Новая теория Вселенной снимает вопрос о том, что было до того, когда ничего не было Среди множества вечных философских проблем — тех, что из века в век тщится разрешить любопытное человечество, — загадка происхождения и эволюции Вселенной, безусловно, одна из самых мудреных. Конечно, проще, а быть может, и вернее было бы констатировать ограниченность нашего разума и признать «неисповедимость путей Господних». Однако, какими бы бесполезными ни казались подавляющему большинству людей эти проблемы, новейшая история науки полна удивительных рассказов о попытках раскрытия самых сокровенных тайн мироздания. Проект невозможного Колоссальные научные успехи ХХ века приходятся, прежде всего, на долю физики и астрономии, т. е. как раз на те отрасли науки, которые самым непосредственным образом заняты поисками ответов на пресловутые неразрешимые вопросы мироздания. Достаточно лишь упомянуть, что представление о Вселенной как о мире галактик (звездных скоплений) сформировалось всего сто с небольшим лет назад, а вплоть до начала прошлого века космологической истиной в последней инстанции считалась гелиоцентрическая система мира Николая Коперника, созданная в XVI веке. А сегодня любой мало-мальски образованный человек в состоянии хоть что-то сказать и про многомиллиардный возраст нашей Вселенной, и про то, что она расширяется, и про существование черных дыр, и, наконец, про «первопричину всего» — Большой взрыв.
Самый последний и, пожалуй, наиболее амбициозный «проект невозможного» был представлен в конце прошлого месяца Полом Стейнхардтом (Принстон) и Нилом Туроком (Кэмбридж) в журнале Science. Авторы статьи предложили новую теорию Вселенной, которая объединяет в себе как уже известные положения, так и множество оригинальных идей, возникших у исследователей в результате творческого сотрудничества с тремя другими радикальными теоретиками — Джастином Хоури, Бертом Оврутом и Натаном Сейбергом. Но, прежде чем представить наиболее интересные фрагменты их космологических штудий, необходимо хотя бы вкратце рассказать, от какой печки плясали Стейнхард-Турок и коллеги.
Разглаживание морщинок Современная астрофизика обладает внушительным теоретическим и экспериментальным базисом, позволяющим с удивительной легкостью жонглировать запредельными, с точки зрения обыденного сознания, пространственно-временными величинами (в деталях реконструировать эпизоды древнейшей истории космоса, описывать нюансы строения далеко удаленных от нас галактик и т. д.). Во второй половине ХХ века астрофизика обзавелась и своей «стандартной моделью» — теорией Большого взрыва. Идее Большого взрыва, первоначала нашей Вселенной и пространства-времени, предшествовал целый ряд важнейших открытий.
Известный английский физик-теоретик Стивен Хокинг писал: «Открытие расширяющейся Вселенной было одним из великих интеллектуальных переворотов ХХ века. Задним числом мы можем лишь удивляться, что эта идея никому не пришла в голову раньше. Ньютон и другие ученые должны были сообразить, что статическая Вселенная вскоре обязательно начала бы сжиматься под действием гравитации. Однако вера в статическую Вселенную была так велика, что жила в умах еще в начале ХХ века, и даже Альберт Эйнштейн, разрабатывая в 1915?
1917 гг. общую теорию относительности, был уверен в этом постулате.»Чтобы не вступать в противоречие со статичностью, Эйнштейн модифицировал свою теорию, введя в уравнения новый член — так называемую космологическую постоянную, описывающую силы отталкивания вакуума (искусственно выдуманную «антигравитационную» силу). Однако, как показали последующие астрофизические наблюдения и дополнительные теоретические расчеты, этот параметр серьезно осложнял решения уравнений, примененных к описанию всей Вселенной. Это признал и сам мэтр, который впоследствии писал, что введение космологической постоянной было «самой грубой ошибкой» в его жизни.
Всего через несколько лет после публикации работы Эйнштейна у него нашелся талантливый последователь, молодой советский физик Александр Фридман. В 1922?
1923 гг. он на базе эйнштейновских уравнений показал, что Вселенная не может быть стационарной — звездные системы должны либо удаляться, либо сближаться (Вселенная должна либо расширяться, либо сжиматься). И в 1929 году американскому астроному Эдвину Хабблу удалось подтвердить правильность выводов Фридмана — Хаббл обнаружил, что галактики разбегаются со скоростями, пропорциональными расстояниям до них. Модель советского ученого стала базовой для всего последующего развития космологии.
