Эволюция Вселенной и самоорганизация пространства-времени. 1996. (Дубровский В.Н., Молчанов Ю.Б.)

ЭВОЛЮЦИЯ ВСЕЛЕННОЙ И САМООРГАНИЗАЦИЯ

Возникновение и развитие отдельных объектов нашей Вселенной связано с эволюцией ее как целого. На определенной стадии этой эволюции возникло человеческое сознание, способное выявить законы развития как множества отдельных объектов, так и Вселенной в целом. Когда человечество осознало эволюционный характер окружающего его мира, познание Вселенной пошло с двух сторон: со стороны обобщения уже разработанных теорий на все более и более глубокие уровни ее организации и со стороны применения их к развитию Вселенной как целого.

Высокоорганизованные объекты относительно независимы от дальнейшего эволюционного процесса во Вселенной в целом. Изучение процессов самоорганизации и неорганической природы показало, что для возникновения организованной системы из низко организованной требуется привести последнюю в сильно возбужденное состояние, весьма далекое от равновесия, после чего некоторые флуктуации, существующие в системе, резко усиливаются и система переходит в новое, организованное состояние.

Современные представления об эволюции Вселенной основываются на стандартной космологической модели Большого Взрыва, которая подтверждается наблюдаемым в настоящую эпоху всеобщим расширением Вселенной, открытием реликтового микроволнового излучения и т.д. Согласно этой модели вначале существовала некая “первоматерия” с исключительно высокой степенью симметрии, эволюция которой привела к Большому Взрыву. Где–то около планковского времени образовался суперструнный вакуум, а затем суперструны.

Новый этап эволюции Вселенной связан с возникновением элементарных частиц как колебательных мод суперструн, которые вышли на сцену с уменьшением планковской температуры.

Кратко описанная модель позволяет выделить ряд процессов самоорганизации и деградации: 1. Исходный вакуум; 2. Возникновение суперструн; 3. Рождение частиц; 4. Разделение вещества и излучения; 5. Рождение Солнца, звезд, галактик; 6. Возникновение цивилизации; 7. Гибель Солнца; 8. Гибель Вселенной.

Согласно стандартной модели, исходным состоянием Вселенной было квантовое вакуумное состояние. С философской точки зрения – это важное основоположение космологии, свидетельствующее о качественной неуничтожимости материи и движения. Образованию суперструн предшествовало возникновение стабильной метрики пространства–времени суперструнного вакуума. Важнейшим этапом самоорганизации Вселенной является рождение частиц, а затем нарушение суперсимметрии, после чего стала возможной идентификация фермионов и бозонов и, тем самым, разделение вещества и сил. Отделение излучения от вещества позволило ему стать связующим звеном между вещественными объектами. С возникновением Солнца, звезд и галактик появились базовые объекты для отсчета движения макротел.

Стандартная космологическая модель охватывает основные этапы в эволюции Вселенной, однако она не отвечает на вопрос о причине Большого Взрыва (космического отталкивания).

Следует обратить внимание, что процессы самоорганизации материи имеют прямое отношение к процессам нарушения симметрии. Все развитие Вселенной, от ее рождения до современного состояния, есть последовательность нарушения симметрий, ведущая к появлению все большего многообразия материальных структур из первоначальной единой целостной высокосимметричной структуры. Сказанное можно распространить и на возникновение жизни, различных существ, языков, культур, искусств, религий и т.д. Всякий раз, когда нарушалась симметрия (спонтанно или неспонтанно), появлялось нечто новое. Можно сказать, что все существующее сейчас есть результат нарушения симметрии.

Возникшая Вселенная есть вещь в себе, целостное бытие, но как только во Вселенной рождается множественность, она становится явлением. Для мыслящего существа (способного к сознанию, самосознанию, оценке и принятию решений), Вселенная представляется в виде множественного бытия, пространственно–временного мира явлений, за которым, однако, скрывается целостность. И вещь в себе, и явление, и целостность, и множественность суть аспекты действительности, диалектические противоположности, познаваемые соответственно путем интеллектуального и чувственного созерцаний. Рождением мышления Вселенная показывает саму себя (при познании ее) во всей своей внутренней красоте, проявляющейся через множественный мир явлений. Целостность же сама по себе малоинтересна в силу ее эквивалентности ничто, в котором, собственно, нечего познавать (в этом смысле вещь в себе не познаваема).

