Лев Гиндилис – SETI: Поиск Внеземного Разума (страница 59)
Классическим примером самоорганизации является образование ячеистой структуры в силиконовом масле. Если сосуд с маслом подогревать снизу, то в плоском горизонтальном слое масла возникают беспорядочные неоднородности плотности. Развитие этих начальных неоднородностей приводит к тому, что, независимо от формы и размера сосуда, образуется вполне упорядоченная структура в виде шестигранных ячеек. Жидкость поднимается в центре каждой ячейки и опускается вблизи ее граней. Исходное состояние системы — однородная бесструктурная жидкость, конечное состояние — шестигранная структура. Существенным моментом в этом процессе является то, что для образования структуры необходим приток тепла снизу.
В общем случае процесс самоорганизации в открытых системах можно представить следующим образом. Поток энергии через первоначально однородную среду выводит ее из равновесного состояния. В системе начинают развиваться неустойчивости, т. е. возникают случайные (стохастические) движения частиц. Благодаря взаимодействию частиц их движения, по крайней мере частично, становятся согласованными. Такое состояние называется
Таким образом, если развитие неустойчивостей в системе приводит к возникновению хаоса с очень большим временем перемешивания, много большим времени наблюдения (как если бы мы на некоторое время остановили вращение своего калейдоскопа), то будет наблюдаться определенная структура. С этой точки зрения, процесс самоорганизации можно рассматривать как рождение определенной структуры из хаоса возможных структур.
Очень заманчиво применить эти идеи в астрономии для интерпретации различных космических структур. Астросинергетика делает пока только первые шаги, но она уже добилась определенных успехов[151].
Нас интересует образование структуры Вселенной из первоначально бесструктурной материи (Космического хаоса). Решающую роль в этом процессе играло тяготение. В однородном веществе всегда существуют хотя бы небольшие флуктуации плотности. При определенных условиях они под действием тяготения начинают уплотняться (мы касались этого вопроса в пункте, посвященном образованию звезд), в результате однородное вещество распадается на отдельные сгустки. Этот процесс называется гравитационной неустойчивостью. Именно гравитационная неустойчивость и ответственна за образование структуры Вселенной.
Во Вселенной первичные флуктуации плотности образовались с самого начала, еще при распаде вакуумно-подобного состояния. Они и явились теми семенами, из которых позднее образовались скопления галактик и отдельные галактики. В процессе эволюции Вселенной до эпохи рекомбинации все неоднородности с малой массой затухают, и в нейтральном веществе, оказавшемся после рекомбинации, остаются только массивные неоднородности. Из них-то и образуются галактики и скопления галактик. Надо отметить, что величина отклонения плотности от среднего значения в этих флуктуациях Δρ/ρ в момент рекомбинации очень мала (это следует из наблюдений реликтового излучения), так что вещество практически является однородным. Но под влиянием гравитации неоднородности начинают уплотняться — развивается гравитационная неустойчивость. Из теории, развитой Я. Б. Зельдовичем и его сотрудниками, следует, что в результате сжатия образуются тонкие плоские образования, которые авторы назвали «блинами». Масса «блинов» порядка массы скоплений галактик. Вероятно, они представляют собой протоскопления. Линии пересечения «блинов» образуют плотные волокна, а пересечение волокон — плотные узлы. Из них образуются сверхскопления и самые богатые скопления галактик. Эволюция «блина» приводит к тому, что в его центральных частях вещество распадается на сгустки порядка массы галактик, а во внешних частях остается нагретый газ, который входит в состав формирующегося скопления.
Разумеется, это очень грубая картина. Существуют и другие варианты теории. Процесс формирования структуры Вселенной до конца не ясен. Но каковы бы ни были детали этого процесса, ясно, что в основе его лежит гравитационная неустойчивость.
