Методические материалы, статьи

Какова она, наша Вселенная?

Осенью прошлого года академик А.Л. Гинзбург, известный своими формулировками наиболее актуальных научных проблем, выступил с очередным их перечнем. Список этот — тридцать самых важных проблем на XXI век — включил ни много ни мало, а целую треть вопросов астрофизических.

Наш соотечественник, новоиспеченный нобелевский лауреат академик Ж.И. Алферов на вопрос, кто может быть назван нобелевским лауреатом уходящего века, не сомневаясь, ответил: «Хоть ученый, хоть просто человек столе-тия — Альберт Эйнштейн». Вряд ли стоит пояснять, по крайней мере читателям нашего журнала, что с именем Эйнштейна прежде всего связано изменение представлений о пространстве и времени, причем в самом глобальном масштабе — на уровне эволюции Вселенной.

Итак, на переломе столетий мы признаем заслуги и отдаем дань человеку, «затеявшему» ломку устоявшейся космологической картины мира, и в то же время осознаем, что она отнюдь не перестроена — усиливающийся день ото дня поток астрофизических открытий не позволяет поставить хотя бы промежуточную точку и отправить в типографию новые учебники с последней, только что дописанной главой «Наши представления о Вселенной». Ведь не успеют они выйти в свет, как эту главу придется переделывать…

Остается «остановиться на бегу» и хотя бы попытаться осмыслить сегодняшнее положение вещей в космологии на фоне истории вопроса. История эта, кстати, включает событие, произошедшее буквально накануне рождения нашего журнала. Как раз к середине двадцатых годов А.А. Фридманом было найдено решение эйнштейновских уравнений, допускающее существование не стационарной, «не застывшей», а развивающейся Вселенной. Чуть позже появился журнал «Знание — сила», все прошедшие три четверти века старавшийся донести до читателей вести с «космологических полей». Тем более мы не можем изменить этой традиции в юбилейном номере.

Основываясь на наблюдениях астрономов и строгих формулах теории относительности, мы были уверены в том, что понимаем, когда и как родилась Вселенная, и можем предсказать ее дальнейшую судьбу. Однако подсчет массы небесного вещества показал, что она составляет всего лишь несколько процентов от массы какой-то не видимой нами таинственной материи, заполняющей безбрежные просторы космоса. Пространство, которое мы ощущаем пустым, по-видимому, пропитано огромным количеством энергии. Ее распирающее давление противостоит стягивающим силам всемирного тяготения. Другими словами, наряду с гравитацией в природе действует и антигравитация. Недавно было открыто явление, подтверждающее существование антигравитационных сил. Это вносит существенные коррективы в картину эволюции Вселенной. Такое впечатление, что мы на пороге фундаментальных открытий…

Есть ли у мира границы?

Вопросы о том, как велик окружающий нас звездный мир и когда он возник или был создан, интересуют людей с незапамятных времен. Сменяли друг друга религии и философские системы, однако, если присмотреться внимательнее, то, несмотря на их различия, оставалось неизменным интуитивно понятное представление о бесконечности мира в пространстве и времени — ведь даже утверждения о том, что мир возник из какого-то первичного хаоса или был сотворен в некоторый момент времени, неявно предполагают, что Хаос и Творец существовали еще «до того», а за границами мира, как бы далеко они ни располагались, всегда есть что-то еще, по крайней мере пустота.

Принципиально иная концепция возникла в двадцатых годах нашего века, когда, основываясь на созданной незадолго до того общей теории относительности, наш соотечественник, ленинградский физик А.А. Фридман пришел к выводу, что в силу каких-то пока не ясных нам причин Вселенная внезапно возникла в очень малом, практически точечном объеме и стала распухать, подобно сгустку пороховых газов при взрыве гранаты. Спрашивать о том, что было до «Первичного взрыва» и что находится за пределами стремительно расширяющегося мира, бессмысленно — понятий «до» и «вне» в теории Фридмана просто нет. Его Вселенная ограничена в пространстве и времени, по крайней мере, со стороны прошлого.

Такая трудно совместимая с нашей интуитивной логикой картина следовала из полученных Фридманом формул. Она была рождена чисто теоретически, однако астрономические наблюдения вскоре подтвердили факт распухания окружающего нас пространства: американский астроном

Э. Хаббл измерил его скорость. Экстраполируя обратно к исходному нулевому объему, можно было оценить время жизни Вселенной — что-то около 15 — 20 миллиардов лет.

