SETI: Поиск Внеземного Разума: читать начало книги онлайн

7.Вайнберг С. Первые три минуты. Современный взгляд на происхождение Вселенной. — М.: Энергоиздат, 1981. 208 с.

8. Новиков И. Д. Эволюция Вселенной. — М.: Наука, 1988. 175 с.

9. Новиков И. Д. Как взорвалась Вселенная. — М.: Наука, 1988. 175 с.

10. Шаров А. С., Новиков И. Д. Человек, открывший взрыв Вселенной. Жизнь и труд Эдвина Хаббла. — М.: Наука, 1989. 205 с.

11. Розенталь И. Л. Проблемы начала и конца Метагалактики. — М.: Знание, 1985. 54 с.

12. Розгачева И. К. Саморегулирующиеся системы во Вселенной. — М.: Знание, 1989. С. 58.

13. Паркер Б. Мечта Эйнштейна: в поисках единой теории строения Вселенной. — М.: Наука, 1991.

14. Сажин М. В. Современная космология в популярном изложении. — М.: УРСС, 2002. 240 с.

15. Куликовский П. Г. Справочник любителя астрономии. — М.: УРСС, 2002. 688 с.

См. также астрономические главы в книгах [3-5] из списка литературы к главе 1.

ГЛАВА 3. Человек и Вселенная

3.1. Шкала масштабов и шкала времени

Теперь, когда мы познакомились с тем, как устроена Вселенная, естественно возникает вопрос: какое место занимает человек в этом мире? Мельчайшая из известных нам материальных структур — нуклон, элементарная частица, входящая в состав атомных ядер, имеет размер порядка 10~¹³ см. А размер человеческого тела порядка 10² см. Представим себе масштабную лестницу, каждая ступень которой отличается по размеру от предыдущей в 10 раз (в логарифмическом масштабе все ступени будут одинаковы). Если взять человека за центр отсчета, то увидим, что 15 ступеней ведут от него в глубь микромира, до самых мельчайших частиц материи. Пройдя столько же ступеней в направлении увеличения масштаба, мы достигнем внешних границ Солнечной системы и приблизимся к ближайшим звездам. Следующие 6 ступеней приведут нас к границам Галактики. А чтобы достичь пределов наблюдаемой области Вселенной, придется пройти еще 5 ступеней. Таким образом, на «масштабно-структурной лестнице» Вселенной человек не занимает среднего положения: 15 ступеней ведут от него «вниз» — в глубины материи, и 26 ступеней ведут «вверх» — в просторы Вселенной. Вследствие подобной «асимметрии» космические масштабы гораздо больше отличаются от масштаба привычных нам вещей, чем объекты микромира. Впрочем, если в качестве наименьшего масштаба принять планковскую длину 10^-33 см, то асимметрия масштабов изменит знак[164].

Посмотрим теперь, в каких временных рамках разворачивается «Вселенская Драма». Как мы видели, с момента Большого взрыва прошло приблизительно 10 млрд лет. Примем этот промежуток времени за некоторый условный Космический Год. Тогда в этой временной шкале 1 Месяц будет соответствовать 830 миллионам земных лет, Сутки — 28 млн лет, Час — 1,2 млн лет, Минута — 20 тысяч лет и Секунда — примерно 300 лет.

В течение первых 10 Минут нашего Космического Года во Вселенной завершился процесс образования первичного вещества — нейтрального водородно-гелиевого газа, из которого возникают все последующие структуры. В середине Января начинается процесс формирования галактик. Наша Галактика образуется, вероятно, в начале Февраля. В течение нескольких Месяцев в Галактике протекает процесс формирования звезд первого и второго поколений, при вспышках сверхновых межзвездная среда обогащается тяжелыми элементами; из этой обогащенной среды возникают звезды третьего поколения, к которому принадлежит наше Солнце. Образование Солнечной туманности начинается, вероятно, в конце Июня. К середине Июля заканчивается формирование Земли как самостоятельного космического тела. Почти сразу же, в конце Июля, на Земле возникают простейшие формы жизни, начинается процесс биологической эволюции. В первые месяцы после происхождения жизни атмосфера сохраняет еще первичный состав. В океане бурно разрастаются водоросли, в результате их жизнедеятельности формируется богатая кислородом вторичная атмосфера Земли. Этот процесс завершается к концу Октября. В Ноябре растения и животные выходят на сушу, жизнь начинает завоевывать континенты. В последней декаде Декабря появляются млекопитающие. А 31 Декабря Космического Года на Земле появляется человек. Вся известная нам (письменная) история человечества, на протяжении которой возникали, возвышались и гибли великие цивилизации, занимает последние полминуты Космического Года. А современная техническая эра нашей цивилизации длится не более одной Космической Секунды.

