Космологи продолжают продвигаться к окончательному постижению процессов, сотворивших и сформировавших Вселенную.
Вселенная настолько велика в пространстве и во времени, что в течение почти всей истории человечества она оставалась недоступной как для наших приборов, так и для нашего разума. Но все изменилось в XX в., когда появились новые идеи - от общей теории относительности Эйнштейна до современных теорий элементарных частиц. Успех был достигнут также благодаря мощным приборам - от 100- и 200-дюймовых рефлекторов, созданных Джорджем Эллери Хейлом (George Ellery Hale) и открыв- шем для нас галактики за пределами Млечного Пути, до космическо- го телескопа «Хаббл», перенесшего нас в эпоху рождения галактик. За последние 20 лет прогресс ускорился. Стало ясно, что темная материя состоит не из обычных атомов, что существует темная энергия. Роди- лись смелые идеи о космической инфляции и множественности все- ленных.
Сто лет назад Вселенная была проще: вечная и неизменная, состоящая из одной галактики, содер- жащей несколько миллионов видимых звезд. Современная картина намного сложнее и гораздо богаче. Космос возник 13,7 млрд лет назад в результате Большого взрыва. Через долю секунды после начала Вселенная была горячей бесформенной смесью элементарных частиц - кварков и лептонов. По мере расширения и охлаждения шаг за ша- гом возникали структуры: нейтроны и протоны, атомные ядра, атомы, звезды, галактики, скопления галактик и, наконец, сверхскопления. В наблюдаемой части Вселенной сейчас содержится 100 млрд галактик, в каждой из них около 100 млрд звезд и, вероятно, столько же планет. Сами галактики удерживаются от расширения гравита- цией загадочной темной материи. А Вселенная продолжает расширяться и даже делает это с ускоре- нием под действием темной энергии - еще более загадочной формы энергии, чья гравитационная сила не притягивает, а отталкивает.
Главная тема нашего рассказа о Вселенной - это эволюция от примитивного кваркового «супа» к нарастающей сложности галактик, звезд, планет и жизни, наблюдаемой сегодня. Эти структуры появлялись одна за другой в течение миллиардов лет, повинуясь основным законам физики. Путешествуя в прошлое, к эпохе зарождения, космологи сначала продвигаются через детально изученную историю Вселенной назад, к первой микросекунде, затем к $10^{–34}$ с от начала (об этом времени есть ясные идеи, но пока нет их четкого подтверждения) и, наконец, к самому моменту рождения (о котором существуют пока лишь догадки). Хотя мы еще не в силах до конца понять, как родилась Вселенная, у нас уже есть потрясающие гипотезы, такие как понятие о множественной вселенной, включающей в себя бесконечное число не связанных между собой субвселенных.
ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ
- Наша Вселенная началась с горячего Большого взрыва 13,7 млрд лет назад и с тех пор расширяется и охлаждается. Она эволюционировала от бесформенной смеси элементар- ных частиц к современному высокоструктурированному космосу.
- Первая микросекунда была определяющим периодом, когда вещество стало доми- нировать над антивеществом, зародилась структура будущих галактик и их скоплений, и возникла темная материя - неизвестное вещество, удерживающее эту структуру.
- Будущее Вселенной определяется темной энергией - неизвестной формой энергии, ко- торая служит причиной ускорения космологического расширения, начавшегося несколько миллиардов лет назад.
Расширяющаяся Вселенная
В 1924 г. с помощью 100-дюймового телескопа «Хукер» Маунт-Вилсоновской обсерватории Эдвин Хаббл обнаружил, что расплывчатые туман- ности, остававшиеся загадочными несколько столетий, - это такие же галактики, как наша. Тем самым Хаббл увеличил наше представ- ление о Вселенной в 100 млрд раз! А через несколько лет он доказал, что галактики удаляются друг от друга, подчиняясь математической закономерности, известной теперь как закон Хаббла: чем дальше галактика, тем быстрее она движется. Именно из этого закона следует, что Большой взрыв был 13,7 млрд лет назад.
КОСМИЧЕСКОЕ РАСШИРЕНИЕ
Эволюция Вселенной происходит в резуль-
тате расширения пространства. Поскольку
пространство растягивается, как оболочка
воздушного шарика, галактики удаляют-
ся друг от друга, а световые волны
удлиняются (краснеют).
В рамках общей теории относительности закон Хаббла толкуется так: само пространство расширяется, а галактики перемещаются вместе с ним (рис. вверху). Свет тоже растягивается, испытывая красное смещение, а значит, теряя энергию, поэтому Вселенная при расширении охлаждается. Космическое расширение помогает по- нять, как сформировалась современная Вселенная. Если мысленно устремиться в прошлое, то Вселенная будет становиться все плотнее, горячее, необычнее и проще. Приближаясь к самому началу, мы соприкасаемся с самыми глубинными механизмами природы, используя ускоритель мощнее любого из построенных на Земле - сам Большой взрыв.
Вглядываясь через телескоп в пространство, астрономы буквально попадают в прошлое - и чем больше телескоп, тем глубже проникает их взгляд. Свет, приходящий от далеких галактик, демонстрирует нам древние эпохи, а его крас- ное смещение показывает, насколько расширилась Вселенная за про- шедшее время. Наблюдаемое сейчас рекордное красное смещение около восьми, значит, этот свет был испущен, когда размер Вселенной был в девять раз меньше нынешнего, а возраст - всего лишь несколько сотен миллионов лет. Такие приборы, как космический телескоп «Хаббл» и десятиметровые телескопы «Кек» на Мауна-Кеа, запросто переносят нас в эпоху формирования галактик, подобных нашей - через несколько миллиардов лет после Большого взрыва. Свет из более ранних эпох настолько сильно смещен в красную часть спектра, что астрономы вынуждены принимать его в инфракрасном и радиодиапазонах. Строящиеся телескопы, такие как инфракрасный космический телескоп «Джеймс Уэбб» диаметром 6,5 м и Большой атакамский миллиметровый комплекс (Atacama Large Millimeter Array, ALMA) - сеть из 64 радиотелескопов на севере Чили, - перенесут нас в прошлое, к эпохе рождения самых первых звезд и галактик.
Компьютерное моделирование показывает, что эти звезды и галак- тики появились, когда возраст Вселенной был около 100 млн лет. Перед этим Вселенная прошла через период, называемый темной эрой, когда она была черной как смоль. Пространство заполняла бесформенная масса из пяти частей темной материи и одной части водорода с гелием, которая разрежалась по мере расширения Вселенной. Вещество было немного неоднородным по плотности, а гравитация действовала как усилитель этих неоднородностей: более плотные области расширялись медленнее, чем менее плотные. К моменту 100 млн лет наиболее плотные области не только замедлили свое расширение, но даже начали сжиматься. Каждая из таких зон содержала около 1 млн солнечных масс вещества; они-то и стали первыми гравитационно связанными объектами в космосе.
Основную часть их массы составляла темная материя, не способная, согласно своему названию, излучать или поглощать свет. Поэтому она образовывала весьма протяженные облака. С другой стороны, водород и гелий, излучая свет, теряли энергию и сжимались к центру каждого облака. В конце концов они съеживались настолько, что превращались в звезды. Эти первые объекты были значительно массивнее современных - сотни масс Солнца. Прожив очень короткую жизнь, они взрывались, выбрасывая в прост-ранство первые тяжелые элементы. Спустя несколько миллиардов лет эти облака с массами в миллионы солнечных под действием гравитации сгруппировались в первые галактики.
Излучение от самых первых водородных облаков, испытавшее сильное красное смещение из-за расширения, можно было бы зарегистрировать с помощью огромных комплексов радиоантенн с общей приемной площадью около квадратного километра. Когда эти радиотелескопы будут созданы, станет известно, как первое поколение звезд и галактик ионизовало водород и тем самым завершило темную эру (см.: Лоеб А. Темные века Вселенной // ВМН, № 3, 2007) .
Слабый отблеск горячего начала
Позади темной эры заметен отблеск горячего Большого взрыва при крас- ном смещении 1100. Это изначально видимое (красно-оранжевое) излуче- ние из-за красного смещения стало даже не инфракрасным, а микровол- новым. Заглядывая в ту эпоху, мы ви- дим лишь стену микроволнового из- лучения, заполняющего все небо - космическое микроволновое фоно- вое излучение, открытое в 1964 г. Арно Пензиасом (Arno Penzias) и Ро- бертом Уилсоном (Robert Wilson). Это слабый отсвет Вселенной, пре- бывавшей в младенческом возрас- те 380 тыс. лет, в эпоху формирова- ния атомов. До этого она была почти однородной смесью атомных ядер, электронов и фотонов. Когда Вселен- ная охладилась до температуры око- ло 3000 К, ядра и электроны начали объединяться в атомы. Фотоны пе- рестали рассеиваться на электронах и стали свободно двигаться сквозь пространство, демонстрируя, какой была Вселенная задолго до рождения звезд и галактик.
