Новые космологические теории
План
Введение
Глава 1. Теория Большого Взрыва
.1 Основные положения теории Джорджа Гамова о "большом взрыве"
.2 Подтверждение теории "большого взрыва"
Глава 2. Новые космологические теории
.1 Мейнстримовская (консенсусная) теория эволюции Вселенной
.2 «Пиротехническая» теория
Заключение
Список использованной литературы
Введение
Современная астрономия переживает новую эпоху великих открытий, которые превосходят сделанные в свое время Галилеем. Они приводят к радикальным изменениям в научной картине мира. Теория раздувающейся Вселенной, квантовая космология расширили границы мегамира; наша Метагалактика выступает сейчас лишь одной из множества вселенных. Объектом интенсивного изучения стали черные дыры, существование которых во Вселенной предсказано общей теорией относительности. Сохраняет значение и проблема внеземных цивилизаций. Моделирование возможных сценариев их развития позволяет по-новому, с космической точки зрения оценить перспективы нашей собственной цивилизации, пути разрешения глобальных проблем современности.
Космологией называется отрасль науки, занимающаяся вопросами происхождения Вселенной. Интерес к ней не иссякал тысячелетиями почти во всех цивилизациях. Однако вплоть до нынешнего века все космологические исследования имели под собой весьма скудную научную основу, а то и вообще никакой, основываясь исключительно на домыслах. Важно отметить, что даже к середине двадцатого столетия положение мало изменилось в лучшую сторону. Как пишет Нобелевский лауреат, профессор Гарвардского университета Стивен Вайнберг: "в пятидесятых годах нашего века принято было думать, что уважающий себя ученый не станет уделять время такому предмету, как изучение ранних стадий развития Вселенной, тогда просто не существовало экспериментальной и теоретической основы, на которой можно было бы построить историю Вселенной на ранних стадиях развития."
Распространенный в пятидесятых годах подход к космологии был основан на убеждении, что Вселенная, какой мы ее сегодня наблюдаем, всегда существовала в своем теперешнем виде. И в самом деле - предполагаемая неизменность Вселенной подтверждалась результатами тысячелетних непрерывных астрономических наблюдений, рисующих постоянную, не изменяющуюся картину неба. Расположение звезд и созвездий, наблюдаемое нами сегодня, практически тождественно тому, которое мы находим в записях древних звездочетов. Традиционное представление о неподвижности звезд естественным образом подсказывает нам мысль о неизменности Вселенной; оно, вероятно, и объясняет отчасти нашу готовность к восприятию этой мысли, хотя никакого подлинно научного обоснования у нее нет.
Цель работы - исследование содержания, основных элементов современных космологических моделей.
Задачи:
) изучить теорию Большого Взрыва;
) рассмотреть новые космологические теории.
Глава 1. Теория Большого Взрыва
1.1 Основные положения теории Джорджа Гамова о "большом взрыве"
В 1946 году Джордж Гамов с сотрудниками предложил совершенно иную космологическую теорию. Основные особенности этой революционной теории представлены в таблице 1, в которой время измеряется миллиардами лет. Настоящее время обозначено цифрой "15", ибо, по теории Гамова, Вселенная началась 15 миллиардов лет назад. Именно в тот момент, обозначенный на таблице цифрой "О", появился внезапно, из ничего, гигантский огненный шар, так называемый первичный сгусток энергии, известный в популярном обиходе как "большой взрыв". Внезапным появлением первичного огненного сгустка и ознаменовалось начало Вселенной, в том смысле, что до "большого взрыва" не существовало абсолютно ничего. "Большой взрыв", таким образом, является точнейшим воплощением сотворения ex nihilo [7, C.223].
Таблица 1.
Событие Время (миллиарды лет) Настоящее время 15 Образование атомов и молекул Вселенная внезапно становится прозрачной. Начинает сиять свет, заполняя всю Вселенную 0,001 Внезапное появление первичного сгустка энергии. Начало Вселенной "Большой взрыв" созидание ex nihilo 0
Термин "огненный шар" не должен создавать ошибочного впечатления, будто бы что-то действительно горело. Этот сгусток представлял собой высочайшую концентрацию чистой энергии. Знакомым нам примером концентрированной чистой энергии является яркое световое пятно, образуемое солнечными лучами в фокусе увеличительного стекла. Первичный огненный шар можно представить себе в виде увеличенного в миллионы раз сгустка солнечных лучей, концентрированных линзой.
Оставим пока важнейший вопрос о том, откуда появился этот огненный сгусток, и займемся описанием некоторых основных особенностей этой теории. В частности, каким образом происходило развитие первичного сгустка энергии, результатом которого явилась та Вселенная, которую мы знаем? Наш мир состоит из материи (в виде атомов и молекул), являющей собой исходную составную часть всего, что мы видим, от звезд и галактик до океанов, деревьев и животных. Откуда же взялась вся эта материя?
Ответ содержится в знаменитой формуле эйнштейновской теории относительности:
Е = mс2,
где Е означает энергию, m - материю, и с - скорость света. Эта формула отражает способность материи превращаться в энергию. Более того, поскольку с2 представляет собой огромную величину, малого количества материи достаточно, чтобы произвести гигантское количество энергии [7, C.229].
