеза гелия из водорода и углерода из гелия, но и синтеза других более тяжелых элементов кремния, магния, … железа. Каждый очередной ядерный синтез идет в своем слое звезды с выделением энергии. Чем ближе слой к центру, тем более тяжелый элемент там образуется. В конце концов, в центре начинается и идет образование железа. Это особенный элемент! При синтезе всех более легких элементов энергия выделяется, а для синтеза более тяжелых веществ, чем железо, напротив, нужна дополнительная энергия. Поэтому синтез элементов тяжелее железа уже не может проходить самопроизвольно, для него нужно постоянно подавать энергию извне.

Итак, в каждом слое идет своя ядерная реакция и выделяется огромная энергия. Подобно тому, как это происходит с малыми звездами, их громадные собратья раздуваются под действием производимой в слоях гигантской энергии и становятся красными супергигантами, размеры которых могут на порядки превосходить всю солнечную систему.

Однако дальнейшие события уже не имеют аналогов. Железное ядро красного супергиганта накаляется до такой степени, что электроны сливаются с протонами ядер железа и превращаются в нейтроны. До этого момента свободные электроны отталкивались друг от друга, что создавало довольно большой объём ядра звезды. Теперь, буквально за считанные секунды, этот объём исчезает, и верхние слои обваливаются вниз. Происходит фантастической силы взрыв, сравнимый разве что с Большим Взрывом, породившим Вселенную. Обвалившиеся вниз внешние слои звезды отражаются от её ставшего невероятно плотным нейтронного ядра и разлетаются во все стороны, унося образовавшиеся тяжелые элементы. Это грандиозное явление называют взрывом сверхновой. Таким взрывом заканчивается жизнь крупных звезд, поэтому взрывы сверхновых наблюдаются довольно часто. Все элементы тяжелее железа (цинк, медь, йод, серебро, золото и др.), необходимые для жизни, образовались при взрывах сверхновых. Здесь мы вновь сталкиваемся с настройкой Вселенной на создание жизни. Без взрывов многочисленных сверхновых жизни бы не было, а эти взрывы – следствие заложенных при возникновении нашего мира закономерностей и ряда критических параметров, определяющих неизбежность таких взрывов.

Такие взрывы имеют ужасающую силу и опустошают все вокруг на тысячи и миллионы световых лет. После взрыва остается ядро сверхновой, состоящее из одних нейтронов. При размерах звезды меньше 15 Солнц её ядро после взрыва превращается в сверхплотную, но совсем маленькую (10-20 километров в диаметре) нейтронную звезду с массой в среднем полторы массы Солнца.

Если же взрывается очень большая сверхновая с массой больше 15 солнечных, после взрыва образуется черная дыра. Это фактически большая нейтронная звезда, притяжение которой настолько велико, что фотоны света не могут его преодолеть. Поэтому дыра реально черная, ее не видно. Нейтронные звезды и черные дыры могут сливаться, затягивать в себя все больше и больше обычной светлой и темной материи и разрастаться до сверхмассивных черных дыр. Обычно в центре каждой галактики есть своя огромная черная дыра.

Вообще, центр галактики – гиблое место. Там всегда поблизости будет находиться множество крупных звезд, готовых превратиться в сверхновые и уничтожить все вокруг, и черных дыр, стремящихся засосать в себя и уничтожить любой материальный объект.

Итак, первое поколение звезд погибло довольно быстро по звездным меркам. Из его останков образовались звезды второго поколения. В них уже были металлы, но их было относительно мало. Наиболее крупные из них вновь взрывалась (сверхновые). Конечно, неверно думать, что звезды одного поколения возникают и исчезают почти одновременно. У звезд, как и у людей, есть «детская» смертность в совсем раннем возрасте и звезды-долгожители, причем в каждом поколении. Поэтому часть звезд второго поколения здравствует и поныне.

Из остатков звезд второго поколения образовались звезды третьего поколения, которые отличает гораздо более высокое содержание металлов и тяжелых элементов, необходимых для возникновения жизни. Заметим, что жизнь возможна только на планетах звезд третьего поколения, на которых уже изобилуют нужные для ее возникновения металлы и тяжелые элементы.

