Необратимость процессов в природе и "стрела времени"

Расширение Вселенной имеет всеобщий, всемирный характер, и, казалось бы, лучшего процесса для обоснования направленности времени подобрать нельзя. Тем не менее существуют серьезные препятствия для этого. Действительно, расширение Вселенной проявляется во взаимном удалении галактик и их скоплений друг от друга. Но это отнюдь не означает всеобщего растяжения всех расстояний и длин в мире. Размеры всех тел во Вселенной не возрастают со временем, – они никак не ощущают движения галактик. Общее космологическое расширение представляет собой далекий фон пространственно-временной метрики, который совершенно не сказывается на свойствах пространства и времени в масштабах звезд, планет или тел, находящихся на поверхности Земли. То, что это так, строго доказано А. Эйнштейном методами общей теории относительности в 1945 г. [1]. «Свойства мира планет такие же, как если бы не существовало ни космического расширения, ни кривизны», – заключает Эйнштейн [2]. Эта теорема является опять-таки частным случаем принципа локальности физических явлений. Поэтому против космологической стрелы справедливы возражения того же рода, что и против термодинамической. Если бы космологическое расширение определяло стрелу времени, то должно было бы существовать какое-то физическое воздействие на часы в конкретной локальной области, которое непрерывно сообщало бы им, что происходит со Вселенной. Но такого воздействия, как показал Эйнштейн, не существует. Следовательно, можно сделать вывод, что космологическая стрела не может служить основанием для представления о направленности времени.

Опыт показывает, что в настоящее время Вселенная расширяется. Однако отнюдь не обязательно, что это расширение будет продолжаться всегда. В релятивистской космологии существуют модели, в которых расширение Вселенной в какой-то момент ее эволюции сменится сжатием. Что же, при этом стрела времени изменит свое направление и время потечет вспять? Конечно, нет. Сжатие будет происходить в том же времени, в каком происходило расширение. Здесь снова речь идет об изменении направления процесса эволюции Вселенной, но вовсе не времени, в котором происходит эта эволюция. «Если бы стрела времени сменила направление, то в сжимающейся Вселенной лучи света, например, вместо того чтобы излучаться звездами и уходить в мировое пространство, входили бы в звезды и т.д. Это явно бессмысленно» [3].

1. Эйнштейн А., Страус Э. Влияние расширения пространства на гравитационные поля, окружающие отдельные звезды // Эйнштейн А. Собрание научных трудов. – М., 1966. – Т. 2. – С. 623, 632.
2. Эйнштейн А. Собрание научных трудов. – М., 1966. – Т. 2. – С. 635
3. Зельдович Я.Б., Новиков И.Д. Строение и эволюция Вселенной. – М.: Наука, 1975. – С. 714. 
   

Геологическая стрела времени

Из широко известных взглядов на происхождение Земли ближе всего современным научным фактам отвечает теория О.Ю. Шмидта (1948), согласно которой Земля и другие сателлитные объекты Солнца являются производными космического газо-пылевидного облака. В процессе неравномерных вихревых движений в различных его частях произошло обособление сгустков, послуживших субстратом протопланетарных и других тел Солнечной системы. По мере удаления от Солнца планет, вращающихся вокруг него по эллиптическим орбитам, выделяются внутренние планеты и отделенные от них поясом астероидов - внешние. К первым из них относятся Меркурий, Венера, Земля и Марс. Ко вторым - Сатурн, Уран, Нептун, Плутон. Внутренние планеты относительно внешних характеризуются меньшими размерами, высокой плотностью, незначительной по массе атмосферой и небольшой скоростью осевого вращения.

Глобальную эволюцию Земли, образованной из космически холодного газо-пылевидного облака, на рубеже 20-21 веков стали моделировать во взаимосвязи с теорией тектоники плит.

В геологической истории развития Земли выделяют три крупных эона с возрастом (млрд. лет назад): катархей (от 4,6 до 4,0-3,6), архей (от 4,0-3,6 до 2,6) и протерозой вместе с фанерозоем (2,6-0,0).

В целом эволюция Земли имеет направленный и необратимый характер от холодной и практически изотропной по составу и строению безжизненной планеты в катархее до её современного состояния.

В катархее разогрев Земли осуществлялся за счёт радиогенной и приливной энергии. Последняя максимально проявилась в экваториальном поясе, согласно плоскости орбиты вращения Луны. В начале архея на глубинах более 200 км началось плавление первичного субстрата. Получив глобальное распространение, оно привело к его химико-плотностной дифференциации, зарождению ядра и мантии, и возникновению связанного с нею нового более мощного источника энергии. Энергия гравитационной дифференциации привела к дальнейшему разогреву Земли проявлению зонной плавки, выразившейся в сепарации никеля и оксидов железа от силикатных, менее плотных соединений. В процессе такой сепарации произошло формирование ядра Земли: внешнего, состоящего из расплава железа, и внутреннего - железоникелевого сплава. С образованием ядра и мантии связаны периодическое упругое сжатие Земли и возникновение восходящих и нисходящих конвективных потоков мантийного вещества и энергии, так называемых плюмов.

