1.1.1. Гипотеза возникновения Вселенной. Закон иерархического подобия. Гравитация и электромагнетизм. Материальные тела и взаимодействия между ними. Закон ритма

Природа в широком смысле – вся Вселенная во всем многообразии ее форм. Ученые давно и пристально наблюдают за ней. Вселенная состоит из множества галактик. Каждая из них включает огромное количество звезд, планет, комет и других объектов.

Если подолгу смотреть на звездное небо, можно увидеть след от метеорита, попытавшегося “пробить” атмосферу Земли и сгоревшего в ней. Можно заметить перемещение планет и созвездий. Все в этом мире находится в непрерывном движении.

Самые известные ученые пытались строить модели движения Вселенной. Исаак Ньютон в 1690-х годах попробовал применить свой закон гравитации для описания ее движения. В результате он пришел к выводу, что она бесконечна, так как только в бесконечной Вселенной произвольная точка испытывает одинаковое притяжение в любом направлении и поэтому остается на месте. Он также понял, что в бесконечном пространстве все частицы не могут располагаться между другими так точно, чтобы всегда оставаться неподвижными в полном равновесии, поэтому в нем возникают локальные неоднородности. И действительно, несмотря на то, что в самом крупном масштабе распределение галактик на звездном небе выглядит равномерным, в небольших его областях (в сравнение с размерами Вселенной) мы можем наблюдать их скопление. Ньютон был прав, из-за локальных неоднородностей распределения вещества в природе происходит его накопление в локальных зонах пространства.

В 1917 году, всего через два года после того, как была сформулирована общая теория относительности, Альберт Эйнштейн приступил к грандиозной задаче: построению модели Вселенной, положившей начало современной космологии. Опираясь на его модель, американский астроном Эдвин Хаббл, а впоследствии русский физик Александр Фридман, пришли к выводу о расширяющейся Вселенной. В модели Фридмана расширение Вселенной, несмотря на наличие гравитации, объясняется взрывом на начальном этапе ее возникновения. Она предполагает, что Вселенная образовалась в результате гигантского космического взрыва, разбросавшего то, что составляло Вселенную, во все стороны. Все, что мы видим сегодня, по мнению многих современных ученых, это остатки космического взрыва, произошедшего 10-20 миллиардов световых лет назад. И до сих пор, как наблюдают ученые, части Вселенной продолжают разбегаться в разные стороны.

Все во Вселенной находится в постоянном движении.

Наблюдая Вселенную, ученые с древних пор отмечали иерархию ее построения: каждый спутник имеет свою планету, каждая планета – солнце, каждое солнце – созвездие, каждое созвездие – галактику и так далее. Изучая физические процессы на разных уровнях иерархии, ученые отмечали, что они действуют по одним и тем же законам. Сформулировано это свойство природы было следующим образом: “Как наверху, так и внизу, как внизу, так и наверху”. Следовательно, чтобы понять, как устроен более высокий или менее высокий уровень иерархии, можно попробовать применить к нему закономерности, полученные при изучении других ее уровней. Назовем это свойство природы законом иерархического подобия.

Как показано на рисунке 1.1.1, иерархическую структуру можно представить в виде графа, состоящего из взаимосвязанных точек. Каждая его вышележащая точка связана с нижележащими так, что одна точка более высокого уровня соединена с двумя точками более низкого уровня. При этом на любом более высоком уровне можно выделить фрагмент А, и найти подобный ему на более низком уровне фрагмент Б.

Закон иерархического подобия в природе проявляется таким образом, что, изучив закономерности процессов на более высоком уровне иерархии, можно попытаться обнаружить подобные им на более низких уровнях. И наоборот. Такой подход может оказаться весьма плодотворным как при изучении частей иерархии, так в формулировании ее общих свойств. Изучение иерархического строения природы начнем с рассмотрения ее фундаментального свойства. Каждый элемент живой и неживой природы имеет определенное энергетическое состояние. Попросту говоря, он содержит в себе то или иное количество энергии, описанной знаменитой формулой Эйнштейна.

Но для начала любого движения нужна энергия. Это понимает каждый. А где же источник звездной энергии? Два выдающихся физика прошлого века – лорд Кельвин и Герман фон Гельмгольц – предположили, что первичным источником звездной энергии служит гравитация.

Первичным источником звездной энергии служит гравитация.

Именно под ее действием частицы случайно образовавшегося газового облака (локальной неоднородности) начинают притягиваться. В результате облако сжимается. Когда оно сжимается настолько сильно, что возникают условия для возникновения ядерных реакций, начинается излучение энергии.