С самоорганизацией Вселенной связан процесс самоорганизации пространства–времени, ведущий к эволюции физических объектов, на которых можно эксплицировать разные концепции пространства–времени. Исходный неметрический вакуум можно охарактеризовать доинфляционным пространством и временем. Большой Взрыв привел к эволюции вакуума, достигшей, в конце концов, метрической определенности, характеризующейся суперструнным вакуумным пространством–временем, затем возникло 10–мерное квантованное суперструнное поле и соответствующее ему суперструнное пространство–время. С акта самоорганизации суперструнного поля до развертывания его четырех измерений имело место суперструнное пространство–время. С возникновением частиц и образованием гравитационного поля процесс самоорганизации привел к классическому гравитационному пространству–времени. Последнее приобрело фундаментальное значение, ибо все эволюционирующие процессы внутри Вселенной (на масштабах больше планковских) можно рассматривать происходящими на его фоне. Кривизна гравитационного пространства–времени уменьшалась с увеличением радиуса Вселенной, при некотором радиусе (в малых областях) пространство–время можно считать плоским. Переход к плоскому пространству–времени не является качественным скачком, поэтому не принадлежит к процессам самоорганизации материи.

После отделения вещества от излучения, возникновения больших масс (звезд, галактик), дальнейшего увеличения радиуса Вселенной, стало возможным реализовать пространство–время реляционно, но после распада барионов реляционное пространство–время опять потеряет свой смысл. Оно имеет значение лишь в небольшом оазисе на шкале эволюции Вселенной, связанном с существованием макротел и излучения.

Итак, базовым концептуальным пространством–временем во Вселенной является вакуумное пространство–время, которое существенно на ранней стадии ее эволюции. Суперструнное пространство–время возникло из него и преобладает на следующей стадии эволюции Вселенной планковской эпохи. Классическое гравитационное пространство–время возникло из суперструнного пространства–времени и существенно для послепланковской эпохи. Реляционное пространство–время преобладает в областях слабого гравитационного потенциала, наполненных макротелами и электромагнитным излучением. Оно не возникло из классического гравитационного пространства–времени, но существует на его фоне.

Наличие самоорганизующихся систем позволяет по–новому взглянуть на причинность. Под физической причинностью понимают наличие физических причин, т.е. неких воздействий, в результате которых происходит изменение в материальной системе. Следует различать состояние материальной системы и переход ее в новое состояние (процесс). Процесс может описываться, а может и не описываться эволюционным уравнением. Состояние будет классическим, если оно строго определено, и статистическим, если оно вероятностно. По характеру воздействий причины могут быть внешними, внутренними и совместными (теми и другими). Переходы из одного состояния в другое могут быть однозначно определенными или вероятностными, могут совершаться под действием внешних или внутренних (или совместных) воздействий. Однозначные переходы можно назвать динамическими, вероятностные – статистическими, они определяются типом воздействий, среди которых можно выделить динамические и статистические.

Состояния рассматриваются в определенный момент времени и в определенной области пространства, переходы же происходят в течение определенного промежутка времени как в ту же, так и в другую область пространства. Поэтому причинность связана не только с типом систем, но и со свойствами пространства–времени, которые могут быть различными в различных своих частях. Поскольку вместе с эволюцией Вселенной эволюционирует и пространство–время, то будет изменяться и форма причинности. Значит в причинности можно выделить два аспекта: системный и пространственно–временной.

Обычно рассматривают причинность по отношению к переходам (процессам), но явление самоорганизации материи показывает, что переходы связаны с состояниями и могут происходить только из специфических (сильно возбужденных) состояний. Поэтому причинность следует распространить и на состояния.

На каждой стадии пространственно–временной эволюции Вселенной имеют место определенные формы системной причинности, всегда сопровождающей пространственно–временную причинность. Следует отметить самоорганизационную форму при переходе от Большого Взрыва к метрическому суперструнному вакууму, а также при переходе от суперструнного поля к гравитационному полю. Однако нельзя рассматривать эволюцию системного аспекта причинности в связи с эволюцией Вселенной, ибо процессы самоорганизации происходят и сейчас в отдельных участках Вселенной вне зависимости от ее эволюции. Значит, самоорганизационная форма причинности не эволюционирует, а проявляется по–разному в разные моменты времени на разных участках эволюционирующей Вселенной. То же самое можно сказать и относительно других форм системной причинности. Поэтому системную причинность можно назвать локальной причинностью в противоположность глобальной причинности, связанной с пространством–временем.