Мантийная конвекция, проявившаяся на протяжении всей дальнейшей истории Земли, генерировала глобальные геологические процессы.

В архее над восходящими конвективными патоками возникали маломощные базальтоидные пластины океанической коры. Над нисходящими потоками происходило торошение и скучивание этих пластин с частичным их переправлением. Такие процессы, названные обдукцией, обусловили формирование континентальных литосферных плит. С ними также связано возрастание плотности мантийных пород под океанической корой и последующее, начиная с протерозоя, возникновение зон поддвига плит, или субдукции. Дальнейшее геологическое развитие Земли увязывается с основными теоретическими положениями тектоники литосферных плит.

С момента формирования плотного земного ядра (2,8-2,6 млрд. лет назад) эволюция континентальной коры протекала циклично в процессе разогрева или охлаждения мантии и периодического изменения скорости и направления конвективного массообмена. В процессе химико-плотностной конвекции в мантии последовательно и попеременно возникали одноячеистые (четные) и сменявшие их двухъячеистые (нечетные) конвективные структуры.

Синхронно с одноячеистыми структурами происходило столкновение континентальных плит с образованиями суперконтинентов и коллизионных складчатых поясов. С двухъячеистыми структурами связаны деструктивные эпохи (2.3, 1.5 и 0,7 млрд. лет), сопровождавшиеся расколами континентов и активными проявлениями базальтоидного магматизма в рифтовых зонах.

Обособление в конце архея в начале протерозоя над нисходящими в мантии конвективными потоками относительно легкого силикатного расплава привело к его всплытию и формированию в экваториальной части Земли первого в её истории суперконтинента Моногеи. Спустя 200 млн. лет произошло его дробление, в результате которого многие ранее спаявшиеся в кеноранскую эпоху глобальной орогении континентальные плиты (щиты) вновь обособились. В следующие чётные после архея конвективные циклы (nc - 2,4 и 6) и совпадающие с ними по времени глобальные орогении (свекофенская 1,9-1,8; гренвильская 1,1-1,0; герцинская 0,3-0,2 млрд. лет) произошло образование единых суперконтинентов (соответственно: Мегагеи, Мезогеи и Пангеи) с глобальными складчатыми поясами. Периоды стабилизации этих суперконтинентов (100-150 млн. лет) сменялись более продолжительными периодами их раскола.

Эпоха распада Мегагеи характеризуется возникновением в раннем рифее внутриплатформенных рифтов и авлакогенов и глобальных анорогенных вулкано-плутонических поясов по окраинным рифтогенным структурам (например, Северо-Американской платформы или западной окраины Восточно-Европейской платформы).

Сформировавшаяся в среднем рифее на одноячеистой конвективной структуре Мезогея в позднем рифее и венде распалась с возникновением двухячеистой конвективной структуры на два приполярных суперконтинента: северный - Лавразию и южный - Гондвану, разделенных широким кольцевым океаническим бассейном Прототетис. Лавразия развивалась на восходящем конвективном потоке в мантии с образованием в венде рифтов и сопряженных с ними пассивных континентальных окраин. Напротив, в это время Гондвана под воздействием нисходящего конвективного потока испытывала напряжение сжатия, что привело к возникновению орогенов на месте океанических трогов и бассейнов.

Деструктивные процессы пятого конвективного цикла достигли апогея около 0,7 млрд. лет назад, после чего центробежный дрейф континентов изменил направление к их консолидации в суперконтинент - Пангею.

Конфигурация Пангеи по длине была ориентирована вдоль оси вращения Земли. Распад Пангеи в мезозое и кайнозое в результате последующего центробежного дрейфа континентов, соответствующего седьмому конвективному циклу, привел к современному их расположению. Возникновение следующего суперконтинента, названного Гипергеей, возможно произойдет через 1,6 млрд. лет.

Геодинамические обстановки, реконструируемые по геологическим и рудным формациям и комплексам, палеомагнитным и геоморфологическим данным, возникали в различные геологические эпохи (циклы) в результате взаимодействия литосферных плит между собой и внутриплитных тектонических процессов. Такие обстановки выделяют по типам земной коры и подвижности.

Как известно, по составу и строению различают континентальный и океанический типы земной коры, слагающие соответственно континенты и подстилающую акваторию (ложе) океанов, и переходный между ними субконтинентальный и субокеанический типы. 

Биологическая стрела времени: 
от биосферы к ноосфере

Возникновение и развитие многоклеточной организации

Следующая после возникновения одноклеточных ступень эволюции заключалась в образовании и прогрессивном развитии многоклеточного организма. Эта ступень отличается большой усложненностью переходных стадий, из которых выделяются колониальная одноклеточная, первично - дифференцированная, централизованно - дифференцированная.