Фридман создал несколько вариантов своей эволюционной модели. В первом пространство искривляется, замыкаясь само на себя, а Вселенная сначала расширяется, а потом сжимается (силы гравитационного притяжения между галактиками в какой-то момент перевешивают центробежные силы). Во втором и третьем вариантах Вселенная расширяется бесконечно, а пространство искривлено, как поверхность седла. Однако все модели Фридмана предполагают, что в некий момент прошлого (отстоящий от нашего времени на 10?
20 млрд лет) расстояние между соседними галактиками должно было равняться нулю. Соответственно, в «начале» (названном позднее Большим взрывом) плотность Вселенной и кривизна пространства-времени должны были быть бесконечными. Именно Фридман и был первым теоретиком, открывшим «взрывающуюся Вселенную».
Процитируем еще раз Хокинга: «Поскольку математики реально не умеют обращаться с бесконечно большими величинами, это означает, что, согласно общей теории относительности (на которой основаны решения Фридмана), во Вселенной должна быть точка (в математике называемая особой или сингулярной), в которой сама эта теория неприменима, ибо научные теории исходят из того, что пространство-время —; гладкое и почти плоское. Следовательно, даже если бы перед Большим взрывом происходили какие-нибудь события, по ним нельзя было бы спрогнозировать будущее, так как в точке Большого взрыва возможности предсказания свелись бы к нулю. Аналогично, зная только то, что произошло после него, мы не сможем узнать, что происходило до него. События, происшедшие до Большого взрыва, не могут иметь никаких последствий, касающихся нас, и поэтому не должны фигурировать в научной модели Вселенной». Исключив из эволюционной модели «все неведомое», астрофизики в итоге пришли к тому, что началом отсчета времени и пространства следует считать этот самый Большой взрыв. Позднее, в 1948 году, Георгием Гамовым была выдвинута теория «горячей Вселенной», рассматривающая ядерные реакции, происходившие в самом начале расширения Вселенной в сверхплотном веществе. Согласно этой теории, изначально температура вещества была очень велика, а с расширением Вселенной она падала. Один из выводов Гамова состоял в том, что в сегодняшней Вселенной должно существовать особое слабое электромагнитное излучение (названное впоследствии реликтовым), оставшееся от эпохи высокой плотности и температуры вещества. В 1965 году американцы Арно Пензиас и Роберт Вилсон экспериментально зафиксировали это излучение, что подтвердило гипотезу ранней горячей Вселенной.
Наконец, уже в 1980?е модель Большого взрыва была дополнена — Алан Гут и Андрей Линде предположили, что в «сверхранней» истории Вселенной (в момент, когда ее возраст составлял всего 10?
43 секунды) сила тяжести могла на короткое время стать отталкивающей, а не притягивающей силой. То есть Вселенная, по-видимому, прошла через огромный, экспоненциальный скачок роста (этап «надувания», или «инфляции») перед тем, как стабилизироваться на текущей стадии с гораздо меньшей скоростью расширения.
Несмотря на явную умозрительность этой идеи, она довольно быстро нашла поддержку в мировом астрофизическом сообществе, т. к. помогала объяснить целый ряд несообразностей, присутствующих в стандартной модели Большого взрыва. Одна из них заключалась в проблеме однородности Вселенной — почему она выглядит одинаково во всех точках пространства и во всех направлениях (базовый постулат модели Фридмана). По версии Гута-Линде точно так же, как при надувании воздушного шарика разглаживаются все его «морщинки», при экспоненциальном расширении Вселенной происходит и ее «разглаживание». Линде пошел дальше и разработал еще одну любопытную модель — «хаотичной, самовоспроизводящейся, фракционной, надуваемой Вселенной». По его мнению, начавшееся в праистории «надувание» никогда не сможет закончиться, и порождает одну «вселенную» за другой.
