Наши развилки. Развилки эволюции природы на пути к человечеству

Узловые события эволюции природы на пути к человечеству, которые случились в период от Большого взрыва до появления планеты Земля, объединены в Космический (Доземной) этап. Этот отрезок антропного эволюционного маршрута проходил через развилки, возникавшие среди неимоверно огромного числа форм материи и неисчислимого количества разнообразных и разновременных событий. В этом обзоре рассмотрим только несколько основных эволюционных развилок, которые исполнили важнейшую роль в появлении земной жизни. Речь идет о таких космических развилках эволюции природы, как: Вселенская, Аннигиляционная, Галактическая (Млечная) и Солнечная.

Начнем рассказ с представления семи химических элементов, производных от ядер атомов водорода, собственные имена которых: Гидрожен, Оксижен, Нитрожен, Карбовеж, Карбомал, Флюор и Ферум. Эти атомы исполняли роль своеобразных космических гидов, поскольку были свидетелями многих событий, создававших эволюционный маршрут природы к человечеству.

1.1. Происхождение наших космических гидов – ядер атомов водорода: Гидрожена, Оксижена, Нитрожена, Карбовежа, Карбомала, Флюора и Ферума

Больше узнать о многочисленных развилках антропного эволюционного маршрута нам помогут семь атомов водорода – братья-водородики, рожденные вскоре, после возникновения нашей Вселенной в процессе Большого взрыва 13,82 миллиардов л.н. Эти семь химических братьев появились в космической семье, насчитывающей многие триллионы близнецов – водородов. Основой всех современных химических элементов является этот первый элемент (частица протон). Преобладающая часть этих близнецов до сих пор пребывают в форме самого легкого и самого распространенного элемента во Вселенной – водорода. Выбранные нами атомы водорода, в процессе движения через пространство и время от Большого взрыва в нашу современную жизнь, превратились в те или иные, более тяжелые химические элементы, от названия которых произошли их имена. Это – Оксижен (двухвалентный кислород) и Нитрожен (трехвалентный азот). Следующий – Карбовежитал (от слов карбон – углерод и вежиталь – растительный), кратко говоря, Карбовеж – четырехвалентный углерод, оказавшийся в растительном мире Земли. Близким родственником Карбовежа является Карбоанимал (от карбон – углерод и анималь – животный), сокращенно – Карбомал. Этот углерод пребывает на Земле, главным образом, в мире животных, в том числе оказался в теле современного человека. Флюор – пятивалентный фосфор и Ферум – пятивалентный атом железа. Современную свою форму, т. е. вид химического элемента каждый из наших гидов-водородов, как и любой элемент Вселенной, приобрел при разных обстоятельствах: либо в процессе остывания первично раскаленной Вселенной до определенной температуры, либо в недрах медленно сгорающей звезды, или в момент взрыва сверхновой звезды. Во время этих событий представленные наши химические гиды взаимодействовали с большим числом себе подобных, образовав определенные соединения или скопления единогалактических или единозвездных атомов. Только Гидрожен остался до сих пор просто одновалентным водородом.

Эти химические элементы, преодолев огромнейшие расстояния, приняв участие во многих вселенских событиях, оказались на Земле около 4,5 миллиардов л.н., чтобы продолжить путешествие в форме тех или иных геологических объектов и биотических организмов. Все живые организмы имеют удивительно простой и однообразный химический состав. Углерод, водород, кислород и азот (их латинская аббревиатура – CHON) стали главными элементами всех живых организмов: от бактерий до клеток самых сложных организмов. На их долю приходится около 98 % состава клетки любого организма, что не случайно, поскольку они, наряду с гелием, являются самыми распространенными видами атомов во Вселенной. Следующим по объему в организмах является фосфор. Довольно важная роль принадлежит железу, а также другим макро- и микроэлементам. В клетках живых организмов встречаются около 90 химических элементов, среди которых 25 обнаружены практически во всех клетках. Все эти химические элементы имеются также в неживой природе. Единство живого и неживого прослеживается в том, что их представители состоят из одинаковых элементов, кроме того, живые и неживые формы существуют в постоянном взаимодействии. Химические элементы из неживых молекул, минералов переходят в живые организмы, чтобы затем вернуться в неживую природу. Все атомы, в том числе, Гидрожен, Оксижен, Нитрожен, Карбовеж, Карбомал, Флюор и Ферум, в определенные периоды своего существования были задействованы в тех или иных круговоротах: космическом, геологическом, биотическом и других. Судьба каждого из наших гидов-атомов связана с теми или иными объектами и/или событиями, которые привели эволюцию природы к человечеству, но всё же каждый из них прошёл своим путем, изобиловавшим собственными приключениями.