Вот около одной из средних по величине, даже скорее небольшой звезды третьего поколения по имени Солнце расположилась наша Земля. Сейчас принято стало считать, что это вполне рядовая планета, вращающаяся вокруг ничем не примечательной звезды. Последние пять веков человечество движется от осознания своей полной исключительности и божественной избранности к идее заурядности нашего положения во Вселенной. Еще пять веков назад все были уверены, что Бог создал Землю, Солнце и весь мир для человека, а Солнце и звезды вращаются вокруг Земли. Потом оказалось, что это Земля вращается вокруг Солнца, веком позже, что Солнце - одна из звезд огромной галактики с миллиардами звёзд, в начале XX века – что галактик великое множество в невообразимо гигантской Вселенной. В XXI веке уже модно стало говорить о невероятном множестве вселенных.

В фантастических книгах и кинофильмах люди постоянно встречаются с представителями различных инопланетных цивилизаций, так что мы привыкли к мысли о том, что наше человечество – одно из повсеместно встречающихся проявлений разумной жизни. Однако это ничем не подтверждено. Более того, гипотеза о редкости и даже уникальности человечества имеет немало приверженцев и доказательств. Одно из них – Великое молчание космоса или парадокс Дирака. Суть этих доказательств в том, что, несмотря на множество попыток, нами не обнаружено никаких сигналов или последствий деятельности инопланетных цивилизаций. Космос молчит. А мы уже видим объекты, находящиеся на огромных расстояниях от Земли (до 13 млрд световых лет). Кстати, уже сейчас последствия деятельности человечества в форме радиоизлучений сделали Землю очень ярким и хорошо заметным в далеком космосе объектом. Других подобных объектов не обнаружено.

При внимательном рассмотрении наше Солнце оказывается довольно редкой звездой, идеально подходящей для зарождения в его лучах жизни. Оно расположилось на окраине галактики Млечный путь вдали от взрывов сверхновых и опасных черных дыр. Однако не на самом краю галактики, иначе не хватило бы материалов для создания планетарной системы. При этом в его зоне притяжения оказалось много элементов для образования твердой, не газовой планеты и тяжелых элементов для возникновения жизни.

Солнце не слишком быстро и ярко горит. Поэтому оно светит уже 4,5 млрд. лет и будет светить, как минимум, столько же. А равномерное, спокойное и долгое свечение необходимо для развития жизни, которое требует нескольких миллиардов лет. Мы назвали только небольшое количество необходимых для нашего светила свойств, однако звезд, удовлетворяющих даже этим немногим требованиям, очень мало, не более 3% всех звезд.

Земля образовалась почти одновременно с Солнцем, и она не менее уникальна. Во-первых, она сформировалась на оптимальном расстоянии от Солнца. Ближе - было бы слишком жарко, и мог возникнуть необратимый парниковый эффект, как на Венере. Дальше - Землю сковал бы холод. В обоих случаях жизнь не возникла бы. Во-вторых, удачным для жизни оказались размеры и состав планеты. Масса оказалась достаточной для удержания сравнительно плотной атмосферы, а химический состав почти идеально подходил для развития жизни.

Однако все это было удачным сочетанием факторов, по всей вероятности, имеющимся у других планет в других звездных системах и галактиках. Но в истории молодой Земли имелось совершенно уникальное событие! Примерно через 100 млн лет после её формирования с Землей произошла очень удачная для всего живого катастрофа. В нее по касательной врезалась другая планета размером с Марс и выбила изрядное количество материи, которая слилась с остатками врезавшейся планеты и стала потом Луной. Без нее жизнь на Земле не смогла бы развиться. Луна стабилизировала земную ось с наклоном 23 градуса, что обеспечило смену времен года, и создала поначалу огромные приливные волны, в которых и началась жизнь. Причём Луна была в это время в несколько раз ближе к Земле, а Земля вращалась вокруг своей оси в 4 раза быстрее.

Отчасти благодаря этому столкновению в центре Земли образовалось жидкое вращающееся железоникелевое земное ядро, создающее достаточно сильное магнитное поле для надежной защиты поверхности от убийственного гамма-излучения Солнца. Без такой защиты жизнь вряд ли развилась бы. Кроме того, столкновение помогло сформировать движущиеся друг относительно друга тектонические плиты. Это движение постоянно рождает новые горы и моря. Если бы их не было, поверхность Земли быстро бы стала ровной, скучной и, по всей вероятности, малопригодной для эволюции жизни.

Земля и Луна составили замечательный тандем, напоминающий двойную планету. При этом Луна стала надежным защитным щитом Земли, отражающим большую часть метеоритов. Если бы ее не было, всему живому пришлось бы довольно туго под губительным метеоритным дождем. Чтобы увидеть, сколько метеоритов приняла на себя Луна, достаточно взглянуть на фотографии ее поверхности.