Дополненная теорией ядерных реакций в остывающем по мере своего расширения правеществе теория Фридмана позволила рассчитать относительные концентрации (распространенность) водорода, дейтерия и более тяжелых химических элементов в природе, что также оказалось в согласии с результатами наблюдений. Были зафиксированы остатки сохранившегося до наших дней тепла «Первичного взрыва». Свойства этого реликтового теплового излучения тоже хорошо согласовались с расчетными.

Тем не менее картина ограниченного расширяющегося мира еще долгое время вызывала сомнения, особенно у наших философов: уж очень все это напоминало библейскую легенду о сотворении мира. Претендуя на роль всеобъясняющей теории, господствующая идеология во все времена с опасением и враждебностью встречала принципиально новые взгляды.

В лабиринте противоречий

В последнюю четверть двадцатого века теория Фридмана стала общепринятой и вошла в учебники. Однако, как говорит французская пословица, дьявол таится в деталях. С течением времени накапливались не имевшие ответа теоретические вопросы и необъяснимые результаты астрономических наблюдений.

Например, из формул Фридмана вытекает, что гравитационные силы всемирного тяготения искривляют пространство. Однако наш мир плоский, а если и искривлен, то очень-очень слабо. Чтобы он был сегодня таким, нужно, чтобы его плотность в начальный период была бы невероятно близкой к некоторому «критическому значению». Достаточно превзойти его всего лишь на 10-57 процента, и тогда гравитационные силы успели бы остановить расширение и сжать Вселенную еще до нашего времени. А если бы плотность правещества была на такую же ультракрохотную величину меньше критической, то скорость разлета галактик стала бы намного больше наблюдаемой — стягивающие гравитационные «ремни» были бы слишком слабыми, чтобы сдержать быстрое расширение мира.

Вселенная могла родиться с любой кривизной, у нее было бесчисленное количество вариантов, но она почему-то с огромной точностью выбрала именно «критическую плотность» и плоский мир. В теории Фридмана на это нет ответа. Вероятность случайного совпадения крайне мала, скорее пудовый валун в силу броуновского движения составляющих его частиц сам по себе влетит в окно второго этажа!

Получается, что теория не объясняет самого основного — геометрию мира.

Не объясняет она и особенности распределения вещества в пространстве. В юной Вселенной, раскаленной, сотрясаемой мощными ядерными процессами, распределение вещества было весьма неравномерным, и уносимые быстро распухавшим пространством, изолированные в силу этого друг от друга неоднородности должны были бы сохраниться вплоть до наших дней. Однако средняя плотность вещества на противоположных сторонах небосвода и свойства исходящего оттуда реликтового излучения практически не различаются.

Что же могло их уравнять, если быстрый разлет исключал их перемешивание?

Оставалось загадкой, почему акт рождения произошел именно пятнадцать — двадцать, а не сто, двести или еще сколько-то миллиардов лет назад? И что ни говори, но сам факт спонтанного рождения мира «из ничего» выглядит мистическим чудом.

Создается впечатление, что мы имеем дело лишь с фрагментами какой-то большой и еще не понятой нами картины.

Многоэтажная Вселенная

Выход из лабиринта противоречий был найден московским физиком А. Линде и американцем А. Гуссом. Они вернулись к идее бесконечной Вселенной, безграничной в пространстве и времени. Дело в том, что абсолютно пустое пространство, на самом деле, вовсе не пустое. Квантовая механика и опыты физиков доказали, что оно заполнено «смогом» огромного количества быстро рождающихся и тут же исчезающих частиц. За время своей скоротечной жизни они не успевают выйти за пределы микроскопических пространственных объемов, где родились, и мы их просто не ощущаем. В ультрамалых областях порядка 10-33 сантиметра (это во столько же раз меньше атома, во сколько обычная жилая комната меньше размеров видимой нами части Вселенной) возможно спонтанное рождение материальных «капелек» огромной плотности. У некоторых из них внутреннее давление так велико, что «капелька» начнет стремительно расширяться, превращаясь в космически огромный мир.

Формулы эйнштейновской теории относительности говорят, что пространство вокруг «капельки» искривлено так сильно, что почти полностью изолирует ее от внешнего мира. Для находящегося вне ее наблюдателя она так и остается микроскопической частицей.