В 1992 г. спутник NASA «Исследователь фонового излучения» (Cosmic Background Explorer, COBE) обнаружил, что интенсивность этого излучения немного меняется - пример но на 0,001%, указывая на слабую неоднородность в распределении вещества. Степень первичной неоднородности оказалась достаточной, чтобы малые уплотнения стали «затравкой» для будущих галактик и их скоплений, которые позже выросли под действием гравитации. Распределение неоднородностей фонового излучения по небу свидетельствует о важных свойствах Вселенной: о ее средней плотности и составе, о самых ранних этапах ее эволюции. Тщательное изучение этих неоднородностей поведало нам многое о Вселенной.
КОСМИЧЕСКОЕ МИКРОВОЛНОВОЕ
ФОНОВОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ - это изображение Вселенной в младенческом
возрасте 380 тыс. лет. Слабые вариации интенсивности этого излучения
(отмечены цветом) служат космическим Розеттским камнем, дающим
ключ к загадкам Вселенной - ее
возрасту, плотности, составу
и геометрии
.
СВЕРХГЛУБОКОЕ ПОЛЕ «ХАББЛА», самое
чувствительное из когда-либо полученных
изображений космоса, запечатлевшее
более 1 тыс. галактик на ранней стадии их
формирования.
Продвигаясь от этой точки назад, к началу эволюции Вселенной, мы увидим, как первичная плазма становится все более горячей и плотной. До возраста около 100 тыс. лет плотность энергии излучения была выше, чем у вещества, что и удерживало вещество от фрагментации. А в этот момент началось гравитационное скучивание всех структур, наблюдаемых сейчас во Вселенной. Еще ближе к началу, когда возраст Вселенной был менее одной секунды, не было атомных ядер, а только лишь их составляющие - протоны и нейтроны. Ядра возникли, когда Вселенной исполнилось несколько секунд, и температура и плотность стали подходящими для ядерных реакций. В этом нуклеосинтезе Большого взрыва родились только легкие химические элементы: много гелия (около 25% по массе от всех атомов Вселенной) и немного лития, дейтерия и гелия-3. Остальная плазма (около 75%) осталась в форме протонов, которые со временем стали атомами водорода. Все остальные элементы Периодической таблицы родились миллиарды лет спустя в недрах звезд и при их взрывах.
ВСЕЛЕННАЯ СОСТОИТ в основном
из темной энергии и темной
материи; природа обеих неизвестна.
Обычное вещество, из которого
сформированы звезды, планеты
и межзвездный газ, составляет лишь
малую долю.
Теория нуклеосинтеза точно предсказывает содержание элементов и изотопов, измеренное в наиболее древних объектах Вселенной - в самых старых звездах и газовых облаках с большим красным смещением. Содержание дейтерия, очень чувствительное к средней плотности атомов во Вселенной, играет особую роль: его измеренное значение показывает, что обычное вещество составляет (4,5 ± 0,1)% от полной плотности энергии. Остальное - темная материя и темная энергия. Это в точности согласуется с данными о составе, полученными из анализа фонового излучения. Такое соответствие - огромное достижение. Ведь это два совершенно разных измерения: первое основано на ядерной физике и относится к Вселенной в возрасте 1 с, а второе - на атомной физике и свойствах Вселенной в возрасте 380 тыс. лет. Их согласованность - важный тест не только для наших моделей эволюции космоса, но и для всей современной физики.
Ответы в кварковом супе
До возраста в одну микросекунду не было даже протонов и нейтронов; Вселенная была похожа на суп из базовых элементов природы: кварков, лептонов и переносчиков сил (фотонов, W- и Z-бозонов и глюонов). Мы уверены, что этот «суп с кварками» действительно существовал, поскольку физические условия той эпохи воспроизводятся сейчас в экспериментах на ускорителях частиц (см.: Райордэн М., Зэйц У. Первые микросекунды // ВМН, № 8, 2006) .
Изучить ту эпоху космологи надеются не с помощью больших и зорких телескопов, а опираясь на глубокие идеи физики элементарных частиц. Создание Стандартной модели физики частиц 30 лет назад привело к смелым гипотезам, включая теорию струн, пытающуюся объединить казалось бы не связанные между собой частицы и силы. В свою очередь, эти новые идеи нашли приложение в космологии, став такими же важными, как исходная идея горячего Большого взрыва. Они указали на глубокую и неожиданную связь между микромиром и большой Вселенной. Возможно, вскоре мы получим ответы на три ключевых вопроса: какова природа темной материи, в чем причина асимметрии между веществом и антивеществом и как возник комковатый кварковый суп.
Судя по всему, темная материя родилась в эпоху первичного кваркового супа. Природа темной материи пока не ясна, но ее существование не вызывает сомнений. Наша Галактика и все другие галактики, а также их скопления удерживаются тяготением невидимой темной материи. Чем бы она ни была, она должна слабо взаимодействовать с обычным веществом, иначе она как-то проявила бы себя помимо гравитации. Попытки описать единой теорией все наблюдаемые в природе силы и частицы приводят к предсказанию стабильных или долгоживущих частиц, из которых могла бы состоять темная материя. Эти частицы могут быть реликтом эпохи кваркового супа и очень слабо взаимодействовать с атомами. Один из кандидатов - нейтралино, легчайшая из частиц недавно предсказанного класса массивных копий известных частиц. Нейтралино должно иметь массу от 100 до 1000 масс протона, т.е. оно должно рождаться в экспериментах на Большом адронном коллайдере в ЦЕРНе вблизи Женевы. К тому же, пытаясь поймать эти частицы из космоса (или же продукты их взаимодействия), физики создали сверхчувствительные детекторы под землей, а также запускают их на аэростатах и спутниках.
Второй кандидат - аксион, сверхлегкая частица с массой примерно в триллион раз меньше, чем у электрона. На ее существование указывают тонкие различия, предсказанные Стандартной моделью в поведении кварков. Попытки зарегистрировать аксион опираются на тот факт, что в очень сильном маг-нитном поле он может превратиться в фотон. Как нейтралино, так и аксион обладают важным свойством: физики называют эти частицы «холодными». Несмотря на то что они рождаются при очень высокой температуре, движутся они медленно и поэтому легко группируются в галактики.
Вероятно, еще один секрет кроется в эпохе первичного кваркового супа: почему сейчас Вселенная содержит только вещество и почти не содержит антивещества. Физики считают, что вначале у Вселенной их было в равном количестве, но в некоторый момент возник маленький избыток вещества - примерно один лишний кварк на каждый миллиард антикварков. Благодаря этому дисбалансу при аннигиляции кварков с антикварками в процессе расширения и охлаждения Вселенной сохранилось достаточно кварков. Более 40 лет назад эксперименты на ускорителях показали, что законы физики устроены немного в пользу вещества; именно это малое предпочтение в процессе взаимодействия частиц на очень раннем этапе привело к рождению избытка кварков.
Вероятно, сам кварковый суп возник очень рано - примерно через $10^{-34}$ с после Большого взрыва, во всплеске космического расширения, известного как инфляция. Причиной этого всплеска стала энергия нового поля, напоминающего электромагнитное поле и на-званного инфлатоном. Именно инфляция должна объяснить такие фундаментальные свойства космоса, как его общую однородность и мелкие флуктуации плотности, породившие галактики и другие структуры во Вселенной. Когда инфлатон распался, он передал свою энергию кваркам и другим частицам, создав таким образом тепло Большого взрыва и сам кварковый суп.
Теория инфляции демонстрирует глубокую связь между кварками и космосом: квантовые флуктуации инфлатона, существовавшие на субатомном уровне, выросли до астрофизических размеров благодаря быстрому расширению и стали зародышем для всех наблюдаемых сегодня структур. Иными словами, картина микроволнового фонового излучения на небе - это гигантское изображение субатомного мира. Наблюдаемые свойства этого излучения согласуются с теоретическим прогнозом, доказывая, что инфляция или нечто ей подобное действительно произошло в очень ранней истории Вселенной.
Рождение Вселенной
Когда космологи пытаются продвинуться еще дальше и понять самое начало Вселенной, их суждения становятся менее уверенными. В течение века общая теория относительности Эйнштейна была основой изучения эволюции Вселенной. Но она не согласуется с другим столпом современной физики - квантовой теорией, поэтому важнейшая задача - примирить их друг с другом. Только с такой объединенной теорией мы сможем продвинуться к самым ранним моментам эволюции Вселенной, к так называемой эре Планка с возрастом $10^{–43}$ с, когда формировалось само пространство-время.