Метеориты сыграли весьма значительную роль в жизни нашей планеты. Сразу после ее образования на еще раскаленную Землю пролился метеоритный дождь. Он принес множество минералов, которые удачно дополнили химический состав планеты. За счет привнесенных материалов масса Земли получила вполне ощутимый прирост. Этот период получил название Ранняя тяжелая бомбардировка.

Значительную часть метеоритов и комет сейчас задерживают и поглощают газовые супергиганты Юпитер и Сатурн. Кстати, их присутствие на довольно близких в космических масштабах к малым твердым планетам орбитах – еще одна удачная черта нашей звездной системы.

Примерно 3,8-3,9 млрд лет назад, то есть приблизительно через 600-700 млн лет после формирования планеты, по неизвестным причинам, возможно, под действием ударной волны одной из сверхновых нашей галактики, Юпитер и Сатурн совершили перемещение к орбите Марса, сильно приблизившись к Земле. Это перемещение, которое в силу его грандиозности и важности называют Великой миграцией газовых гигантов, открыло путь к земле кометам, находившимся в гигантском кометном поясе из 3 млрд комет. Этот пояс сдвинулся вслед за огромными планетами, и около полутора тысяч огромных комет диаметром больше 10 км ударилось о Землю. Началась Поздняя тяжелая бомбардировка нашей планеты.

Кометы принесли на нашу планету около 65% всей имеющейся сейчас воды. Причем воды оказалось ровно столько, сколько нужно, чтобы создать ее животворящий кругооборот, но не всё залить. Ещё одна удача!

Большая часть Земли покрылась водой. Под ней и на суше полыхали бесчисленные вулканы. Близкая Луна вызывала 300 - метровые приливные волны, заливавшие огромные пространства суши. Планету все время трясло и заливало дождями и волнами, перемешенными с вулканической лавой и пеплом. В этом теплом и влажном, постоянно встряхиваемом и перемешивающемся аду примерно 3,6 млрд. лет назад зародилась жизнь.

Как мы узнали, для возникновения жизни должны были в четкой последовательности произойти следующие события:

смениться три поколения звезд и на окраине галактики, но не на самой окраине, возникнуть небольшая, долго и несильно светящая звезда;

около этой звезды на оптимальном расстоянии должна сформироваться планета с нужной массой и с подходящим для жизни химическим составом;

в эту планету должна врезаться другая, поменьше, чтобы у нее сформировались железное ядро, обеспечивающее сильное защитное магнитное поле, и большой спутник, защищающий ее от метеоритов и стабилизирующий ее ось;

в солнечной системе должны произойти сдвиги орбит крупнейших планет, которые привлекут на Землю тысячи крупных комет и метеоритов с достаточными запасами воды.

Такое сочетание маловероятных событий наводит на мысли о замысле, приведшем к появлению жизни.

..3.

Жизнь до людей

(от 4 млрд. лет до 2 млн. лет назад)

Мы подошли к самому, пожалуй, важному и таинственному событию в истории нашего мира - возникновению жизни. По современным научным воззрениям жизнь возможна только в форме клеток. Все живое на Земле произошло из одной единственной клетки. Все клетки произошли из других клеток, те из других и так миллиарды лет. Но с чего все началось? Ведь до клетки жизни не было. Она должна была начаться с возникновения первой клетки. А даже самая простая клетка неописуемо сложна. В ней должны одновременно протекать сотни, если не тысячи химических реакций, работать десятки различных органелл16. Для каждой из них необходимо синтезировать свой уникальный белок-фермент, запускающий конкретную реакцию. Как все это могло возникнуть впервые, пусть даже из сложных белковых молекул?

Вероятность такого самопроизвольного создания, наверно, даже меньше, чем вероятность появления нашей Вселенной с нужными значениями мировых констант, которая, как мы уже знаем, совершенно ничтожна. Как чрезвычайно точно и остроумно заметил великий Дарвин, «объяснить происхождение жизни на земле только случаем — это, как если бы объяснили происхождение словаря взрывом в типографии».

Возникновение клетки из составляющих ее органических молекул представляется чудом. Возможно, таким оно и было. Хотя наши наблюдения за процессами развития Вселенной, атомов, молекул, галактик, звезд и планет свидетельствуют о наличии замысла, который осуществляется по определенным физическим законам без их очевидного нарушения, то есть без ярко выраженных чудес. Создатель, природа или Бог, по неизвестной нам причине, действует в рамках системы сконструированной, по всей вероятности, им же законов, не желая их преступать, по крайней мере, без особой необходимости.