Вопросы о нашем происхождении — биологическом, химическом и космическом — являются самыми глубокими из тех, что мы можем задать. Вот лучшие ответы на сегодня.
Во всем мире, а возможно, и во всей Вселенной, нет более важного вопроса, чем вопрос о собственном происхождении. Для нас, как для людей, этот вопрос часто возникает в раннем детстве: мы видим, касаемся и познаем мир вокруг нас, и задаемся вопросом, откуда все это взялось. Мы смотрим на себя и на окружающих, и размышляем о собственном происхождении. Даже когда мы смотрим на небеса и любуемся захватывающими видами ночного неба — Луной, планетами, звездами, величественной плоскостью Млечного Пути, а также объектами дальнего космоса — нас наполняет чувство благоговения, и мы задаемся вопросом, откуда появились эти светила, и, возможно, даже бескрайняя, пустая тьма, которая их разделяет.
На протяжении тысячелетий у нас были лишь истории, которые служили нам ориентиром: мифология и непроверенные, необоснованные идеи, рожденные человеческим воображением. Однако научное знание впервые в истории нашего вида дало нам убедительные, основанные на фактах ответы на многие из этих вопросов, которые позволяют нам осмыслить не только природу, но и историю того, как мы появились. Достижения в биологии, химии и физике 19-го, 20-го, а теперь и 21-го веков позволили нам соткать богатую ткань знаний, которая наконец-то отвечает на вопрос, который так долго задавали себе многие из нас: «Откуда мы произошли?»
Итак, вот где мы находимся сегодня, вплоть до границ того, что известно в настоящее время.
Содержание
Потомки непрерывной цепи организмов
Биологически мы являемся потомками непрерывной, неразрывной цепи организмов, которая уходит корнями примерно на четыре миллиарда лет назад.
Вы — ребенок своих родителей: генетической матери и генетического отца, каждый из которых дал 50% вашего генетического материала. Этот генетический материал содержит огромное количество информации, указывающей вашему телу, какие белки и ферменты производить, как их комбинировать, а также где и когда активировать различные реакции. Ваша генетика объясняет почти все о вашем теле, от цвета глаз до типов вырабатываемых эритроцитов и наличия или отсутствия искривления носовой перегородки. Ваши мать и отец, в свою очередь, являются потомками своих генетических родителей — ваших бабушек и дедушек, которые, в свою очередь, были потомками ваших прабабушек и прадедушек, и так далее.
Оказывается, если мы будем отслеживать нашу родословную все дальше и дальше в прошлое, мы обнаружим, что организмы меняются на протяжении очень долгих периодов времени, эволюционируя в процессе. Эта эволюция обусловлена сочетанием случайных мутаций и естественного отбора, когда организмы, наиболее приспособленные для выживания и наиболее адаптируемые к изменениям, происходящим в их условиях и окружающей среде, не исключаются из процесса, и их линии продолжаются. Мы можем экстраполировать это все дальше и дальше, до тех времен, когда предками человека были:
- другие члены рода Homo,
- просто гоминиды, предшествовавшие появлению нашего рода,
- приматы, предшествовавшие эволюции гоминидов,
- млекопитающие, предшествовавшие любым приматам: обезьянам или человекообразным обезьянам,
- вплоть до одноклеточных бесполым образом размножающихся организмов, существовавших миллиарды лет назад.
Самые древние и отдалённые во времени свидетельства жизни на Земле относятся как минимум к 3,8 миллиарда лет назад — к эпохе, когда сформировались самые старые осадочные породы, частично сохранившиеся до наших дней. Возможно, Земля была заселена ещё раньше: косвенные данные (основанные на соотношении изотопов углерода в цирконовых отложениях ещё более древних пород) позволяют предположить, что уже 4,4 миллиарда лет назад наша планета могла кишеть жизнью.
Однако в какой-то момент, в условиях только что сформировавшейся планеты, жизни на Земле ещё не существовало вовсе. В какой-то момент здесь впервые возник живой организм. Не исключено, что верна нестандартная гипотеза панспермии, согласно которой жизнь на Земле была занесена из космоса — из какой-то другой точки Вселенной, где она естественным образом возникла из неживой материи.
Тем не менее, в какой-то момент космической истории жизнь всё же возникла из неживой материи. На сегодняшний день точно неизвестно, как именно это произошло и что появилось первым:
— клеточная структура, отделяющая внутреннюю среду потенциального организма от внешней среды,
— цепочка нуклеиновых кислот, кодирующая информацию и обеспечивающая возможность воспроизводства,
— или сценарий, в котором первым возник метаболизм: белок или фермент, способный извлекать энергию из окружающей среды, а воспроизводство и клеточная организация появились позже.