Пробные варианты единой теории предлагают нам удивительные картины самых первых мгновений. Например, теория струн предсказывает существование дополнительных измерений пространства и, возможно, наличие других вселенных в этом суперпространстве. То, что мы называем Большим взрывом, могло быть столкновением нашей Вселенной с другой (см.: Венециано Г. Миф о начале времен // ВМН, № 8, 2004) . Сочетание теории струн с теорией инфляции приводит, возможно, к самой грандиозной идее - к представлению о множественной Вселенной (multiverse), состоящей из бесконечного числа несвязанных частей, в каждой из которых свои физические законы (см.: Буссо Р., Полчински Й. Ландшафт теории струн // ВМН, № 12, 2004) .
Идея множественной Вселенной еще находится в развитии и нацелена на две важнейшие теоретические проблемы. Во-первых, из уравнений, описывающих инфляцию, следует, что если она произошла один раз, то процесс будет происходить вновь и вновь, порождая бесконечное число «раздутых» областей. Они так велики, что не могут сообщаться друг с другом и поэтому не влияют друг на друга. Во-вторых, теория струн указывает, что эти области имеют разные физические параметры, такие как число пространственных измерений и семейства стабильных частиц.
Концепция множественной Вселенной позволяет по-новому взглянуть на две сложнейшие научные проблемы: что было до Большого взрыва и почему законы физики именно таковы? (Вопрос Эйнштейна: «Был ли у Бога выбор?» относился именно к таким законам.) Множественная Вселенная делает бессмысленным вопрос о том, что было до Большого взрыва, поскольку происходило бесконечное число больших взрывов, и каждый порождал свой всплеск инфляции. Вопрос Эйнштейна тоже теряет смысл: в бесконечном количестве вселенных реализуются все возможные варианты законов физики, поэтому законы, управляющие нашей Вселенной, не представляет собой что-то особенное.
Космологи неоднозначно относятся к идее множественной Вселенной. Если между отдельными субвселенными действительно нет связи, то мы не сможем убедиться в их существовании; фактически они находятся за пределами научных зна-ний. Часть меня хочет закричать: «Пожалуйста, не более одной Вселенной!» Но с другой стороны, идея множественной Вселенной решает ряд принципиальных проблем. Если она верна, то хаббловское расширение Вселенной всего лишь в 100 млрд раз и коперниковское изгнание Земли из центра Вселенной в XVI в. покажутся лишь малым дополнением к нашему осознанию своего места в космосе.
ВО ТЬМЕ
Важнейший элемент современного представления о Вселенной и ее величайшая загадка - темная энергия, недавно обнаруженная и глубоко таинственная форма энергии, вызывающая ускорение космического расширения. Темная энергия перехватила управление у материи несколько миллиардов лет назад. До этого расширение замедлялось под влиянием гравитационного притяжения материи, и гравитация была способна создавать структуры - от галактик до сверхскоплений. Ныне, из-за влияния темной энергии, структуры крупнее сверхскоплений не могут формироваться. А если бы темная энергия победила еще раньше - скажем, когда возраст Вселенной был всего 100 млн лет - то формирование структур прекратилось бы до того, как возникли галактики, и нас бы здесь не было.
У космологов пока весьма смутное представление о том, что же такое эта темная энергия. Чтобы расширение ускорялось, нужна сила отталкивания. Общая теория относительности Эйнштейна указывает, что гравитация предельно упругой формы энергии действительно может вызывать отталкивание. Квантовая энергия, заполняющая пустое пространство, действует именно так. Но проблема в том, что теоретические оценки плотности квантовой энергии не согласуются с требованиями наблюдений; фактически, они превосходят их на много порядков. Другая возможность: космическим ускорением может управлять не новая форма энергии, а нечто, имитирующее эту энергию, скажем, ошибочность общей теории относительности или влияние невидимых пространственных измерений (см.: Кросс Л., Тернер М. Космическая загадка // ВМН, № 12, 2004).
Если Вселенная продолжит ускоряться в нынешнем темпе, то через 30 млрд лет все признаки Большого взрыва исчезнут (см.: Кросс Л., Шеррер Р. Наступит ли конец космологии? // ВМН, № 6, 2008) . Все галактики за исключением нескольких ближайших испытают столь большое красное смещение, что станут невидимыми. Температура космического фонового излучения опустится ниже чувствительности приборов. При этом Вселенная станет похожа на ту, какую астрономы представляли себе 100 лет назад, перед тем, как их приборы стали достаточно мощными, чтобы увидеть Вселенную, которую мы знаем сегодня
Современная космология по сути унижает нас. Мы состоим из протонов, нейтронов и электронов, которые в совокупности составляют всего 4,5% Вселенной; мы существуем лишь благодаря тончайшим связям между самым малым и самым большим. Законы микрофизики обеспечили доминирование вещества над антивеществом, появление флуктуаций, ставших затравкой для галактик, заполнение пространства частицами темной материи, обеспечившей гравитационную инфраструктуру, которая позволила сформироваться галактикам, прежде чем возобладала темная энергия, а расширение начало ускоряться (врезка вверху). В то же время космология по своей природе высокомерна. Мысль о том, что мы можем понять что-то в таком безбрежном океане пространства и времени, как наша Вселенная, на первый взгляд кажется абсурдной. Эта странная смесь скромности и самоуверенности позволила нам за прошедший век весьма далеко продвинуться в понимании строения современной Вселенной и ее эволюции. Я с оптимизмом жду дальнейшего прогресса в ближайшие годы и совершенно уверен, что мы живем в золотой век космологии.
Если бы во Вселенной было еще
больше темной энергии, она бы
осталась почти бесформенной
(слева), без тех крупных структур,
которые мы видим (справа).
Перевод: В.Г. Сурдин
ДОПОЛНИТЕЛЬНАЯ ЛИТЕРАТУРА
- The Early Universe. Edward W. Kolb and Michael S. Turner. Westview Press, 1994.
- The Inflationary Universe. Alan Guth. Basic, 1998.
- Quarks and the Cosmos. Michael S. Turner in Science, Vol. 315, pages 59–61; January 5, 2007.
- Dark Tnergy and the Accelerating Uni- verse. Joshua Frieman, Michael S. Turn- er and Dragan Huterer in Annual Reviews of Astronomy and Astrophysics, Vol. 46, pages 385–432; 2008. Доступно онлайн: arxiv.org .
- Черепащук А.М., Чернин А.Д. Гори- зонты Вселенной. Новосибирск: Изд- во СО РАН, 2005.
Майкл Тернер (Michael S. Turner) первым взялся за объединение физики частиц, астрофизики и космологии и в начале нынешнего десятилетия возглавил работу Национальной академии в этой новой области исследований. Он профессор Института космологической физики Фонда Кавли в Чикагском университете. С 2003 по 2006 г. он возглавлял отделение физико-математических наук Национального научного фонда. Среди его наград премия Уорнера Американского астрономического общества, премия Лилиенфельда Американского физического общества и премия Клопстега Американской ассоциации учителей физики.
Сегодня мы говорим об этой, ну как ее, Вселенной. Так уж получилось, что однажды она откуда-то появилась, и вот все мы здесь. Кто-то читает эту статью, кто-то готовится к экзамену, проклиная все на свете... Самолеты летают, поезда ходят, планеты крутятся, где-то всегда что-то происходит. Людям всегда было интересно знать один сложный ответ на простой вопрос. Как же все начиналось и как это мы докатились до того, что есть? Иными словами - как родилась Вселенная?
Итак, вот они - разные версии и модели происхождения Вселенной.
Креационизм: все создал Господь Бог
Среди всех теорий о происхождении Вселенной эта появилась самой первой. Очень хорошая и удобная версия, которая, пожалуй, будет иметь актуальность всегда. Кстати, многие ученые физики, несмотря на то что наука и религия часто представляются понятиями противоположными, верили в Бога. Например, Альберт Эйнштейн говорил:
«Каждый серьезный естествоиспытатель должен быть каким-то образом человеком религиозным. Иначе он не способен себе представить, что те невероятно тонкие взаимозависимости, которые он наблюдает, выдуманы не им. В бесконечном универсуме обнаруживается деятельность бесконечно совершенного Разума. Обычное представление обо мне, как об атеисте – большое заблуждение. Если это представление почерпнуто из моих научных работ, могу сказать, что мои научные работы не поняты»
Теория Большого Взрыва
Пожалуй, самая распространенная и наиболее признанная модель происхождения нашей Вселенной. Во всяком случае, о ней слышал практически каждый. Что говорит нам Большой Взрыв? Однажды, лет эдак 14 миллиардов назад, пространства и времени не было, а вся масса вселенной была сосредоточена в крохотной точке с невероятной плотностью – в сингулярности. В один прекрасный момент (если так можно сказать -времени-то не было) сингулярность не выдержала из-за возникшей в ней неоднородности, произошел так называемый Большой Взрыв. И с тех пор Вселенная постоянно расширяется и остывает.