1.2. Вселенская развилка эволюции природы на пути к человечеству. 13,82 миллиардов лет назад

Появление на свет наших атомов-проводников и реализация их конкретных судеб стали возможными только потому, что образовалась именно наша Вселенная. Вечный и бесконечный мир[2] (пояснения по ссылке можно смотреть в разделе "Ссылки.." в конце книги) представляет собой, по преобладающему мнению ученых, пространство-время с пузырями-протовселенными и пузырями-вселенными. В нем возникают и прекращают существование многие вселенные с разными проявлениями законов физики. Природа[3] осуществляет эволюцию многовариантно, направляя развитие («выбрасывая кости основных характеристик») в каждой вселенной своим особым путем.

Начало образования очередной вселенной является условной развилкой, на которой эволюция природы сворачивает на особый путь своего развития. Современная теория указывает, что количество пузырей в мире, т. е. потенциальных вселенных может измеряться единицей с пятьюстами нулями. На основании этого можно предполагать, что существует такое же немыслимо огромное число «начальных» направлений (маршрутов, вариантов) эволюции природы на этапе создания вселенных. Лишь немногие из этой массы пузырей могут быть основой тех вселенных, где законы природы совместимы с известной нам формой жизни. Людям повезло, что 13,82 миллиардов л.н. природа заложила начало нашего, антропного направления своей эволюции. Для земных людей появление нашей Вселенной среди множества пузырей-протовселенных явилось самой главной развилкой эволюции природы. Назовём её Вселенской развилкой, от которой схематично проследим извилистый путь эволюции природы, приведший к появлению человека разумного. Люди – дети антропного космического пузыря.

Существует несколько более-менее обоснованных гипотез возникновения Вселенной. Наиболее распространенным и принятым многими специалистами является представление о том, что начало Вселенной связано с Большим взрывом. Это представление обосновывает многоэтапность эволюции Вселенной, которая хорошо описывается теориями о: Большом взрыве (теория горячей Вселенной), расширении (теория Фридмана), инфляции, формировании крупномасштабной структуры (иерархическая теория), звездном населении. В эволюции Вселенной выделяется более десяти фаз и эпох, характеризующих увеличение объема пространства, появление физических сил и взаимодействий, образование всех элементарных частиц, атомов, молекул, звезд и галактики. Детальное описание периодизации этих процессов не является целью нашего обзора. Отметим только, что формирование нашей Вселенной началось из некоторого сингулярного состояния материи и энергии. Такое состояние предполагало бесконечно великие значения температуры, давления и плотности, совмещенные в минимальном объеме, когда не действовали известные физические законы (гравитационного, электромагнитного, сильного и слабого взаимодействий). Процесс образования Вселенной сопровождался масштабным и быстрым увеличением пространства-времени – инфляционным расширением с постепенным снижением неимоверно высокой температуры. Такое быстрое «вздутие» Вселенной вызвало выделение энергии и элементарных частиц. Все пространство заполнилось плазмой, состоящей из гравитонов (гипотетических безмассовых элементарных частиц, переносящих гравитационное воздействие) и GUT-бозонов (теоретически предполагаемых сверхтяжелых частиц, возможно существовавших в ранней Вселенной). Дальнейшее остывание привело к появлению смеси различных частиц, античастиц и гамма-фотонов высоких энергий. Произошло разделение физических сил взаимодействия элементарных частиц и составленных из них тел.

Частицы и античастицы, сталкиваясь, взаимно уничтожались и рождались вновь. Возникли электроны, позитроны, кварки, антикварки и глюоны. Продолжающееся ускоренное расширение и охлаждение Вселенной вызвало процесс бариогенеза – соединение кварков в протоны и нейтроны, которые стали основой ядер (нуклонов) атомов всех химических элементов. Разнотипные кварки и антикварки в нашем рассказе можно назвать Фундаментальными бесструктурными предками протонов и антипротонов, а также нейтронов и антинейтронов, которые явились основой обычного для нас вещества и исчезнувшего антивещества[4].