Мы видели, что в процессе самоорганизации в открытых системах неустойчивость, развитие которой приводит к образованию определенной структуры, возникает за счет притока энергии извне. Вселенная не является открытой системой, поэтому в ней развитие неустойчивостей может происходить только за счет внутренней энергии. Конечно, такой энергией служит энергия гравитационного поля. Следует отметить одно важное обстоятельство. По мере развития гравитационной неустойчивости и образования все новых и новых структур энтропия Вселенной возрастает. При этом рост энтропии сопровождается появлением все новых и новых структур, и процессы не замирают, как можно было бы ожидать, а развиваются. За счет чего это происходит? Счастливое для Вселенной (и для нас с вами) обстоятельство состоит в том, что гравитационная энергия отрицательна. В процессе уплотнения сгущений потенциальная гравитационная энергия уменьшается (модуль ее растет, а сама энергия, будучи отрицательной, уменьшается). А так как полная энергия системы, равная сумме потенциальной и кинетической, сохраняется, то уменьшение потенциальной энергии сопровождается ростом кинетической. Положительная кинетическая энергия (не даром ее назвали «живая сила») может переходить в другие виды энергии и, следовательно, служить источником самых разнообразных процессов. Поэтому рост энтропии, сопровождающий развитие гравитационной неустойчивости, не приводит к замиранию процессов во Вселенной.
Развитие гравитационной неустойчивости во Вселенной означает, что в ней развивается динамический хаос. «Если Вселенная находится в состоянии динамического хаоса, — отмечает И. К. Розгачева, — то ей суждена эволюция с бесконечной сменой структур, которые могут оказаться более совершенными, чем наблюдаемые нами галактики, звезды и живые существа. Встав на эту точку зрения, можно не согласиться с замечанием С. Вайнберга, что “чем постижимей представляется Вселенная, тем более она кажется бессмысленной”. Конечно же в идеальном хаосе нет ни смысла, ни гармонии. В космическом же хаосе есть “законы, охраняющие сокровища жизни, которыми украшает себя Вселенная” (Гете)»[152].
2.2.5. Будущее Вселенной.
Как бы интересна ни была история Вселенной — она уже состоялась, и мир, в котором мы живем, существует. А какова дальнейшая судьба этого мира и населяющих его разумных существ, каково будущее Вселенной? В отличие от прошлого, которое оставило свои следы, помогающие воссоздать историю Вселенной, будущее не имеет следов в нашем мире. Изучение его может основываться только на экстраполяции протекающих сегодня процессов. Зная законы механики, мы можем на много лет вперед предвычислять положение планет, предсказывать солнечные затмения и т. д. Точно так же, зная законы развития Вселенной, можно предсказать ее будущее. Чем точнее мы знаем законы эволюции, и чем ближе по времени рассматриваемый момент к современной эпохе — тем точнее будут наши предсказания. Не исключено, что в будущем (в реальной Вселенной, а не в нашей идеальной модели!) возникнут такие условия, при которых проявятся неизвестные нам законы природы. Тогда наши предсказания, основанные на известных сегодня законах, окажутся неточными, а для далекого будущего — неверными. Все это надо иметь в виду при изучении будущего Вселенной. С учетом этих оговорок рассмотрим, какова картина будущего, вытекающая из установленных на сегодня фундаментальных законов физики, какова судьба окружающего нас физического мира.
Мы видели, что будущее развитие Вселенной зависит от плотности материи. Если средняя плотность физической материи меньше или равна критической, Вселенная будет расширяться неограниченно; если она больше критической — расширение сменяется сжатием. Рассмотрим оба сценария в отдельности. Начнем с открытой модели.
В своей увлекательной книге «Как взорвалась Вселенная» И. Д. Новиков приводит слова одного из создателей современной космологии бельгийского астронома Ж. Деметра: «Эволюцию мира можно сравнить со зрелищем фейерверка, который мы застали в момент, когда он уже кончается: несколько красных угольков, пепел и дым. Стоя на остывшем пепле, мы видим медленно угасающие солнца и пытаемся воскресить исчезнувшее великолепие начала миров»[153]. Похоже, что аббат Деметр несколько сместил акценты. Наша Вселенная, скорее всего, находится в самом расцвете своего развития. Но несомненно, что в будущем, когда исчерпаются запасы ядерного горючего в звездах, они перестанут светить, превратившись в холодные черные карлики (см. и. 2.1.3). Это произойдет через 1014 лет. Любопытно, что длительность звездной стадии эволюции Вселенной по порядку величины совпадает с Махакальпой (см. стр. 258).