Пятничное в среду: Космологический принцип и загадка происхождения жизни. Открытие темной энергии одно из наиболее удивительных и глубоких открытий в истории науки

100 р бонус за первый заказ

Выберите тип работы Дипломная работа Курсовая работа Реферат Магистерская диссертация Отчёт по практике Статья Доклад Рецензия Контрольная работа Монография Решение задач Бизнес-план Ответы на вопросы Творческая работа Эссе Чертёж Сочинения Перевод Презентации Набор текста Другое Повышение уникальности текста Кандидатская диссертация Лабораторная работа Помощь on-line

Узнать цену

Взгляды на природу исходного состояния, с которого началась эволюция Вселенной, постоянно носят философский характер. Так было, когда по этому поводу высказывались древнегреческие философы, располагавшие ничтожным багажом теоретических и эмпири-ческих знаний; так обстоит дело и в настоящее время, когда этой проблемой занимаются ученые, в распоряжении которых имеются развернутые физические теории, изысканный математический аппарат и широкий диапазон эмпирических данных. Античных и совре-менных исследователей этой проблемы объединяет уверенность в том, что исходное состояние Вселенной было простейшим из возможных. Для древних, таким состоянием был некий первичный хаос. Что касается современных космологов, то их суждения по поводу того, какое состояние Вселенной следует признать простейшим, достаточно разно-образны. Так, например, для бельгийского аббата и ученого Ж.Леметра простейшим из всех возможных состояний было такое состояние Вселенной, при котором вся материя содержалась бы в одном атомном ядре. Г.Гамов в качестве простейшего состояния рас-сматривал Вселенную, имеющую вид крайне разряженного состояния.

В современной науке широкое обсуждение получил вопрос о взаимосвязи и взаимо-обусловленности человека и Вселенной, который звучит следующим образом: почему предпосылки возникновения человека и человеческого разума во Вселенной оказываются обеспеченными уже на уровне фундаментальных законов природы и на стадии первичной плазмы, из которых возникла данная Вселенная? Ответ на этот вопрос ученые пытаются найти в антропном космологическом принципе, который был впервые сформулирован в 1967г. Д.Дикке, и развит в дальнейшем американским космологом Б.Картером, которому и принадлежит сам термин « антропный принцип».

Суть антропного космологического принципа (АКП) заключается в том, что жизнь и разум во Вселенной возможны только при тех значениях универсальных постоянных, физических констант, которые в действительности имеют место. Если значение физичес-ких констант имело бы хоть ничтожное отклонение от существующих, то возникновение жизни и разума было бы, в принципе, невозможно.

Действительно, почему природа устроена именно так, а не иначе? Ведь существует логическая возможность иных Вселенных, управляемых иными законами. Известно, что имеются фундаментальные физические постоянные (постоянная тяготения, постоянная Планка, заряда электрона, массы электрона и протона, скорости света и др.), а также некоторые космологические параметры, определяющие глобальные свойства нашего мира. Они случайны или необходимы? Ведь даже небольшое изменение одного из пара-метров, если бы оно произошло в действительности, вывело бы из строя одно или нес-колько звеньев «тонко надстроенной» эволюционной цепи, необходимой для возникно-вения во Вселенной устойчивых структур (ядер, атомов, звезд и т.д.), которое образует основу нашего высокоорганизованного мира. По словам Картера, антропный космологи-ческий принцип разумно было бы считать « реакцией против чрезмерно слепого следова-ния принципу Коперника», запрещающему человеку ставить себя в привилегированное положение во Вселенной. АКП претендует, по существу, на объяснение именно выделен-ности той космологической эпохи, в которую во Вселенной существуют разумные существа. Таким образом, АКП констатирует необходимую связь между наличием во Вселенной разумных существ и фундаментальными физическими параметрами нашего мира, которые делают это возможным. В современном виде АКП был сформулирован в 70-е годы в двух вариантах: слабом и сильном. Суть «слабого» АКП, по словам Картера в том, что «наше положение во Вселенной с необходимостью является привилегированным в том смысле, что оно должно быть совместимо с нашим существованием в качестве наблюдателем». Мы видим Вселенную такой, какая она есть потому, что будь она другой, нас бы не было, и мы не могли бы её наблюдать.

«Сильный» АКП утверждает, что Вселенная должна быть такой, чтобы в ней на некотором этапе эволюции допускалось существование наблюдателей». Это вариант АКП очень хорошо укладывается в религиозную концепцию программирования жизни, поскольку приводит к заключению, что с самого начала во Вселенной потенциально заложено появление «наблюдателя» на определенном этапе её развития. И что создание условий для появления «наблюдателя» является целью развития Вселенной. Но креоционистская концепция не выдерживает критики даже с позиций формальной логики. Ведь если Бог сотворил мир, то кто сотворил Бога, и если Бог создал сам себя, то почему мир тоже не мог сотворить себя сам?

Единственным корректным выходом из данной ситуации является введение определённых онтологических допущений, естественным образом объясняющих «тонкую подстройку» физических параметров. Её можно истолковать, например, как «счастливую случайность», постулировав множество Вселенных, в которых реализуются всевозможные комбинации параметров. Одна (или несколько) из Вселенных этого потенциально бесконечного множества оказывается случайно наделенной всеми условиями, необходимыми для формирования высокоорганизованных структур, жизни и разума.

Краеугольный камень современной космологии составляет утверждение: место, которое мы занимаем во Вселенной, не является специальным. Это утверждение известно как космологический принцип . Интересно отметить, что большую часть истории цивилизации считалось, что мы занимаем особое место - в центре «мироздания» (не будем конкретизировать это понятие).

Краткая история космологических идей

В модели античных греков (Александр Птолемей) считалось, что Земля лежит в центре космоса… Коперник поместил в центр космоса Солнце. Ньютоновская теория поставила новую точку зрения на твердую основу. Ньютон предполагал, что звезды подобны нашему Солнцу. Они равномерно распределены в бесконечном пространстве в статических конфигурациях. Хотя Ньютон и знал, что такие статические конфигурации нестабильны.

В следующие 200 лет постепенно приходило понимание того, что ближайшие звезды распределены не равномерно, а образуют дископодобную структуру, которая теперь известна как галактика Млечный путь. Гершель был первым, кто идентифицировал дискообразную структуру еще в конце 1700-х, но эти наблюдения были несовершенны и привели к ошибочному выводу, что солнечная система лежит в центре диска. Только в начале 1900-х это утверждение было убедительно опровергнуто Шепли, который показал, что мы находимся на расстоянии две трети радиуса от центра галактики. Даже после этого, он, по-видимому, считал, что наша галактика находится в центре Вселенной. Только в 1952 году было окончательно продемонстрировано Baade, что Млечный путь абсолютно типичная галактика, приводящая к современной точке зрения, известной как космологический принцип : Вселенная выглядит одинаково, кто бы вы не были и где бы вы не были.

Важно подчеркнуть, что космологический принцип не точен (не следует понимать буквально): сидеть на лекции совсем не то, что сидеть в баре, внутренность Солнца существенно отличается от межзвездного пространства. Принцип является приближенным и выполняется тем лучше, чем с большими масштабами мы работаем. Даже на масштабах отдельной галактики он не очень хорош. Космологический принцип свойство глобальной Вселенной и нарушается, когда мы переходим к локальным явлениям.

Космологический принцип – основа космологии Большого взрыва. Большой взрыв –лучшее описание нашей Вселенной, которое мы имеем в настоящее время. Цель настоящей книги – пояснить это утверждение. Модель Большого взрыва – эволюционирующая сущность. В настоящем она очень отличается от той модели, которая имела место в прошлом. Вначале она была вынуждена соперничать с конкурирующей идеей стационарной Вселенной, которая утверждала, что Вселенная не эволюционирует, а всегда одинакова. Однако наблюдения поддерживают сценарий Большого взрыва, и конкурирующая теория почти никогда не рассматривается.

Обзор наблюдений

В истории астрономии ученые в основном полагались на видимый свет как источник наших знаний о Вселенной. Одно из основных достижений ХХ столетия использования всего спектра электромагнитного излучения для астрономических наблюдений. Имеющаяся аппаратура позволяет работать с радиоволнами, микроволновым и инфракрасным излучением, видимым светом, ультрафиолетом, рентгеном и гамма-излучением. Мы даже входим в эпоху, когда мы сможем даже выйти за пределы электромагнитного спектра и получать информацию другого типа. Замечательная особенность наблюдения близких сверхновых состоит в том, что мы можем видеть их с помощью детектирования нейтрино, слабовзаимодействующих частиц. Детектирование высокоэнергетических космических лучей теперь рутинная процедура, хотя происхождение лучей не совсем понятно. В настоящее время начинаются эксперименты по детектированию гравитационных волн, деформирующих пространство-время. Они помогут нам наблюдать такие события как столкновения звезд.

Наступление эпохи больших телескопов земного и спутникового базирования, работающих во всех участках электромагнитного спектра принесло революцию в наше восприятие Вселенной.