Такое превращение материи в энергию не есть всего лишь гипотетическая возможность, оно лежит в основе производства атомной энергии; Хиросима и Нагасаки были разрушены мощными атомными бомбами - а с другой стороны, миллионы семей пользуются электричеством, полученным в результате использования того же процесса в мирных целях. Теория "большого взрыва" построена на том, что эйнштейновская формула действует в обоих направлениях: не только материю можно превратить в энергию, но и энергия может быть превращена в материю. Хотя для производства даже малого количества материи требуется огромное количество энергии, запас ее в первичном сгустке был столь грандиозен, что он послужил источником всей материи, существующей ныне во Вселенной.
Первичный сгусток состоял из световой энергии того же типа, какая излучается Солнцем. Термин "свет" употреблен нами для обозначения общего явления, называемого учеными "электромагнитное излучение". Явление это легче всего объяснить, вновь обратившись к Солнцу. Электромагнитное излучение Солнца, видимое глазом, называется видимым светом. Спектр его включает все оттенки от красного до синего (знакомые нам цвета радуги). Солнце испускает также электромагнитное излучение, не видимое глазом, или невидимый свет. "Цветовой" спектр невидимого солнечного света включает в себя инфракрасные лучи (дающие коже ощущение тепла), ультрафиолетовые лучи (причина загара), микроволны (используемые в микроволновыхпечах), радиоволны, рентгеновские лучи и т.п. Существенной разницы между цветами видимого и невидимого света нет; все вместе они составляют полный спектр электромагнитного излучения. Заряженный соответствующей пленкой фотоаппарат с равным успехом зарегистрирует все эти цвета. Поэтому, следуя общепринятой практике, мы называем словом "свет" все электромагнитное излучение, включая как видимый, так и невидимый свет [11, C.108].
Мы подходим теперь к важнейшему событию, совершившемуся вскоре после "большого взрыва", и обозначенному в таблице цифрой 0,001. Для понимания этого события необходима некоторая базисная информация. Известной нам формой материи являются атом либо группа атомов, называемые молекулой. Однако, когда, сразу после нулевого времени, произошло образование материи, она не существовала в форме атомов. Невероятно высокая температура первичного сгустка мгновенно разрушила бы любой атом. Поэтому материя существовала в иной форме, которая называется "плазмой". Существенное различие между этими двумя формами материи заключается в том, что атом в электрическом отношении нейтрален, тогда как плазма состоит из частиц, несущих либо положительный, либо отрицательный заряд. Эти заряженные частицы "ловят" свет, блокируя его проникновение сквозь плазму. Поэтому со стороны плазма всегда выглядит темной.
Спустя доли секунды после "большого взрыва" вселенная состояла из света первичного сгустка, пронизывающего плазму. Хотя свет сгустка был невероятно силен, плазма вобрала его в себя; свет не мог проникнуть сквозь нее и потому был "невидим". Чтобы представить себе эту ситуацию, вообразите, что в мире имелся в то время некто с фотоаппаратом. Вселенная казалась бы нашему фотографу темной из-за плазмы, и заснятые им кадры были бы абсолютно черными, хотя Вселенная была наполнена светом первичного огненного шара. Дело выглядело бы так, словно кто-то, не пользуясь вспышкой, нащелкал снимков в совершенно темной комнате.
Начиная с нулевого момента, раскаленный первичный сгусток стал стремительно охлаждаться. К моменту, обозначенному на таблице цифрой 0,001, он охладился настолько, что это позволило заряженным частицам плазмы соединиться и образовать атомы. Образование атомов из плазмы было жизненно-важным событием, определившим путь развития Вселенной в ее теперешнем виде [11, C.111].
В противоположность плазме, любое пространство, наполненное свободными атомами и молекулами, совершенно прозрачно. Стоит лишь вспомнить прозрачную атмосферу нашей планеты, состоящую из молекул воздуха (в основном, азота и кислорода). Свет свободно струится сквозь атмосферу; с поверхности Земли отчетливо видны Солнце, Луна, отдаленные звезды и галактики. Таким образом, когда 15 миллиардов лет назад плазма внезапно превратилась в атомы и молекулы, она перестала задерживать свет огненного сгустка. Свет этот превратился в "видимый"; он вскоре заполнил всю Вселенную и заполняет ее по сей день.
На этом мы заканчиваем наше, очень краткое, описание основных положений теории Джорджа Гамова о "большом взрыве". Как и для каждой научной теории, критерием ее приемлемости служит подтверждение практикой правильности ее предположений. Наиболее поразительным в теории "большого взрыва" является предположение о том, что мир заполнен светом вот уже 15 миллиардов лет, с самого "начала времени". Этот свет, большая часть спектра которого невидима, обладает совершенно особыми качествами (рассматривать их сейчас нет необходимости), благодаря которым его легко отличить от любых других видов электромагнитного излучения. Однако, предсказанная радиация не была обнаружена. И вот почему: первичный сгусток был невероятно раскален и содержал гигантскую энергию. С течением времени, однако, он расширялся и охлаждался, в результате чего лучистая энергия распространялась во все стороны. Сегодня, пятнадцать миллиардов лет спустя, энергия первичного сгустка чрезвычайно сильно разрежена, его электромагнитная радиация столь слаба, что обнаружить ее с помощью имевшейся прежде научной аппаратуры было технически невозможно [6, C.95].