Таковы пространственно-временные рамки. Теперь нам предстоит выяснить, насколько условия во Вселенной соответствуют появлению в ней человека. Начнем с Земли.

3.2. Система «Гея»

Вероятно, можно сказать, что условия на Земле достаточно благоприятны для появления человека. Однако термин «благоприятны» не очень точен. Когда мы анализируем условия в какой-то системе, с точки зрения возможности существования в ней жизни, нам приходится сталкиваться с тремя типами условий: допустимые, необходимые и достаточные. Между этими типами условий не всегда проводится четкая грань, что приводит к определенным недоразумениям. Чтобы избежать этого, поясним, в каком смысле в дальнейшем будут употребляться эти понятия.

Допустимыми условиями мы будем называть те условия, которые не препятствуют существованию жизни в данной системе. (Условия, которые препятствуют существованию жизни, исключают возможность ее существования, будем называть запрещающими.) Очевидно, в обитаемой системе все условия являются допустимыми.

Определим теперь необходимые условия. Условие будем считать необходимым для жизни, если при наличии этого условия жизнь в данной системе может существовать, а при его отсутствии она становится невозможной. (Отсутствие необходимого условия есть условие запрещающее.) Всякое необходимое условие является допустимым, но не всякое допустимое условие будет необходимым. Допустимые условия могут меняться, мы можем заменить одно допустимое условие другим — жизнь в системе при этом будет сохраняться. Но если мы выйдем за пределы необходимых условий — жизнь в системе станет невозможной. Следовательно, необходимые условия являются предельно допустимыми.

Обычно существует целый комплекс необходимых условий. Если, по крайней мере, одно из них не выполняется, жизнь в данной системе невозможна. Поэтому если выполняется только часть из полного набора необходимых условий, то этого недостаточно для существования жизни. Жизнь в системе может существовать в том и только в том случае, когда в ней реализуется весь набор необходимых условий. Этот набор образует комплекс необходимых и достаточных условий. Ни одно условие в такой системе не является запрещающим, все условия — допустимые, хотя не все из них относятся к классу необходимых и достаточных условий.

После этих предварительных замечаний вернемся вновь к нашей Земле. Напомним, что мы рассматриваем вопрос о месте человека во Вселенной. Человек есть продукт биологической эволюции. По своему генезису и условиям существования он тесно связан с растительным и животным царством. Поэтому условия существования человека на Земле (а значит, и во Вселенной) определяются условиями существования жизни. Причем в данном случае речь вдет о совершенно определенном типе — водно-углеродной жизни, к которой принадлежит человек. В последующих главах мы обсудим возможность существования иных форм жизни, но здесь, поскольку мы анализируем место человека во Вселенной, то, говоря о жизни, будем подразумевать (если не сделано специальных оговорок) именно тот тип жизни, к которому принадлежим мы сами.

Исходя из того, что было сказано выше, можно утверждать, что все условия на Земле являются допустимыми, хотя не все из них необходимы для жизни. (Например, наличие железных дорог не препятствует существованию жизни на Земле в целом, но это условие не является, конечно, необходимым для жизни.) Какие же условия на Земле необходимы для жизни, чтобы она могла нормально развиваться, эволюционировать и, в конце концов, привести к появлению высших форм жизни человека?

Прежде всего необходим поток солнечной энергии, поток тепла и света. Величина потока должна быть такой, чтобы обеспечить необходимый температурный режим на Земле. Для этого планета должна обращаться на определенном расстоянии от Солнца, не слишком близко и не слишком далеко, в пределах так называемой «зоны жизни» (или экосферы). Для Солнечной системы экосфера простирается примерно от 0,7 а. е. до 1,3 а. е. Далее, для жизни необходима атмосфера. Из атмосферы поступает углекислый газ, который является источником питания зеленых растений, и кислород, которым дышат живые организмы. Кроме того, атмосфера надежно защищает поверхность Земли от потока губительных для жизни ультрафиолетовых лучей. Чтобы удержать достаточно мощную атмосферу, масса планеты не должна быть слишком мала, вероятно, не меньше 0,4 массы Земли. С другой стороны, при слишком большой массе сохраняется неблагоприятная для жизни водородно-гелиевая атмосфера, да и планета из-за большого ускорения силы тяжести становится непригодной для человека. Считается, что предельная масса планеты, на которой может жить человек, составляет 2,4 массы Земли (ускорение силы тяжести 1,5 %). Имеет значение также скорость вращения планеты, наклон оси к плоскости орбиты и другие факторы. Мы не будем останавливаться на этой проблеме. Она подробно обсуждалась рядом авторов[165]. Важно подчеркнуть, что условия, необходимые для жизни, связаны не с какими-то второстепенными параметрами, а с главными свойствами, которые характеризуют планету как небесное чело.