Текущие годы стали золотым веком наблюдательной космологии. Используя различные наблюдательные методы, физики и космологи объяснили космический микроволновой фон. Он явился наблюдательным окном, который обеспечил большую часть получаемой информации. Анизотропия космического микроволнового излучения, детектированная к настоящему времени в широкой области угловых масштабов, представила нам картину Вселенной во время рекомбинации, эпоху, когда космические фотоны испытали последнее рассеяние. Исследования крупномасштабных галактических скоплений обеспечило нас спектрами (получаемыми с все возрастающей точностью) распределения объектов во Вселенной, которые испускают свет. Это дает нам возможность получить распределение масс во Вселенной в настоящее время.

Что убывание яркости происходит заметно быстрее, чем этого следовало бы ожидать, по принятым в то время космологическим моделям. Такое дополнительное потускнение означает, что данному красному смещению соответствует некоторая эффективная добавка расстояния. Но это, в свою очередь, возможно только тогда, когда космологическое расширение происходит с ускорением, т.е скорость удаления от нас источника света не убывает, а возрастает со временем. Важнейшая особенность новых экспериментов состояла и в том, что они позволили не только определить сам факт ускоренного расширения, но и сделать важное заключение о вкладе в ${{\Omega }_{tot}}$ различных составляющих.

Космология, обязанная «Планку»

В частности, анализ приведенной на рисунке карты всего неба, построенной по результатам WMAP, дает следующие результаты: возраст Вселенной составляет 13,7 миллиарда лет (с точностью до 1%); она состоит на 73% из темной энергии, на 23% из холодной и темной материи и только на 4% из атомов. В настоящее время Вселенная расширяется со скоростью 71 км/с/Мпс (с точностью до 5%), хотя в прошлом испытала ряд эпизодов быстрого расширения (инфляции). Параметры Вселенной таковы, что она будет неограниченно расширяться и в дальнейшем. Полученные результаты настолько интересны, что астрономы, по-видимому, еще долго будут заниматься их исследованием и интерпретацией.

Это говорит нам, что акустические колебания действительно имели место в первозданной плазме и что инфляционные адиабатические возмущения являются лучшими кандидатами для объяснения образования структур во Вселенной за счет гравитационной нестабильности. Мы также имеем очень точно измеренное содержание барионной компоненты \[{{\Omega }_{b}}{{h}^{2}}=0.0223_{-0.0009}^{+0.0007}\] Эта величина получается из отношения высот первых двух пиков и находится в согласии с предсказаниями по ядерному синтезу и относительному содержанию легких ядер. Акустический угловой масштаб в момент рекомбинации определяется с высокой точностью \[{{\theta }_{A}}=0.595\pm 0.002^0\](градусов). Таким образом, плоская модель всего лишь с шестью параметрами:

1. плотность барионов
2. плотность холодной темной материи
3. амплитуда скалярных возмущений
4. спектральный индекс скалярных возмущений
5. текущее значение константы Хаббла
6. Оптическая глубина в момент реионизации очень хорошо согласуется с текущими МКФ данными.

Что нужно делать после WMAP?

1. Необходимо улучшить инфляционные тесты, и, в частности, измерение бегущего спектрального индекса. WMAP намекает на отклонения от спектра Харрисона-Зельдовича $\left({{n}_{s}}=1 \right)$. Существенное отклонение от простой масштабной инвариантности стимулирует реалистические инфляционные модели.
2. Точное измерение плотности материи по данным МКФ все еще отсутствует. Это связано с тем, что для получения более надежной информации требуется реконструкция третьего акустического пика с точностью, сравнимой с определением первых двух пиков. Это невозможно сделать, используя текущие данные.

Однородность и изотропность

Доказательство того, что на больших масштабах Вселенная становится «гладкой» - основа космологического принципа. Считается, что на больших масштабах Вселенная обладает двумя важными свойствами: однородностью и изотропностью. Однородность эквивалентна утверждению, что Вселенная выглядит одинаковой в каждой точке, в то время как изотропность утверждает, что Вселенная одинакова во всех направлениях.

Эти два понятия автоматически не подразумевают друг друга. Например, Вселенная с постоянным магнитным полем однородна, так как одинакова в любой точке. Однако, она не изотропна, так как направления по полю и перпендикулярно к нему не эквивалентны. Альтернативно, сферически симметричное распределение зарядов, рассматриваемое из центральной точки изотропно, но не обязательно однородно. Если же мы потребуем, чтоб это распределение было изотропно в каждой точке, то тогда оно будет также и однородным.

Как уже упоминалось, космологический принцип не является точным, и поэтому наша Вселенная не является в точности однородной и изотропной. Более того, изучение отклонений от однородности наиболее наиболее перспективные исследования в космологии. В основном мы сконцентрируем внимание на поведении Вселенной в целом, и поэтому будем предполагать крупномасштабную однородность и изотропность.

Расширение Вселенной

Ключевой факт наблюдательной космологии: почти все во Вселенной выглядит удаляющимся от нас, причем, чем дальше от нас находятся объекты, тем быстрее они удаляются. Скорости удаления измеряются по красному смещению, которое связано с эффектом Доплера применительно к световым волнам…. Эта техника была впервые использована В. Слифером в 1912 году. В следующие десятилетия она систематически применялась одним из наиболее известным космологом Эдвином Хабблом.

Оказывается, что все галактики удаляются от нас. В стандартной терминологии это означает красное смещение. Величина красного смещения $z$ определяется как

\
Если близкая галактика удаляется со скоростью $v$, красное смещение есть

На рисунке представлена диаграмма Хаббла для 1355 галактик. Формула (2.2) не учитывает эффектов СТО и справедлива только для $v/c\ll 1$. Точное выражение ((2.2) есть его разложение по малому параметру $v/c$)

Однако для удаленных объектов в космологии необходимы другие рассмотрения, и поэтому этим выражением пользоваться нельзя!
Хаббл осознал, что его результаты показывают: скорость удаления объекта пропорциональна удалению объекта от нас

\[\vec{v}={{H}_{0}}\vec{r}~~~~~~~~~~(2.3)\]

Константа пропорциональности известна как константа Хаббла. Закон Хаббла не точен. Как и космологический принцип, закон Хаббла не выполняется точно для близких галактик, которые, вообще говоря, участвуют в некоторых случайных движениях, известных как peculiar velocities. Но он описывает среднее поведение галактик очень хорошо. Многочисленные попытки определить константу пропорциональности до настоящего времени не приводили к консенсусу. Сейчас мы приближаемся к нему. На первый взгляд, космологический принцип нарушается, если мы наблюдаем, что все удаляется от нас, т.е. мы находимся в центре Вселенной. Однако никакое утверждение не может быть более далеким от правды, чем это. В этом легко убедить себя, рассмотрев квадратную решетку, все узлы которой удаляются от некоторой «центральной» точки со скоростями, пропорциональными расстоянию до центральной точки.

Перейдя в новую систему отсчета, соседнюю точку решети, легко убедиться, что закон Хаббла будет выполняться для нового «центра». Так получается только в силу линейности соотношения между скоростью и расстоянием. Любой другой закон разрушает эту изящную картину. Таким образом, хотя Вселенная расширяется она выглядит одинаково для всех наблюдателей, размещенных в какой-либо галактике. Полезна аналогия с выпечкой кекса с изюмом или надуванием шара с точкой на поверхности. По мере того как пирог всходит или шар надувается, изюминки или точки удаляются друг от друга. Из каждой точки кажется, что все другие точки удаляются. И удаляются тем быстрее, чем дальше они друг от друга.

Понятие расстояния в расширяющейся Вселенной, описываемой метрикой Фридмана, Робертсона, Уокера, требует пояснения. Так, его можно определять по угловому размеру источника со стандартными размерами (угловое расстояние), или по принимаемому от стандартного источника потоку излучения (фотометрическое расстояние), или по собственному движению источника со стандартной скоростью (метрическое расстояние). Очевидно, в плоском пространстве-времени все три способа дадут один и тот же результат. Но Вселенная описывается искривленным пространством-временем (даже если трехмерное пространство евклидово!) с изменяющимся масштабным фактором, поэтому указанные способы дадут существенно различные значения уже при $z\sim 1.$

Как с помощью вспышек сверхновых определить плотностной состав вселенной

Различные зависимости от $z$ - ключ к разгадыванию всех возможных вкладов в ${{\Omega }_{tot}}$ с помощью наблюдения вспышек сверхновых при различных и предпочтительно больших красных смещениях.

Для измерения расстояний в астрономии используется метод фотометрического параллакса. Источник света излучает фотоны. Мощность источника называется светимостью и измеряется в ваттах. Фотометрический инструмент (например глаз) измеряет не мощность источника, а поток фотонов в данном месте. Поток обратно пропорционален квадрату расстояния от источника. Значит, если мы знаем светимость и можем измерить поток, то можем вычислить расстояние до источника. В этом и заключается метод фотометрического параллакса. Для измерения фотометрического параллакса требуется знать светимость астрономических источников.