Подытожим ситуацию. Космологическая теория "большого взрыва" коренным образом отличалась от общепринятых концепций. Кроме того, выдвинутое теорией драматическое предположение о существовании особого излучения, наполняющего всю Вселенную, не могло быть проверено по техническим причинам. Не удивительно поэтому, что теория "большого взрыва" не была воспринята научной средой всерьез.
.2 Подтверждение теории "большого взрыва"
После Второй мировой войны во многих областях технологии произошли революционные сдвиги. То была эпоха полупроводников, лазера и электронно-вычислительных машин. Научная аппаратура также подверглась радикальному усовершенствованию. Многие эксперименты, проведение которых было неосуществимо с помощью техники сороковых годов, стали рутиной в шестидесятых. Детекторы радиации, что особенно для нас важно, тоже были усовершенствованы во стократ. К шестидесятым годам обнаружение сверхслабой магнитной радиации, предсказанной теорией "большого взрыва", стало технически осуществимым.
В 1965 году два американских ученых, сотрудники научно-исследовательской лаборатории телефонной компании "Белл", Арно Пензиас и Роберт Уилсон, занимались измерениями галактических радиоволн с помощью особо чувствительных антенн. Во время испытания антенны они заметили очень слабое, незнакомое электромагнитное излучение, которое шло, казалось, со всех сторон из космического пространства. Вскоре стало ясно, что это и есть та самая радиация, которую предсказала теория "большого взрыва" [1, C.222].
После опубликования открытия Пензиаса и Уилсона их результаты были подтверждены многими другими исследователями. В настоящее время не остается и тени сомнения, что это фундаментальное предположение теории "большого взрыва" является научно обоснованным фактом. Более того, подтвердились также и другие ключевые предположения этой теории. Так, например, теория предполагает, что все галактики Вселенной разбегаются с огромной скоростью в результате первоначального взрыва, причем отдаленные галактики движутся с большей скоростью, чем ближние. Это угаданное Гамовым "разбегание" галактик было подтверждено, главным образом, исследованиями американского астронома Эдвина Хаббла; скорость галактического движения получила название константы Хаббла. Еще одна победа теории "большого взрыва" связана с химическим составом Вселенной. Соотношение количества водорода и гелия, наблюдаемое во Вселенной, полностью соответствует постулатам теории.
Теория "большого взрыва" получила дополнительное подтверждение в конце 90-х годов, когда космический спутник СОВЕ передал результаты произведенных им измерений. Американское Агентство по Освоению Космического Пространства (NASA) запустило этот спутник за пределы атмосферы с целью измерения различных свойств излучения, вызванного "большим взрывом". Полученная информация полностью подтвердила теорию "большого взрыва". Английский журнал Nature назвал эти исследования "триумфом науки", а журнал Scientific American за июль 1992 года открывался статьей "Дальнейшие доказательства теории 'большого взрыва" [1, C.229].
Открытия, сделанные в 1992 году с помощью СОВЕ, неоднократно освещались также и в широкой прессе. Поскольку все предположения теории "большого взрыва" получили подтверждение, она превратилась в общепринятую космологическую теорию, все же прочие теории этого рода были преданы забвению. В настоящее время все космологические исследования проводятся исключительно в рамках теории "большого взрыва" Окончательное признание обоснованности этой теории пришло в 1978 году, когда Арно Пензиасу и Роберту Уилсону за их фундаментальное открытие была присуждена Нобелевская премия по физике. К сожалению, Джордж Гамов умер в 1968 году и не мог разделить с ними славу, ибо правила Нобелевского комитета не допускают присуждения премии посмертно
Значение открытия Пензиаса и Уилсона трудно переоценить. Профессор Стивен Вайнберг назвал его "одним из важнейших научных открытий двадцатого века". Энтузиазм Вайнберга вполне понятен Теория "большого взрыва" радикально изменила наши представления о происхождении Вселенной.
Начиная с 1980 года, теория "большого взрыва" обогатилась существенными новыми открытиями, которые Гут и Стайнхардт определили общим термином "расширяющаяся Вселенная". В недавно опубликованной статье, где подводятся итоги этих новых открытий, имеется следующая фраза: "первоначально Вселенная находилась в беспорядочном, хаотическом состоянии". Одна из новых книг по космологии подробно рассматривает феномен изначального хаоса и проистекающие из него важнейшие космологические последствия. Раздел книги, где рассматривается этот вопрос, озаглавлен "Первичный хаос" и помещен в главе, называющейся "От хаоса к космосу". И, наконец, Андрей Линде, профессор Московского физического института имени Лебедева, предложил так называемый "сценарий хаотического расширения", описывающий истоки Вселенной. Объяснение природы этого хаоса и его значения выходит за пределы данной монографии, однако необходимо подчеркнуть, что роль хаоса в развитии первоначальной Вселенной превратилась в важнейший предмет космологических исследований [5, C.22].
Существует широко распространенное убеждение, что, поскольку в настоящее время космологические изменения происходят чрезвычайно медленно, то они и всегда происходили в таком же темпе. В этом, по сути дела, и заключалась философия прежних, ныне опровергнутых космологических теорий. Современная же теория, теория "большого взрыва", гласит, напротив, что длинная цепь драматических космологических изменений в начале Вселенной совершилась в чрезвычайно короткое время. Эту ситуацию ярко подчеркнул профессор Гарвардского университета Стивен Вайнберг, назвав свою популярную книгу по современной космологии "Первые три минуты ". Профессору Вайнбергу понадобилась 151 страница текста и множество диаграмм, чтобы описать те важнейшие космологические изменения в нашей Вселенной, которые заняли всего три минуты.