Огромный мир с мириадами звезд и галактик внутри ненаблюдаемо малой пылинки! И это не выдумка писателей-фантастов, а результат точного расчета. Свойства таких «почти замкнутых миров» изучал академик М.А. Марков. Из его расчетов следует, что не только наш мир, но и некоторые из находящихся в нем частиц вполне могут иметь «фридмановское происхождение». Безграничная Вселенная с большой буквы заполнена бесчисленным количеством таких раздувающихся и схлопывающихся полузамкнутых миров. Образно говоря, что-то вроде кипящей пены пузырьков-вселенных.

Заряженное энергией почти мгновенно расширившееся пространство похоже на перенасыщенный раствор, который начинает кристаллизоваться, превращая энергию вакуума в энергию вещества. При этом, как всегда бывает при кристаллизации (вспомним ослабление мороза при выпадении снега!), температура резко повышается, и каждый малый участок пространства превращается в огненный взрыв-фейерверк. Вот это и есть начало фридмановского расширения. Одновременно сосуществует бесчисленное количество миров, рождающихся и раздуваемых распухающим пространством до огромных космических размеров.

Бесконечная в пространстве и времени, многоэтажная, невообразимо сложная структура миров-вселенных, и среди них фридмановский мир, в котором мы живем, — лишь одна из ступеней!

Включение дофридмановской фазы практически мгновенного расширения квантовой «капельки» объясняет, почему наш мир так близок к плоскому, а его свойства одинаковы по всем направлениям: процесс расширения разглаживает его кривизну, а плотность вещества во всех бесчисленных фридмановских мирах точно соответствует плоской Вселенной, и ее распределение по различным направлениям оказывается одинаковым в силу их равноправия. Вещество успевает перемещаться в процессе «выпадения в осадок» еще в дофридмановской Вселенной.

Казалось бы, удалось увязать все факты. Формулы теории относительности и численные расчеты крепко скрепляют картину пенообразной Вселенной. Однако экспериментальная техника совершенствуется необычайно быстро, и вскоре снова стали проявляться неувязки в деталях, которые нарастали, размывая стройную теорию.

Верстовые столбы Вселенной

Серьезно физики встревожились после того, как две группы астрономов в Америке и в Австралии обнаружили несколько очень далеких объектов, слишком тусклое свечение которых не укладывалось ни в какие теоретические рамки.

Наблюдая далекие объекты, астрономы измеряют спектр испускаемого ими света и его яркость. Изучение спектра позволяет определить скорость объекта, а сравнение яркости различных небесных тел позволяет судить об их удаленности — если наблюдать одинаковые объекты, их яркость будет тем меньше, чем дальше они удалены от наблюдателя. Еще со времени первых наблюдений Хаббла известно, что скорость уносимых распухающим пространством звезд и галактик пропорциональна их удаленности, а это означает, что Вселенная расширяется с постоянной скоростью, как и требуют формулы Фридмана.

Следует, однако, иметь в виду, что измерения «небесных скоростей» могут быть весьма неточными, поскольку яркость свечения может уменьшаться не только вследствие большей удаленности объекта, но и благодаря особенностям протекающих в нем процессов. Подобрать же приблизительно одинаковые по свойствам однотипные объекты совсем не просто.

Наиболее надежно это можно сделать, если в качестве источников света выбрать мощные вспышки, сопровождающие грандиозные ядерные взрывы в космосе, когда на небе загорается «сверхновая звезда», и отобрать «сверхновые» особого типа — со специфическим характером нарастания и последующего затухания светимости. Такие сверхновые возникают в результате ядерных процессов хорошо изученного типа. Конечно, взрывы даже таких сверхновых несколько отличаются один от другого, но, наблюдая изменение их светимости, можно ввести соответствующие поправки и достаточно точно уравнять их светимости. С точки зрения астрономов, такие калиброванные сверхновые, подобно фонарям вдоль шоссе, отмечают километры и версты в далеком космосе.

Открытые американскими и австралийскими учеными удаленные объекты с необычной светимостью являются как раз такими «фонарями». Сопоставляя их свойства с параметрами более близких «фонарей», астрономы обнаружили, что располагаются они в пространстве значительно дальше, чем это должно быть, двигайся они с постоянной скоростью или с замедлением. Иначе говоря, расширение пространства происходит не равномерно, как это считалось ранее, а с ускорением — с разгонкой. В мире присутствует какая-то не известная нам «пружина», которая не только преодолевает стягивающее действие всемирного тяготения, но и вопреки фридмановской теории заставляет мир увеличивать свои размеры в нарастающем темпе. Что-то вроде антигравитации, слабой и незаметной на малых расстояниях, но определяющей крупномасштабную структуру и долговременную историю Вселенной.