Это сложная проблема. Более просто определить светимость одной популяции источников. В частности можно достаточно точно измерить среднюю светимость источников одной популяции. Если разброс отдельных источников относительно среднего (дисперсия) невелик, то эту популяцию можно использовать для определения расстояния до источника. Мечта астрономов – открытие популяции с маленькой дисперсией. Такую популяцию назвали стандартной свечей. Один из примеров такой популяции цефеиды – переменные звезды, период изменения блеска которых прямо пропорционален светимости звезды. (астрономические объекты, принадлежащие популяции с большой дисперсией принято называть индикаторами расстояний).

Буквально в последние годы был найден источник, который можно рассматривать как стандартную свечу. Это сверхновые (SN) типа Ia. Такие звезды имеют высокую светимость, сравнимую со светимостью всей галактики, в которой они вспыхивают. Поэтому они хорошо видны на межгалактических расстояниях.). Кроме того, они обладают очень хорошей однородностью светимости в максимуме блеска (блеск это, видимо, попадающий в прибор наблюдателя световой поток) Дисперсия светимости в максимуме блеска для этой популяции звезд $\delta m\approx 0.3-{{0.5}^{m}}$ звездной величины. Поток энергии для прежних индикаторов расстояния различался в десятки раз, что и вызывало большую неопределенность в определении расстояний. При учете тонких деталей спектра вспышки, а также при учете светимости не только в видимом, но и в ультрафиолетовом диапазоне дисперсия светимости в максимуме может быть уменьшена до $\delta m\approx {{0.15}^{m}}$.

Экспериментаторы (1998), работая с SN Ia обнаружили, что убывание яркости происходит заметно быстрее, чем этого следовало бы ожидать, по принятым в то время космологическим моделям. Такое дополнительное потускнение означает, что данному красному смещению соответствует некоторая эффективная добавка расстояния. Но это, в свою очередь, возможно только тогда, когда космологическое расширение происходит с ускорением, т.е скорость удаления от нас источника света не убывает, а возрастает со временем. Важнейшая особенность новых экспериментов состояла и в том, что они позволили не только определить сам факт ускоренного расширения, но и сделать важное заключение о вкладе в ${{\Omega }_{tot}}$различных составляющих.

Действительно, световой поток полученный от удаленной сверхновой связан с ее абсолютной светимостью $L$ и ее фотометрическим расстоянием (luminosity distance)$$${{d}_{L}}$ соотношением

Если геометрия пространства эвклидова, то ${{d}_{L}}=\sqrt{{{x}^{2}}+{{y}^{2}}+{{z}^{2}}}$. В ОТО, с другой стороны, геометрия пространства может быть неэвклидовой, и ${{d}_{L}}$ будет, вообще говоря, зависеть от геометрии пространства и от истории расширения Вселенной. Действительно, можно показать, что в пространственно плоской и расширяющейся FRW Вселенной ${{d}_{L}}$ имеет форму

\[{{d}_{L}}(z)=(1+z)\int\limits_{0}^{z}{\frac{d{z}"}{H({z}")}}\]

Предельный случай ${{\Omega }_{m}}=1,\ {{\Omega }_{\Lambda }}=0$ соответствует стандартной модели холодной темной материи (SCDM), в которой Вселенная замедляется по слабому степенному закону $a(t)\propto {{t}^{2/3}}$. Другой экстремальный пример ${{\Omega }_{\Lambda }}=1,\,{{\Omega }_{m}}=0$ описывает Вселенную де Ситтера (известную как устойчивое космологическое состояние), для которой $a(t)\propto \exp \left(\sqrt{\frac{\Lambda }{3}}ct \right)$. Таким образом сверхновая при красном смещении $z=3$ будет казаться в 9 раз ярче в $SCDM$ модели, чем в пространстве де Ситтера.

Уравнение Фридмана: классический намек

Уравнение Фридмана описывает расширение Вселенной и, следовательно, является наиболее важным уравнением в космологии. Одна из рутинных задач космолога – решение этого уравнения при различных предположениях относительно материального содержания Вселенной. Для того, чтобы вывести уравнение Фридмана, необходимо вычислить гравитационную потенциальную энергию и кинетическую энергию пробной частицы и затем воспользоваться законом сохранения энергии.
Рассмотрим наблюдателя в однородной расширяющейся Вселенной с массовой плотностью $\rho $. В силу однородности Вселенной любая точка может быть выбрана в качестве ее «центра». Рассмотрим пробную частицу массы $m$на расстоянии $r$, тогда (с учетом теоремы Гаусса)
\

и
\

Кинетическая энергия

и полная энергия
\

Заметим, что $U$ различно для частиц, разделенных различными расстояниями. Полная энергия
\

Это уравнение определяет эволюцию расстояния $r$ между двумя частицами.
Сделаем теперь важный шаг, который связан с тем, что эти аргументы применимы к любым двум частицам во Вселенной. Это позволяет нам перейти к новым координатам, которые известны как сопутствующие координаты. Эти координаты «переносятся» расширением. В силу того, что расширение однородно, связь между реальным расстоянием $\vec{r}$ и сопутствующим расстоянием может быть записана

\[\vec{r}=a(t)\vec{x}~~~~~~~~~~(**)\]

Где в силу однородности $a$зависит только от времени. Для понимания уравнения Фридмана, удобно представлять себе координатную решетку, расширяющуюся со временем. Галактики остаются в фиксированных точках решетки (в $\vec{x}$ координатной системе). Исходные $\vec{r}$ координаты, которые не подвергаются расширению, называются физическими координатами.
Величина $a(t)$ является ключевой и известна как масштабный фактор Вселенной. Она определяет универсальную скорость расширения. Являясь функцией только времени, она показывает как физические расстояния растут со временем, в то время как координатное расстояние $\left| {\vec{x}} \right|$ по определению фиксировано. Мы можем использовать масштабный фактор, чтобы переписать уравнение (*). Подставляя (**) в (*) и учитывая, что $\dot{x}=0$ (сопутствующие координаты при расширении фиксированы), получим

Полагая $k{{c}^{2}}=-2U/m{{x}^{2}}$, это уравнение можно представить в виде

\[{{\left(\frac{{\dot{a}}}{a} \right)}^{2}}=\frac{8\pi G}{3}\rho -\frac{k{{c}^{2}}}{{{a}^{2}}}\]

Это уравнение Фридмана –важнейшее уравнение космологии. В этом выражении $k$ должно не зависеть ни от координат, ни от времени. Эта величина имеет размерность ${{\left[ L \right]}^{-2}}.$ Расширяющаяся Вселенная имеет единственное значение $k$, которое сохраняется в процессе расширения.

Cмысл расширения

Каков смысл расширения Вселенной? Давайте начнем с того, какой смысл не вкладывается в это понятие. Это не означает, что ваше тело постоянно увеличивается со временем (и, конечно, не является оправданием, если это все-таки происходит). Это не означает, что земная орбита со временем удаляется от Солнца. Это не означает, что звезды в нашей галактике удаляются друг от друга со временем. Но это означает, удаленные галактики разбегаются со временем. Ответ на вопрос зависит от того, управляется ли движение объекта кумулятивным гравитационным эффектом однородного распределения материи. Атомы в нашем теле нет.

Расстояния между ними диктуются силами химической связи, в которых гравитация несущественна. Поэтому молекулярные структуры не будут подвержены расширению. Аналогично, движение Земли по орбите (почти) полностью определяется притяжением Солнца (с небольшим влиянием других планет). И даже звезды в нашей галактике двигаются в потенциальной яме, которую они сами и создают. И не удаляются друг от друга. Общая особенность как солнечной системы так и галактик – их плотность существенно превосходит плотность гладко распределенной материи, которую мы использовали при выводе уравнений Фридмана. Но если мы перейдем к большим масштабам, десятки мегапарсек, Вселенная будет эффективно изотропной и однородной с галактиками, уплывающими друг от друга, как это предсказывают уравнения Фридмана. На этих больших масштабах работает космологический принцип и ощущается расширение Вселенной.

Объекты, которые двигаются быстрее света

Общий вопрос, который волнует людей: могут ли удаленные галактики разбегаться со скоростью больше скорости света? Так как скорость разбегания пропорциональна расстоянию между галактиками, то если мы рассмотрим достаточно удаленные галактики, то мы можем сделать скорости сколь угодно большими в нарушение специальной относительности. Ответ на этот вопрос таков. В наших теоретических предсказаниях могут появиться объекты, удаляющиеся со скоростями больше скорости света. Однако это происходит в пространстве, которое само по себе расширяется. Это не нарушает причинность, потому что никакой сигнал не может быть послан между такими галактиками.

Кроме того, специальная теория относительности не нарушается, потому что она относится к относительным скоростям объектов, проходящих вблизи друг друга, и не может быть использована для сравнения относительных скоростей удаленных объектов. Чтобы понять это, вообразим группу муравьев на воздушном шаре. Представим, что быстрейшие муравьи могут двигаться со скоростью 1см/сек. Если два муравья проходят друг мимо друга, то наибольшая относительная скорость 2см/сек, если они двигаются в противоположном направлении. Начнем надувать шар. Хотя муравьи, блуждающие по поверхности, все еще имеют скорость, не превосходящую 1см/сек, но шар расширяется под ними. Следовательно, их относительная скорость легко превзойдет 2см/сек, если шар надувать достаточно быстро (а если медленно?). Но они никогда не могут рассказать друг другу об этом, потому что шар растаскивает их быстрее, чем они могут двигаться вместе, даже при полной скорости. Любые два муравья, которые стартуют достаточно близко друг к другу и могут проходить мимо обладают относительной скоростью, не превосходящей 2 см/сек, даже если Вселенная расширяется. Расширяющееся пространство подобно надуваемому шару и тащит галактики за собой.