Модель расширяющейся Вселенной
Сейчас доподлинно известно, что Галактики и иные космические объекты удаляются друг от друга, а значит, Вселенная расширяется. В 20-м веке существовало множество альтернативных теорий происхождения Вселенной. Одной из самых популярных была модель стационарной Вселенной, за которую ратовал сам Эйнштейн. Согласно этой модели, Вселенная не расширяется, а находиться в стационарном состоянии благодаря какой-то удерживающей ее силе.
Красное смещение – это наблюдаемое для далеких источников понижение частот излучения, которое объясняется отдалением источников (галактик, квазаров) друг от друга. Данный факт свидетельствует о том, что Вселенная расширяется.
Реликтовое излучение – это как бы отголоски большого взрыва. Ранее Вселенная представляла собой горячую плазму, которая постепенно остывала. Еще с тех далеких времен во Вселенной остались так называемые блуждающие фотоны, которые образуют фоновое космическое излучение. Ранее при более высоких температурах Вселенной данное излучение было гораздо мощнее. Сейчас же его спектр соответствует спектру излучения абсолютно твердого тела с температурой всего 2,7 Кельвин.
Теория струн
Современное изучение эволюции Вселенной невозможно без согласования его с квантовой теорией. Так, например, в рамках теории струн (теория струн основана на гипотезе о том, что все элементарные частицы и их фундаментальные взаимодействия возникают в результате колебаний и взаимодействий ультрамикроскопических квантовых струн ), предполагается модель множественной Вселенной. Конечно, там тоже был Большой Взрыв, но он произошел не просто так и из ничего, а, возможно, в результате столкновения нашей Вселенной с какой-то другой, еще одной Вселенной.
Собственно, кроме Большого Взрыва, породившего нашу Вселенную, во множественной Вселенной происходит множество других Больших Взрывов, порождающих множество других Вселенных, развивающихся по своим, отличным от известных нам законам физики.
Скорее всего мы никогда не узнаем наверняка, как, откуда и почему появилась Вселенная. Тем не менее, размышлять об этом можно очень долго и интересно, а чтобы у Вас было достаточно пищи для размышлений, предлагаем посмотреть увлекательное видео на тему современных теорий происхождения Вселенной.
Проблемы развития Вселенной слишком масштабны. Настолько масштабны, что, по сути, даже не являются проблемами. Предоставим физикам-теоретикам ломать над ними головы и перенесемся из глубин Вселенной на Землю, где нас, возможно, ждет неначатый курсач или диплом. Если это так, мы предлагаем свое решение этого вопроса. Закажите отличную работу у , вздохните спокойно, и будьте в гармонии с собой и Вселенной.
Космологическая модель Канта
Вплоть до начала ХХ века, когда возникла теория относительности Альберта Эйнштейна, в научном мире общепринятой была теория бесконечной в пространстве и во времени, однородной и статичной Вселенной. О безграничности Вселенной сделал предположение Исаак Ньютон (1642-1726), а философ Эммануил Кант (1724-1804) развил эту идею, допустив, что вселенная не имеет начала и во времени. Он объяснял все процессы во Вселенной законами механики, незадолго до его рождения описанными Исааком Ньютоном.
Кант распространил свои умозаключения и на область биологии, утверждая что бесконечно древняя, бесконечно большая Вселенная представляет возможность для возникновения бесконечного числа случайностей, в результате которых возможно возникновение любого биологического продукта. Эта философия, которой нельзя отказать в логике выводов (но не постулатов) явилась питательной почвой для возникновения дарвинизма, о котором речь пойдёт в статье II.
Наблюдения астрономов 18-19 веков за движением планет подтвердили космологическую модель Вселенной Канта, и она из гипотезы превратилась в теорию, а к концу 19 века считалась непререкаемым авторитетом. Этот авторитет не мог поколебать даже так называемый "парадокс тёмного ночного неба". Почему парадокс? потому что в модели кантовской Вселенной сумма яркостей звёзд должна создавать бесконечную яркость, а ведь небо-то тёмное! Нельзя считать удовлетворительным объяснение поглощения части звёздного света облаками пыли, находящимися между звёздами, так как согласно законам термодинамики любое космическое тело со временем начинает отдавать столько энергии, сколько получает (однако, это стало известно только в 1960 году).
Модель расширяющейся Вселенной
В 1915 и 1916 годах Эйнштейн опубликовал уравнения общей теории относительности (следует заметить, что к настоящему времени это наиболее полно и тщательно проверенная и подтверждённая теория). Согласно этих уравнений Вселенная не является статичной, а расширяется с одновременным торможением. Единственное физическое явление, которое ведёт себя подобным образом это взрыв, которому учёные дали название "Большой взрыв" или "горячий Большой взрыв".
Но если видимая Вселенная является следствием Большого взрыва, то у этого взрыва было начало, была Первопричина, был Конструктор. Вначале Эйнштейн отвергал такой вывод и в 1917 г. выдвинул гипотезу о существовании некой "силы отталкивания", прекращающей движение и сохраняющей Вселенную в статическом состоянии бесконечное время.
Однако американский астроном Эдвин Хаббл (1889-1953) в 1929 году доказал, что звёзды и звёздные скопления (галактики) удаляются друг от друга. Это, так называемое, "разбегание галактик" предсказано изначальной формулировкой общей теории относительности.
Перед лицом таких доказательств Эйнштейн отказался от гипотетической силы отталкивания и признал необходимость начала и присутствия Высшей первопричины возникновения Вселенной, которая, по его словам, обладает разумом и творческой силой, но не является личностью. Я не буду оспаривать последние слова Эйнштейна, с которыми христиане не согласятся, а поясню, почему он и многие другие выдающиеся современные учёные пришли к такому выводу.
Вселенная конечна
В модели расширяющейся Вселенной учёные рассчитали количество времени, прошедшее с того момента, когда Вселенная начала существовать. Это время оказалось порядка нескольких миллиардов лет, (разные учёные приводят различные значения, но не более 22 млрд. лет). Это время существования Вселенной получило название "времени Хаббла".
Так вот, астрономы, астрофизики, биологи считают, что в отличие от прежней модели бесконечной Вселенной в новой модели конечной Вселенной миллиарды лет это чрезвычайно малый период времени, чтобы атомы могли случайно преобразоваться в живую материю. Необходимо вмешательство Конструктора: можно Его назвать Космическим Разумом, Абсолютным Началом, Богом, от этого суть утверждения не меняется - для возникновения Вселенной, в том числе и разумной жизни, необходима внешняя творческая сила.
Такой вывод оказался столь неожиданным, что не все учёные с готовностью приняли его. Сразу было выдвинуто несколько иных, отличных от теории Большого взрыва, моделей Вселенной, основными из которых являются: Вселенная стационарного состояния Томаса Голда и Фреда Хойла, модель плазменной Вселенной Ганса Альвена и модель пульсирующей Вселенной. Не вдаваясь в подробности этих моделей, скажу что со временем была доказана их полная несостоятельность, особенно после того, как в 90-х годах были получены результаты исследования
Большой взрыв
О результатах этих чрезвычайно важных исследований я скажу чуть позднее, а сейчас дам некоторые пояснения сущности теории Большого взрыва.
Согласно этой теории, нынешней материи и энергии предшествовало состояние бесконечных или близких к бесконечным значениям плотности, давления и температуры. Иными словами, Вселенная возникла из очень малого объёма, намного меньшего, чем точка, которую мы ставим в конце предложения.
Физики так глубоко разработали теорию Большого взрыва, что к настоящему времени могут объяснить процессы, происходившие во Вселенной с момента, когда ей было 10 в минус 43 степени секунды.
Так теория предсказывает, что современную Вселенную должно пронизывать так называемое "реликтовое" излучение с температурой всего около 5 градусов выше абсолютного нуля, т.е. 5 град. Кельвина или минус 268 град Цельсия. Это предсказал наш учёный Гамов и его сотрудники в 1948 году. Только к 1964 году американцами был сконструирован прибор необходимой точности и измерено указанное излучение, но только на длине радиоволн из-за атмосферных помех.
Исследования Космоса
В результате исследований космоса с помощью упомянутого выше спутника СОВЕ в 1990 г. на разных длинах волн была измерена температура фонового излучения в условиях открытого космоса, она оказалась равной 2,735 гр. К и постоянной во всех направлениях, что подтвердило выводы Гамова.
В 1992 году с помощью этого же спутника были обнаружены флуктуации (отклонения) в фоновом излучении, предсказанные теорией Большого взрыва, без которых не смогли бы возникнуть галактики и их скопления. Наконец, в 1994 г., с повышением точности измерений с 1 % до 0,3 %, была уточнена температура фонового излучения космоса (2,726 градуса К), а, главное, результаты измерений во всём диапазоне длин волн совпали со спектром идеального излучателя.
Спутник COBE позволил измерить температуру фонового излучения так называемого "ближнего" космоса. Но в сентябре 1994 г. вступил в строй самый большой оптический телескоп в мире "Кек" на Гавайях, с помощью которого удалось измерить температуру настолько удалённых космических газовых скоплений, что их излучение даёт информацию о Вселенной, которая была в 4 раза моложе, чем сейчас.
