Основные космологические модели происхождения Вселенной

Человек современной цивилизации воспитан во мнении о том, что окружающий его мир материален, объективен, имеет свои законы и историю. Однако только естествознание пытается предоставить в распоряжение людей возможно более убедительные доказательства этого мнения. Космология, астрономия, астрофизика и физика микромира объединяют свои усилия для ответов на фундаментальные и изначальные вопросы: Из чего состоит мир? Когда и каким образом он возник? Каково место человека во вселенной? Каково наше будущее? Нет необходимости убеждать кого-то в философичности этих вопросов — здесь смыкается физика и метафизика, философия и естествознание. Совсем не случайно эти фундаментальные вопросы называются «метафизическими», т. е. выходящими за рамки любого возможного физического опыта, а также «космологическими».

Космология — область гипотез о происхождении вселенной, физика микромира — область гипотез о глубинном строении вещества и излучения (поля). И они удивительным образом смыкаются в объяснении необозримо-гигантского и непредставимо-исчезающего — как единого и глубинно взаимосвязанного Универсума. В нем судьба звезд и Галактик, их размеры и время жизни оказываются в прямой связи с количественными параметрами мельчайших частиц. Размеры же вселенной грандиозны.

Несколько лет назад в Германии была создана первая объемная карта известной вселенной, где 15,5 тысяч известных галактик (в каждой из которых миллиарды звезд) помещены в некоторый куб (как плавающие внутри «картофелины»), размер каждой грани которого условно 500 млн. световых лет. Представьте себе внутренний пространственный объем этого куба, или видимой нам вселенной — 125 тысяч секстиллионов световых лет. Причем сам световой год, «единица» этой невообразимой суммы, сама по себе невообразима — 9460. 8 млрд. км, — расстояние, которое проходит свет за год (его скорость, абсолютный предел движения равна 300 тыс. км в секунду). Умножение километров светового года на их количество в объеме видимой вселенной даст вообще цифру, которую отказывается принимать наш мозг. И вместе с тем было время в жизни вселенной, когда она была столь же потрясающе мала, как грандиозна сейчас — почти на десятки порядков меньше размера кварка. Итак, каковы же основные вариации современных представлений о вселенной, которые объединяют эти уровни: и в ее космологической «биографии» и в понимании теперешнего состояния?

Основные структурные ингредиенты вселенной. Традиционной метафорой устройства вселенной можно считать «строительную» — уподобление ее некоему сооружению, составленному из некоторых простейших, далее неделимых элементов-частиц, скрепленных в одно целое некой уплотняющей, связующей, «склеивающей» субстанцией. Вещество и характерное взаимодействие (поле). Впрочем, и это разделение не жестко, т. к. современная физика микромира утверждает о двойственно-единой природе и вещества, и поля. Частицы превращаются в излучение, а излучение передается посредством особых частиц. И не будем забывать, что вселенная вовсе не обязана следовать образам нашей строительной практики. Как бы там ни было, нам наиболее понятны и соразмерны именно строительные метафоры. Воспользуемся ими.

Итак, есть два основных класса структурных составляющих вселенной: собственно элементарные частицы и «единицы», переносящие фундаментальные взаимодействия, кванты полей.

Сегодня элементарнейшими частицами, основным строительным материалом действенного, активного вещества считают барионы. Из них образуются протоны и нейтроны, главные «кирпичики» химических элементов, составляющих знакомую и видимую всем нам материальную среду. Барионами называют комбинации (как правило, трех) кварков. Кварки пока полагают мельчайшими структурными составляющими вещества, хотя некоторые физики поговаривают о еще более дробных составляющих уже самих кварков — «прекварках». Кварки отдельно, сами по себе, не существуют, а только в комбинациях со своими «собратьями» по паре — слишком велики внутриядерные силы (самые могучие во вселенной). Все сущее состоит в основном именно из множественных комбинаций двух базовых типов кварков: u-кварка и d-кварка. Но природа, кроме того, почему-то продублировала «золотую пару» еще, по крайней мере, дважды — физики открыли еще две пары «неосновных», а потому «странных» кварков: s, c, t, b-типы. Может, это «запасные игроки» либо неудавшиеся первоначальные эскизы нынешнего вселенского сценария?

Но, как известно многим, кто наблюдал или сам строил, в практике возведения дома из стандартных блоков постоянно возникает потребность в частях несколько меньших размеров, которые как бы дополняют основные. Так, возникает возможность варьировать в возведении дома — по ходу строительства, создавая более удобное и экономичное строение для наших нужд. Также нужны более мелкие «посредники» и во вселенском строительстве. Посредством их частицы-«тяжеловесы» способны к более вариативному бытию. Одни из этих частиц-посредников уравновешивают заряды, другие посредничают в массе. Это лептоны — электроны и нейтрино. Первые составляют периферию атомов, последние по совокупной массе дают существенную часть массы вселенной. Однако почти полная «неконтактность» нейтрино превращает их, скорее, в невидимых статистов (хотя и весьма необходимых) во вселенском спектакле.