Источник

Самоорганизация Вселенной

До начала процесса рекомбинации развитие Вселенной шло через последовательное преобразование вакуума и вещества, достижения в ходе таких преобразований все более высоких уровней упорядоченности и сложности. Процесс протекал путем глобального обхвата всей Вселенной как целого. Движущей силой самоорганизации служили глубинные свойства вакуума и вещества и особенности их проявления в экстремальных условиях начального периода развития. Прежде всего, Вселенная как система должна быть открытой. Но что можно читать окружающей средой Вселенной? Во всех скачкообразных переходах ранней Вселенной источником энергии и вещества были физический вакуум и те фазовые переходы, которые в нем перетекали. Взаимоотношения вещественной Вселенной и вакуума пока остаются для нас загадкой, к тому же вакуум и вещество неразделимы, как неотделимы северный и южный полюс магнита.

Далее, диссипативные системы сугубо неравновесны. «Вселенная достигла рубежа рекомбинации с заметными отклонениями от равновесности: в ней нарушен равновесный состав вещества и антивещества, она состоит из трех почти не взаимодействующих между собой частей (нейтринный газ, реликтовое излучение, барионное вещество), каждая из них имеет свою температуру, отличную от температуры других частей, нарушена равновесность составов» 1 . Все это следует рассматривать как типичные признаки неравновесности системы, порождающие в определенных условиях ее неустойчивость. Наконец, достижение диссипативной системой крайней неустойчивости, подготавливающей ее скачкообразный переход в новое устойчивое состояние, происходит при достижении характерными параметрами системы критических значений. Состояние Вселенной на раннем периоде ее развития характеризовалось температурой около 3000К и плотностью вещества 3*10 -22 г/см 3 . При таких значениях этих параметров возникла гравитационная нестабильность и ни одно из других фундаментальных взаимодействий не могло выступить в качестве двигателя дальнейшего развития Вселенной.

1 Г.Николис, И.Пригожин:Познание сложного.- М., 1990, стр 94

Между тем, наблюдаемые данные о галактиках заставляют астрофизиков искать совсем другие подходы к объяснению их образования. В настоящее время активно обсуждается модель формирования галактик, названная «горячей». Предполагается, что протогалактики представляли собой гигантские газовые облака, масса каждого из которых заметно превышала массу образовавшейся из нее галактики. В каждом облаке в силу особенностей газодинамических процессов наступала стадия бурного звездообразования: во всем объеме рождались десятки и сотни миллионов звезд, среди которых с частотой в тысячу раз больше, чем теперь, вспыхивали сверхновые. Это породило мощный поток раскаленных газов, галактический ураган с температурой газа в десятки и сотни миллионов градусов. За границы протогалактики выносились огромные массы вещества порядка сотни солнечных масс в год. Вместе с веществом ушла огромная энергия. Нагрев газа в облаке остановил бурное звездообразование, затем начался процесс образования звезд следующего поколения, растянувшийся на миллиард и более лет.

«Горячая» модель образования галактик объясняет основные наблюдаемые их особенности. В ее пользу говорят данные, полученные с помощью спутников.

1 Л.В.Тарасов: Мир, построенный на вероятности.-М., 1984, стр 147

2 Ю.Л.Климонтович: Без формул о синергетике.- Минск, 1986,стр 82

2.7 Самоорганизация и эволюция живого вещества.

На сегодняшний день нет достаточно четкого определения, что такое жизнь. «С точки зрения материалистической философии жизнь – это особая форма движения материи» 1 . С точки зрения системно-синергетического подхода жизнь – это «форма существования макроскопических гетерогенных открытых систем, далеких от равновесия, способных к самоорганизации, саморегуляции и самовоспроизведению» 2 . По моему мнению, это определения является наиболее полным, так как отражает принципиальное отличие живой материи от косной. По сравнению с последней, жизнь – это качественно новая форма организации материи, основные свойства которой – способность усваивать энергию Солнца за счет фотосинтеза и воспроизводить из неживого живое.

Необходимо добавить, что в живых системах процессы саморегуляции осуществляются на уровне активного обмена веществом, энергией и информацией. Это связано с тем, что реакции живого организма на воздействие среды носят опережающий характер.