Согласно модели горячего Большого взрыва температура фонового излучения Вселенной на той ранней стадии развития должна быть 7,58 гр. К, а наблюдения показали 7,4 плюс-минус 0,8 гр. К, что поразительно точно соответствует предсказанным.
Подтверждение теории Большого взрыва
К настоящему времени сделано уже 8 крупных открытий, подтверждающих теорию Большого взрыва как начала возникновения Вселенной. Более того, британские астрофизики Хокинг, Эллис и Пенроуз расширили уравнения общей теории относительности Эйнштейна, включив в них пространство и время. Решение этих уравнений показывает, что пространство и время должны были возникнуть в том же Большом взрыве, который дал начало существованию энергии и материи. Иными словами, само время должно иметь начало, но тогда причиной возникновения Вселенной должна быть какая-то Сущность, совершенно не зависящая отвремени и пространства и существовавшая до их возникновения.
Примечание.
Этот вывод имеет огромное значение для понимания того, Кто есть Бог. Бог трансцендентен: Он вне измерений Вселенной и не является самой Вселенной (согласно монизму), а также, что Он не обитает во Вселенной (согласно пантеизму). Бог есть Творец, ибо дал Вселенной существование, сотворил её, она следствие Его действий. Но обо всех вышеуказанных выводах науки ещё более 3 тысяч лет назад говорила Библия.
Физические константы Вселенной
Теоретический вывод п.1.6 подтверждается научными наблюдениями за Вселенной, как будто специально созданной для жизни. Уже открыто 26 параметров (характеристик) Вселенной, которые должны принимать строго определённые значения, чтобы могла существовать Вселенная и жизнь в ней. В числе этих характеристик много физконстант: постоянная сильного ядерного взаимодействия, постоянная слабого ядерного взаимодействия, постоянная гравитационного взаимодействия, постоянная электромагнитного взаимодействия и т.д.
Рассмотрим, например, сильное ядерное взаимодействие (речь идёт о силе, определяющей степень притяжения протонов и нейтронов в ядре атома). Если бы это взаимодействие было всего на 2 % слабее существующего, то протоны и нейтроны не смогли бы удержаться вместе и во Вселенной существовал бы только один элемент - водород (ядро атома водорода состоит из одного протона, а нейтрона не имеет).
С другой стороны, если бы сильное ядерное взаимодействие было всего на 0,3% сильнее существующего, то протоны и нейтроны притягивались бы друг к другу с такой силой, что во Вселенной не было бы водорода, а только тяжёлые элементы. Но с точки зрения химии жизнь без водорода невозможна (впрочем, невозможна она в том случае, когда единственным элементом является водород).
Среди 26 упомянутых характеристик много строго определённых соотношений, например, отношение массы нейтрона к массе протона, протона к массе электрона, отношение количества протонов к количеству электронов и т.д.
Например, масса нейтрона на 0,138 % больше, чем масса протона. Учёные рассчитали, что для существования современной Вселенной масса нейтрона не должна отклоняться от нормы больше, чем на 0,1 %. Ещё более точным должно быть соотношение между количеством протонов и электронов. Галактики, звёзды и планеты никогда бы не образовались, если бы количество протонов не равнялось количеству электронов с точностью до 10 в минус 35 степени процентов (35 нулей после запятой!). Еще более точным должно быть соотношение электромагнитной и гравитационной постоянных - не менее 10 в минус 40 степени, а в момент Большого взрыва это соотношение должно было соблюдаться ещё на 20 порядков точнее, т.е. не менее 10 в минус 60 степени (невероятная точность!).
Точность конструирования Вселенной
Среди 26 характеристик есть ряд параметров Вселенной, которые должны принимать строго определённые значения. Это такие параметры как: скорость расширения Вселенной, её плотность, расстояния между звёздами в галактиках и между галактиками, уровень энтропии и т.д.
Остановлюсь только на одном параметре - скорости расширения Вселенной. Она не может отличаться от существующей более, чем на 10 в минус 55 степени по всем направлениям. Если бы Вселенная расширялась быстрее, материя рассеивалась бы слишком интенсивно для того, чтобы образовались галактики, а без галактик не было бы звёзд и планет. Если бы Вселенная расширялась медленнее, то она сжалась бы в один сверхплотный сгусток прежде, чем смогли бы образоваться звёзды солнечного типа.
Этот и многие другие перечисленные факты приводят нас к очень важному выводу: для того, чтобы существовала Вселенная и жизнь в ней её физические характеристики должны быть чрезвычайно, поразительно точны. Вселенная должна быть сконструирована в высшей степени точно, чтобы возникли протоны, нейтроны и электроны (со строго определёнными характеристиками), которые соединились бы определённым образом, чтобы появились атомы требуемого ассортимента и в необходимых количествах, без чего невозможно существование жизни. Если бы Вселенная не была безукоризненно смоделирована атомы не смогли бы соединиться в сложные молекулы.
Таким образом, слепой случай, цепь случайных совпадений, как причина возникновения и существования наблюдаемой нами Вселенной и жизни в ней исключается совершенно.
Образование Галактик
Вы можете возразить: кто там сконструировал Вселенную мы не видели и не знаем. Для нас это что-то очень далёкое и абстрактное. Нам гораздо ближе наша планета Земля и наше солнце. Как нас учили в школе и в институте, они возникли из пылегазового протооблака путём сгущения массы и в конструкторе не нуждаются.
Друзья, сейчас появляется всё больше фактов, опровергающих такое мнение. При переходе от Вселенной, как большой системы, к малым системам, таким как наша галактика, солнечная система, наша Земля количество доказательств сотворения только возрастает.
Например, только 5 % всех наблюдаемых галактик имеют спиральную форму, такую как наша галактика "Млечный путь", остальные 95 % имеют эллиптическую или неправильную форму и в них жизнь возникнуть не может.
В этой спиральной галактике солнечная система должна находиться в нужном месте спирального рукава и на определённом расстоянии от центра галактики, в противном случае либо эта система не получит достаточного количества тяжёлых химических элементов (их поставляют так называемые сверхновые звёзды после своего взрыва), а также фтора (его поставляют белые карликовые звёзды) либо жизнь будет уничтожена мощными излучениями радиации и выбросами материальных частиц.
Образование солнечной системы
Ещё больше ограничений налагается на звезду и планету в солнечной системе, в которой может возникнуть жизнь. Так эта звезда должна быть одиночной (только 25 % звёзд в нашей галактике одиночные), эта звезда должна иметь определённую массу и сформироваться в строго определённый момент развития галактики.
Планета, например наша Земля, должна находиться на оптимальном расстоянии от звезды-солнца, изменение которого всего на 2 % сделает жизнь на ней невозможной. Также всего на несколько процентов может изменяться период вращения Земли вокруг своей оси без ущерба для жизни на планете. Орбита Земли почти круговая, что важно для сохранения постоянства климата, в отличие от всех остальных планет, которые имеют эллиптические орбиты. Размеры и масса Земли оптимальны, но если бы они были меньше, Земля потеряла бы свою атмосферу, как, например, Луна, а если - больше, тогда в атмосфере сохранились бы ядовитые газы, такие как метан, аммиак, водород.
Об удивительной атмосфере Земли, сбалансированности её состава и процессов, протекающих в ней, можно прочесть отдельную обширную лекцию. Скажу только, что без такой уникальной атмосферы не было бы и жизни на Земле. То же самое можно сказать о морской и пресной воде, о таких жизненно необходимых элементах как углерод, кислород, фосфор и о многом другом.
Более того, если бы все многочисленные условия, небольшую часть которых я перечислил, были строго соблюдены, но в солнечной системе отсутствовала бы такая "мелочь" как планета Юпитер необходимой массы и именно с такой орбитой вращения, то Земля подвергалась бы бомбардировкам астероидов и комет в 1000 раз чаще, чем в реальности. То есть такая катастрофа, которая стёрла с лица Земли динозавров, была бы обычным явлением, что привело бы к постоянному уничтожению жизни на Земле. Климат Земли так же был бы непригоден для жизни, если бы планеты нашей солнечной системы не имели теперешних постоянных орбит.
Антропический принцип Хокинга
Итак, мы видим, что Земля подготовлена к жизни множеством взаимосвязанных характеристик нашей галактики, звезды-солнца, планет. Это научное открытие называется антропическим принципом Хокинга. Современные учёные насчитывают на сегодняшний день свыше 40 характеристик (по Вселенной их было 26), без строго соблюдения которых жизнь на Земле была бы невозможной (в 1966 году было всего 2 такие характеристики, к концу 60-х годов уже 8, к концу 70-х - 23, к концу 80-х - 30, сейчас - более 40).