Именно из барионов и лептонов состоит вещество (и антивещество, с полярно-зеркальными свойствами) вселенной. Вещество, безусловно, преобладает, по крайней мере, в нашей Галактике. Похоже, что вещество и антивещество распространены во вселенной асимметрично. Это объясняют изначальными условиями происхождения вселенной: аннигиляцией — переходом вещества и антивещества при взаимодействии в излучение гигантской силы (она в 140 раз эффективнее термоядерных реакций), которое энергетически обеспечивало, вместе с другими источниками, рождение существующего порядка. В итоге все «выгорело», но поскольку вещества изначально образовалось почему-то несколько больше, чем антивещества, то оставшегося все равно с лихвой хватило на сегодняшнюю известную нам вселенную. Не исключено, хотя и маловероятно, что существует небольшое количество антигалактик, т. к. только отдельно, в скоплении, может «выжить» столь экзотический для вещественной вселенной вид материи.

В последнее время физики озабочены созданием теории, которая бы смогла объединить четыре известных ныне фундаментальных типа природного взаимодействия (электромагнитного, гравитационного, сильного и слабого) в одну универсальную энергию вселенной. Пока эти попытки не столь успешны, как хотелось бы, однако уже достаточно хорошо описаны «единицы» — кванты известных форм взаимодействия. Это фотоны — единицы переноса волн электромагнитного взаимодействия; глюоны — кванты сильного взаимодействия (внутриядерного, «склеивающего» кварки); гравитоны — гипотетические кванты гравитации; промежуточные векторные бозоны W и Z — обменные частицы, посредством которых осуществляются все четыре типа взаимодействий (в дополнение к основным).

Итак, вещество и поле (излучение) составляют собой материальную вселенную. Пространство же и время — неотъемлемые формы существования, проявления самих материальных объектов и зависимы исключительно от них. Каково состояние вещества и взаимодействия — таковы пространство и время, нет каких-то отдельных, единых, общих для всех пространств и времени, они сугубо конкретны и отличны по свойствам: в микромире, макромире и мегамире.
Пространство — это порядок взаимного расположения множества индивидуальных тел (примерно одного масштаба-уровня), существующих друг вне друга.

Время — порядок сменяющих друг друга явлений или состоянии тел. С реляционной точки зрения «пространство-время» не есть некоторая абстрактная система отсчета, они не есть также некоторая фиксированная и изначально данная «арена» или «фон». Пространство-время скорее всего представляют собой фундаментальную структуру совокупности событий.

Но недостаточно только перечислить основные ингредиенты вселенной. Они строго определенным и характерным образом связаны друг с другом, в определенной и неслучайной конфигурации, количественной пропорции. Более того, подобные конфигурации-пропорции всюду сейчас сохраняются и не нарушаются. Это правила игры, фундаментальные константы. Назовем лишь бесспорно неизменные величины для современной физики:

* заряд протона;
* постоянная Планка;
* скорость света;
* Ньютоновская гравитационная постоянная;
* постоянная сильного взаимодействия;
* постоянная слабого взаимодействия.

Другие универсальные постоянные «постоянны относительно», т. е. условны, и с развитием физики корректируются (к примеру постоянная Хаббла).

Что такое законы природы или «правила игры”? В чем их суть и происхождение? По этому вопросу существует четыре основные точки зрения.

^ Первую из них можно назвать концепцией внешних отношений. Согласно ей, законы есть нечто внешнее по отношению к объектам и полагаются трансцендентным Богом, который как бы организует связи между элементарными составляющими вселенной. Ньютон, Декарт и Лейбниц утверждали такой характер законов природы.

^ Вторая концепция утверждает, что закон природы — это просто наблюдаемая устойчивость некоторого образца, по которому последовательно сменяются отношения объектов; закон является только описанием. Эта концепция исходит, правда, из допущения, что наше знакомство с объектами имеет непосредственный характер, т. е. мы имеем действительный доступ к объектам «самим по себе». Именно на этой установке базируется позитивистское понимание законов природы как некой тождественности, сохраняющейся в ряде сравнительных наблюдений.

^ Третья концепция — конвенциалистская, утверждает, что законы — есть условное толкование, закрепленное в договоренности, обязательной для всех членов научного сообщества и тем более для непрофессиональной публики. Это предписания, эффективно организующие наше познание, выражают наше отношение к вещам, равно как и отношения между ними.