Хотя точный путь этого процесса нам пока неизвестен, жизнь в далёком прошлом действительно возникла из исходно неживых компонентов.
Точка зарождения жизни
Таким образом, с точки зрения химии, в какой-то момент в прошлом, будь то на Земле или в ином месте, возник организм, способный к метаболизму и репликации, что положило начало жизни.
Однако для того, чтобы жизнь на Земле вообще могла существовать, должна была сначала возникнуть сама Земля, а вместе с ней и вся наша Солнечная система. Так откуда же появились Земля, Солнце и остальные объекты Солнечной системы? Чтобы ответить на этот вопрос, мы можем обратиться к двум различным аспектам самой природы:
Во-первых, мы можем изучить различные радиоактивные изотопы элементов (и их соотношения) и использовать их для определения возраста Земли, Солнца и различных primordial тел (астероидов и объектов пояса Койперa) в нашей Солнечной системе, установив тем самым время ее формирования.
А во-вторых, мы можем наблюдать за процессами звездообразования (и гибели звезд) по всей галактике и Вселенной, чтобы понять, как звезды рождаются, живут и умирают, а затем использовать эти данные, чтобы восстановить историю возникновения нашего Солнца и Солнечной системы.
В XXI веке мы уже основательно изучили об этих аспекта. Возраст Солнечной системы составляет около 4,56 миллиарда лет, причем Земля немного моложе, а Луна младше Земли примерно на 50 миллионов лет. Наша система сформировалась из молекулярного газового облака, которое сколлапсировало и дало начало звездам, а планеты (включая первичные планеты, которые, возможно, были позднее выброшены или разрушены) возникли из протопланетного диска, окружавшего наше молодое прото-Солнце. И теперь, спустя более четырех с половиной миллиардов лет, остались лишь выжившие, включая нас.
Момент сотворения
Как и все звездные и планетные системы, наша Солнечная система сформировалась в результате коллапса молекулярного облака, что запустило процесс звездообразования и привело к возникновению Земли, Солнца и других объектов.
После своего образования Земля довольно скоро стала колыбелью жизни. Была ли ее основой дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК), рибонуклеиновая кислота (РНК) или пептид-нуклеиновая кислота (ПНК), но в какой-то момент прошлого возникла молекула, которая кодировала производство белка или фермента, способного метаболизировать энергию, а также могла реплицироваться и воспроизводить себя: это стало ключевым шагом на пути к современным живым организмам. Но для образования этих молекул необходимо было наличие молекул-предшественников: таких как аминокислоты, сахара, фосфорсодержащие группы и так далее. Они, в свою очередь, требовали набора исходных атомных компонентов, включая:
- водород,
- углерод,
- азот,
- кислород,
- фосфор,
- сера,
- кальций,
- натрий,
- калий,
- магний,
- хлор,
и многое другое.
Однако, за исключением водорода — самого распространённого элемента во Вселенной, — ни один из этих элементов не существовал на самых ранних этапах космической истории. Вселенная должна была каким-то образом создать эти элементы, поскольку они являются абсолютно необходимыми строительными блоками не только для живых организмов, но и для формирования каменистых планет, подобных Земле.
К счастью, у нас есть космологическая история, объясняющая происхождение этих элементов — она связана с жизненными циклами звёзд. Благодаря смерти звёзд — будь то звёзды, подобные Солнцу, умирающие в планетарных туманностях; очень массивные звёзды, взрывающиеся в сверхновых с коллапсом ядра; нейтронные звёзды, сталкивающиеся в килоновых; или белые карлики, взрывающиеся в сверхновых типа Ia — тяжёлые элементы синтезируются и возвращаются в межзвёздную среду, где они могут участвовать в новых циклах звёздообразования.
Начало через гибель
Это говорит нам о том, что наше Солнце, Земля и вся Солнечная система родились из пепла ранее существовавших звёзд и звёздных останков — тех, что прожили свою жизнь, погибли и вернули свои переработанные недра обратно в межзвёздную среду.