Американский астрофизик Хью Росс произвёл оценку вероятности случайного совпадения 41 такой характеристики и получил величину равную 10 в минус 53 степени (вероятность события, меньшую чем 10 в минус 40 степени учёные считают практически невозможной).
Действительно, учитывая что наблюдаемая Вселенная содержит менее 1 триллиона галактик, в каждой из которых имеется около 100 миллиардов звёзд, а на 1000 звёзд приходится по одной планете получим количество планет во Вселенной 10 в 20 степени (на 33 порядка меньше требуемого), т.е. ни на одной планете нет всех условий возникновения жизни, которые возникли бы самопроизвольно, исключительно за счёт природных процессов.
Биологический эксперимент
Вывод о невозможности самопроизвольного возникновения и существования жизни подтверждается данными, полученными в ходе эксперимента на сооружении "Биосфера-2" в штате Аризона.
Это сооружение представляло собой замкнутую натурную модель "Биосферы-1", т.е. биосферы Земли. Сооружение, площадью 1,3 га, создавалось 5 лет и стоило около 200 млн. долларов США. Несмотря на сверхсовременное технологическое обеспечение Биосфера-2 оказалась неспособной обеспечить восьмерых человек необходимым количеством еды, воды и воздуха даже на 2 года.
Уже через 15 месяцев, после закрытия в 1991 году наружной изолирующей оболочки, уровень кислорода упал до критического уровня и его экстренно пришлось нагнетать извне. Вымерло 18 из 25 помещённых под купол видов позвоночных животных, а также большинство насекомых. Возникли серьёзные проблемы с контролем температуры, с загрязнением воды и воздуха.
Устроителям этого грандиозного эксперимента пришлось признать, что мы не имеем малейшего представления каким же образом естественные экологические системы способны обеспечивать всё необходимое для существования человека.
Но если человечество не только не в состоянии воссоздать биосферу, но даже не имеет полной теории её существования, тогда она не могла возникнуть самопроизвольно, случайно. Следовательно не только Вселенная, как было показано ранее, но и наша солнечная система и планета Земля с её идеальными условиями для возникновения жизни созданы Творцом, а не слепым случаем.
Вселенная - голограмма
Мы привыкли воспринимать мир в трёх измерениях. Однако учёные из Национальной лаборатории имени Энрико Ферми при министерстве энергетики США предположили, что Вселенная - это голограмма, то есть только кажется объёмной, а на самом деле она плоская. Согласно их гипотезе, пространство-время можно представить в виде мельчайших блоков подобно картинке с экрана, состоящей из пикселей. Каждый из этих блоков настолько крохотный, что ещё меньшие длины попросту не имеют физического смысла.
Директор лаборатории Крэйг Хоган и его коллеги пытаются доказать, что пространство-время - квантовая система, как материя и энергия, и образована волнами. Для этого они собрали установку под названием голометр. Голометр испускает два мощных лазерных луча, которые то сходятся, то расходятся. Если их яркость будет колебаться, то это подтвердит, что колеблется и пространство-время, а значит, оно обладает свойствами двухмерной волны. Эксперимент начался минувшим летом и продлится примерно год. Как это отразится на человечестве, трудно сказать. Однако если догадка физиков из Фермилаба верна, то объём информации во Вселенной конечен, следовательно, у всего, что мы можем измерить, помыслить и сделать, есть предел.
Квантовая пена
как ткань Вселенной
Пространство-время кажется непрерывным и гладким, но, вполне вероятно, на микроуровне оно устроено совсем иначе. В 1955 году физик Джон Уилер предложил концепцию квантовой пены. Эта концепция держится на предположении, что наряду с обычными частицами существуют виртуальные частицы, которые образуются из энергии и аннигилируют в согласии с принципом неопределённости Гейзенберга. Эти процессы порождают квантовые флуктуации, отчего пространство-время искривляется в масштабе планковских величин.
Концепция квантовой пены рисует поразительные картины: например, мельчайшие чёрные дыры и кротовые норы, полученные от взаимодействия виртуальных частиц, - и может пригодиться, чтобы объяснить рождение Вселенной и её строение. Впрочем, доказать или опровергнуть её пока не удалось - некоторые учёные сомневаются, что виртуальные частицы вообще существуют.
Наша Вселенная - результат столкновения трёхмерных миров
Модель, предложенная Полом Стайнхардтом и Нилом Туроком, напоминает теорию Большого взрыва, но исключает сам Большой взрыв. Исследователи соглашаются, что Вселенная расширяется и остывает последние 15 миллиардов лет, но считают, что перед этим не было никакой сингулярности. По их мнению, сначала Вселенная была холодной и почти пустой, а высокие, но конечные температуру и плотность ей придало столкновение двух трёхмерных миров - бран, двигавшихся вдоль ещё одного, скрытого измерения. В разных точках столкновение случилось не единовременно, потому Вселенная неоднородна, - именно так смогли появиться галактики.
Экпиротическая модель основана на положениях теории струн, поэтому предполагает существование других миров. Правда, мы не можем их наблюдать, поскольку частицы и свет туда не проникают. В 2002 году Стайнхардт и Турок расширили свою модель и назвали её циклической. Согласно ей, после столкновения браны разделяются, а потом снова сходятся, - и так до бесконечности.
Пространство-время - сверхтекучая жидкость
Ключевая задача современной физики - устранить противоречия между общей теорией относительности и квантовой механикой. Некоторые исследователи считают, что избавиться от них поможет концепция, согласно которой пространство-время - это сверхтекучая жидкость. Физик Тед Джейкобсон сравнил пространство-время с водой. Отдельные молекулы воды не обладают её свойствами, но тем не менее их задают. Стефано Либерати и Лука Маччоне решили проверить гипотезу на квантах света. Они предположили, что пространство-время ведёт себя как жидкость только в особых случаях, например, с фотонами большой энергии. Такие фотоны должны терять энергию на длинных расстояниях подобно затухающим волнам в других средах.
Либерати и Маччоне следили за излучением от остатка сверхновой в Крабовидной туманности, расположенной в 6,5 тыс. световых лет от Земли. Они не обнаружили отклонений и заключили, что жидкостные эффекты пространства-времени либо чрезвычайно слабы, либо вообще не существуют. Но если бы фотоны действительно потеряли энергию, это означало бы, что скорость света в вакууме непостоянна, а это противоречит общей теории относительности. Либерати и Маччоне не стали отбрасывать концепцию. Впрочем, даже сторонники идеи, что пространство-время - это сверхтекучая жидкость, не очень-то надеются найти подтверждение.
Вселенные
в чёрных дырах
Люди, за исключением братьев Ноланов, не знают, что находится внутри чёрных дыр. По мнению Никодема Поплавского, они ведут в другие вселенные. Эйнштейн полагал, что упавшее в чёрную дыру вещество сжимается в сингулярность. Согласно уравнениям Поплавского, на другом конце чёрной дыры расположена белая дыра - объект, из которого материя и свет только исторгаются. Эта пара образует кротовую нору, и всё, попадая туда с одной стороны и выходя с другой, образует новый мир. В начале 1990-х годов физик Ли Смолин предложил похожую и в чём-то более странную гипотезу: он тоже верил во вселенные по ту сторону черной дыры, но думал, что они подчиняются закону наподобие естественного отбора: воспроизводятся и мутируют в ходе эволюции.
Теория Поплавского может прояснить несколько «тёмных» мест в современной физике: например, откуда взялась космологическая сингулярность до Большого взрыва и гамма-всплески на краю нашей Вселенной, или почему Вселенная не сферическая, а, судя по всему, плоская. Критики учёного указывают, что природа первичного мира, из которого произошли все другие вселенные, всё равно остаётся загадкой. Впрочем, даже скептикам не кажется, что гипотеза Поплавского менее правдоподобна, чем догадка Эйнштейна насчёт сингулярности.
Терри Пратчетт описал традиционный взгляд на создание Вселенной примерно так: «В начале было ничего, которое взорвалось». Современная точка зрения космологии подразумевает, что расширяющаяся Вселенная возникла в результате Большого Взрыва, и она хорошо поддерживается доказательствами в виде реликтового излучения и смещением далекого света в направлении красной части спектра: Вселенная расширяется постоянно.
И все же далеко не всех удалось в этом убедить. В течение многих лет предлагались самые разные альтернативы и различные мнения. Некоторые интересные предположения остаются, увы, непроверяемыми с применением наших современных технологий. Другие представляют собой полеты фантазии, восставшей против непостижимости Вселенной, которая, кажется, бросает вызов человеческим представлениям о здравом смысле.
Теория стационарной Вселенной
Согласно недавно восстановленной рукописи Альберта Эйнштейна, великий ученый отдал дань уважения британскому астрофизику Фреду Хойлу за теорию о том, что пространство может расширяться в течение неопределенного времени, сохраняя равномерную плотность, если постоянно будет появляться новая материя в процессе спонтанной генерации. В течение многих десятилетий многие считали идеи Хойла ерундой, но недавно обнаруженный документ показывает, что Эйнштейн как минимум серьезно рассматривал его теорию.