^ И наконец, четвертая концепция — имманентная концепция законов. Она предполагает, что порядок природы определен характером реально существующих объектов, составляющих в совокупности основания этого порядка. Закон природы — это существенная взаимозависимость объектов и одновременно средство объяснения характера объектов, принятого некоторым научным сообществом. Из этого следует, что поскольку законы природы зависят от индивидуального характера объектов, составляющих природу, а сами эти объекты подвержены изменениям, постольку изменяются и законы. Нет поэтому одних вечных законов вселенной, определяющих собой поведение любого объекта. Законы природы есть нечто, развивающееся в соответствии с развитием объектной среды.

Эта последняя интерпретация законов природы находится в разительном противоречии с прежней установкой науки на поиск неизменных фундаментальных законов природы, которая сформировалась у ученых еще в античности. Нарушается «принцип Максвелла», который гласит, что все физические закономерности являются в пространстве и времени неизменными, универсальными, ибо фактор времени входит в них имплицитно. Всякая ситуация, в которой фундаментальный закон физики обнаружил свое непостоянство, является в лучшем случае временной и должна непременно разрешаться обнаружением еще более общего закона, восстанавливающего утраченную неизменность на более глубоком уровне.

Между тем практически все современные космологические сценарии развития вселенной, основывающиеся на концепции «Большого взрыва,» указывают, во-первых, на возникновение фундаментальных закономерностей в первые мгновения Взрыва и их зависимость от этих самых начальных условий; во-вторых, на эволюцию этих закономерностей в сторону «надстраивания на них» законов химического, биологического, социального уровней мира. В обоих случаях неизменность, как залог фундаментальности, по существу, отрицается. И не спасает аргумент, что время действия этих законов относительно краткоживущего человечества практически и есть «вечность». Раз они появились и сформировались, то рано или поздно также и исчезнут. Тогда где искомые фундаментальность и единство?

Хороший выход предложил французский физик Пуанкаре. Он остается во мнении о том, что фундаментальные законы природы неизменны по определению. Причем постоянство законов всегда можно спасти переходом на новый уровень фундаментальности. Когда доказывается временной статус закона, он тотчас заменяется другим, более общим законом. Не должно быть «междуцарствия» — принцип неизменности должен остаться в неприкосновенности. Применяя его к установке «Большого взрыва», следует, вероятно, искать более общие принципы, нежели чем те, которые установлены в качестве сегодняшних неизменностей (скорость света, постоянная Планка и пр.) и которые будут частными их случаями.

Помимо «строительной» метафоры устройства вселенной: вещество и поле (в пространстве и времени), имеющие некую конфигурацию (законы), предлагают и другую базовую метафору вселенной — метафору «компьютера».

Представим себе, что вселенная — гигантский компьютер, некая информационно-процессорная система. В контексте такой метафоры материальные вещи во Вселенной, такие, как квантовые частицы, играют роль «железок», а те логические правила, которым подчиняются эти частицы, т. е. законы природы, выступают в качестве программного обеспечения «космического компьютера». Возникает вопрос об отношении этого компьютера к человеческому мозгу, для которого тоже применима компьютерная метафора. Мозг — это не цифровой компьютер (впрочем, и Вселенная — это тоже не компьютер в смысле переработки только цифровой информации), но есть орган преобразования информации в виде части «космического компьютера», окончательную структуру которого он пытается понять. Трудности, которые мы при этом испытываем, иными словами, трудности познания Вселенной, в принципе могут рассматриваться как аналогичные трудности, возникающие в связи с проблемой интерфейса, т.е. проблемой согласования компьютеров друг с другом. Допустим теперь, что ученые нашли главный закон Вселенной, т. е. установили основную программу, по которой работает «космический компьютер». Тогда, хотя физика в том виде, в котором мы ее знаем, очевидно, должна закончить свое существование, все равно для ученых еще останутся две области исследования. Одна из них относится к сложным путям самоорганизации материи во всем разнообразии ее живых и неживых форм, ибо одно дело — знать фундаментальные законы физики и совсем другое — получить логические следствия этих законов во всей их разветвленности. Другая область — установление границ простоты. Ведь фундаментальное уравнение физики должно быть простым, иначе мы не смогли бы найти его. Однако трудно воспротивиться искушению и не попытаться понять, почему именно этот конкретный закон выступает в качестве основного и главного, а не какой-либо иной, в равной мере простой. И именно здесь может помочь компьютерная метафора. Рассматривая законы Вселенной как компьютерное программное обеспечение, можно высказать предположение о будущей возможности слияния физики с информатикой как с разделом математики. Математика же может показать нам, что если наш мозг и «космический компьютер» согласованы так, а не иначе, то в таком случае лишь этот единственный закон согласуется с нашей способностью постигать предполагаемый порядок Вселенной. В то же время в связи с образом Вселенной как компьютера возникают фундаментальные вопросы теоретико-познавательного плана. Законы природы, например, закон тяготения Ньютона, представлены в «жесткой оснастке» Вселенной (в «железках»), например Солнечной системой. Законы квантовой физики представлены в пустом плоском пространстве квантовыми частицами и античастицами, флуктуирующими где-то между актуальным и потенциальным существованием. Но, предположим, что Вселенная началась «из ничего». В полной пустоте не существовало даже «железок». А без «железок» не могло быть и программной «начинки». Как тогда законы Вселенной могут быть представлены в полной пустоте? Одна из гипотетических попыток ответить на этот вопрос состоит в следующем. Постулируется, что в начале мироздания существовала вероятностная квантово-механическая функция Вселенной. Эта функция не есть некая материальная вещь — она лишь определяет вероятности материальных событий. Однако это уже чересчур похоже на сверхинтеллект или Бога.