Можно поставить вопрос: каким образом получилось так, что на Земле реализовался комплекс необходимых и достаточных условий для возникновения жизни? Почему, например, на Земле имеют место необходимые температурные условия? Пытаясь ответить на последний вопрос, можно рассуждать таким образом (это рассуждение понадобится нам при анализе антропного принципа): в Солнечной системе имеется несколько планет; они расположены на различном расстоянии от Солнца, одна из них попадает в пределы экосферы, на этой планете и создаются необходимые условия для возникновения жизни. Если бы Земля находилась вне экосферы, жизнь на ней была бы невозможна. С таким рассуждением можно согласиться, но тогда возникает следующий вопрос: в «зоне жизни», вообще говоря, могли образоваться планеты разной массы, почему же получилось так, что планета, попавшая в «зону жизни», имеет как раз подходящую массу? Ответ на этот вопрос может быть двоякий. Можно предположить, что имело место случайное совпадение благоприятных обстоятельств, и даже вычислить вероятность такого совпадения. Так многие и поступают. Но можно рассуждать иначе. Мы пока плохо представляем себе процесс формирования планет. Не исключено, что, в силу закономерностей этого процесса, на заданном расстоянии от Солнца (в пределах экосферы) формируются планеты с массой, удовлетворяющей условиям, необходимым для жизни. Ведь существует определенная зависимость между массой планеты и ее расстоянием от Солнца[166]. Если это так, то возникновение на Земле необходимых условий представляется вполне естественным и понятным. Однако по мере того, как мы более детально знакомимся с условиями на Земле, выявляются поразительные обстоятельства.

Рассмотрим, например, термические условия в земной атмосфере. Тепловое состояние атмосферы определяется сочетанием трех основных факторов: поток солнечного излучения, отражательная способность (альбедо) Земли и пропускание земной атмосферы. При определенном сочетании этих факторов достигается термическая стабильность атмосферы: усредненная по всей поверхности Земли среднегодовая температура атмосферы остается постоянной. Само по себе это не должно нас удивлять. В живой и неживой природе мы постоянно сталкиваемся с саморегулирующимися системами, в которых те или иные параметры поддерживаются в заданных пределах.

Во всех этих примерах (число которых можно было бы многократно умножить) саморегулирование осуществляется благодаря так называемой отрицательной обратной связи: изменение регулируемого параметра приводит к тому, что внутри системы включаются регулирующие механизмы, которые возвращают регулируемый параметр к прежнему значению, поддерживая стабильное состояние системы. Но все дело в том, что земная атмосфера не является системой с отрицательной обратной связью. На это обращает внимание венгерский физик-теоретик Г. Маркс[167]. Температура поверхности Земли, как уже отмечалось, определяется тремя факторами: потоком солнечной энергии, отражательной способностью (альбедо) Земли и пропусканием земной атмосферы. Малейшее понижение среднегодовой температуры ведет к увеличению снежного покрова и, как следствие, к повышению альбедо. А это, в свою очередь, приводит к понижению температуры и т. д. Следовательно, раз начавшись, процесс похолодания будет нарастать. Аналогично, повышение температуры, согласно Марксу, приводит к увеличению содержания углекислого газа и водяного пара в атмосфере, а это ведет к увеличению парникового эффекта и, следовательно, к дальнейшему повышению температуры. Подобные системы называются системами с положительной обратной связью. Равновесие их крайне неустойчиво, оно не может поддерживаться за счет внутренних регулирующих механизмов. Применительно к земной атмосфере проблема, как подчеркивает Маркс, усугубляется гем, что все при фактора, от которых зависит температура, меняются со временем и притом различным образом. Тем не менее на протяжении почти 4 миллиардов лет на Земле сохраняется постоянство температуры с точностью до 10%. В условиях положительной обратной связи это требует очень эффективного механизма внешней регулировки.

Какой фактор может осуществить такую регулировку? Термический баланс в значительной мере определяется пропусканием земной атмосферы, а пропускание зависит от ее химического состава. Следовательно, регулируя химический состав в атмосфере, можно, в принципе, стабилизировать температуру. Но при этом состав атмосферы не может изменяться произвольно, ибо для поддержания жизни необходим определенный химический состав. В современной атмосфере Земли химический баланс поддерживается очень точно. Маркс (со ссылкой на Дж. Лавлока) приводит следующий пример, связанный с содержанием кислорода в атмосфере и ее влажностью. Современная концентрация кислорода составляет 21%. Если бы она была ниже 10%, то горение было бы невозможно, даже при использовании в качестве топлива сухой древесины. (Между тем, мы знаем, какое важное значение для человека имеют процессы горения на Земле.) С другой стороны, если бы концентрация кислорода превысила 25%, то горели бы даже сырая трава и лес под дождем. При современной концентрации зеленая трава и лес не горят, если влажность превышает 15%. Вновь проблема состоит не столько в том, как установилось подобное сочетание параметров (хотя и это очень важно), сколько в том — как оно поддерживается. Ведь кислород постоянно воспроизводится в земной атмосфере в процессе фотосинтеза и выводится из нее вследствие процессов горения, дыхания, выветривания и т. д. В результате каждые 1000 лет атмосферный кислород полностью обновляется. Каким образом при этих условиях сохраняется его концентрация? Маркс замечает в связи с этим, что «термическая и химическая стабильность земной атмосферы скорее похожа на чудо, чем на необходимость»[168].