Основные выводы, следующие из данной главы, лучше всего передает формулировка профессоров Гута и Стайнхардта, которые считают, что "с исторической точки зрения, вероятно, самый революционный аспект" современной космологической теории заключается в утверждении, что материя и энергия были сотворены в буквальном смысле этого слова. Они подчеркивают, что "этот постулат радикально противоречит многовековой научной традиции, утверждавшей, что нельзя сделать нечто из ничего".
Глава 2. Новые космологические теории
2.1 Мейнстримовская (консенсусная) теория эволюции Вселенной
Согласно новой космологической теории, Вселенная не результат Большого взрыва. Время и пространство вечны, а то, что мы считали началом, - не более чем запуск очередного цикла
«Вначале был Большой взрыв. До него ничего не было. Не было и пространства со временем». Если вас вполне устраивает эта известная со школьной скамьи космологическая мантра, тогда знакомство с теорией американца Пола Стейнхардта (Принстонский университет) и британца Нила Тюрока (Кембриджский университет) можно отложить.
Эксцентричная теория Стейнхардта-Тюрока быстро обзавелась полуофициальным ярлыком «новая модель циклической Вселенной». Сами же ее изобретатели предпочитают название «экпиротическая модель» (от греческого ekpyrosis - большой пожар, сожжение), отсылающее к космологической теории стоической школы древнегреческой философии, согласно которой наш мир родился из гигантской огненной вспышки, и это было лишь последним из множества повторяющихся во времени циклических процессов созидания и разрушения бытия.
В одном из своих комментариев Стейнхардт сказал: «Мейнстрим подразумевает, что Большой взрыв - это начало пространства и времени, в начале было ничто, и из этого ничто появились пустота, время, материя, излучение и так далее. Мы предлагаем новую картину, в которой Большой взрыв - не начало времени, а лишь начало последнего цикла из бесконечной серии нагревания, расширения, застоя, опустошения и вновь расширения».
Конечно, сама идея циклической Вселенной отнюдь не нова. Она присутствовала не только у стоиков, но и в древнеиндийской мифологии, а в относительно недавней истории ее активно разрабатывали Фридрих Ницше и Эдгар Алан По. Довольно популярной она была в 20─30−е годы прошлого века, на заре релятивистской космологии: эту идею рассматривали Альберт Эйнштейн, а также Александр Фридман, Жорж Леметр и Ричард Толман. Но, по большому счету, все эти ранние попытки моделирования циклической Вселенной были лишь игрой, лишенной серьезного теоретического обоснования. В случае же с моделью, предложенной Стейнхардтом и Тюроком (новейшая версия этой модели, вызвавшая шквал откликов в различных СМИ, появилась 4 мая в журнале Science Express), теоретический бэкграунд весьма солиден. Так, по мнению британской газеты The Globe, «теория циклической Вселенной Стейнхардта-Тюрока уже признана первой за последние два десятка лет заслуживающей внимания новой космологической идеей» [8, C.72].
За вторую половину ХХ века астрофизика накопила огромный экспериментальный багаж знаний, убедительно доказывающих справедливость базовых положений мейнстримовской (консенсусной) теории эволюции Вселенной. Если попытаться составить ее резюме, то оно будет выглядеть так.
История Вселенной имеет начало, пространство и время зародились в момент так называемого Большого взрыва, с его момента прошло около 15 млрд лет. После взрыва Вселенная начала расширяться, причем составляющие ее галактики постепенно удаляются друг от друга. Пространство растягивается во все стороны, и чем дальше от нас находится та или иная галактика, тем быстрее она удаляется от нас. Плотность вещества во Вселенной убывает с течением времени, она становится все более и более разреженной. О расширении Вселенной прямо свидетельствует так называемое покраснение света - смещение в красную сторону наблюдаемого спектра световых волн, испускаемых удаленными от нас звездами или галактиками, под действием эффекта Допплера. Более поздние наблюдения за Вселенной показали, что в ней есть достаточно однородное электромагнитное излучение (радиационный космический фон) в виде реликтовых (образовавшихся на раннем этапе эволюции Вселенной) фотонов. Именно два последних факта (доказательства расширения Вселенной и наличие радиационного космического фона) признаются сегодня важнейшими кирпичиками в фундаменте классической теории Большого взрыва.
Тем не менее эта теория долгое время не могла объяснить ряд проблем, связанных прежде всего с ранним этапом эволюции Вселенной. В частности, не проясненным был вопрос о природе физических процессов, обусловивших быстрое разрастание Вселенной сразу же после Большого взрыва.
В начале 80−х годов ХХ столетия американец Алан Гут и параллельно с ним наш советский физик Андрей Линде (позднее, в 1988 году, эмигрировавший на Запад) дополнили классическую теорию, предложив инфляционную модель расширения ранней Вселенной. Согласно этой теории, в самые первые мгновения после Большого взрыва начиная с 10─34 сек. до 10─32 сек. благодаря кратковременному действию некоего неведомого энергетического поля размеры Вселенной увеличивались чудовищно быстрыми по сравнению с сегодняшними темпами: каждые 10─34 сек. она удваивала свой объем. И именно благодаря этому мимолетному гиперинфляционному периоду своей истории Вселенная очень быстро приобрела вместо изначально искривленной пространственно-временной формы сильно растянутую (близкую к плоской) [8, C.81].