Перейдем теперь к рассмотрению основных космологических моделей происхождения Вселенной. До 20-х гг. ХХ столетия господствовало представление о стационарной Вселенной. В качестве примера можно указать на раннюю теорию Фреда Хойла о вечной, стабильной вселенной, в которой наблюдаемое разряжение вещества компенсируется его непрерывным творением. Отправными точками современной космологии являются два эпохальных события: открытие Эдвином Хабблом расширения Вселенной (20-е гг.) и открытие в 1964 г. Пензиасом и Вильсоном реликтового излучения. Эти открытия являются опорными для постулата о том, что существующая сейчас Вселенная имеет некое, по крайней мере, одно, исходное начало своего расширения. Важное методологическое значение для современной космологии имеют расчеты Дж.А. Фридмана — о трех фундаментально возможных вариантах расширения Вселенной.

Вселенная может иметь три возможных варианта кривизны пространства и, в зависимости от этого, иметь разный вид для нас и разные следствия.

• Во-первых, она может быть таковой, каковой мы ее воспринимаем в нашем повседневном опыте — евклидовым плоским пространством, бесконечно расширяющимся.

• Во-вторых, она может быть расширяющимся неевклидовым пространством, гиперболическим миром, имеющим отрицательную кривизну. Он также будет бесконечен во времени и пространстве.

• В-третьих, в случае положительной кривизны пространства мир будет сферическим, а значит замкнутым и конечным. Расширение здесь на определенном этапе сменяется обратным сжатием до критической точки нового взрыва-расширения. Конечность здесь означает возможность «круговселенского», гипотетического путешествия, как на нашей сферической планете — возвращения в исходную точку. Конечность же в смысле временном — смерть всех современных структур в неизбежном предстоящем сжатии. Это пульсирующая Вселенная, циклы которой могут не повторять прежние варианты. Расчеты Фридмана во многом определили поле последующих космологических построений.

Несомненно, базовой для второй половины ХХ в. следует признать модель горячей Вселенной в ее разных вариантах. Общим в них является то, что все они утверждают об особом — сверхгорячем и сверхплотном изначальном состоянии Вселенной, а также об определяющем значении первых минут Начала, поскольку именно от них зависел характер и числовые пропорции фундаментальных законов. Однако разные версии делают разные акценты в описании генезиса сущего. Опишем, по крайней мере, четыре наиболее известные из них.

— Космология Большого взрыва американского физика русского происхождения Дж. (Георгия Антоновича) Гамова. Сама идея появилась у него как попытка объяснения самого наличия в нашей действительности химических элементов тяжелее гелия. Звезды класса Солнца могут рождать в своих недрах лишь легкие элементы. Для синтеза более тяжелых нужны гораздо более высокие показатели плотности и температуры. Гамов предположил, что химические элементы, необходимые для появления во Вселенной жизни (углерод, кислород, железо и более тяжелые), появились в самом начале расширения Вселенной, когда были невероятные сегодня плотности и температуры. Потом, правда, выяснили, что эти элементы возникают скорее в сверхновых — звездах, которые достигают при выгорании звездного топлива, водорода, критических температур и состояний, несколько напоминающих изначальные условия. При вспышке-взрыве сверхновых их ядра, состоящие из тяжелых элементов, разрушаются и распыляются по космосу. Таким образом, наша планета и наши тела состоят из звездного пепла.