Может, в измерения вкралась какая-то ошибка, и необъясняемое теорией увеличение расстояний и соответствующее снижение яркости далеких космических объектов связано с поглощением света межзвездной пылью, искривлением световых лучей промежуточными гравитационными полями и другими причинами, не выходящими за рамки общепринятой теории? Однако ничего подобного найти не удалось… Результаты астрономических наблюдений убеждают в том, что наш мир катится в будущее с разгоном, как санки с крутой горки!

Подобно тому, как созданная Ньютоном и Лапласом космологическая теория описывала движение лишь сравнительно близких к нам небесных тел, теория Фридмана, усовершенствованная Линде и Гуссом, тоже отображает космос лишь в пределах некоторых границ. Очень далекие объекты описываются современной космологией по меньшей мере неточно.

Искривлен или плоский?

Выше уже не раз говорилось о том, что наш мир очень близок к плоскому. Но, может быть, он все же не совсем плоский, а чуть-чуть искривлен, благодаря чему световым лучам приходится проходить более длинный путь и очень далекие объекты выглядят более тусклыми? Нельзя ли таким образом спасти теорию Фридмана и не вводить никаких антигравитационных сил? К сожалению, в этом случае будет разрушена вся современная космология с ее картиной стремительного дофридмановского расширения, которое разглаживает кривизну пространства, делая его плоским. Получается, нос вытащил — хвост увяз!

Тем не менее астрофизики придумали, как можно было бы выйти из заколдованного круга. Допустим, что перенапряженный, быстро распухавший дофридмановский вакуум не успел полностью трансформировать свою энергию в энергию вещества, задержавшись в некотором промежуточном состоянии. Похоже на то, как скатывающиеся с горы санки вдруг застревают, встретив бугорок на середине склона. Санки так и останутся за этим бугорком, самим по себе им никогда оттуда не выбраться. Иначе ведут себя квантовые объекты — микроскопические пузырьки перенапряженного вакуума. Они могут просочиться сквозь мешающий движению «бугорок» в более низкое энергетическое состояние и продолжить «скатывание с горки» — снова превращать свою энергию в энергию привычных нам форм вещества. Это как раз и будет рассчитанное Фридманом рождение мира «из точки». При этом «растущий» мир будет несколько искривлен.

Первичное расширение разглаживает, размывает неоднородности Вселенной, делая ее однородной во всех точках и по всем направлениям. Относительно медленное распухание просочившегося сквозь квантовый туннель пузырька объясняет, почему окружающий нас мир может быть все же несколько искривленным: он еще не успел полностью разгладиться.

Конечно, это лишь грубое описание того, что происходит на стыке гравитационных и квантовых явлений.

Гипотезы о существовании дофридмановского мира и энергетическом «бугорке», задержавшем его распухание, позволяют свести концы с концами, но дорогой ценой — уж слишком сложной, многоступенчатой становится эволюционная картина. Невольно вспоминается правило, сформулированное еще несколько столетий назад: не вводи новых гипотез, пока можно обойтись уже имеющимися. Современная астрофизика отнюдь не исчерпала своего арсенала.

И вновь неисчерпаемая пустота

Если не вводить дополнительных гипотез о дофридмановском мире, то для объяснения разгонки пространственного распухания остается только одно — допустить, что в каждой точке пространства действует некая дополнительная расталкивающая сила.

Из общей теории относительности известно, что для того чтобы пространство оставалось плоским и не приобретало выпуклую или вогнутую форму, в нем должно быть строго определенное «критическое» количество материи, регулирующей своим гравитационным полем тип его геометрии. Это один из основных выводов теории Эйнштейна. Однако, если подсчитать массу звезд, космической пыли, межзвездного газа — всех испускающих и отражающих свет видов вещества, то ее вклад составит всего лишь около процента критической массы. Трудно поверить, но 99 % остается для нас невидимой!