Именно отсюда берут начало люди, жизнь, Солнечная система и тяжёлые элементы. Чтобы появились планеты, нужны звёзды, создающие исходные химические ингредиенты. Чтобы возникла каменистая планета с подходящими условиями для жизни, нужна звезда позднего поколения с достаточным содержанием тяжёлых элементов. Чтобы жизнь зародилась из неживой материи, необходимы правильные химические реакции. А затем — благоприятные условия, позволяющие жизни выжить и процветать на протяжении геологических эпох под давлением естественного отбора, чтобы возникло всё разнообразие живых существ, которое мы наблюдаем сегодня на Земле, включая человечество.
Но чтобы всё это стало возможным, сначала должны были появиться сами звёзды — а для этого тоже требовался определённый набор условий и компонентов. Нужны нейтральные атомы, и в частности большое количество атомов водорода, и с этим всё в порядке: они образовались на ранних стадиях горячего Большого взрыва. Но также нужна неоднородная Вселенная: с областями повышенной плотности, которые будут гравитационно притягивать все больше и больше материи, пока не соберется достаточного количества, чтобы сформировались первые звезды.
Согласно законам общей теории относительности и на основе первичных флуктуаций, которые мы наблюдаем в реликтовом фоновом излучении, именно это и предоставляет нам наша Вселенная: набор условий и ингредиентов, позволяющий впервые создать звёзды из первозданного облака нейтральных атомов.
Самые первые звёзды сформировались очень рано — ещё до того, как Вселенная достигла даже 2% своего нынешнего возраста: именно на такие временные глубины заглянул телескоп Джеймс Уэбб (JWST), наблюдая самые далёкие звёзды, галактики и квазары. Вероятно, они возникли просто за счёт гравитационного сжатия газовых облаков, однако процесс их формирования замедлялся отсутствием тяжёлых элементов, которые эффективно охлаждают газ при сжатии. Из-за этого требовались очень большие массы вещества, чтобы запустить гравитационный коллапс. В результате эти первые звёзды — которые пока ещё не были непосредственно обнаружены — скорее всего, обладали очень большой массой и, соответственно, крайне короткой продолжительностью жизни.
Недостающее звено эволюции космоса
Хотя мы до сих пор не нашли эти первые звёзды — своего рода «недостающее звено» в космической эволюции, — учёные уверены, что они существовали: они логически заполняют промежуток между массивными галактиками, обнаруженными JWST, и нейтральными атомами, возникшими ещё в эпоху реликтового фонового излучения.
Тем не менее, мы продолжаем поиски самого глубокого космического истока. Эти звёзды должны были сформироваться из нейтральных атомов, а в рамках модели Большого взрыва — подтверждённой наблюдениями на протяжении уже 60 лет и продолжающей получать подтверждения — нейтральные атомы могут возникнуть только тогда, когда Вселенная остывает от горячего, плотного состояния плазмы (где все атомные компоненты ионизированы) до более холодного и разреженного состояния, в котором нейтральные атомы становятся устойчивыми.
После такого перехода должно было возникнуть всенаправленное фоновое излучение с низкой энергией — остаточное излучение, сохраняющееся вплоть до наших дней. Именно обнаружение этого первобытного реликтового излучения, известного сегодня как космический микроволновый фон (CMB), и стало решающим доказательством в пользу теории Большого взрыва.
Плазма
Чтобы создать звезды, Вселенной необходимо было сформировать нейтральные атомы, которые появились примерно через 380 000 лет после начала горячего Большого взрыва.
Конечно, горячая, плотная плазма тоже не была началом всего. Если продолжить экстраполировать назад во времени — к более горячему, плотному, однородному состоянию — вы придете к моменту, когда было слишком жарко и плотно для образования атомных ядер; у вас были бы только голые протоны и нейтроны. При еще более высоких температурах и на более ранних этапах энергия любого присутствующего излучения (а также нейтрино и антинейтрино) была бы достаточной, чтобы вызвать взаимопревращение протонов и нейтронов, приводящее к расщеплению 50/50 между протонами и нейтронами.
Следовательно, по мере расширения и охлаждения Вселенной из этих ранних условий, и прекращения этих ядерных реакций, мы должны получить смещенное соотношение протонов и нейтронов: такое, которое благоприятствует протонам. Затем, по мере дальнейшего охлаждения Вселенной, могут начать протекать реакции ядерного синтеза, сначала образуя дейтерий из протонов и нейтронов, а затем синтезируя более тяжелые элементы, такие как гелий, а затем (если достаточно энергии) литий и более тяжелые элементы. Именно путем:
- измерения барион-фотонного отношения Вселенной,
- предсказания, с помощью ядерной физики, распространенности легких элементов,
- а затем изучения самой Вселенной, чтобы узнать, насколько распространены легкие элементы на самом деле,
мы узнаем, как протекал нуклеосинтез Большого взрыва, или наука о создании элементов еще до образования первых звезд.