Элементарная единица такого организма – клетка. «Ей присущи все признаки живого – обмен веществ, раздражимость, самоорганизация, саморегуляция, самовоспроизведение, передача наследственных признаков. Она является самоорганизующейся биохимической системой, состоящей из большого числа согласованно функционирующих органоидов. Клетка, хотя и обладает всеми функциями живого, неспособна к самостоятельному существованию (за исключением одноклеточных организмов) в открытой среде» 1 .

Важное проявление жизни биологической системы – деление клетки. С ростом клетки ухудшаются условия питания ее элементов, что должно привести к замедлению процессов жизнедеятельности. Кроме того, рост клетки связан с построением копий каждого ее элемента. Вследствие этого снижаются возможности управления внутренними процессами. Эти явления приводят к повышению энтропии клетки и способствуют ее переходу в неустойчивое состояние, выход из которого – деление материнской клетки на две дочерние. Наиболее благоприятные условия для деления складываются в момент удвоения массы, при этом лишняя энтропия сбрасывается в окружающее пространство и образовавшиеся две новые системы вновь обретают устойчивость до очередного момента деления. После нескольких делений клетки часто гибнут, так как их жизнь зависит от сигналов других клеток организма. Сбой этой зависимости ведет к появлению раковых клеток. В энерго-энтропийном плане более выгодным является объединение клеток в более сложные структурные образования – многоклеточные системы: ткань, орган, органная система, многоклеточный организм. В рамках организма осуществляется саморегулирование появляются механизмы управления.

1 Г.Г.Малинецкий:Синергетика-теория самоорганизации.-М.:Наука, 1983, стр 164

В общем понимании самоорганизация – это присущая материи способность к усложнению элементов и созданию все более упорядоченных структур в ходе своего развития. Конкретное проявление этой способности зависит от уровня сложности системы и условий ее развития. В узком понимании термина – это скачок, фазовый переход системы из менее в более упорядоченное состояние. При более подробном рассмотрении этого явления отмечалось, что алгоритм скачка имеет общие черты у систем самой различной природы.

Чем выше уровень сложности системы, тем сложнее проявление сил объединения и фракционирования. Что же касается поиска истоков самоорганизации, то он уводит нас вглубь строения вещества, определяющего способность его элементов взаимодействовать друг с другом.

По-моему, с появлением синергетики как науки, в свете новой концепции иначе, чем раньше, решается вопрос о соотношении случайного и закономерного в развитии. Эволюционные этапы весьма жестко детерминированы, поведение системы здесь предсказуемо и даже управляемо. «В критических точках, достигаемых системой на завершающих стадиях эволюционного процесса, господствует случайность» 1 .

Становление самоорганизации во многом определяется характером взаимодействия случайных и необходимых факторов системы и ее среды. В переломный момент самоорганизации принципиально неизвестно, в каком направлении будет происходить дальнейшее развитие: станет ли состояние системы хаотичным или она перейдет на новый, более высокий уровень упорядоченности и организации (фазовые переходы и диссипативные структуры – лазерные пучки, неустойчивости плазмы, химические волны и т.д.). В точке бифуркации система как бы «колеблется» перед выбором того или иного пути организации, пути развития. В таком состоянии небольшая флуктуация (момент случайности) сможет послужить началом эволюции (организации) системы в некотором определенном (и часто неожиданном или просто маловероятном) направлении, одновременно отсекая при этом возможности развития в других направлениях.

Синергетика убедительно показывает, что даже в неорганической природе существуют классы систем, способных к самоорганизации. История развития природы – это история образования все более и более сложных нелинейных систем. Такие системы и обеспечивают всеобщую эволюцию природы на всех уровнях ее организации – от низших и простейших к высшим и сложнейшим (человек, общество, культура).

В предисловии к своей книге «Синергетика» Г.Хакен пишет: «Я назвал новую дисциплину «синергетикой» не только потому, что в ней исследуется совместное действие многих элементов систем, но и потому, что для нахождения общих принципов, управляющих самоорганизацией, необходимо кооперирование многих различных дисциплин» 1 .

1 П.Эткинс:Порядок и беспорядок в природе.-М.:Мир, 1987, стр 59

1 Г.Хакен:Синергетика.-М.:Мир, 1993, стр 13

Источник