Уравнение сохранения: термодинамический взгляд

Будучи фундаментальным, уравнение Фридмана тем не менее не может использоваться без уравнения, описывающего как плотность $\rho $ компонент Вселенной зависит от времени. Это уравнение включает давление материала и называется уравнением жидкости. Как мы вскоре увидим, различные материалы имеют разное давление, а это приводит к различным эволюциям. Мы можем получить необходимое уравнение, написав первый закон термодинамики \ И применив его к расширяющемуся объему единичного сопутствующего радиуса (размера), получим $(dS=0)$ \[\dot{\rho }+3\frac{{\dot{a}}}{a}(\rho +\frac{p}{{{c}^{2}}})=0\]

Как мы видим два члена дают вклад в изменение плотности. Первый член описывает уменьшение плотности за счет увеличения объема. Второй член описывает уменьшение энергии за счет того, что давление совершает работу при увеличении объема Вселенной. Эта энергия не исчезает (энергия, конечно, сохраняется). Она переходит в потенциальную гравитационную энергию.

Подчеркнем, что в однородной Вселенной отсутствуют силы, связанные с давлением, потому что плотность и давление всюду одинаковы. Требуется градиент давления, чтобы возникла сила. Поэтому давление не дает вклад в силу, способствующую расширению. Его эффект проявляется только в работе, выполненной при расширении Вселенной.

Мы еще не готовы решить уравнение Фридмана, так как не конкретизировали зависимость давления для конкретного материала, заполняющего Вселенную. Обычное предположение, известное как уравнение состояния, $p=p(\rho)$. Простейшее предположение – отсутствие давления, как это имеет место для нерелятивистской материи.

Уравнение для ускорения

Уравнение Фридмана и жидкостное уравнение можно использовать для получения третьего уравнения (конечно, не независимого), описывающего ускорение масштабного фактора \[\frac{{\ddot{a}}}{a}=-\frac{4\pi G}{3}(\rho +\frac{3p}{{{c}^{2}}})\] (3.18) Заметим, что какое бы давление (положительное) не имел материал, оно увеличивает гравитационные силы и приводит к дополнительному замедлению ускорения. Напомню, что нет сил, связанных с давлением в изотропной Вселенной, так как отсутствуют градиенты давления.

Открытие темной энергии одно из наиболее удивительных и глубоких открытий в истории науки.

1. Основная часть энергии во Вселенной не является (обычной) материей. В свои первые 300 лет (от Начал Ньютона) физика сосредоточила внимание на свойствах материи и излучения (включая темную материю).
2. Основная часть энергии во Вселенной не является гравитационно притягивающей. Мы, видимо, последнее поколение, которое думает, что гравитация всегда притягивает. Это понятие доминировало как основное свойство природы в течение многих сотен лет. Теперь мы знаем, что гравитация может также и отталкивать. Конечно, возможность существования самоотталкивательных форм энергии существует в ОТО в качестве исходного положения. Но до настоящего времени это положение не пользовалось успехом. Мы должны переписать учебники, чтобы объяснить, что гравитационно притягивающая материя, которая нам известна, есть лишь малая часть Вселенной сегодня и в неограниченном будущем.
3. Мы живем в особое время развития Вселенной. Коперниковская революция научила нас, что нет ничего особого в нашем положении во Вселенной. Если пространство однородно, то правильно ли то же самое для времени? Открытие Хаббла научила нас тому, что Вселенная эволюционирует, но в течение последних 15 млд лет эта эволюция происходит плавно, без заметных изменений. Теперь мы знаем, что время $anti-Copernican.$ Мы живем в особый момент космической истории, момент перехода от замедляющейся, материально доминированной Вселенной и ускоряющейся Вселенной, в которой доминирует Темная энергия. Прогрессирующее образование сверх больших структур и увеличение сложности, то чем характеризуется материально доминированная Вселенная, достигло конца и теперь Вселенная открывает период сверх пустоты и бесструктурности
4. Будущее (а может и прошлое (в теориях циклической Вселенной)) определяется темной энергией
5. Осознание идентичности темных компонент (темной материи и темной энергии) один из величайших вызовов 21 столетия.

Стандартная космологическая модель – современное состояние

Несмотря на колоссальный приток наблюдательных данных (особенно следует отметить окончательные результаты эксперимента WMAP и результаты по сверхновым), все они, в пределах ошибок наблюдений, продолжают укладываться в современную парадигму четырехстадийной эволюции нашей Вселенной, частью которой является стандартная модель современной Вселенной.

Эти 4 основных стадии – вакуумоподобная квази-де-ситтеровская, или инфляционная стадия в ранней Вселенной, за которой (после промежуточной стадии рождения и разогрева обычной материи) следует стадия доминирования горячей ультра-релятивистской материи (исторически названная Большим Взрывом), которая относительно недавно (при красном смещении $z \approx 3200$) сменяется стадией доминирования нерелятивистской материи (холодной темной небарионной материи и барионов). Наконец, уже в наше время, начиная с z

Последняя стадия поддерживается темной энергией. Соответственно, для количественного описания требуются четыре новых (по отношению к стандартной модели элементарных частиц) безразмерных постоянных, которые на современном уровне понимания либо сами являются фундаментальными постоянными микрофизики, либо связаны с ними через теоретические модели. Это безразмерная амплитуда начальных, приближенно масштабно-инвариантных возмущений плотности материи, отношение числа фотонов реликтового излучения к числу барионов, отношение плотностей холодной темной небарионной материи и барионов и, наконец, практически не зависящая от z плотность энергии современной темной энергии, обезразмеренная известными фундаментальными постоянными. На современном теоретическом уровне уменьшить число этих постоянных нельзя. Однако оно существено меньше, чем число фундаментальных безразмерных постоянных в стандартной модели элементарных частиц. В настоящее время уже ясно, что начальный спектр возмущений не является строго масштабно-инвариантным, так что для его количественного описания требуется по крайней мере еще одно число (окончательного доказательства этого мы ожидаем от эксперимента Planck).

Здесь однако могут помочь инфляционные модели ранней Вселенной, в которых все параметры начального спектра выражаются в максимально простом случае через одну безразмерную постоянную, и я приведу примеры таких моделей, которые еще остаются жизнеспособными (это как раз пионерские модели инфляции). Другое ожидаемое здесь фундаментальное открытие – это первичные гравитационные волны (через обнаружение В-моды поляризации реликтового излучения), но чувствительности Planck может для этого не хватить.

Что касается темной небарионной нерелятивистской материи, про которую мы уже знаем, что она почти бесстолкновительная, то здесь наиболее замечательным явилось бы ее прямое детектирование в наземных экспериментах.

Aстрономическими методами можно открыть ее аннигиляцию в фотоны, а также определить, в какой мере она все-таки является столкновительной, из структуры темного галактического гало (в т.ч. в центре) и количества спутников массивных галактик. Наконец, главной целью исследования темной энергии во Вселенной является поиск слабого отличия ее тензора энергии-импульса от точной космологической постоянной. Пока никакого отличия не найдено на уровне относительной точности ~ 10%, однако я приведу аргументы, почему такой поиск не безнадежен. Один из простейших классов моделей темной энергии, альтернативных космологической постоянной, строится на основе f(R) гравитации.

В современной науке бесспорным представляется факт, что не только сама наша планета как космический объект, но и жизнь на ней являются следствием общего космического развития. «И наружный лик Земли, и жизнь, наполняющая его, - писал известный русский философ А.Л.Чижевский, - являются результатом творческого воздействия космических сил. А потому и строение земной оболочки, ее физико-химия и биосфера являются проявлением строения и механики Вселенной»…

Следовательно, и человек как наиболее высокоорганизованное проявление жизни есть продукт не только земной, но и космической эволюции. Он подчинен космическим ритмам, законам функционирования и развития космоcа. Человека не только нельзя исключать из общего потока космической эволюции, но наоборот, необходимо видеть зависимость от нее судеб людей. С этой точки зрения, изучение строения и эволюции Вселенной есть неотъемлемое условие глубокого познания самого человека, его связи с космическим целым. А это, в свою очередь, предполагает выявление места человека в системе мироздания.

Существует мнение, что жизнь на Земле – это лишь одна из форм существования космической жизни, и что человек как мыслящее существо неодинок во Вселенной. Такого мнения придерживался, например, выдающийся русский ученый и философ К.Э.Циолковский, развивавший астробиологическую и астросоциологическую концепции. Он полностью разделял идею множественности миров, существовавшую еще в далеком прошлом (вспомним в связи с этим хотя бы Джордано Бруно). Циолковский выдвигал и разрабатывал идеи, касающиеся возможного многообразия внеземных видов жизни и иных, космических цивилизаций. Он отвергал взгляд на человека как самого совершенно разумного существа и считал, что во Вселенной есть мыслящие существа, стоящие по уровню своего развития выше человека. Человечество, считал Циолковский, еще очень молодо, оно незрело по сравнению с высокоразвитыми космическими цивилизациями. Но оно быстро развивается и в будущем, выйдя за пределы Земли, начнет обживать и преобразовывать другие планеты (и даже астероиды), создавать искусственные сооружения в комическом пространстве – сначала в окрестностях нашей планеты, затем – в Солнечной системе, а позднее и в других звездных системах. Циолковский был убежден, что рано или поздно человечество в ходе освоения космоса встретится и объединится с иными цивилизациями.