Теорию стационарной Вселенной была предложена в 1948 году Германом Бонди, Томасом Голдом и Фредом Хойлом. Она вышла из идеального космологического принципа, который гласит, что вселенная выглядит по существу одинаково в каждой точке в любое время (в макроскопическом смысле). С философской точки зрения он привлекателен, поскольку тогда у вселенной нет начала и конца. Теория была популярна в 50-60-х годах. Столкнувшись с указаниями на то, что Вселенная расширялась, ее сторонники предположили, что во вселенной постоянно рождается новая материя, в постоянном, но умеренном темпе - несколько атомов на кубический километр в год.
Наблюдения квазаров в далеких (и старых, с нашей точки зрения) галактиках, которых в наших звездных окрестностях не существует, охладили энтузиазм теоретиков, и ее окончательно развенчали, когда ученые обнаружили космическое фоновое излучение. Тем не менее, хотя теория Хойла не принесла ему лавров, он провел серию исследований, которые показали, как во вселенной появились атомы тяжелее гелия. (Они появились в процессе жизненного цикла первых звезд при высоких температурах и давлении). По иронии судьбы, он также был одним из создателей термина «большой взрыв».
Утомленный свет
Эдвин Хаббл заметил, что длины волн света далеких галактик смещаются в направлении красной части спектра, если сравнивать со светом, излученным звездными телами поблизости, что говорит об утрате фотонами энергии. «Красное смещение» объясняется в контексте расширения после Большого Взрыва как функция эффекта Доплера. Сторонники моделей стационарной вселенной вместо этого предположили, что фотоны света теряют энергию постепенно по мере движения через космос, переходя к длинным волнам, менее энергетическим в красном конце спектра. Эту теорию впервые предложил Фриц Цвикки в 1929 году.
С утомленным светом связывают целый ряд проблем. Во-первых, нет никакого способа изменить энергию фотона без изменения его импульса, что должно приводить к эффекту размытия, который мы не наблюдаем. Во-вторых, он не объясняет наблюдаемые паттерны излучения света сверхновых, которые прекрасно соотносятся с моделью расширяющейся вселенной и специальной относительности. Наконец, большинство моделей утомленного света базируются на нерасширяющейся вселенной, но это приводит к спектру фонового излучения, который не соответствует нашим наблюдениям. В численном выражении, если бы гипотеза утомленного света была корректной, вся наблюдаемая радиация космического фона должна была бы приходить из источников, которые ближе к нам, чем галактика Андромеды (ближайшая к нам галактика), а все, что за ней, было бы для нас невидимо.
Вечная инфляция
Большинство современных моделей ранней Вселенной постулируют короткий период экспоненциального роста (известный как инфляция), вызванный энергией вакуума, в процессе которого соседствующие частицы оказались быстро разделенными огромными областями пространства. После этой инфляции, энергия вакуума распалась на горячий плазменный бульон, в котором образовались атомы, молекулы и так далее. В теории вечной инфляции этот процесс инфляции никогда не заканчивался. Вместо этого пузыри пространства прекратили бы раздуваться и вступили бы в низкоэнергетическое состояние, чтобы после расшириться в инфляционном пространстве. Такие пузыри были бы подобны пузырям пара в кипящей кастрюле с водой, только в этот раз кастрюля постоянно увеличивалась бы.
По этой теории наша Вселенная - один из пузырьков множественной вселенной, характеризующейся постоянной инфляцией. Один из аспектов этой теории, который можно было бы проверить, это допущение, что две вселенные, которые будут достаточно близко, чтобы встретиться, вызовут нарушения в пространстве-времени каждой вселенной. Лучшей поддержкой такой теории будет обнаружение доказательства такого нарушения на фоне реликтового излучения.
Первую инфляционную модель предложил советский ученый Алексей Старобинский, но на западе известной она стала благодаря физику Алану Гуту, который предположил, что ранняя вселенная могла переохладиться и позволить экспоненциальному росту начаться еще до Большого Взрыва. Андрей Линде взял эти теории и разработал на их основе теорию «вечного хаотического расширения», согласно которой вместо необходимости Большого Взрыва, при необходимой потенциальной энергии, расширение может начаться в любой точки скалярного пространства и происходить постоянно во всей мультивселеннной.
Вот что говорит Линде: «Вместо вселенной с одним законом физики, вечная хаотическая инфляция предполагает самовоспроизводяющуюся и вечно существующую мультивселенную, в которой все возможно».
Мираж четырехмерной черной дыры
Стандартная модель Большого Взрыва утверждает, что Вселенная взорвалась из бесконечно плотной сингулярности, но это не облегчает задачу объяснения ее почти однородной температуры, учитывая относительно короткое время (по меркам космоса), которое прошло со времен этого жестокого события. Некоторые считают, что это могла бы объяснить неизвестная форма энергии, которая привела к тому, что вселенная расширилась быстрее скорости света. Группа физиков из Института теоретической физики Периметра предположила, что вселенная может быть по сути трехмерным миражом, созданным на горизонте событий четырехмерной звезды, коллапсирующей в черную дыру.
Ниайеш Афшорди и его коллеги изучали предложение 2000 года, сделанное командой Университета Людвига Максимилиана в Мюнхене, на тему того, что наша Вселенная может быть лишь одной мембраной, существующей в «объемной вселенной» с четырьмя измерениями. Они решили, что если эта объемная вселенная также содержит четырехмерные звезды, они могут вести себя подобно своим трехмерным коллегам в нашей вселенной - взрываясь в сверхновые и коллапсируя в черные дыры.
Трехмерные черные дыры окружены сферической поверхностью - горизонтом событий. В то время как поверхность горизонта событий трехмерной черной дыры двумерна, форма горизонта событий четырехмерной черной дыры должна быть трехмерной - гиперсферой. Когда команда Афшорди смоделировала смерть четырехмерной звезды, она обнаружила, что извергаемый материал образовал трехмерную брану (мембрану) вокруг горизонта событий и медленно расширился. Команда предположила, что наша Вселенная может быть миражом, сформированным из обломков внешних слоев четырехмерной коллапсирующей звезды.
Поскольку четырехмерная объемная вселенная может быть намного старше, или даже бесконечно старой, это объясняет однородную температуру, наблюдаемую в нашей Вселенной, хотя некоторые из последних данных свидетельствуют о том, что могут быть отклонения, вследствие которых традиционная модель подходит лучше.
Зеркальная Вселенная
Одна из запутанных проблем физики такова, что почти все принятые модели, включая гравитацию, электродинамику и относительность, работают одинаково хорошо в описании Вселенной, независимо от того, идет время вперед или назад. В реальном же мире мы знаем, что время движется лишь в одном направлении, и стандартное объяснение этому в том, что наше восприятие времени есть лишь продукт энтропии, в процессе которой порядок растворяется в беспорядке. Проблема этой теории в том, что из нее вытекает, что наша Вселенная начала с высокоупорядоченного состояния и низкой энтропии. Многие ученые несогласны с понятием низкоэнтропийной ранней вселенной, фиксирующей направление времени.
Джулиан Барбур из Оксфордского университета, Тим Козловски из Университета Нью-Брансвик и Флавио Меркати из Института теоретической физики Периметра разработали теорию, согласно которой гравитация привела к тому, что время стало течь вперед. Они изучили компьютерное моделирование частиц в 1000 точек, взаимодействующих между собой под влиянием ньютоновой гравитации. Выяснилось, что независимо от их размера или размера, частицы в конечном итоге образуют состояние низкой сложности с минимальным размером и максимальной плотностью. Затем эта система частиц расширяется в обоих направлениях, создавая две симметричных и противоположных «стрелы времени», а с ней и более упорядоченные и сложные структуры по обе стороны.
Это позволяет предположить, что Большой Взрыв привел к созданию не одной, а двух вселенных, в каждой из которых время течет в противоположную от другой сторону. По мнению Барбура:
«Эта ситуация с двумя будущими будет демонстрировать единое хаотичное прошлое в обоих направлениях, означая, что будет по сути две вселенных, по каждую сторону центрального состояния. Если они будут достаточно сложными, обе стороны будут поддерживать наблюдателей, которые смогут воспринимать течение времени в обратном направлении. Любые разумные существа определят свою стрелу времени как удаление от центрального состояния. Они будут думать, что мы сейчас живем в их далеком прошлом».
Конформная циклическая космология
Сэр Роджер Пенроуз, физик Оксфордского университета, считает, что Большой Взрыв не был началом Вселенной, а лишь переходом по мере того, как она проходит через циклы расширения и сжатия. Пенроуз предположил, что геометрия пространства изменяется со временем и становится все более запутанной, как описывает математическое понятие тензора кривизны Вейля, который начинается с нуля и увеличивается со временем. Он считает, что черные дыры действуют, уменьшая энтропию Вселенной, и когда последняя достигает конца расширения, черные дыры поглощают материю и энергию и, в конце концов, друг друга. По мере распада материи в черных дырах, она исчезает в процессе излучения Хокинга, пространство становится однородным и наполненным бесполезной энергией.