Более точно астрономы стали представлять себе внутреннее строение Солнца и других звезд, когда в 30-х годах нашего столетия английскому астроному сэру Артуру Эдингтону удалось выразить эти представления в виде четырех уравнений внутреннего строения звезд. С помощью этих уравнений удалось показать, что температура в центре Солнца более 10 миллионов градусов Цельсия, а при такой высокой температуре возможно начало термоядерной реакции. В результате становится вероятным соединение четырех ядер водорода, при котором образуется ядро гелия, два электрона, два нейтрино и выделяется энергия. Она и является источником солнечного света, без которого жизнь на Земле невозможна.

Дальнейшее рассмотрение процессов, происходящих во Вселенной, приводит к выводу, что, помимо находящегося в постоянном движении вещества, во Вселенной есть другие формы материи, что обеспечивает взаимодействие составляющих ее веществ.

Помимо гравитационного и электромагнитного (солнечный свет – его характерный пример) взаимодействия, ученые открыли еще сильное (межъядерное) и слабое (взаимодействие элементарных частиц), основные характеристики этих полей представлены в таблице 1.1.1.

Основные типы взаимодействий (полей)

Соотношение между величинами сил, обусловленных этими полями, зависит от расстояния между объектами наблюдения, их массами, зарядами и другими параметрами. Так, например, сила электрического притяжения между электроном и протоном в атоме водорода превышает силу их гравитационного притяжения приблизительно в 10⁴⁰ раз! В ядре же атома ядерные силы доминируют над электрическими. Однако в масштабах Вселенной ни одна из этих сил не способна конкурировать с гравитацией.

Природа состоит из материальных тел, взаимодействие между которыми осуществляется с помощью четырех типов взаимодействий (полей).

Многие важные динамические процессы в природе имеют ритмический характер. Наша галактика представляет собой дисковый объект во Вселенной с небольшим утолщением в центре. Она содержит около 100 миллиардов звезд и вращается вокруг своей оси с периодом примерно 200 миллионов лет.

Закон всемирного тяготения описывает не только движение планет вокруг Солнца, но и движение Луны вокруг Земли, а также движение других спутников вокруг своих планет. Благодаря их движению с одной стороны и гравитационному взаимодействию между ними с другой, движения космических тел во времени являются колебательными, ритмическими. Это значит, что воздействия на человека и, в частности, на его здоровье гравитационных сил других планет солнечной системы и самого солнца тоже носят характер ритма.

Многие реальные процессы во Вселенной имеют характер ритма.

Ритм (цикл) – периодически повторяющееся движение (например, звуковой сигнал, механическое, гравитационное или электромагнитное колебание). Мы без труда замечаем ритмические изменения, происходящие в окружающем нас мире: весна, лето, осень и зима образуют привычный цикл; солнце всходит каждый день, движется по небу и садится; луна прибывает и убывает; в океане приливы чередуются с отливами. Замечено, что ритмы живых организмов связаны с этими циклами и приспособлены к ним.

Люди давно приметили ритмическую жизнь живой природы. Еще около 2300 лет назад Андростенос, описавший поход Александра Великого в Индию, был зачарован финиковым деревом, открывавшим свои листья днем и закрывавшим их ночью. Это выглядело так, словно растение поклоняется Солнцу. Шведский натуралист Карл Линней говорил, что для того, чтобы узнать время, достаточно выйти в сад и взглянуть на цветы. В 1754 году он создал прекрасные часы из цветов, открывавших и закрывавших свои чаши в разное время дня в соответствии со своим внутренним ритмом: утреннее сияние (ипомея), ночная красавица, вечерний первоцвет (энотера). Цветочные часы, показывавшие время с шести утра до шести вечера, украшали тогда многие парки.

Ритмичность (цикличность) является также одним из основных проявлений жизнедеятельности. Практически все физиологические процессы в организме протекают ритмично, образуя правильные циклы, например, дыхательный, сердечный, цикл возбуждения (потенциал действия). Циклические изменения деятельности клеток, органов, систем, организма в целом получили название биологических ритмов (биоритмов). Какая связь может возникать между самочувствием человека и ритмами природы? Природа использует биоритмы для обеспечения работы механизмов стабилизации и развития процессов саморегулирования в живых организмах. Кроме того, они находятся в прочной связи и постоянной зависимости от внешних ритмов природы. В течение всего жизненного цикла ритмы живых организмов непрерывно подстраиваются под внешние ритмы природы, которые имеют различные механизмы функционирования и расположены в широком диапазоне частотного спектра.