Позицию, близкую к Циолковскому, занимают и в наши дни многие ученые и философы, которые убеждены, что различные формы жизни существуют во многих местах необъятной Вселенной, в которых могут также существовать и какие-то цивилизации, отличные от земной. Отсюда – стремление найти внеземные формы жизни и вступить в контакт с космическими «братьями по разуму».

Заметим, что об этом размышляли даже некоторые авторитетные ученые XIX века. И не только размышляли, но и предлагали способы привлечь к землянам внимание представителей иных, внеземных цивилизаций. Например, известный немецкий ученый-математик Карл Гаусс предлагал вырубить в сибирской тайге гигантскую фигуру в форме треугольника, иллюстрирующую теорему Пифагора, и засеять ее пшеницей. Ярко-желтый треугольник на фоне темно-зеленой тайги должен был, по мнению Гаусса, привлечь внимание марсиан. Французский математик Э.Неовиус в своей книге «Величайшая задача нашего времени», опубликованной в 1876г., предложил технически реализуемый проект связи: с помощью световых сигналов передавать в мировое пространство информацию по типу азбуки Морзе. Он даже рассчитал стоимость этого проекта, предлагая объединить во имя этой цели усилия многих государств.

Современная постановка проблемы поиска внеземных цивилизаций относится к середине ХХ века, когда в английском научном журнале «Природа» появилась статья Д.Кокони и Ф.Моррисона, в которой утверждалось, что если во Вселенной имеются разумные существа, способные передавать радиосигналы, то мы при современном уровне нашей техники способны эти сигналы принимать. В 1960 году американским радиоастрономом Ф.Дрейком были проведены первые эксперименты такого рода. Начиная с 60-х годов ХХ века, поисками разумной жизни во Вселенной всерьез занялись ученые ряда наиболее развитых стран (США, СССР, Франции, Канады, Японии, Австралии). Радиотелескопы и оптические телескопы в течение многих лет во всех направлениях исследовали космос в надежде обнаружить сигналы искусственного происхождения. На ряде космических аппаратов(главным образом, американских серий «Пионер» и «Вояджер») отправлялись послания внеземным цивилизациям.

Но в 80-х годах ХХ века оптимизм в этом вопросе сменился пессимизмом, поскольку за два с лишним десятилетия не было получено никакой информации относительно существования внеземных форм разумной жизни. За это время, например, Национальное управление по аэронавтике и исследованию космического пространства США истратило миллионы долларов в рамках программы SETI (английская аббревиатура, означающая поиск внеземного разума). Поэтому в последние годы, преимущественно по экономическим соображениям, в США и других странах такого рода исследования были фактически приостановлены.

Было сформулировано несколько возможных объяснений неудачи указанных исследований. Эти объяснения сводились к следующему. Радиосигналы – не единственное средство связи. Более развитые цивилизации могут пользоваться другими средствами связи типа гравитационных волн, потоков нейтрино или вообще неизвестных нам. Возможно, эти цивилизации вообще не посылают сигналов ввиду нашей незрелости (ведь срок существования разумной жизни на Земле по космологическим и геологическим масштабам – ничтожный, ей, по выражению Циолковского, только «одна секунда» времени). Была высказана и гипотеза, что высокоразвитые космические сообщества специально не проявляют своего присутствия, так как «галактическая этика» требует предоставить развивающимся цивилизациям (типа земной) возможность самостоятельно решать свои проблемы. А по «зоогипотезе» Дж.Бола, Земля находится как бы в заповеднике, т.е. внеземные цивилизации решили сохранить «первозданную природу» в лице землян. Как видно, все эти гипотезы исходят из идеи существования внеземных вариантов разумной жизни.

Но существует и совершенно иная точка зрения, которая исходит из уникальности разумной жизни на планете Земля, проповедуя «космическое одиночество» человечества. Такую позицию занимает, в частности, современный французский ученый, профессор физики парижского университета Марсо Фельден. В своей книге «А если мы одни во Вселенной?», опубликованной в 1994 году, он высказывает убеждение, что во Вселенной, кроме человека, других форм разумной жизни нет (при этом он допускает возможность существования примитивных форм жизни, типа бактерий, грибков, растений на других планетах). М.Фельден объясняет уникальность высокоразвитой жизни на Земле тем, что волею случая Солнечная система находится на периферии нашей Галактики и, следовательно, вне досягаемости смертоносных космических лучей. Когда Солнечная система попадет в зону повышенной радиации или будут исчерпаны ресурсы функционирования Солнца, т.е. оно «погаснет», жизнь на Земле прекратит свое существование. Но это может произойти через несколько миллиардов лет. Основной вывод, к которому, приходит французский физик, сводится к следующему: в масштабах Вселенной есть место только для одного мыслящего существа – человека, который в состоянии охватить ее своим разумом.

С таким категорическим выводом вряд ли согласятся многие ученые и философы. Еще в XIX веке Ф.Энгельс писал: «…Материя приходит к развитию мыслящих существ в силу самой своей природы, а потому это с необходимостью и происходит во всех тех случаях, когда имеются налицо соответствующие условия (не обязательно везде и всегда одни и те же)». Возражая М.Фельдену, российский ученый, член-корреспондент Академии космонавтики Л.М.Гиндилис высказал следующую мысль: «Было бы очень странно, если бы в огромной Вселенной мы оказались одни. В Галактике – 400 миллиардов звезд, подобных Солнцу, во Вселенной же таких галактик – около сотни миллиардов. Это все равно, как если бы на засеянном поле, по выражению греческого философа Метрадора, вырос бы всего один колос. Но дело не только в этом… Как это может быть, что самые глубокие фундаментальные свойства Вселенной в целом делают ее пригодной для существования жизни и человека, а реализуется жизнь только в некоторой ничтожной части Вселенной на единственной планете?».

Последняя мысль касается так называемого антропного космологического принципа, идею которого сформулировали в начале 60-х годов советские ученые Г.М.Идлис и А.Л.Зельманов и американский физик и космолог Р.Дикке. Позднее эта идея была развита Б.Картером, которому и принадлежит сам термин «антропный принцип».

Дело в том, что развитие современной естественнонаучной картины мира во многом связано с включением в нее «человеческого фактора». «Можно сказать, что наука со времен Коперника развивалась таким образом, что наблюдателю-человеку в ней отводилась весьма скромная роль. Человек не занимал какого-либо привилегированного, центрального положения в науке о Вселенной. Как бы без внимания оставался и тот факт, что необходимой предпосылкой нашего существования являются благоприятные условия (температура, химический состав окружающей среды и т.д.), возникновение которых оказалось возможным благодаря именно тонкой подстройке значений физических величин во Вселенной. Некоторые ученые обратили внимание на ограниченность такого подхода, считая, что строение физического мира неотделимо от обитателей, наблюдающих его в самом фундаментальном смысле. Наше положение в мире, если и не является центральным, то неизбежно – привилегированным. И можно заранее, до наблюдений предсказать ряд астрофизических и других факторов по той причине, что то, что мы ожидаем наблюдать, должно быть ограничено условиями, необходимыми для нашего существования как наблюдателей. Основанием для таких предсказаний и служит антропный принцип – как принцип, отражающий невероятно тонкую подстройку Вселенной».

Согласно этому принципу, Вселенная обладает определенными свойствами, благоприятными для существования в ней жизни вообще и человека как ее высшей формы. Мы знаем пока только те формы жизни, которые существуют на планете Земля. Но сама эта планета является составной частью не только Солнечной системы, но и гигантской системы нашей Вселенной, включающей множество галактик и звезд. И вряд ли в нынешнее время можно соглашаться с точкой зрения Гегеля, согласно которой «то обстоятельство, что звезды во множестве рассеяны по безмерным пространствам, ничего не говорит разуму». Данное обстоятельство «говорит» кое-что разуму и, думается, в будущем еще много скажет. Сейчас уже ясно, что жизнь могла зародится только на определенном этапе расширения Вселенной, когда образовались и прошли достаточно длительный эволюционный путь галактики и звезды и сформировались сложные сочетания разнообразных космологических, физических и химических факторов, благоприятных для перехода от неживого вещества к живому.