Колониальная одноклеточная стадия считается переходной от одноклеточного организма к многоклеточному и является наиболее простой из всех стадий в эволюции многоклеточной организации.

Недавно обнаружены самые примитивные формы колониальных одноклеточных, стоящих как бы на полпути между одноклеточными организмами и низшими многоклеточными (губками и кишечнополостными). Их выделили в подцарство Меsozoa, однако в эволюции на многоклеточную организацию представителей этого полцарства считают тупиковыми линиями. Большее предпочтение при решении вопроса о происхождении многоклеточности отдается колониальным жгутиконосцам (Gonium, Pandorina, Volvox). Так, колония Gonium состоит из 16 объединенных клеток-жгутиконосцев, однако без всякой специализации их функций как членов колонии, т. е. представляет собой механический конгломерат клеток.

Первично-дифференцированная стадия в эволюции многоклеточной организации характеризуется началом специализации по принцип «разделения труда» у членов колонии. Элементы первичной специализации наблюдаются у колоний Pandorina morum (16 клеток), Eudorina elegans (32 клетки), Volvox globator (тысячи клеток). Специализация у названных организмов сводится к разделению клеток на соматические, осуществляющие функции питания и движения (жгутики), и генеративные (гонидии), служащие для размножения. Здесь наблюдается и выраженная анизогамия. На первично-дифференцированной стадии происходит специализация функций на тканевом, органном и системно-органном уровне. Так, у кишечнополостных уже сформировалась простая нервная система, которая, распространяя импульсы, координирует деятельность двигательных, железистых, стрекательных, репродуктивных клеток. Нервного центра как такового еще нет, но центр координации имеется.

С кишечнополостных начинается развитие централизованно-дифференцированной стадии в эволюции многоклеточной организации. На этой стадии усложнение морфофизиологической структуры идет через усиление тканевой специализации, начиная с возникновения зародышевых листков, детерминирующих морфогенез пищевой, выделительной, генеративной и других систем органов. Возникает хорошо выраженная централизованная нервная система: у беспозвоночных - ганглиолярная, у позвоночных - с центральным и периферическим отделами. Одновременно совершенствуются способы полового размножения - от наружного оплодотворения к внутреннему, от свободной инкубации яиц вне материнского организма к живорождению.

Финалом в эволюции многоклеточной организации животных было появление организмов с поведением «разумного типа». Сюда относятся животные с высокоразвитой условно-рефлекторной деятельностью, способные передавать информацию следующему поколению не только через наследственность, но и надгаметным способом (например, передача опыта молодняку посредством обучения). Заключительным этапом в эволюции централизованно-дифференцированной стадии стало возникновение человека.

Рассмотрим этапы развития человека:

Рамапитек.

Ряд ученых полагают, что только 14 млн лет назад на нашей планете появилась обезьяна, которую можно отнести к семейству гоминид. Это рамапитек. Обитал он на территории современных Индии, Восточной Европы, России. В отличие от первых человекообразных обезьян, задние зубы рамапитека были более широкими и плоскими, а между задними и передними зубами появились клыки. Питались рамапитеки растительной пищей: семенами злаков, кореньями, листьями и стеблями растений. Их необходимо было искать, срывать или выкапывать, подносить ко рту, совершая при этом множество движений передними конечностями, постоянно наклоняясь, разгибая и выпрямляя спину.

Австралопитек.

На смену рамапитеку пришли другие гоминиды, из них лучше всего изучены австралопитеки. Многочисленные их остатки найдены на территории Южной и Восточной Африки. Возраст остатков австралопитеков колеблется от 5,5 до 1 млн лет. Австралопитеки были значительно больше похожи на человека, чем их предшественники. Это были небольшие, прямоходящие существа (рост 120—130см, масса 25—45 кг), с плоским лицом и объемом мозга, равным в среднем 530 см3 (что несколько больше, чем у современных человекообразных обезьян). Однако считать австралопитека предком человека нельзя, поскольку никаких, даже примитивных, орудий, которыми он пользовался, не найдено (ведь известно, что изготовление и использование орудий труда — один из основных признаков человека).

Человек умелый.

В этот же исторический период существовало животное, внешне очень входное с австралопитеком. Объем его головного мозга был значительно больше — до 650— 1100см3. Стопа, как и у современного человека, имела свод, т. е. он свободно ходил на двух ногах. Кисти этого гоминида были более совершенны, большой палец был противопоставлен указательному. Значит, он мог держать в руках каменные орудия и использовать их в работе. Действительно, ученым удалось обнаружить несколько примитивных инструментов из камня на месте их стоянок. Ученые дали этому гоминиду название Человек умелый. Полагают, что именно он является первым представителем самых древних людей.