Эта весьма радикальная гипотеза довольно быстро нашла поддержку в мировом астрофизическом сообществе, поскольку с ее помощью удалось разрешить целый ряд несообразностей, присутствовавших в классической модели Большого взрыва. В частности, была снята проблема однородности Вселенной - загадка того, почему она выглядит одинаково во всех точках пространства и во всех направлениях. По Гуту-Линде, она разрешается такой аналогией: точно так же, как при надувании воздушного шарика разглаживаются все его морщинки, при раннем экспоненциальном расширении Вселенной произошло мгновенное разглаживание подавляющего большинства ее исходных неоднородностей и складок.
По классической теории Эйнштейна, скорость расширения Вселенной зависит как от наполняющей ее материи (энергии и вещества), так и от геометрии пространства. Но благодаря раннему инфляционному сглаживанию пространственной геометрии ее влияние на дальнейший процесс расширения Вселенной стало бесконечно малым, и темпы этого расширения позднее определялись лишь динамикой изменения плотности космической материи. Соответственно, вычислив скорость позднего расширения Вселенной, космологи смогли на базе уравнений общей теории относительности получить оценочную величину этой плотности - порядка 10─29 г/см3 (это значение было названо критической плотностью).
Крупные космологические открытия последних полутора десятилетий заставили ученых в очередной раз усомниться в корректности подправленной было Гутом и Линде неоклассической эволюционной схемы. Во-первых, даже с учетом инфляционной добавки в ней сохранилась полная неясность относительно того, как в рамках этой схемы бороться с «проблемой начала всех начал». Дело в том, что, по всем расчетам, Вселенная в момент Большого взрыва должна была представлять собой не комок вещества определенных размеров, а лишенную каких бы то ни было размеров особую точку, так называемую точку сингулярности. Соответственно, в этой пресловутой точке плотность вещества и энергии должна была достигать бесконечности, что не имеет физического смысла [2, C.142].
Во-вторых, произведенный астрофизиками подсчет суммарной плотности вещества во Вселенной показал, что ее экспериментально установленная величина существенно недотягивает до теоретически рассчитанной. Причем, хотя космологи сравнительно давно установили, что обычное вещество, из которого состоят все известные физике элементарные частицы, вкладывает всего 5% в полную плотность энергии во Вселенной, долгое время у них сохранялись радужные иллюзии относительно того, что недостающие 95% просто приходятся на долю некоей еще пока не обнаруженной темной материи. Иными словами, ученые рассчитывали, что рано или поздно при помощи более совершенной измерительной аппаратуры им удастся найти новые, не открытые еще в земных условиях частицы, которые полностью компенсируют эту колоссальную недостачу космического вещества.
Увы, эти надежды окончательно рассеялись к концу 90−х, после того как в результате серии точных измерений астрофизики пришли к выводу, что даже с учетом всех известных и еще не известных форм на материальную составляющую должно приходиться не более половины теоретически рассчитанной критической плотности космического вещества. А согласно самым последним прикидкам ученых, совокупный вклад обычной и темной материи и того меньше - лишь около трети суммарной энергии Вселенной.
Где же спрятаны оставшиеся две трети? Частичный ответ на этот каверзный вопрос был найден учеными благодаря важнейшему космологическому открытию все в тех же 90−х: оказалось, что процесс расширения Вселенной не только не замедляется, как долгое время считало большинство астрофизиков, а напротив, ускоряется, и начало этому новому ускорению было положено примерно 10 млрд. лет назад.
Дабы объяснить этот очередной парадокс, космологи предположили, что ответственная за новое ускорение таинственная субстанция - это заполняющая всю Вселенную некая темная энергия, на которую и приходятся «провисающие» 65─70% суммарной энергии Вселенной. Причем у темной энергии обнаружилось такое любопытное свойство, как отрицательное давление: темная энергия обладает антигравитационным эффектом, который и обеспечивает ускоренное расширение Вселенной [4, C.176].
В попытках расшифровать природу этой таинственной субстанции космологи изначально выдвинули гипотезу, что темная энергия представляет собой пресловутую космологическую константу (другое ее название - лямбда-член), впервые введенную в уравнения общей теории относительности еще Альбертом Эйнштейном.
Эйнштейну эта константа понадобилась для того, чтобы в рамках модели стационарной Вселенной уравновесить действие сил гравитационного притяжения. Однако после того, как молодой советский физик Александр Фридман, талантливый последователь теории Эйнштейна, на базе его уравнений в 1922─1923 годах показал, что Вселенная, заполненная тяготеющим веществом, не может быть стационарной (звездные системы должны либо удаляться, либо сближаться друг с другом), необходимость в этой космологической константе сразу отпала, и она была надолго забыта теоретиками.
Увы, заново извлеченная из небытия космологическая константа, на этот раз привязанная космологами к энергии вакуума (точнее, к его энергетической плотности), подставила ножку сторонникам модернизированной теории Большого взрыва: оказалось, что ее расчетное значение на 120 с лишним порядков (!) выше полученного экспериментально.
До сих пор разрешить это дикое расхождение величин в рамках классической теории никому не удалось. Поэтому в поисках возможных альтернативных вариантов космологи были вынуждены пойти другим путем, то есть предположить, что пресловутая темная энергия - это пронизывающее всю Вселенную новое сверхслабое поле, энергетическая плотность которого может динамически варьироваться в пространстве и времени. И именно второй вариант трактовки темной энергии как динамического поля был взят за основу творцами альтернативной циклической модели Вселенной Стейнхардтом и Тюроком.