Свойства окружающего нас мира являются результатом удивительной согласованности фундаментальных физических констант. Причем интервал возможных значений этих констант, обеспечивающий мир, пригодный для жизни, очень мал. Наукой установлено, что определенное ослабление, например, константы сильных взаимодействий привело бы к образованию на ранних стадиях расширения Вселенной, в основном, только тяжелых элементов, что означало бы отсутствие в мире источников энергии. А при уменьшении гравитационного взаимодействия не возникло бы условий для протекания ядерных реакций в звездах. Наоборот, усиление слабых взаимодействий превратило бы на ранних этапах эволюции Вселенной все вещество в гелий, а значит, отсутствовали бы реакции термоядерного синтеза в звездах. Некоторое усиление электромагнитного взаимодействия привело бы к заключению электронов внутри атомных ядер и невозможности вследствие этого химических превращений и реакций. Существующая структура Вселенной жестко обусловлена также величиной, выражающей разницу в массах нейтрона и протона. Разность эта очень мала и составляет всего одну тысячную от массы протона. Но если бы указанная разность была в три раза больше, то во Вселенной не мог бы проходить нуклонный синтез и в ней не было бы сложных элементов, что, в свою очередь, делало бы невозможным возникновение жизни. И таких «если бы» существует еще целый ряд.

Таким образом, именно благоприятствующая возникновению жизни «тонкая подстройка» значений фундаментальных констант нашей Вселенной «приводит к появлению в физической картине мира человека как уникального и одновременно естественного результата глобально-космической эволюции».

Аннотация
В этом топике обосновывается почему космологический принцип не применим в части распространенности жизни во Вселенной.
Рассматриваются предполагаемые механизмы зарождения жизни и на основании их рассмотрения делается вывод о чрезвычайной редкости жизни во Вселенной.

1. Космологический принцип

Современная космологическая теория базируется на следующем основном положении, называемом космологическим принципом: каждый наблюдатель в один и тот же момент времени, независимо от места и направления наблюдения обнаруживает во Вселенной одну и ту же картину. Независимость от места наблюдений, т.е. равноправие всех точек пространства, носит название однородности, независимость от направления, т.е. отсутствие выделенного направления в пространстве - изотропии Вселенной.

Уже непосредственно из космологического принципа следуют некоторые важные выводы относительно строения Вселенной. Например, Вселенная как целое не должна вращаться (поскольку ось вращения была бы выделенным направлением), у нее не должно быть центра и пространственной границы (иначе нарушалось бы условие однородности Вселенной). Вообще, главный вывод, вытекающий из космологического принципа, это безграничность Вселенной. Можно сказать, что это утверждение является определением самого понятия “Вселенная”. ()

Но данный принцип выполняется лишь приближенно. Галактики, звезды, планеты, наконец, живые существа являются отклонениями от однородности Вселенной, поскольку их существование означает, что физические условия в разных точках различны. ( см. там же)

Последнее, как правило, очень часто игнорируется и наши рассуждения при этом примерно следующие: "Вселенная изотропна и однородна и везде должны действовать одинаковые законы физики и химии. Мы здесь есть, и порождены этими законами (по крайней мере не противоречим им) следовательно мы вправе предположить, что раз там где-то такие же законы там тоже жизнь есть и тоже и разумная." Таким образом этими рассуждениями мы одной неоднородности Вселенной приписываем свойство того, чем она не является - свойство однородности. Нас не удивляет, что нет абсолютно одинаковых Галактик - что мол взять с флуктуаций. Но интуитивно трудно отрешиться от мысли, что сам факт наличия жизни это разновидность флуктуации , которая не обязана присутствовать везде и всюду. Очень и очень трудно. Поэтому я и не надеюсь, что даже понимание того, что жизнь как раз есть не следствие космологического принципа, а наоборот отклонение от него кого-то сможет убедить, что она редкая. Нам это просто психологически не комфортно. Я бы представил этот психологический эффект, на уровне физического явления так, предположим, что какая-нибудь близкая Галактика (а может и наша), при тех же законах физики полностью, ну или на 90% состояла бы из желтых карликов, такая вот была бы аномалия. Нам тогда было бы очень трудно представить, что нигде больше нет таких Галактик, поскольку мы одну наблюдаем. А сейчас мы уверены, что таких Галактик быть не может и можем привести море доводов почему они невозможны. Такой вот психологический парадокс.

2. Пара аргументов за широкое распространение жизни и возражения на них

2.1. Это мой собственный аргумент, когда я еще был сторонником широкого распространения жизни во Вселенной.

Я рассуждал примерно так: наблюдения история её существования показывает, что жизнь это очень устойчивая система. Она существует и в подледных океанах и в горячих источниках и в Марианской впадине и в термосфере, чуть ли не высоте 400 км. Она переживала шесть массовых вымираний, но сохранилась. Если верна гипотеза "Земли-снежка", то она пережила миллионы лет на полностью оледеневшей планете. В общем это система со сверхустойчивым равновесием, как не выпихивай её из "лунки существования" - она возвращается к исходному состоянию - "существование жизни". Стало быть, рассуждал я, раз это некая физико-химическая зона равновесия, то её появление есть просто естественный процесс скатывания физико-химических процессов в эту "лунку".
И где-то я высказал это свой аргумент на просторах интернета. На, что мне было высказано возражение, которое я вынужден был принять, ввиду его справедливости. Возражение выглядело примерно так: "Да действительно, это жизнь устойчивая система, это некая "потенциальная яма" - попав в которую уже трудно выбраться из неё. Но "нежизнь" тоже устойчивая система и преодолеть "потенциальный барьер" между этими двумя устойчивыми состояниями очень и очень трудно". Это конечно не дословно, но смысл был такой.
Ситуация очень похожа на квантовомеханическое представление о "ложном" и "истинном" вакууме.
Только в роли "ложного вакуума" - устойчивая жизни, а "истинного" - "не жизнь".

2.2. Второй аргумент достаточно известен: "Как показывает палеонтологические исследования, жизнь на планете Земля появилась очень рано, практически сразу, как появились мало-мальские условия для этого. Первые признаки её существования это где-то 3,8 млрд. лет назад (графитовые отложения Исуа, Гренландия).
Ну и практически достоверно - строматолиты 3,5 млрд. лет назад. Что означает, фактически вероятность зарождения жизни, в соответствующих условиях близкую к единице."

На этот аргумент, сами того не ведая, возразили исследователи группы Сазерленда, доказавшие возможность абиогенного синтеза всего необходимого спектра "кирпичиков" для появления жизни:
Цианосульфидный протометаболизм - верный путь к земной жизни

Это процесс у них отнесен к эпохе поздней метеоритной бомбардировки:

Цитировать

Вот как это могло происходить.

При столкновениях углеродистое вещество метеоритов соединялось с атмосферным азотом, в результате этой высокотемпературной реакции синтезировался цианистый водород. Из метеоритного шрейберзита - железо-никелевого фосфида - при импактных высокоэнергетических событиях получались фосфаты. В присутствии воды (вот она - теплая лужа!) цианистый водород растворялся и соединялся с железом, образуя ферроцианид. Туда же смывались хлориды, растворимые соединения натрия, калия, кальция - всего того, что в достатке имела молодая Земля. Когда лужа испарялась, а она должна была испаряться из-за высокой температуры на поверхности планеты и метеоритной бомбардировки, ферроцианид нагревался и, взаимодействуя с калием, натрием, кальцием образовывал соответствующие цианиды, углерод и карбиды. Этот слой твердых солей исключительно перспективен, так как при их растворении и нагревании получается набор необходимых для «жизни» ингредиентов: цианистый водород, цианамид, ацетилен. Последний образуется при растворении карбида кальция в воде. Фосфаты и сероводород прилагаются.

Чтобы приготовлялся бульон, наша лужа должна была периодически высыхать и снова заполняться водой, периодически освещаться светом и временами погружаться в темноту. И тогда в ней сам собой мог пойти синтез сразу всех необходимых биологических молекул: нуклеотидов, аминокислот, липидов. Ученые предложили взаимосвязанную сеть реакций, и уж если старт дан, то на выходе получится весь набор. И нет нужды гадать, что было раньше - аминокислоты и белки или сахара с рибонуклеотидами. Всё было сразу. Теплая лужа - это горячий и пересыхающий водоем, заполненный синильной кислотой и сероводородом, освещенный жестким ультрафиолетом: добро пожаловать, жизнь!

Т.е. у жизни был только короткий период, когда она могла появиться. Тогда или никогда. Иначе "кирпичики жизни" просто рассыпались бы. А раз мы здесь, то какая бы малая вероятность появления у жизни не была, она появилась в единственно возможный для её появления момент.

3. Дьявол прячется в деталях

Есть такая особенность у нашего мышления - наша способность обобщать. Рассматривать все с высоты птичьего полёта. Оно хорошо для выдвижения научных гипотез, создания художественных образов, интуитивного постижения предметов. Но у этого способы мышления есть недостаток, такое мышление "туманное", "размытое" и в данном случае, в вопросе зарождения жизни, этот способ мышления (смыслы без подробностей) приводит к заблуждению. Мы знаем, что происхождение жизни это некий физико-химический вопрос, и предполагаем, упрощенно рассуждая, что раз жизнь появилась в результате естественных физико-химических процессов, а это так есть, то данный процесс должен воспроизводится "здесь и везде". А вот последнее как раз заблуждение. И вот почему.