Циклическая Вселенная Одним из соавторов теории «инфляционной Вселенной» был американский физик Пол Стейнхардт. В отличие от Линде Стейнхардт оказался неудовлетворен результатом и создал новую теорию, совершенно иначе трактующую эволюцию пространства-времени. Важнейшая его идея заключается в том, что никакого «начала начал» у Вселенной не было: Большой взрыв вовсе не был точкой отсчета, пространство и время существуют вечно, а история Вселенной состоит из бесконечного числа циклических повторов — периоды ее расширения сменяются на периоды сжатия и т. д. Идея циклической Вселенной отнюдь не нова. Нечто похожее предложил несколькими десятилетиями ранее один из создателей модели «горячего Большого взрыва» Ричард Чейз Толман. По мнению Толмана, пресловутой сингулярности в конечном прошлом или будущем не должно быть «по определению»: предсказываемые стандартной моделью сингулярности — проявление неадекватности соответствующих уравнений, а в более сложной и тонкой физической теории подобное безобразие исчезнет. Толмен утверждал, что — по аналогии с отскоком шарика при ударе о препятствие (в момент удара уравнение его движения следует модифицировать, приняв во внимание неоднородности поверхностей шарика и препятствия) — реальная Вселенная также может испытывать реальный, а не идеальный «отскок». Никакой сингулярности при этом не возникнет, Вселенная начнет расширяться, а затем опять сжиматься, и эти циклы будут повторяться до бесконечности. Идея Толмена так и не получила широкого признания — благодаря доказанной Стивеном Хокингом и Роджером Пенроузом теореме наличие неоднородностей во Вселенной сделало сингулярность неотъемлемым свойством стандартной модели Большого взрыва. Однако то, что не удалось Толмену в середине прошлого века, продолжили на новой теоретической и экспериментальной основе Стейнхардт и Турок.
Им помогло недавнее астрономическое открытие — спустя примерно 14 млрд лет после Большого взрыва наша Вселенная по непонятным причинам оказалась во власти таинственной формы энергии («темной энергии»), придавшей происходящим центробежным процессам резкое ускорение. Приверженцы стандартной модели отреагировали на это следующим образом — «темная энергия» была искусственно инкорпорирована в модель в качестве составной части зарождавшейся Вселенной. Но подобный трюк не понравился многим астрофизикам, и наиболее радикальные из них решили, что с издевательством над законами природы следует наконец покончить. Теоретической базой для новой концепции стали популярные в «большой физике» струнные теории.
Космические революционеры Что же предлагают Стейнхардт, Турок и их единомышленники в качестве альтернативы стандартной модели Большого взрыва? Прежде всего, они вновь вернулись к идее цикличности Вселенной. Так называемый Большой взрыв, с их точки зрения, не был началом времен, он представляет из себя что-то вроде моста между нынешней, расширяющейся, и предыдущей, сжимавшейся, Вселенной. Начало же нынешней Вселенной было положено столкновением двух параллельных четырехмерных мировых поверхностей в пятом измерении. Потом произошел «отскок» — поверхности стали удаляться друг от друга. Управлять процессом сближения и удаления поверхностей должно гравитационное поле, меняющее свой знак. Именно в этом заключена первопричина смены фаз Вселенной.
Продолжительность каждой такой фазы — от «большого взрыва» до «большого хлопка» и обратно — составляет несколько триллионов (а, возможно, и десятков триллионов) лет. Температура и плотность вещества во Вселенной ни в какой точке цикла не становятся бесконечными, для них всегда есть какие-то предельные величины. Нынешняя однородность Вселенной объясняется не какими-то инфляционными фокусами, случившимися в считанные доли секунды после Большого взрыва, а эволюционной логикой событий, происходивших до него. Той же самой «предвзрывной» логикой — нестабильностью состава вещества в предыдущей коллапсирующей фазе Вселенной — объясняется и возникновение локальных неоднородностей типа галактик.
Одним из неоспоримых достоинств новой циклической теории Вселенной, по мнению ее авторов и ряда независимых экспертов, следует считать то, что она снимает большую часть «вечных» вопросов. Исчезает необходимость ломать голову над тем, что же было до Большого взрыва, что будет потом, какими физическими законами объяснить процессы в точке сингулярности (не было ее!). Пока, к сожалению, отсутствует экспериментальная база, подтверждающая те или иные положения теории Стейнхардта-Турока.
Автор: Тигран Оганесян Источник: http://www.expert.ru/printissues/expert/2002/18/18ex-nauka/