Но Гамов оказался прав в другом, более фундаментальном смысле: изначальное состояние Вселенной радикально отличалось от сегодняшнего, а потому первые эры ее существования были совсем необычными и задали все современные параметры. Начальное состояние Вселенной называют по-разному: протоатом (хотя этот «протоатом» меньше реального сегодняшнего атома примерно в столько же раз, во сколько реальный атом меньше всей видимой Вселенной) либо сингулярность. Также невообразимо для нашего ума и само «начало» или скорость и плотность событий — первая секунда разделяется «назад» на 45 порядков. В сверхплотных и в сверхгорячих состояниях излучение преобладает над веществом — утверждал Гамов, поскольку настолько была высока энергия в сингулярности, что сами ингредиенты материи не могли иметь привычных нам форм-определенностей, «фигурного» бытия, пространства-времени. Сущее находилось в несвязанном, «свободном» состоянии. Гамов вычислил, исходя из своих и фридмановских допущений, что первые 73 млн. лет преобладало излучение, а потом вещество — как основные формы бытийствования. А раз так, предположил Гамов, то от той эпохи излучения должны остаться какие-то крохи, ведь способ существования фотонов — движение с сумасшедшей, предельной скоростью. Они двигаются, пока есть для этого условия — пока они не захватываются, сталкиваясь с какими-либо преградами и не превращаются в иные бытийные комбинации. Значит, если раньше была эпоха Вселенной с доминированием излучения, то хотя и слабое, оно должно существовать и по сей день. Эта догадка блестяще подтвердилась открытием реликтового излучения, которое оказалось, чуть ли не в 30 раз сильнее звездного. Лишь после этого открытия модель Гамова стала общепризнанно приоритетной в ряду последующих вариантов.

— Световая Вселенная Ф. Хойла и Р. Тейлора — модернизация модели Гамова, в которой подробно исследовалась эпоха излучения или фотонная эра. Удивительно, но сам образ изначального Света лежит в основание картин мира многих религий (зороастризм, библейские мотивы), философских учений (неоплатонизм: эманация — излучение сущего из светоносного Единого). Как бы то ни было, но Хойл и Тейлор, пользуясь новыми опытными данными, существенно скорректировали Гамова. Они утверждали о том, что фотонная эра продолжалась не 73 млн., а приблизительно 1 млн. лет. Материя была более светом и лишь в некоторой малой части веществом — в виде ядер легких элементов (водорода и гелия). До световой эпохи предшествующие «эры» длились тысячные доли нашей секунды, представляя собой комбинации элементарных частиц. Но следует сказать, что природа пространства и времени была совсем иной, хотя мы и пользуемся для описания событий нашими мерками — для самой Вселенной эта длимость могла быть сопоставимой с «нашими» миллиардами лет. При падении температуры, уменьшении плотности на 5-6 порядков — вследствие расширения (постепенного ~ 1 млн. лет), возникают условия для фундаментального события, породившего уже собственно нашу вселенную, — отделения излучения от вещества и образования первичных атомов. Завершается фотонная эра и начинается звездная: образование протозвезд и галактик.

— Раздувающаяся (инфляционная) Вселенная А. Гута представляет собой также вариант, развивающий идеи «горячей» Вселенной, базовой модели Гамова. Однако в этой концепции содержится очень важная идея, которая объясняет столь очевидное колоссальное различие в размерах, температуре, плотности сингулярности и современной Вселенной. Они вводят понятие инфляционной стадии — скоротечного раздувания. Микроскопические неоднородности превратились в макроскопические, ставшие основой глобальных структур Вселенной, — совсем в духе синергетики. Данная модель предполагает очень быстрое, хотя и кратковременное, расширение — моментальное превращение микромира в мегамир. Мы все же должны помнить о том, что использование слов «Большой взрыв» или «раздувание», с которого началась Вселенная, подразумевают все же несколько иные смыслы, чем хорошо всем знакомые образы кинохроник. Имеется в виду не взрыв, случившийся в некоторой точке пространства и продукты которого распространяются куда-то «вовне». Такой образ неуместен в данном случае, ибо «до взрыва» ни пространства, ни времени просто не существовало. Большой взрыв можно наглядно представить в виде пространственно замкнутой двумерной сферы, которая непрерывно расширяется. На поверхности сферы находится газ квантовых частиц при определенной температуре, и этот газ, по мере того как сфера увеличивается в диаметре, охлаждается. Самое существенное в этой картине то, что Большой взрыв в определенном смысле произошел «везде и сразу», во всей Вселенной, ибо по отношению к ней нет ничего «внешнего», не существует вне ее позиции, где бы мы могли, удобно устроившись, как в лаборатории, наблюдать возникающую и эволюционирующую Вселенную.