Что же придумали Стейнхардт и Тюрок для объяснения природы таинственной энергетической субстанции и ее поведения во времени?
Согласно их базовой теории, темная энергия - это единое энергетическое поле, пронизывающее всю Вселенную, в основном заполненную вакуумом. Далее изобретательные «циклики» воспользовались идеей, впервые предложенной американцем Ларри Эбботтом в 1985 году: по его версии, плотность энергии вакуума на более ранних этапах эволюции Вселенной была намного выше. Эбботт также постулировал, что этот процесс понижения плотности вакуума происходил не постепенно, а скачками, причем каждый новый скачок занимал большее время, чем предшествующий.
Мейнстрим такой расчет, разумеется, не устроил, зато Стейнхардт и Тюрок с удовольствием ухватились за эту идею Эбботта, так как она отлично укладывалась в их циклическую модель, в которой каждый цикл длится порядка одного триллиона лет. По новейшей версии Стейнхардта и Тюрока, фактически повторивших идею Эбботта, плотность вакуума снижается с каждым новым вселенским циклом и даже внутри них. Снижение происходит не постепенно, а рывками, то есть после каждого падения плотности наступает очень долгая пауза (так называемый период релаксации, который к тому же имеет свойство все более и более удлиняться), в течение которой ее величина остается постоянной [4, C.178].
Таким образом, согласно новой циклической теории, в далеком прошлом (несколько сотен, а то и тысяч циклов назад, каждый из которых, напомним, составляет, по Стейнхардту-Тюроку, около триллиона лет) величина лямбда-члена (этот термин, равнозначный плотности вакуума, они позаимствовали у мейнстрима) была очень большой. В свою очередь, это означает, что тогда, триллионы триллионов лет назад, в нашей Вселенной не могли возникнуть условия для появления сколько-нибудь значимых неоднородностей (скоплений «правещества»), и, соответственно, древнейшая Вселенная представляла собой абсолютно безжизненное пространство, на 99,99% заполненное лишь пресловутым вакуумом.
И лишь относительно недавно - «всего лишь» несколько циклов назад, а быть может, и того меньше - снижение плотности вакуумного поля дошло до таких значений, когда у обычного вещества, формируемого в начале каждого нового цикла, наконец, появилась возможность превратиться в те крупномасштабные космические неоднородности (галактики, звезды и проч.), которые и характеризуют структуру поздней Вселенной с очень маленьким значением лямбда-члена.
При этом температура и плотность вещества во Вселенной ни в какой точке цикла не становятся бесконечными, то есть для них есть какие-то предельные величины. Что же касается нынешней однородности и «гладкости» Вселенной, то они объясняются не какими-то «инфляционными фокусами», случившимися с ней в считанные доли секунды после Большого взрыва, а эволюционной логикой событий, происходивших во Вселенной до него: физические процессы, происходящие в предшествующем цикле, оказывают определяющее влияние на процессы в следующем.
На чем основывается эта прихотливая эволюционная логика? Прежде всего на новейших суперструнных теориях, согласно которым Вселенная состоит из большого количества измерений, некоторые из которых просто не доступны нашему восприятию (суммарное число измерений, по разным версиям, варьируется от пяти до одиннадцати). В наиболее простом варианте, обычно используемом в своих объяснениях Стейнхардтом и Тюроком, наша Вселенная - это трехмерная гиперповерхность, разместившаяся на тонкой плоской мембране. Развивая далее эти сюрреалистические образы, Пол Стейнхардт предлагает и такую своеобразную аналогию: все обычное вещество (кварки, электроны, фотоны и т. д.) можно уподобить мухам на этой «липучке-мембране» [9, C.118].
На самом деле мембрана не одна - их две. На протяжении сотен миллиардов лет две мембраны-Вселенные благодаря разгоняющему действию темной энергии, присутствующей в обоих мирах, разглаживаются, постепенно лишаясь всех изначально имеющихся в них неоднородностей (галактик, звезд и т. п.). Это разглаживание (уменьшение плотности вещества) в конце концов, приводит к тому, что вещество и излучение на мембранах практически полностью рассеиваются (космическое пространство пустеет). И на этом конечном этапе цикла в дело, наконец, активно вступает промежуточное гравитационное поле, которое заставляет две соседние мембраны сталкиваться (коллапсировать) друг с другом. В момент коллапса (условного аналога Большого взрыва, который происходит по всей поверхности контактирующих друг с другом параллельных мембран) на обеих мембранах происходит одномоментное образование многочисленных неоднородностей (иными словами, возникают колоссальные флуктуации температуры и плотности), которые и становятся зародышами вещества и излучения нового цикла.
Важнейшим отличием новой циклической модели от более ранних версий начала ХХ века ее авторы считают тот факт, что в их сценарии циклических коллапсов мембран трехмерные гиперповерхности-Вселенные в момент коллапса сами не сжимаются (то есть в этом циклическом взрыве не возникает пресловутых точек сингулярности), а сжимается лишь то самое дополнительное измерение - гравитационное поле, которое находится между ними.