В наших рассуждениях, говоря о положительной обратной связи, мы не принимали во внимание фактор жизни. По мысли Маргулиса и Лавлока, именно жизнь выполняет роль регулирующего механизма. Она сама регулирует химический состав и температуру нижней атмосферы. Ибо рост организмов, с одной стороны, зависит от химического состава и температуры, а с другой стороны, влияет на химические процессы в окружающей среде с участием тех газов, которые необходимы для продолжения жизнедеятельности, в том числе с участием газов, регулирующих температуру Земли. Например, потепление климата ведет к увеличению биомассы организмов, которые в процессе своей жизнедеятельности используют фотосинтез. Благодаря этому количество углекислоты в атмосфере сокращается, что ведет к похолоданию. В результате восстанавливается прежнее значение температуры и (благодаря уменьшению биомассы) прежнее количество углекислого газа. Таким образом, если не рассматривать атмосферу изолированно, а в соответствии с концепцией Э. Зюсса и В. И. Вернадского, включить ее вместе с соответствующими слоями гидросферы и литосферы, заполненными «живым веществом» в единую систему биосферы Земли, то в такой системе будет действовать регулирующая отрицательная обратная связь. Лавлок и Маргулис назвали эту систему Геей, по имени древнегреческой Богини Земли.

Гея включает в себя полную систему жизни на Земле, т. е. все организмы, а также производимые и потребляемые ими газы, жидкости и твердые вещества. Лавлок рассматривает Гею, как гигантский живой организм, возникший в результате 4 млрд лет эволюции на Земле. Подобно любому живому организму, Гея стремится сохранить детальное равновесие, которое обеспечивает оптимальные условия для сохранения и воспроизведения жизни, т. е. для ее собственной жизнедеятельности. Все живые организмы на Земле, включая человека, являются частью этой сложной живой системы. Гея обеспечивает нас пищей, воздухом для дыхания и создает благоприятный для нас климат. Но каким образом мог возникнуть этот Сверхорганизм? Маркс считает, что, поскольку Гея существует в единственном экземпляре, она не может быть продуктом эволюции типа биологической, которая имеет дело не с отдельными организмами, а с их популяциями. «Поэтому, если она существует на самом деле, — заключает Маркс, — она не может быть спонтанно возникшим объектом, но вполне может быть разумным артефактом, перенесенным на Землю извне»[169]. То есть говоря более определенно, мы можем допустить, что система Гея была спроектирована и осуществлена высокоразвитыми Внеземными Цивилизациями — Строителями Космоса. Если это так, то человек занимает на Земле то место, которое отведено ему этим Проектом. А каково место человека во Вселенной?

[164] Интересные данные о масштабной структуре Вселенной можно найти в книге: Суханос С.И. Масштабная гармония Вселенной. — М.: София, 2000.

[165] См., например: Опарин А.И., Фасенков В.Г. Жизнь во Вселенной. — М.: Изд-во АН СССР, 1956-, Шепли X. Звезды и люди. — М.: ИЛ, 1962; Доул С. Планета для людей.— М.: Наука, 1974; Голдсмит Д., Оуэн Т. Поиски жизни во Вселенной.— М.: Мир, 1983; Шкловский И. С. Вселенная, жизнь, разум. — М.: Наука, 1987; Хоровиц Н. Поиски жизни в Солнечной системе. —- М.: Мир, 1988.

[166] Для планетных систем других звезд эта зависимость может не выполняться. Обнаруженные в последние годы планетные системы у других звезд обладают характеристиками, резко отличными от Солнечной системы. В связи с этим сейчас пересматриваются представления о формировании планетных систем. По-видимому, существуют два разных процесса, которые приводят к формированию двух разных типов планетных систем.

[167] Маркс Г. Проблема одновременности / Проблема поиска жизни во Вселенной. — М.: Наука, 1986. С. 74-81.

[168] Маркс Г. Цит. работа, с. 78.

[169] Маркс Г. Цит. работа, с. 80.