— Пенистая Вселенная П. Дэвиса — еще один вариант все той же базовой модели. Здесь усилен аспект анализа вещественной стороны в эволюции Вселенной, дана подробная стадиальная картина первых судьбоносных минут жизни Вселенной, описание особенностей сингулярности. Само название концепции обусловлено метафорой «пены» пространства-времени — состояния материи в масштабах на порядки меньшее величины кварка. Такое же состояние было и в «начале». Оно характеризуется принципиальным отсутствием любой определенности, любого порядка — любых форм, вообще пространства-времени в нашем смысле. Это чистый хаос — вечное становление, без всяких моментов остановки, фиксации, порядка. Здесь царят взаимопревращения «всего во все», нет никаких запретов, ибо нет никаких правил. Это мир постоянных возмущений-волнений или флуктуаций — неопределенного множества вариантов возможных потенциальных порядков-правил. Во взрыве-раздувании оказавшиеся в тот момент актуализированными флуктуации разрослись и вообщем-то случайно стали тем порядком, который мы теперь знаем как фундаментальные константы и законы природы. Потому бессмысленны вопросы — типа: «Почему они имеют такой вид и количественные значения, а не другие?» Могли быть и другие, но разрослись и спровоцировали Взрыв именно эти. Вообще же состояние «пены» практически не поддается нашему разумению, т. к. радикально выходит за всяческие представимые рамки. Лишь с 43-го минусового порядка первой секунды начинается приблизительно понятная нам Вселенная. Главная идея родов вселенной здесь — самодифференциация простейших элементов сингулярности и история их комбинаций. Первую эру Дэвис называет «Великим объединением», когда сущее представляло собой «кварковый бульон» — к тому времени сингулярность уже достаточно остыла, чтобы появились первые определенности, ядерная основа вселенной. В андронную эру появляются барионы и мезоны, здесь же разделяются три типа взаимодействия между частицами. Третья эра — лептонная — здесь происходит примечательное: аннигиляция вещества и антивещества. Некоторый избыток вещества определяет современное доминирование вещества во Вселенной. В четвертую, плазменную, эру, которая, в отличие от первых трех, продолжавшихся полновесную «нашу» секунду, уже ведет счет на миллионы лет, синтезируются первые, базовые для звезд элементы (водород и гелий). Образуются гигантские облака ионизированного газа, строительный материал для галактик.

Хотя приведенные варианты базовой модели «горячей» Вселенной согласуются со многими фундаментальными явлениями, типа расширение галактик и реликтового излучения, однако они имеют трудности в объяснении самых последних открытий астрономии. К примеру — крупномасштабное скручивание галактик (неоднородность распределения галактик во Вселенной, их сгущения, существование областей так называемого «темного вещества») или природа квазаров («микросингулярности»?) Это говорит о переходном и относительном характере модели «горячей» Вселенной. Как, впрочем, и о метафизической наивности самих попыток физиков, начиная с Демокрита, искать что-то простое, универсальное и фундаментальное. Так или иначе, но существуют и другие модели. Укажем еще лишь три.

— Плазменная Вселенная Ганса Альвена. Он полагает, что электромагнитные силы, порождаемые плазмой (веществом в сильно ионизированном состоянии), играют более существенную роль в космогенезе, чем гравитация. Межзвездное пространство, по его мнению, заполнено длинными «нитями» и другими структурами, состоящими из плазмы. Силы, которые вынуждают плазму образовывать такие фигуры, заставляют ее образовывать также галактики, звезды и звездные системы. Вселенная медленно расширяется под влиянием энергии, которая выделяется при аннигиляции частиц и античастиц, без всяких взрывов. Галактики образуются из плазменных облаков под влиянием электромагнитных сил и гравитации. Микроволновый фон (так называемое «реликтовое» излучение) обусловлен тончайшими нитями плазмы, проникающими во все уголки космоса.

— Идея ансамбля Вселенных. Суть ее — в признании одновременного существования всех мыслимых вселенных. Она предложена X. Эвереттом в 1957 году. Согласно ей, наблюдаемая Вселенная — это лишь один пример из бесконечного многообразия реально существующих вселенных. Дабы объяснить многочисленные совпадения в фундаментальных постоянных нашей Вселенной, чьи почти невероятные сочетания дают возможность жизни, необходимо предположить, хотя бы ради объективности, что познаваемая нами Вселенная и Вселенная «сама по себе» — это все же не одно и то же. Вселенная может иметь сколько угодно иных, недоступных нам, сторон и проявлений. Другие, по-иному устроенные существа и разумы, выявят во вселенной совсем другое — те модели, которые ведут к их появлению. Они будут также искренне удивлены, когда узнают от нас, что вселенная развивается к углеродной жизни. Не удивительно в таком случае, что мы познаем Вселенную со столь многочисленными особыми условиями, ибо мы выбрали ее из ансамбля миров самим фактом своего существования, так же как «выбрали» поверхность планеты среди огромного множества безжизненных областей Вселенной.

Столь необычные свойства наблюдаемой Вселенной теперь нужно рассматривать не как удивительные, а как неизбежные. Их кажущаяся невероятность является исключительно отражением их нетипичности. Подавляющее большинство Вселенных не обладают условиями, подходящими для жизни. Только те редкие Вселенные, которые обладают ими, наблюдаемы.