.2 «Пиротехническая» теория
Львиная доля критических комментариев противников циклической модели Стейнхардта-Тюрока приходится на констатацию того, что в их теоретических построениях «слишком мало формул и слишком много общих идей, не подтверждаемых конкретными расчетами». Именно такую нелицеприятную характеристику работ «двух цикликов», в частности, дал в беседе с корреспондентом «Эксперта» старший научный сотрудник отделения релятивистской астрофизики Государственного астрономического института им. Штернберга (ГАИШ) Алексей Топоренский, отметивший также, что он вообще не видит за всей их словесной эквилибристикой серьезной теории: «Рассуждения 'цикликов' больше похожи на научно-фантастические трактаты, причем в процессе искусственного выстраивания своих удивительных миров они слишком произвольно обращаются с уже известными науке фактами» [10, C.138].
Стоит также отдельного упоминания тот любопытный момент, что особенно много язвительных стрел выпускает сегодня по Полу Стейнхардту (как, впрочем, и по Нилу Тюроку) его бывший соратник по инфляционной теории Андрей Линде, в одном из своих недавних выступлений перед коллегами по астрофизическому цеху едко обозвавший экпиротическую теорию «пиротехнической».
Если же говорить о конкретных претензиях оппонентов Стейнхардта-Тюрока к последней версии их теории, инкорпорировавшей в себя попытку объяснения динамики поведения космологической константы, то, по словам г-на Топоренского, они, прежде всего, сводятся к тому, что «совершенно непонятно, почему в сценарии периодического столкновения двух мембран-Вселенных, инициирующего начало очередного цикла, его авторы аксиоматично постулируют их параллельность друг другу. Да, при такой параллельности все их дальнейшие рассуждения вполне убедительны, но из чего, собственно, должна автоматически следовать эта их исходная посылка?».
Как справедливо подчеркнуто во всех космологических построениях, обсуждающих проблему тепловой смерти Вселенной, изучались, открывались и „закрывались свойства не реальной Вселенной, а ее специфических моделей (что часто игнорируется). Так, тепловая смерть неизбежно наступала в моделях Вселенной типа ньютоновской или даже, с точностью до флуктуаций, в больцмановской (последнее - вопреки популярному одно время мнению И.Р. Плоткина); не достигалась в бесконечно расширяющейся фридмановской модели (знаменитый результат Р. Толмена); реализовывалась в худшем варианте в бесконечной иерархической модели Вселенной, в противоположность оптимистическому выводу К.П. Станюковича; не удавалось избежать ее в осциллирующих постфридмановских моделях и т.д. [9, C.139]
Современные оценки размеров инфляционного „пузыря, содержащего нашу Вселенную (Метагалактику), наряду с невообразимо большим (практически бесконечным) числом других „вселенных (фундаментальные физические законы в которых, и даже число измерений пространства, могут как угодно отличаться от наших), дают величины от 10104 до 101014 см. Такого рода числа не меняются, выражай ли их в ангстремах или в радиусах Метагалактики! Соответственно, „время пересечения такой системы лучом света (мыслимая нижняя грань „времени релаксации) выразится тем же числом, опять-таки независимо от того, измеряем ли мы время в наименьших физически мыслимых, в рамках нашей физики, единицах (10-43 с или в „возрастах Метагалактики, 1010 лет) [3, C.354]..
Но такая инвариантность - характерное свойство бесконечных величин! Таким образом, размерные параметры „инфляционного пузыря отличаются от бесконечных значений в определенном смысле пренебрежимо мало, во всяком случае, качественно, в пределах той точности, какую мы выражаем символом. космологический большой взрыв вселенная
Соответственно, уже в этом варианте модели инфляционной Вселенной постижимые нами промежутки времени (в равной степени 10-43 с или 1010 лет), характеризующие „нашу Вселенную, и даже астрофизически экстремальные, типа 10100 лет (распад сверхмассивных „галактических черных дыр) обладают всеми традиционными признаками бесконечно малых величин - в сравнении с теми временами, в течение которых ((101010 „наших времен) в Большой Вселенной (инфляционный пузырь, при раздувании которого родилась и наша Вселенная) заведомо не наступит еще состояние типа термодинамического равновесия, то есть и пресловутая тепловая смерть. Можно ли полагать, что это понятие в инфляционной модели Вселенной вообще сохраняет для нас смысл? Крайне сомнительно, по меньшей мере.
Наконец, в самом последнем (пока!..) варианте модели инфляционной Вселенной - сценарии „хаотического раздувания по А.Д. Линде [11] условия для реализации тепловой смерти, мягко говоря, еще менее благоприятны, чем в первоначальном варианте концепции раздувания. Эта последняя модель вообще трактуется ее автором и другими видными космологами (например, И.Д. Новиковым) как модель вечно юной, самообновляющейся Вселенной. Правда, последняя трактовка не базируется на каком-либо последовательном анализе свойств этой Вселенной в плане термодинамики. Так что остается за кадром фактор увеличения энтропии в ходе эволюции каждого отдельного инфляционного пузыря (или вселенных типа нашей - практически Метагалактики). Но, в аспекте „максимальной неоднородности свойств Вселенной в модели с хаотическим раздуванием, не вызывает сомнения, что условия для реализации в ней состояния тепловой смерти, как отмечено, еще куда менее благоприятны, чем даже в исходной модели раздувающейся Вселенной [3, C.361].