Если наблюдаемое расширение Вселенной экстраполировать назад в прошлое до самого начала, тогда пространство-время схлопнется в точке космической сингулярности, где известные физические законы не действуют. Возрастом Вселенной является время её расширения из космической сингулярности до нынешнего состояния. Ученые разработали довольно сложные и кропотливые способы оценки возраста Вселенной по: возрасту звезд через яркость свечения белых карликов, расширению Вселенной, возрасту химических элементов с помощью их радиоактивного распада и по некоторым другим данным. Самым достоверным в настоящее время считается возраст 13,799 ± 0,021 миллиарда лет или, с учетом поправки в большую сторону, 13, 82 миллиарда лет. Это время от Большого взрыва до наших дней рассчитано в 2013 году по сведениям космического телескопа «Planck» о скорости расширения границ космоса равной 67,15 км/с. Сведения, полученные этим телескопом, позволили также уточнить, что массовая доля обычного вещества во Вселенной составляет 4,9 %, а темного вещества 26,8 %. Остальные 68,3 % приходятся на темную энергию.

Вычисление ограниченного срока существования Вселенной влечет за собой возникновение естественного вопроса о том, что было до Большого взрыва? В 2012 году коллектив ученых опубликовал гипотезу, согласно которой вселенная эволюционирует по замкнутому циклу. Она возникает в процессе Большого взрыва, расширяется, заполняется звездами, планетами и другими космическими объектами, входящими в состав галактик и межгалактического пространства, а также черными дырами. Локальные черные дыры, постепенно сливаясь вместе, поглощают всё вещество-энергию. В результате этого процесса вселенная постепенно «схлопывается» вокруг мегамассивных черных дыр, образованных в центрах обширных групп галактик, а затем вокруг единой супермощной черной дыры. Эпоха преобразования всей вселенной в черную дыру обеспечивает её превращение в некий суперконцентрированный объем пространства-времени, в котором отсутствует вещество, а энергия пребывает в форме какой-то информации. В момент полного исчезновения вселенной происходит новый Большой взрыв и начинается эволюция очередной вселенной в соответствии с исходной информацией-энергией. До появления нашей Вселенной сменилось, возможно, бесконечное число вселенных с некими случайными отличиями. Так, что «человеческая» Вселенная, вполне возможно, является уникальной за все время существования мира.

Когда я ознакомился с этой гипотезой о многократности происхождения вселенной, то сразу вспомнил древнюю индусскую легенду о повторяемости всего, придуманную много веков назад. В ней говорится о том, что через какое-то время исчезнет наша Вселенная и возникнет ее аналог. Эволюция возобновленной Вселенной пойдет по прежнему варианту и, соответственно, приведет к формированию Солнечной системы и Земли. Все события на нашей планете повторятся вплоть до судьбы каждого человека. Этот процесс постоянного возвращения к первоначалу не прекратится никогда. Такая выдумка мудрецов была для многих и для меня, в том числе, неким утешением краткости человеческой жизни, «научнообоснованной» надеждой на бесконечную повторяемость жизни.

1.3. Аннигиляционная развилка эволюции нашей Вселенной. Около 13,82 миллиардов лет назад

Через тысячную долю секунды после Большого взрыва (ПБВ) произошла аннигиляция (взаимное уничтожение с высвобождением энергии) электронов и позитронов, кварков и антикварков, а затем протонов и антипротонов. После аннигиляции остались только частицы, число которых немного превышало количество античастиц. Кварки и антикварки перестали существовать в виде свободных частиц. Наша Вселенная избавилась от антивещества и пошла по пути эволюции обычного вещества. Все пространство заполнилось оставшимися после аннигиляции частицами, включая множество триллионов протонов, которые представляют собой ядра первого химического элемента – протия – самого распространенного (99,98 %) изотопа водорода. Таким образом, итог борьбы вещества и антивещества направил развитие нашей Вселенной по благоприятному для людей пути (варианту) через Аннигиляционную развилку около 13,82 млрд. лет назад. Для людей это событие стало определяющим потому, что некоторая часть оставшихся после аннигиляции протонов выполнила функцию фундаментальных (элементарных) предшественников всех живых существ, т. е. стали Водородными (Протийными) предками живых организмов.