Теория Эверетта не единственно возможный путь придания реальности умозрительной схеме ансамбля Вселенных. Дж.А. Уилер обсуждал концепцию последовательного ансамбля в осциллирующей (пульсирующей) Вселенной. Следует напомнить, что такая Вселенная расширяется из исходного сингулярного состояния до максимального объема, а затем коллапсирует (катастрофически сжимается) вновь в сингулярное состояние. В такой сингулярности совершенно неприменимы известные нам законы физики. Исходя из этого, Уилер предполагает, что некоторый тип Вселенной проходит через стадию сингулярности и появляется вновь после своего рода вторичной «переработки» с новыми значениями фундаментальных постоянных, новой структурой движения и, вероятно, новыми законами физики.

Таким образом, сколлапсировавшая Вселенная возрождается в новом цикле расширения и сжатия, чтобы за ним последовал следующий и так далее. В каждом цикле структура Вселенной будет иной. Если циклы воспроизводятся произвольным образом, то чисто случайно, в конце концов, Вселенная приобретет нужную структуру и числовые совпадения и появятся различные наблюдаемые числовые зависимости.

— Скрытая холодная темная материя. Огромная проблема теории Большого взрыва в том, как предполагаемое изначальное излучение высокой энергии, якобы разлетаясь в разные стороны, могло объединиться в такие структуры, как звезды, галактики и скопления галактик. Такая теория предполагает наличие дополнительных источников массы, обеспечивающих соответствующие значения силы притяжения. Эта материя, обнаружить которую так и не удалось, была названа Холодной Темной Материей (CDM — Cold Dark Matter). Подсчитали, что для образования галактик необходимо, чтобы такая материя составляла 95-99 % Вселенной. Эта материя сродни новому наряду короля из сказки Андерсена — все говорят о нем, но никто его не видел. Какие только источники CDM ни изобретались! М. Хокинс (Hawkins) в книге Hunting down the Universe (1997) предположил, что 99 % всей массы Вселенной составляют мини-черные дыры, каждая размером с двуспальную кровать. Но если эти таинственные черные дырочки образовались в результате свертывания звезд, как предполагает теория, они вряд ли бы могли быть причиной образования звезд — звезды образуются только из звезд.

Антропный принцип

Б. Колинз и С. Хокинг в рамках идеи ансамбля миров рассмотрели вопрос: почему Вселенная изотропна (однородна в глобальном масштабе)? В неоднородной Вселенной генерировались бы большие количества тепла, что привело бы к сильному давлению излучения и препятствовало бы образованию галактик. Ясно, что такие условия не благоприятствовали бы известной нам форме жизни. Колинз и Хокинг рассмотрели вопрос с другой точки зрения. Они
показали, что по мере расширения Вселенной неоднородность в общем должна была бы усиливаться. Однако, если темп расширения строго согласуется с гравитацией, то изотропия сохранится. Они утверждают, что только во Вселенной, близкой к такому состоянию, могут образоваться галактики, способные существовать длительное время. Когда же расширение слишком сильно, чтобы происходило скручивание под действием сил гравитации, Вселенная довольно быстро коллапсирует. Колинз и Хокинг приходят к выводу, что только во Вселенной способной оставаться изотропной в течение долгого времени, возникнет жизнь. Из ансамбля Вселенных, которые в высшей степени неоднородны, мы выбрали изотропную Вселенную, в которой существование галактик обеспечивает подходящие условия для существования жизни. На вопрос, почему Вселенная так изотропна, Колинз и Хокинг отвечают: «Потому, что существует человек».

Т.о., мы подошли к вопросу о связи наших представлений о строении и сущности Вселенной с нашим существованием, вернее с нашей кровной заинтересованностью в определенных смыслах Вселенной для нас. Вселенная может быть к нам безразлична, но мы к ней — нет. И мы также хотим быть уверенными в том, что все-таки она к нам не безразлична, если не более того — подстраивается под нас. Такие мы вот довольно-таки эгоцентрические существа. Речь идет о так называемом антропном принципе, сформулировали который не какие-то там идеологи или философы, а сами ученые: физики и космологи.

В природе нет слепых сил, заслуживающих внимания. Слишком много оказывается «случайностей» уже на уровне самого образования в звездах углерода и кислорода. Силы ядерных взаимодействий, ядерных резонансов углерода и кислорода удивительным образом настроены, совпадают с особенностями тепловой энергии в типичной звезде. Жизнь во Вселенной появляется не в любое, а в определенное время: не раньше и не позже. Во-первых, по крайней мере, одно поколение звезд должно завершить цикл своего существования и кончить как сверхновые. Лишь там синтезируются элементы тяжелее гелия и разбрасываются затем по галактике, образуя затем планеты. Во-вторых, после смены нескольких поколений звезд галактические запасы водорода сильно истощатся и рождаемость звезд, особенно стабильных типа Солнца, станет весьма низкой. Затем галактики станут охлаждаться и жизнь, в нашем понимании, станет невозможной. Общим условием жизни является завершение неравновесных процессов, установление порядка и накопление информации. А на это требуется довольно много времени, если судить по времени появления жизни на Земле (~2,2 млрд. лет назад) — ведь возраст нашей Вселенной оценивают от 10 до 20 млрд. лет.