Это приводит к понятию конформной инвариантности, симметрии геометрий с разными масштабами, но одной формы. Когда Вселенная уже не сможет соответствовать изначальным условиям, Пенроуз считает, что конформное преобразование приведет геометрию пространства к сглаживанию, и деградировавшие частицы вернутся к состоянию нулевой энтропии. Вселенная коллапсирует сама в себя, готовая разразиться новым Большим Взрывом. Отсюда следует, что Вселенная характеризуется повторяющимся процессом расширения и сжатия, который Пенроуз поделил на периоды под названием «эоны».
Панроуз и его партнер, Ваагн (Ваге) Гурзадян из Ереванского физического института в Армении, собрали спутниковые данные NASA о реликтовом излучении и заявили, что нашли 12 четких концентрических колец в этих данных, которые, по их мнению, могут быть доказательством гравитационных волн, вызванных столкновением сверхмассивных черных дыр в конце предыдущего эона. Пока это главное доказательство теории конформной циклической космологии.
Холодный Большой Взрыв и сжимающаяся Вселенная
Стандартная модель Большого Взрыва говорит, что после того, как вся материя взорвалась из сингулярности, она раздулась в горячую и плотную Вселенную и начала медленно остывать в течение миллиардов лет. Но эта сингулярность создает ряд проблем, когда ее пытаются впихнуть в общую теорию относительности и квантовую механику, поэтому космолог Криштоф Веттерих из Университета Гейдельберга предположил, что Вселенная могла начаться с холодного и огромного пустого пространства, которое становится активным лишь потому, что сжимается, а не расширяется в соответствии со стандартной моделью.
В этой модели, красное смещение, наблюдаемое астрономами, может быть вызвано увеличением массы вселенной по мере сжатия. Свет, излученный атомами, определяется массой частиц, больше энергии проявляется по мере движения света в голубую часть спектра и меньше - в красную.
Главная проблема теории Веттериха в том, что ее невозможно подтвердить измерениями, поскольку мы сравниваем лишь соотношения различных масс, а не самих масс. Один физик пожаловался, что эта модель сродни утверждению, что не Вселенная расширяется, а линейка, которой мы ее измеряем, сжимается. Веттерих говорил, что не считает свою теорию заменой Большому Взрыву; он лишь отмечал, что она соотносится со всеми известными наблюдениями Вселенной и может быть более «естественным» объяснением.
Круги Картера
Джим Картер - ученый-любитель, разработавший личную теорию о вселенной, основанную на вечной иерархии «цирклонов», гипотетических круглых механических объектов. Он считает, что всю историю Вселенной можно объяснить как поколения цирклонов, развивающихся в процессе воспроизводства и деления. К такому выводу ученый пришел после наблюдения идеального кольца пузырьков, выходящих из его дыхательного аппарата, когда он занимался подводных плаванием в 1970-х годах, и отточил свою теорию экспериментами с участием контролируемых колец дыма, мусорных баков и резиновых листов. Картер считал их физическим воплощением процесса под названием цирклонная синхронность.
Он говорил, что цирклонная синхронность являет собой лучшее объяснение создания Вселенной, нежели теория Большого Взрыва. Его теория живой вселенной постулирует, что хотя бы один атом водорода существовал всегда. В начале один атом антиводорода плавал в трехмерной пустоте. У этой частицы была такая же масса, как и у всей вселенной, и состояла она из положительно заряженного протона и отрицательно заряженного антипротона. Вселенная пребывала в завершенной идеальной дуальности, но отрицательный антипротон гравитационно расширялся чуть быстрее, чем положительный протон, что приводило к потере им относительной массы. Они расширялись по направлению друг к другу, пока отрицательная частица не поглотила положительную, и они не сформировали антинейтрон.
Антинейтрон тоже был несбалансирован по массе, но в конечном итоге вернулся в равновесие, что привело к расщеплению его на два новых нейтрона из частицы и античастицы. Этот процесс вызвал экспоненциальный рост числа нейтронов, некоторые из которых уже не расщеплялись, а аннигилировали в фотоны, которые легли в основу космических лучей. В конечном итоге вселенная стала массой стабильных нейтронов, которые существовали определенное время перед распадом, и позволили электронам впервые объединиться с протонами, образовав первые атомы водорода и наполнив вселенную электронами и протонами, активно взаимодействующими с образованием новых элементов.
Немного безумия не повредит. Большинство физиков считает идеи Картера бредом неуравновешенного, который даже не подлежит эмпирическому обследованию. Эксперименты Картера с кольцами дыма использовались в качестве доказательства ныне дискредитированной теории эфира 13 лет назад.
Плазменная Вселенная
Если в стандартной космологии гравитация остается главной управляющей силой, в плазменной космологии (в теории электрической вселенной) большая ставка делается на электромагнетизм. Одним из первых сторонников этой теории был русский психиатр Иммануил Великовский, который написал в 1946 году работу под названием «Космос без гравитации», в которой заявил, что гравитация - это электромагнитный феномен, вытекающий из взаимодействия между зарядами атомов, свободными зарядами и магнитных полей солнца и планет. В дальнейшем эти теории прорабатывал уже в 70-х годах Ральф Юргенс, утверждавший, что звезды работают на электрических, а не на термоядерных процессах.
Существует много итераций теории, но ряд элементов остается одним. Теории плазменной вселенной утверждают, что Солнце и звезды электрически питаются дрейфовыми токами, что некоторые особенности планетарной поверхности вызываются «сверхмолниями» и что хвосты комет, марсианские пыльные дьяволы и образование галактик - все это электрические процессы. По этим теориям, глубокий космос заполнен гигантскими нитями электронов и ионов, которые скручиваются вследствие действия электромагнитных сил в космосе и создают физическую материю вроде галактик. Плазменные космологи допускают, что Вселенная бесконечна в размере и возрасте.
Одной из самых влиятельных книг на эту тему стала «Большого Взрыва никогда не было», написанная Эриком Лернером в 1991 году. Он утверждал, что теория Большого Взрыва неправильно предсказывает плотность легких элементов вроде дейтерия, лития-7 и гелия-4, что пустоты между галактиками слишком велики, чтобы их можно было объяснить временными рамками теории Большого Взрыва, и что яркость поверхности далеких галактик наблюдается как постоянная, тогда как в расширяющейся вселенной эта яркость должна уменьшаться с расстоянием вследствие красного смещения. Он также утверждал, что теория Большого Взрыва требует слишком много гипотетических вещей (инфляция, темная материя, темная энергия) и нарушает закон сохранения энергии, поскольку Вселенная якобы родилась из ничего.
Напротив, говорит он, теория плазмы правильно предсказывает изобилие легких элементов, макроскопическую структуру Вселенной и поглощение радиоволн, являющихся причиной космического микроволнового фона. Многие космологи утверждают, что лернеровская критика космологии Большого Взрыва базируется на понятиях, которые считались неправильными на момент написания его книги, и на его объяснениях, что наблюдения космологов Большого Взрыва приносят больше проблем, чем могут решить.
Бинду-випшот
Пока мы не затрагивали религиозные или мифологические истории сотворения вселенной, но сделаем исключение для индуистской истории создания, поскольку ее можно с легкостью увязать с научными теориями. Карл Саган однажды сказал, что это «единственная религия, в которой временные рамки отвечают современной научной космологии. Ее циклы переходят от наших обычных дня и ночи до дня и ночи Брахмы, длиной в 8,64 миллиарда лет. Дольше, чем существовала Земля или Солнце, почти половина времени с момента Большого Взрыва».
Ближайшая к традиционной идее Большого Взрыва вселенной обнаруживается в индуистской концепции бинду-випшот (буквально «точка-взрыв» на санскрите). Ведические гимны древней Индии гласили, что бинду-випшот произвел звуковые волны слога «ом», который означает Брахмана, Абсолютную Реальность или Бога. Слово «Брахман» имеет санскритский корень brh, означающий «большой рост», что можно связать с Большим Взрывом, согласно писанию Шабда Брахман. Первый звук «ом» интерпретируется как вибрация Большого Взрыва, обнаруженная астрономами в форме реликтового излучения.
Упанишады объясняют Большой Взрыв как одно (Брахман), желающее стать многим, чего он и достиг за счет большого взрыва как усилия воли. Создание часто изображается как лила, или «божественная игра», в том смысле, что вселенная создавалась как часть игры, и запуск в виде большого взрыва тоже был ее частью. Но разве игра будет интересной, если в ней будет всеведущий игрок, знающий, как она будет проходить?
По материалам listverse.com