Интересная модель вселенной больцмановского типа, но сплошь заполненной гигантскими флуктуациями (Я.П. Терлецкий), к сожалению, пока остается недоисследованной в этом плане. В то же время термодинамическая финитность осциллирующей фридмановской модели (опустим здесь проблему более строгого математического обоснования ее), и именно по причине накопления энтропии от цикла к циклу, была убедительно продемонстрирована Я.Б. Зельдовичем и И.Д. Новиковым.
Исходная инфляционная модель Вселенной А.Д. Линде аналогична, пожалуй, единичной гигантской флуктуации во Вселенной Больцмана (хотя вследствие учета существенно квантового характера системы Линде его модель куда более вероятна). Поэтому даже она находится за рамками требований и запретов со стороны 2-го Начала, которые обходятся здесь соображениями „антропного характера (А.Л. Зельманов, Г.М. Идлис). Но в модели хаотического раздувания фигурирует уже ансамбль гигантских флуктуаций физического вакуума. Здесь мыслим и даже, пожалуй, обязателен и статистико-термодинамический подход к системе. Является ли она в термодинамическом отношении аналогом множества (ансамбля) осциллирующих „термодинамически смертных фридмановских вселенных, или же она ближе к флуктуационной модели Вселенной больцмановского типа в варианте Терлецкого - подлежит выяснению. И, разумеется, мы не должны забывать о варианте, в котором начало в системах определенной динамической структуры вообще не является универсальным физическим законом. Здесь вопрос о тепловой смерти соответствующих моделей Вселенной вовсе не возникает, при любом их масштабе.
Заключение
Научная мысль в процессе познания Вселенной всегда включала в себя идею случая. При этом исторически произошли весьма интересные изменения в самой постановке этой проблемы. В первоначальных представлениях о строении и эволюции мира, в первоначальных космогонических теориях идеи о случайности соотносились с исходными состояниями материи, которые затем „породили наблюдаемые небесные тела и системы. При этих подходах понятие случайности сопрягалось с понятием хаоса, а еще древние рассматривали хаос как одну из первопотенций бытия.
С позиций современных космологических концепций Вселенная полна неожиданностей и допустимо огромное разнообразие вселенных, а осуществившийся выбор во многом зависит от случайного сочетания значения параметров, ее характеризующих, и в частности, от реального сочетания значений фундаментальных физических постоянных. Мир, в котором мы живем, мог и не быть, его определили случайности.
С исторической точки зрения, вероятно, самый революционный аспект" современной космологической теории заключается в утверждении, что материя и энергия были сотворены в буквальном смысле этого слова. Они подчеркивают, что "этот постулат радикально противоречит многовековой научной традиции, утверждавшей, что нельзя сделать нечто из ничего.
Эксцентричная теория Стейнхардта-Тюрока быстро обзавелась полуофициальным ярлыком «новая модель циклической Вселенной». Сами же ее изобретатели предпочитают название «экпиротическая модель» (от греческого ekpyrosis - большой пожар, сожжение), отсылающее к космологической теории стоической школы древнегреческой философии, согласно которой наш мир родился из гигантской огненной вспышки, и это было лишь последним из множества повторяющихся во времени циклических процессов созидания и разрушения бытия.
Мейнстрим подразумевает, что Большой взрыв - это начало пространства и времени, в начале было ничто, и из этого ничто появились пустота, время, материя, излучение и так далее.
Во всех космологических построениях, обсуждающих проблему тепловой смерти Вселенной, изучались, открывались и „закрывались свойства не реальной Вселенной, а ее специфических моделей (что часто игнорируется). Так, тепловая смерть неизбежно наступала в моделях Вселенной типа ньютоновской или даже, с точностью до флуктуаций, в больцмановской (последнее - вопреки популярному одно время мнению И.Р. Плоткина); не достигалась в бесконечно расширяющейся фридмановской модели (знаменитый результат Р. Толмена); реализовывалась в худшем варианте в бесконечной иерархической модели Вселенной, в противоположность оптимистическому выводу К.П. Станюковича; не удавалось избежать ее в осциллирующих постфридмановских моделях и т.д.
Список использованной литературы
Горохов В.Г. Концепция современного естествознания и техники. М.: Инфра-М, 2014. - 608с.
Данилова В.С., Кожевников Н.Н. Основные концепции естествознания. М.: Аспект Пресс, 2013. - 256с.
Дубнищева Т.Я. Концепция современного естествознания. М.: МГУ, 2015. - 832с.
Еремеева А.И. Астрономическая картина мира и научные революции. // Вселенная, астрономия, философия. М.: Наука, 2012. С.169-180.
Зельдович Я.Б. Современная космология. // Прошлое и будущее Вселенной. М.: Наука, 2015.С.11-35.
Казютинский В.В. Космическая философия - постнеклассическая наука - освоение космоса. // Космос и общество (история и современность). М.: МГУ, 2011. С.82-119.
Канке В.А. Концепции современного естествознания. М.: Лотос, 2014. -368с.
Налимов В.В. На грани третьего тысячелетия: что осмыслили мы, приближаясь к XXI веку. М.: Лабиринт, 2013, - 173с.
Новиков И.Д. Эволюция Вселенной. М.: Прогресс, 2014. - 240с.
Цицин Ф.А. Об альтернативных концепциях космогонического процесса // Вселенная, астрономия, философия. М.: Наука, 2012. С.134-140.
Шкловский И. С. Проблемы современной астрофизики. М.: Академия, 2013. - 346с.