Материя и антиматерия
И действительно, чтобы сформировать ту Вселенную, которую мы наблюдаем сегодня, лёгкие элементы были синтезированы в результате ядерных реакций на самых ранних этапах — в первые несколько минут — горячего Большого взрыва.
Продолжая двигаться всё дальше назад во времени, мы попадаем в условия ещё более высоких температур и плотностей. В какой-то момент протоны и нейтроны перестают быть устойчивыми частицами — Вселенная переходит в состояние кварк-глюонной плазмы. При достаточно высоких энергиях пары частиц и античастиц спонтанно рождаются при столкновениях фотонов и других частиц — это прямое следствие эйнштейновской эквивалентности массы и энергии, выраженной формулой E = mc². Все частицы и античастицы Стандартной модели, даже нестабильные, в этих ранних условиях возникали в огромных количествах. А ещё раньше электромагнитное и слабое ядерное взаимодействия были объединены в единое — электрослабое взаимодействие.
И все же, несмотря на все, что мы знаем, некоторые дополнительные пробелы и загадки все еще остаются.
В какой-то момент, хотя мы и не знаем в какой и как, материи было создано больше, чем антиматерии, что привело к нашей сегодняшней Вселенной.
Но происходили ли дополнительные объединения фундаментальных взаимодействий еще раньше? Была ли гравитация в какой-то момент объединена с силами Стандартной модели, и существовала ли Теория Всего, которая описывала реальность?
Мы не знаем. Но мы знаем, что горячий Большой взрыв, даже в самом своем горячем состоянии, не был абсолютным началом всех начал. И мы знаем начальные условия, при которых родился Большой взрыв:
- идеальная пространственная плоскостность,
- отсутствие реликтовых высокоэнергетических объектов (например, магнитных монополей),
- с максимальной температурой значительно ниже планковской шкалы,
- с одинаковыми температурами и плотностями повсюду и во всех направлениях,
- наложенные на эту однородность крошечные флуктуации плотности — порядка одной части на 30 000 — присутствующие на всех масштабах,
- включая масштабы, превышающие горизонт событий того времени,
именно такие условия и предсказывает фаза космической инфляции, которая предшествовала Большому взрыву и подготовила его начальные параметры.
До Большого Взрыва
До Большого взрыва Вселенная не была наполнена материей или излучением — её заполняла энергия, присущая самому пространству, в фазе, известной как космическая инфляция.
И вот здесь наши знания подходят к концу. Это не пробел или незнание. Это пропасть неведения.
По своей природе инфляция — это период, когда колоссальное количество энергии было «заперто» в самой ткани пустого пространства. В таком состоянии пространство расширяется с неумолимой, экспоненциальной скоростью: его размеры удваиваются по всем трём измерениям за ничтожные доли секунды — и затем снова удваиваются, и снова, и снова — с каждым следующим мгновением.
Однако, поскольку наша наблюдаемая Вселенная имеет конечный размер, это означает, что только последняя небольшая доля секунды инфляции оставила какой-либо отпечаток в нашей Вселенной; именно из этой короткой эпохи мы смогли определить, что инфляция вообще произошла. Обо всём, что было до этого, включая:
- ответы на вопрос, как долго длилась инфляция,
- ответы на вопрос, была ли инфляция вечной или она началась из неких доинфляционных условий,
- какими были эти доинфляционные условия,
- и был ли вообще у всего этого некий «абсолютный» начальный момент — например, для таких фундаментальных сущностей, как пространство, время и законы физики, управляющие ими,
обо всём этом у нас нет никакой информации, есть лишь гипотезы и предположения.
Наука, напомним, не даёт нам окончательных ответов на наши вопросы, она просто даёт нам наилучшее приближение к реальности, учитывая наше текущее состояние знаний, которое согласуется со всеми собранными нами доказательствами.
Мы проделали невероятно долгий путь в своём стремлении понять Вселенную. И хотя перед наукой по-прежнему стоят открытые вопросы, требующие дальнейших исследований, общая картина — а также множество важных деталей — того, «откуда мы взялись», наконец-то стала известна.
Читайте также: Смелое решение квантовой загадки: всё вокруг лишь “игра” между наблюдателем и мирозданием?
Комментировать можно ниже в разделе “Добавить комментарий”.