Формулировки слабого и сильного антропного принципов впервые представлены в четком виде Б. Картером.

^ Слабый принцип гласит: «То, что мы предполагаем наблюдать, должно удовлетворять условиям, необходимым для присутствия человека в качестве наблюдателя». Из чего следует, что Вселенная обладает наблюдаемыми свойствами потому, что только эти свойства допускают возможность существования человека-наблюдателя.

^ Сильный антропный принцип утверждает: «Вселенная должна быть такой, что в ней на некоторой стадии эволюции мог существовать наблюдатель». По сути, это одно из объяснений смысла фундаментальных физических постоянных: ведь именно существующие их значения и соотношения (очень узкая полоса вероятностей) приводят к появлению человека. Оказывается, что Вселенная приспособлена для существования жизни, законы физики и начальные условия как бы «подстраиваются» некой незримой разумной силой в таком направлении, чтобы гарантировать появление и эволюцию жизни.

^ Это приводит часть физиков и философов к полаганию сверхсильного антропного принципа: «Вселенная такова, какова она есть, потому что человек (в широком смысле ~ разумные существа) составляет необходимый элемент ее бытия.

Что ожидает нашу Вселенную, исходя хотя бы из тех знаний, которые мы сейчас о ней имеем? Темп расширения Вселенной постепенно замедляется. Взаимное гравитационное притяжение всех галактик и другого космического вещества сдерживает расширение. Если это сдерживание достаточно сильно, то, в конце концов, расширение прекратится и сменится сжатием, и Вселенная будет коллапсировать с ускорением. Тогда через много миллиардов лет галактики будут спрессованы вместе, а любой заданный объем пространства катастрофически уменьшится в ходе сжатия Вселенной к сингулярному состоянию, т. е. обращенного во времени процесса расширения Вселенной из сингулярного состояния. Последствия такого катастрофического гравитационного коллапса не ясны, за исключением того, что в результате исчезнут не только все физические структуры, но и сама Вселенная, включая пространство и время. В этом случае сингулярное завершение Вселенной было бы зеркальным отражением ее сингулярного происхождения. В такой модели длительность существования Вселенной ограничена во времени.

Условие, необходимое для того, чтобы расширение сменилось сжатием, — это присутствие во Вселенной достаточного количества гравитирующего вещества, т. е. замкнутость Вселенной зависит от плотности массы-энергии при данной скорости расширения. Существующие наблюдения позволяют предположить, что плотность, определяемая веществом, содержащимся в галактиках, несколько ниже критического значения, при котором Вселенная замкнута, но ненаблюдаемое вещество (скрытая масса, например, в форме нейтрино) могло бы компенсировать этот дефицит.

Если самогравитация Вселенной не способна сдержать расширение, то Вселенная, по-видимому, будет расширяться вечно. Звезды со временем либо взорвутся, либо истощат запасы ядерного топлива и коллапсируют, образуя белые карлики, нейтронные звезды или черные дыры. Галактики будут светить все слабее, а черные дыры будут поглощать вещество: угасшие звезды, газ, пыль и прочее — и увеличиваться в размере. Очень медленные процессы, такие, как излучение гравитационных волн, приведут к распаду многих систем, поэтому галактики будут постепенно коллапсировать с образованием черных дыр. Вещество, которое ускользает в межгалактическое пространство, охладится до температуры реликтового излучения, которое будет остывать.

Затем могут проявиться тонкие квантовые эффекты, в результате которых черные дыры медленно испарялись бы, и осталось бы только излучение. Протоны, избежавшие поглощения черной дырой, могли бы также постепенно распадаться на позитроны, которые начали бы аннигилировать с оставшимися электронами. По-видимому, в любом случае конечный вид открытой Вселенной — это очень разреженная и постепенно исчезающая смесь фотонов, нейтрино, гравитонов и, вероятно, незначительного количества электронов и позитронов. Далее ничего интересного уже не произойдет.

В этот день:

  • Дни смерти
  • 1994 Умер Альфред Хасанович Халиков — советский и российский историк и археолог, автор многочисленных трудов по истории татарского народа.
  • 2007 Умер Леонид Романович Кызласов — советский и российский археолог-востоковед, специалист по истории и этнографии Сибири, Средней и Центральной Азии.

Метки

Свежие записи

Рубрики

Updated: 08.06.2017 — 10:22

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован.

Яндекс.Метрика