То, что "кирпичики" здания жизни появляются вполне закономерно, я описывал выше (исследования группы Сазерленда). Даже более того, известны некаталитические процессы при которых могут "собираться" длинные цепочки ДНК/РНК полимеров: Тепловой поток через открытую пору способствует непрерывной репликации нуклеиновых кислот и отбору более длинных цепочек .
Но вот тут-то и начинаются особенности, которые не видны при обобщенном "размытом" мышлении, но меняют всю картину кардинально в подробностях. А дело вот в чем - абиогенный процесс полимеризации нуклеотидов совершенно случаен. В каком порядке подгоняются к концу цепочки строящегося ДНК/РНК нуклеотиды - это результат броуновского хаотичного процесса.
А для того, чтобы запустился процесс молекулярной эволюции, не подходит любой полимер ДНК/РНК. Нужен определенный ДНК/РНК о определенной последовательностью нуклеотидов, с "исходным кодом жизни". Какой именно не важно, это зависит от конкретной гипотезы происхождения жизни, суть в том, что не любой. Вариантов таких "нужных" последовательностей гораздо меньше, чем все генеральная совокупность вариантов сочетаний последовательности кода нуклеотидов. Эта случайность сборки и и дает низкую вероятность зарождения жизни от ~10^-20 до 10^-1000 . Для мультиверса размером 10^1000000000000 планковских величин это, конечно много раз сбывающееся событие. А для нашей Вселенной, размером 14*10^9, это если попадет на нас, то пожалуй очень редкий, если не единственный случай на Вселенную.

4. Пути отступления от логики неизбежного одиночества.

Я как-то взялся оценить, какова вероятность зарождения жизни, в зависимости от количества попыток у Земли, и возможной доли рибозим (каталитических активных РНК) в общей генеральной совокупности всех возможных вариантов сочетаний нуклеотидов и у меня получилось, что чисто теоретически возможна вероятность зарождения жизни близкая к единице:

Если, например, в последовательность из 200 нуклеотидов, окажется 10^80 вариантов "дающих жизнь" рибозим.

Но здравый смысл подсказывает, что вряд ли такое возможно. А исследований в этой области (пусть компьютерным моделированием) никем не проводилось. Не говоря уже об экспериментах.

Клавдий Птоломей ещё до н.э.создал математическую теорию устройства мироздания,в центр которой он поставил Землю,а точнее-человека.В век Птоломея все планеты были обязаны описывать вокруг Земли причудливые петли и завитки.И это была не причуда Птоломея,такое устройство мироздания следовало из многовековых наблюдений человека за небесными светилами.

Галилео Галилей засомневался в таком устройстве мироздания.Галилей стал догадываться,что вращается Земля и нам кажется,что планеты вращаются вокруг Земли.

Николай Коперник преподнёс нам поучительный урок,согласно которому мы не должны,не имея на то оснований,предполагать,что занимаем привилегированное центральное положение во Вселенной.Этот принцип Коперника,по мнению современных философов,приводит к "совершенному космологическому принципу",лежащему в основе стационарной,вечной и бесконечной Вселенной .

Джордано Бруно утверждал:Итак,Вселенная едина,бесконечна,неподвижна...Она не рождается...Она не уничтожается...Она не может уменьшаться или увеличиваться....

Но в начале прошлого века "совершенный космологический принцип"был поставлен под сомнение.В 1929 г.Эдвин Хаббл обнаружил удивительный эффект.Спектры удалённых светил были смещены в сторону низких частот и чем дальше галактика,тем больше красное смещение спектров.Весь спектр источника излучения может сместится в красную сторону при движении источника от наблюдателя.Значит,это-эффект Допплера.Значит,галактики разбегаются от нас.Значит,мы в центре разбегания галактик.Мы снова занимаем центральное положение во Вселенной.Звучит,конечно,лестно..А если "кино крутить обратно",то всё мироздание будет сжато в точку,размером с кулак.А затем случился Большой Взрыв и Вселенная стала расширяться.Но посвящённые в теорию БВ объяснили нам,что разбегаются не галактики,а расширяется пространство с галактиками.Не очень убедительно,но непосвящённые поверили.Но галактики тоже занимают пространство,значит галактики тоже расширяются.Звёзды в галактиках тоже расширяются.Атомы тоже...Всё расширяется.Красного смещения не должно быть.Меняется только масштаб.Красное смещение есть.

Если есть начало,значит есть край Вселенной.Наблюдатель из края Вселенной нас видит также,как мы его.Это следует из принципа эквивалентности (симметричности) эффекта Допплера.Что,мы тоже находимся на окраине Вселенной?Неет,лучше быть в центре,чем на краю...

Масла в огонь Большого Взрыва добавили астрофизики,обнаружив светила с аномальными красными смещениями.Следуя закону Хаббла,квазары с наибольшими красными смещениями находятся на расстоянии 15 миллиардов световых лет.С таких расстояний мы не должны их видеть.Мы их видим.Значит,квазары имеют фантастическую светимость.Кроме того,свет от квазаров,который мы видим,был испущен 15 миллиардов лет назад и за это время квазары пробили край Вселенной и удалились со сверхсветовыми скоростями ещё на 15 миллиардов световых лет.Куда удалились?Видимо,в никуда или превратились в сверхчёные дыры,а может в антиквазары.

Но знатоки Большого Взрыва не унимаются.Вселенная сотворена,расширяется и точка.Правда,возникла не в одном месте,а во многих местах.И возникла не одновременно,а возникает до сих пор и расширяется с ускорением.А чтобы с ускорением,требуется тёмная энергия...

А может красное смещение не есть эффект Допплера? Посмотрите "Смоделировать Вселенную" и "Сейсмическая томография и красное смещение спектров".

Велик был в своём прозрении Джордано Бруно,утверждая,что Вселенная бесконечна,она не рождается и не уничтожается,она не может уменьшаться или увеличиваться.

Литература.
1.Картер Б.Совпадение больших чисел и антропологический принцип в космологии.Космология.Теории и наблюдения.Мир,М.,1978.
2.Бруно Дж.Диалоги.Госполитиздат,М.,1949.

Рецензии

Мне показалось, что есть весьма вольные трактовки известного материала. Приведу примеры.
"Следуя закону Хаббла,квазары с наибольшими красными смещениями находятся на расстоянии 15 миллиардов световых лет." Таких красных смещений никто никогда не наблюдал. Путаница связана с трактовкой понятия "расстояние" в космологии. Не вдаваясь в подробности, советую посмотреть статью по этому вопросу, написанную профессионалом, тут: http://www.astronet.ru/db/msg/1307314
"всё мироздание будет сжато в точку,размером с кулак." Этого тоже никто всерез не утверждает. Гипотезы - да, есть такие, но вовсе не теории. Каков механизм БВ - неизвестно.
"Велик был в своём прозрении Джордано Бруно,утверждая,что Вселенная бесконечна,она не рождается и не уничтожается,она не может уменьшаться или увеличиваться." А какие ФАКТЫ говорят в пользу Вашего (и Бруно) утверждения? А вот обратных фактов полным-полно. Приведу лишь некоторые из них:
1. Стационарная вселенная невозможна в силу запрета, налагаемого вторым началом термодинамики. Пока не обнаружено ни одного явления, которое указывало бы на возможнность обойтии этот запрет, и вечнный двигатель второго рода как-то не просматривается.
2. Парадокс Ольберса: в бесконечной (стационарной)вселенной яркость ночного неба была бы сопоставима с яркостью повеерхнности Солнца
3. Гравитационная устойчивость вселенной невозможна ни с точки зрения мееханики Ньютона, ни с позиций ОТО.
4. Теория БВ неплохо справляется с проблемой нуклеосинтеза: соотношение количества водорода и гелия, предсказанное в свое время Гамовым, соответствует наблюдениям. Теория стационарной вселенной вообще не дает подхода для решения этой проблемы. Более того, в "вечной" вселенной не должно быть элеементов кроме железа - все прочее должно "выгореть" в топкх звезд.
5. наличие рееликтового излучения, его спектральный состав, вариации интенсивности и состава соответствуют теории БВ.
6. Явные признаки эволюции мира: галактическое население областей с высоким красным смещениием отличается по составу от нашего ближнего окружения, причем радиальная симметрия очевидна. Скажем, чем дальше - тем больше квазаров в единице объема, с прохождением через максимум на смещениях около 2.
Можно продолжать и продолжать... В Ваших публикациях есть скрытые намеки едва ли не на мировой заговор космологов и "релятивистов". Он не оправдан ничем.
С уважением,

Рад слышать грамотного оппонента.
Тем не менее...

Если звёзды зажигают,
Значит-это кому нибудь нужно?