Расчеты образования ядер в остывающей, но еще достаточно горячей юной Вселенной, когда происходило слияние легких ядер в более тяжелые, говорят о том, что еще несколько процентов «обычного», состоящего из протонов и нейтронов вещества упаковано в больших и малых «черных дырах», не видимых нами нейтронных звездах и других потухших остатках уже успевших истратить свое ядерное горючее звезд. Около 30 — 40 % «вселенской массы» приходится на так называемую теневую материю, состоящую из не взаимодействующих со светом гипотетических частиц, предсказываемых теоретиками, но еще не наблюдавшихся на опыте.

Однако куда делось еще 55 — 60 % вещества? Если его не включать в баланс, то Вселенная расширялась бы значительно быстрее, чем это происходит на самом деле.

Можно думать, что это — вклад «вакуумного смога» — массы частиц, заполняющих микроскопические области пространства. В нем, как и в любой газообразной среде, существует давление. Вот оно-то и играет роль антигравитации — распирает пространство в каждой его точке.

В том, что в абсолютно пустом пространстве действительно существует давление, можно убедиться на опыте. Перепад такого давления возникает, в частности, между двумя близко расположенными металлическими пластинами. Во внешнем пространстве присутствуют электромагнитные волны-фотоны любой длины, а в промежутке между пластинами — лишь те волны, длина которых меньше ширины промежутка. Снаружи фотонов больше, и их давление стремится сжать пластины. Точные приборы фиксируют силу сжатия.

К сожалению, в проблеме вакуумной энергии есть острый подводный камень. Если подсчитать величину этой энергии, то получим обескураживающий результат: в любом, даже очень маленьком объеме пространства ее бесконечно много. Дело в том, что, согласно современной квантовой механике, в вакууме должны рождаться частицы любой, сколь угодно большой энергии. Чем меньшие интервалы мы рассматриваем, тем больше доля таких тяжелых частиц. А это означает, что пространство должно распухать неизмеримо быстрее, чем это происходит на самом деле.

Сегодня у физиков нет рецепта, как и на каком уровне следует обрезать спектр вакуумных частиц. Пока нет даже идеи, что в природе могло бы порождать такое обрезание.

Впрочем, физиков это не очень смущает. Теория еще не в состоянии рассчитать не только энергию вакуума, но и более простые величины. Например, расчетные масса и электрический заряд электрона тоже получаются бесконечными. В квантовой теории гравитации таких бесконечностей несчетное количество. Физики уверены, что будущая теория устранит трудности квантовой теории, подобно тому как последняя исправила парадоксы старой классической физики.

Создание теории вакуума — одна из самых главных задач физики XXI века. Как знать, может, сенсационное открытие убыстряющегося расширения Вселенной как раз и будет тем ключиком, который поможет открыть двери в богатые вакуумные подвалы мироздания.

Многое говорит о том, что мы на пороге существенных изменений в наших представлениях о происхождении и крупномасштабной структуре Вселенной. Не исключено, что галактики и их кластеры (объединения в группы) — не последний этаж мироздания.

Возможно, существуют и более крупные структуры. К тому же наш мир, по-видимому, не всегда был трехмерным, а обладал значительно большим числом измерений, которые он «растерял» в процессе эволюции, но которые нужно обязательно принимать во внимание при рассмотрении его ранней истории и при изучении свойств вакуума в ультрамалых областях пространства, где еще сохранились следы многомерия. Но это отдельный разговор, и мы продолжим его в следующем номере журнала.

Владилен Барашенков, Эдвард Капусцик



См. также:
Игра с живым дилером
Выбираем геймплей по шансам
Повышение квалификации специалиста по закупкам
ПРОЕКТ
осуществляется
при поддержке

Окружной ресурсный центр информационных технологий (ОРЦИТ) СЗОУО г. Москвы Академия повышения квалификации и профессиональной переподготовки работников образования (АПКиППРО) АСКОН - разработчик САПР КОМПАС-3D. Группа компаний. Коломенский государственный педагогический институт (КГПИ) Информационные технологии в образовании. Международная конференция-выставка Издательский дом "СОЛОН-Пресс" Отраслевой фонд алгоритмов и программ ФГНУ "Государственный координационный центр информационных технологий" Еженедельник Издательского дома "1 сентября"  "Информатика" Московский  институт открытого образования (МИОО) Московский городской педагогический университет (МГПУ)
ГЛАВНАЯ
Участие вовсех направлениях олимпиады бесплатное

Номинант Примии Рунета 2007

Всероссийский Интернет-педсовет - 2005