Одно из важнейших мест в становлении биоритмов и самой жизни имеет гравитация. Жизнь развивалась на Земле в условиях действия силы тяготения. Природа ни могла не использовать ее постоянное воздействие на организм в качестве фактора развития и саморегулирования. Например, нормальное считывание генетической информации осуществляется при определенной ориентации хромосом, которая в земных условиях обеспечивается действием притяжения Земли, но нарушается в условиях невесомости. Сила тяжести Земли подвержена небольшим периодическим изменениям со стороны Луны и Солнца. Вследствие этого гравитацию можно рассматривать как один из факторов (раздражителей) внешней среды, формирующих биоритмы.

Подобно тому, как мы говорим о гравитационном излучении, можно говорить и об электромагнитном излучении. Источником гравитационного излучения может являться цилиндрический брус, вращающийся вокруг оси, перпендикулярной плоскости вращения. Простейшая схема, порождающая электромагнитное излучение, это – колеблющийся в магнитном поле электрический заряд.

Дело в том, что Земля представляет собой большой магнит. Это легко подтвердить с помощью стрелки компаса, которая всегда располагается вдоль силовых линий магнитного поля Земли. И поскольку наша планета находится в постоянном и достаточно сложном движении, ее электромагнитное поле имеет сложную конфигурацию. Для наглядности мы приводим рисунок 1.1.2, схематично изображающий сложную конфигурацию магнитосферы Земли.

Напряженность магнитного поля Земли относительно невелика, но ее магнитосфера в целом обладает колоссальным запасом энергии. Поэтому влияние колебаний ее магнитного поля оказывается значимым для ритмических процессов, протекающих в живых организмах. Например, человеческий мозг генерирует альфа-, бета-ритмы, характеристики которых весьма близки некоторым разновидностям волн, регистрируемых в атмосфере в результате колебаний магнитного поля Земли. Изменение интенсивности этих колебаний (в результате, например, магнитных бурь на Солнце) воздействует на активность мозговых ритмов, в результате чего их характеристики меняются, о чем можно судить по изменениям электроэнцефалограммы, электрокардиограммы, артериального давления, изменению времени рефлекторных реакций людей.

Все планеты солнечной системы и Луна оказывают влияние на электромагнитное и гравитационное поле Земли. Но в наибольшей степени на земные процессы оказывает воздействие Солнце. Солнечная активность (например, возникновение в его атмосфере таких образований, как солнечные пятна, вспышки в хромосфере, протуберанцы в короне) приводит к изменению его электромагнитного, корпускулярного и других излучений, которые воздействуют на магнитосферу Земли. Выявлена примерно 11-летняя периодичность солнечной активности. Это – еще один важный для Земли ритм.

Несмотря на то, что воздействия, исходящие из космоса, обладают слабой энергией по сравнению с гравитацией Земли, они также изменяют активность человека, иногда в значительной степени. К ним относятся лунная гравитация, радиоволны и магнитные поля солнечного происхождения. Как мы выяснили, благодаря гравитации Солнце посылает на Землю свет, являющийся разновидностью электромагнитного излучения – совокупностью электромагнитных волн разной длины. Таким образом, воздействие на человека со стороны Солнца также представляет собой совокупность электромагнитных колебаний – ритмов.

Почему важно рассматривать эти факторы при изучении явлений, влияющих на самочувствие человека? Дело в том, что организм человека всегда поддерживает на генетически заданном уровне параметры организма как системы. Например, концентрацию электролитов – веществ, диссоциирующих на положительно или отрицательно заряженные ионы. Растворы электролитов в организме присутствуют в жидкости внутри клеток, во внеклеточном пространстве и в крови (фактически электролиты растворены в сыворотке, то есть жидкой части крови). Основными ионами организма являются положительно заряженные (натрий, калий, кальций, магний) и отрицательно заряженные (хлорид, фосфаты и бикарбонат). Любые существенные изменения внешних по отношению к организму полей магнитосферы Земли могут вызвать интенсификацию работы механизма регуляции, который осуществляет обмен ионов в организме, а, следовательно, повлиять на самочувствие человека. Поэтому изменение в результате периодических внешних воздействий гравитационного и электромагнитного полей Земли влияет на организм человека и может вызвать ухудшение его самочувствия. Известно, что самочувствие человека, особенно имеющего нарушения функции, например, систем кровоснабжения или дыхания, существенно зависит от внешних гравитационных и электромагнитных воздействий, обусловленных солнечной активностью. К важнейшим природным ритмам, оказывающим существенное влияние на биоритмы, и, следовательно, на самочувствие человека, можно отнести следующие:

– смена дня и ночи (фотопериодика);

– циклические колебания геомагнитного поля Земли;

– цикличность изменений температуры окружающей среды (день-ночь, зима-лето) в связи с вращением Земли вокруг своей оси, а также вокруг Солнца;

– цикличность фаз вращения Луны вокруг оси Земли;

– циклические изменения (хотя и незначительные) силы притяжения Земли.