Важным для нашего повествования результатом прохождения Вселенной через Аннигиляционную развилку явилось то обстоятельство, что не подверглись аннигиляции те семь протонов, которым суждено было провести нас через историю Вселенной. Они уже родились с рисками быть уничтоженными сразу после своего рождения. Опасность заключалась в появлении их антиподов – ядер атомов антиводорода. Ядра антиводорода – антипротоны возникли из антикварков. Во время бариогенеза (этапа создания пар протонов – антипротонов и нейтронов – антинейтронов) происходила аннигиляция сталкивающихся частиц и античастиц (взаимопревращение частицы и античастицы в два фотона или вспышку гамма—излучения). Сейчас ученые оценили, что в то время количество обычного вещества превышало антивещество только на одну миллиардную часть, т. е. на 1 000 000 000 античастиц приходилась 1 000 000 001 частица. Из этого относительно мизерного остатка обычных частиц и фотонов (квантов электромагнитного излучения), образовавшихся в результате аннигиляции частиц и античастиц, возникла наша Вселенная. Аннигиляция уничтожила такие первичные объемы вещества и антивещества, из которых получились бы десятки вселенных, подобных нашей. Зато наша Вселенная была обеспечена количеством фотонов, превышающим в миллиард раз вселенское количество атомов. В настоящее время эти фотоны представляют собой реликтовое излучение, наблюдаемое астрономами и подтверждающее факт образования Вселенной. В такой кажущейся расточительности природы заложено её свойство – создавать новые свои формы с максимальной вероятностью успеха при множестве возможных вариантов исходных условий. В первую очередь, почему-то приходит на память аналогия с оплодотворением одной человеческой яйцеклетки, за которую «сражаются» миллионы сперматозоидов.

Вскоре после аннигиляции (приблизительно в период от 1 до 3 минут после Большого взрыва) температура Вселенной понизилась до 10 млрд. градусов Кельвина (°К), появились условия благоприятные для протекания ядерной реакции образования дейтронов – ядер стабильного изотопа водорода – дейтерия (процесса первичного нуклеосинтеза). В этом процессе часть ядер протия (протонов) объединилась с нейтронами, которых оказалось в 7 раз меньше, чем протонов. Такое объединение привело к появлению ядер стабильного, тяжелого изотопа водорода – дейтерия (1 протон + 1 нейтрон). Наряду с формированием ядер дейтерия, небольшая часть нейтронов израсходовалась на присоединение к дейтерию, что создало ядра сверхтяжелого радиоактивного изотопа водорода – трития, состоящего из протона и двух нейтронов. Наиболее активно синтез дейтерия происходил по истечении трёх минут после Большого взрыва (ПБВ). В это время присоединение к дейтерию по одному протону и одному нейтрону или взаимодействие ядер трития с ядрами дейтерия, или со свободными протонами (ядрами протия) создало ядра гелия (альфа—частицу), состоящие из двух протонов и двух нейтронов. Поскольку исходное соотношение протонов и нейтронов составляло 7:1, то за несколько минут были израсходованы все почти нейтроны, а большая часть протонов (ядер водорода – протия) осталась в свободном состоянии. В первичном нуклеосинтезе кроме дейтерия, трития и гелия-4 образовались такие элементы, как: гелий-3, литий-6, литий-7, бериллий-7, бор-11, углерод, азот и кислород. Нестабильные изотопы тритий и бериллий-7 распались вскоре после первичного нуклеосинтеза с образованием гелия-3 и лития-7, соответственно. Оставшиеся изотопы – дейтерий, гелий-3, литий-7, бор-11, углерод, азот и кислород составляли в веществе настолько незначительную долю, которая никак не повлияла на состав и характер эволюции первых звезд. Однако не следует так пренебрежительно относиться к этим первым тяжелым элементам, памятуя, что в науке о космосе существует неразрешенная проблема – что было вначале: первая пыль или первая звезда? Но об этом поговорим немного позже, когда будем описывать Вселенную в возрасте около 400 тыс. лет.

Спустя приблизительно 3 минуты после Большого взрыва температура уменьшилась настолько, что процесс нуклеосинтеза прекратился. На создание гелия и мизерного объема более тяжелых элементов в процессе термоядерных реакций первичного нуклеосинтеза была израсходована четвертая часть вселенского водорода. Космическое пространство оказалось заполненным ядрами водорода – протия (около 75 % общей массы) и гелия (почти 25 %).