1.Звёзды рождаются,умирают и снова рождаются.Без вечного двигателя.
2.Парадокс Ольберса.Кроме геометрического расхождения есть ещё причина затухания волн и,главное,красного смещения спектров.Это сверхслабые флуктуации скорости распространения радиоволн в случайно неоднородной среде.Естественная "многолучевость" распространения волн в однородной среде и есть причина дополнительного затухания волн и красного смещения спектров.
Посмотрите "Сейсмическая томография и красное смещение спектров".
3.Бесконечная Вселенная устойчива,потому что без центра.Посмотрите "Бесконечность 2".
4.В вечной Вселенной звёзды снова рождаются и содержат водород и гелий.
5.Реликтовое излучение-это излучение бесконечной Вселенной и я бы назвал это излучением Ольберса.В п.2 предполагается,что в случайно-неоднородной среде Вселенной максимальный размер неоднородностей неограничен.Но максимальные размеры звёзд и звёздных скоплений ограничены.И полагаю,что максимальные размеры неоднородностей тоже ограничены.На очень больших удалениях п.2 теряет
значимость,Вселенная становится прозрачной и интенсивность свечения звёзд уменьшается только по причине геометрического расхождения.Это и есть свечение Ольберса.
6.У квазаров сравнительно широкие линии излучения и поглощения.Это и есть причина аномального красного смещения спектров по причине п.2,а не потому,что квазары удаляются с "дикой" скоростью и находятся "шибко" далкко.Кроме того,у одного и того же квазара разные красные смещения спектральных линий в зависимости от ширины линий.

Про мировой заговор не знаю.Но дискриминация есть.Посмотрите "Эдвин Хаббл,Хальтон Арп,Пол Мармет".

Если излучение поглощается какой-то средой, то эта среда обязана нагреваться - закон сохранения энергии-с! Соответственно, в вечной вселенной должно было давным-давно наступить тепловое равновесие между средой и излучателями. И парадокс Ольберса таким образом остается, а не разрешается.
"Размазанность" спектров квазаров имеет простую природу: квазар - не точечный источник, а распределенный, причем имеет области с высоккими относительно квазара скоростями. Это распределение и приводит (главным образом) к уширению спектральных линий. Кстати сказать, и снимки "Хаббла", и наземные инструменты прямо демонстрируют наличие потоков вещества из квазаров. Да и спектры обычных галактик размыты - по той же причине. Наконец, размытость спектров галактик не зависит от величин их хаббловских смещений!
Гравитационная устойчивость не спасается бесконечной вселенной. За бесконечное время существования все вещество должно свалиться в неимоверно массивные объекты, удаленные на едвали ни бесконечные расстояния друг от друга. Ньютон это уже понимал.
Водород просто обязан был выгореть в звездах. Процесс рождения протонов в звездных циклах или иных процесс ах никто никогда не наблюдал, и теоретических моделей для такого процесса неизвестно.
Ну, и так далее.

"Если излучение поглощается какой-то средой,то эта среда обязана нагреваться..."

И не просто нагреваться,а переизлучать энергию на длине волны чёрного тела с температурой 3К.Это одна из гипотез,объясняющих реликтовое излучение межзвёздным газом (Paul Marmet,The 3K mikrowave background and the Olbers paradox,Science,240,705,1988).

Согласен с уширением спектральных линий линий квазаров.Почему квазары занимают избранное положение во Вселенной:чем дальше,тем больше квазаров в еденице обьёма.Но есть ещё сейфертовские галактики с широкими эмиссионными линиями,но они не занимают избранное положение.Потому что не имеют аномального красного смещения?

"...размытость спектров галактик не зависит от величин их хаббловских смещений".Всё верно, с точностью до наоборот.Чем больше ширина спектральных линий,тем больше величина красного смещения в зависимости от удаления до источника.

Ньютон то понимал.А вот Эйнштейн... Чтобы уравновесить силы гравитации,ведущие Вселенную к неизбежному коллапсу,Эйнштейн ввёл в ОТО дополнительное слагаемое-космологический член или мистическую силу отталкивания.Есть поговорка:если нельзя,но очень хочется,то можно.Действитально,если фокусы с теориями относительности прошли,то почему бы для спасения Вселенной не ввести силы отталкивания.

Ньютон полагал,что материя распределена с равномерной плотностью.Ламберт предположил,что Вселенная представляет собой бесконечную иерархическую систему,состоящую из подсистем всё возростающей сложности.Модель Ламберта усовершенствовал Шарлье,что позволило исключить гравитационный парадокс.Без сил отталкивания и таинственного БВ.

Водород-самый распространённый элемент во Вселенной.Предполагать,что когда-то был БВ и поэтому водород не выгорел-не убедительно.Про рождение протонов в звёздых циклах.У нашей звезды есть планеты,которые состоят из множества разновидностей минералов.Если протоны не образуются,почему есть минералы?

"И не просто нагреваться,а переизлучать энергию на длине волны чёрного тела с температурой 3К."
1. А почему именно 3 градуса, а не пять, и не пять тысяч? В вечной вселенной должно было наступить тепловое равновесие, при котором температуры всех тел одинаковы. но этого не наблюдается!
Далее, у разреженного газа (а межзвездный газ именно разрежен) должен быть не спектр черного тела, а полосатый молекулярный спектр. И он действительно есть, и легко отделяется от реликтового фона.
И еще: теория БВ ПРЕДСКАЗАЛА (работы Гамова) спектр и температуру реликтового фона. А позже он был открыт Пензиасом и Растом.
Последнее по этому пункту: поглощение излучения далеких звезд может изменить отношение интенсивностей линий, снизить интенсивность излучения - но привести к сдвигу спектральных линий никак не может.

"Ньютон полагал,что материя распределена с равномерной плотностью.Ламберт предположил,что Вселенная представляет собой бесконечную иерархическую систему,состоящую из подсистем всё возростающей сложности.Модель Ламберта усовершенствовал Шарлье,что позволило исключить гравитационный парадокс.Без сил отталкивания и таинственного БВ."
Все эти иерархические структуры никак не спасают "вечную" вселенную. Они просто не соответствуют наблюдательным данным.

"Водород-самый распространённый элемент во Вселенной.Предполагать,что когда-то был БВ и поэтому водород не выгорел-не убедительно.Про рождение протонов в звёздых циклах.У нашей звезды есть планеты,которые состоят из множества разновидностей минералов.Если протоны не образуются,почему есть минералы?"
Возможно, что вы меня неправильно поняли. Напомню, что протон - это и есть ядро атома водорода. Эти атомы в звездах превращаются в более тяжелые элементы, вплоть до железа, а при катастрофических коллапсах звезд - и в более тяжелые элементы, вплоть до трансуранов, наблюдаемых в спектрах сверхновых. Минералы планет и наших тел - суть продукт метаморфозов "шлака" от взрывов самых древних звезд. Но больше всего в космосе водорода и гелия, которые образовались при БВ в эпоху первичного нуклеосинтеза, и их соотношение неплохо коррелирует с расчетами все того же Гамова.
А вот обратного процесса - превращения тяжелых элементов в легкие - никто никогда не наблюдал, если не считать, конечно, альфа-распада некоторых изотопов. Причина проста: очень уж энергозатратны эти процессы. При распаде тяжелых элементов источник энергии ясен: эта энергия была запасена при взрыве древних звезд. Да и дают такие процессы ничтожное по массе количество легких элементов и огромное - тяжелых, что никак не коррелирует с реальным раскладом по составу вещества в космосе. Опять же, при таких распадах образуется преимущественно гелий, а водород - никогда.

А, вот еще: сейфертовские галактики - это и есть квазары, только либо на завершающей стадии эволюции, либо имеющие джеты, не направленные к наблюдателю.

В статье есть 5 ссылок,объясняющих температуру излучения 3К.Одна из ссылок датирована 1940-м годом.

Гравитационный парадокс решается иерархической структурой Вселенной и это наблюдательные данные.

В вечной Вселенной водород уже бы выгорел в бесконечном прошлом.
Прогнозов апокалипсиса было уже много по причине недостатка знаний.

Какие парадоксы решаемы в рамках известных физических законов?
Парадокс Ольберса.Неоднородная среда есть причина дополнительного затухания волн и красного смещения спектров.Эффект "многолучевости" распространения волн хорошо изучен в радиосвязи.Мы обречены видеть конечную Вселенную бесконечной Вселенной.

Другие парадоксы тоже нужно решать в рамках известных законов физики без непричинного взрывания чего-то и неизвестного закона расширения пространства.

Но есть вопросы,на которые знатоки Большого Взрыва даже не пытаются ответить.
1.Если пространство расширяется,то фотоны тоже должны растягиватся за время длительного путешествия в миллиарды лет независимо от эффекта Допплера?
2.Если пространство расширяется,то элементарные частицы,звёзды и галактики тоже расширяются с момента БВ?
3.Если Вселенная расширяется и есть край Вселенной,то наблюдателю из края Вселенной кажется,что это мы находимся на краю Вселенной.Это следует из закона симметричности (эквивалентности)эффекта Допплера.Вы согласны быть на краю Вселенной?

Полагаю,что возникающие противоречия в гипотезе БВ рождают новые подпорки в виде тёмной энергии и тёмной материи.Если некоторым можно пространство искривлять и время замедлять,то последователям тоже можно темнить с энергией и материей.

Кто неправильно застегнул первую пуговицу,тот неправильно застегнёт и остальные.Народная мудрость.

Ежедневная аудитория портала Проза.ру - порядка 100 тысяч посетителей, которые в общей сумме просматривают более полумиллиона страниц по данным счетчика посещаемости, который расположен справа от этого текста. В каждой графе указано по две цифры: количество просмотров и количество посетителей.