Теории происхождения Вселенной

Стандартная модель Фридмана сталкивается с существенными трудностями при попытках экстраполяции ее на раннюю эпоху. Например. Почему Вселенная на больших масштабах столь однородна и изотропна? Реликтовое излучение в любой точке неба имеет с очень высокой точностью одинаковую температуру. Но это означает, что в далеком прошлом разные точки пространства, которые не могли ничего “знать” друг о друге, имели одинаковую температуру. Почему? Эта проблема имеет название проблемы горизонта, так как точки пространства, о которых мы говорили, не могли “видеть” друг друга, не могли обменяться сигналами, одна точка по отношению к другой находилась как бы за горизонтом.

Есть и другие трудности в стандартной модели. Для их преодоления недавно была разработана так называемая теория раздувающейся Вселенной, в рамках которой решается и проблема горизонта, и целый ряд других трудностей. Эта теория оперирует с такими удивительными понятиями, как “ложный вакуум”, энергия которого в процессе раздувания мира переходит в обычную горячую плазму стандартной модели.

Но это еще не все. Согласно этой теории наблюдаемая Вселенная составляет ничтожную часть мира как целого. В мире может быть много “пузырьковых” вселенных, образовавшихся из полостей в ложном вакууме. Фактически мы подходим здесь к идее, противоречащей на первый взгляд здравому смыслу, к идее рождения вселенных “из ничего”. Эта идея, как пишет один из ее сторонников, кажется абсурдной всем, кроме теоретиков.

В этой теории упоминаются домены. Это область пространства, содержащая нашу Вселенную. Модель раздувающейся Вселенной по-новому заставляет взглянуть на структуру нашего мира. Так, если на некотором этапе раздувания вся наблюдаемая Вселенная была размером с теннисный мяч, то вся область расширения (домен) , в которой она умещалась, могла быть на 10--20 порядков больше. И таких доменов с разными вселенными могло быть много. Вывод состоит в том, что только малая часть пространства-времени мира в целом в ходе эволюции превращается во Вселенную.

Сценарий раздувающейся Вселенной имеет дело с картиной мира, в корне отличающейся от картины мира Фридмана, в которой между понятиями “мир” и “Вселенная” можно было поставить знак тождества. Вместо однородной и изотропной Вселенной мы получили мир предельно неоднородный и неизотропный, состоящий из множества огромных доменов размером 10⁵⁰--10¹⁰⁰ сантиметров. И лишь в одном из них словно дырка в куске хорошего швейцарского сыра сидит наша наблюдаемая Вселенная размером “всего лишь” в 10²⁸ сантиметров. Физические же параметры этой экзотической модели (температура, плотность энергии) через 10^-30 секунды совпадают полностью с параметрами Вселенной Фридмана.

Вопрос о множественности вселенных -- один из самых волнующих как с физической, так и с философской точки зрения. Этот вопрос очень глубокий и содержит в себе массу проблем. Из них главная, бесспорно, следующая. Если существует ансамбль вселенных, то каковы они? Похожи на нашу или нет? И чем, вообще говоря, определяется сходство или различие?

В декабре 1981 года в Таллинне состоялся Международный симпозиум “Поиск разумной жизни во Вселенной”. Большой интерес вызвал доклад И. Новикова, А. Полнарева и И. Розенталя “Численные значения фундаментальных постоянных и антропный принцип”. В этой работе очень наглядно проявился новый (и очень модный) подход к вопросу, почему Вселенная именно такая, какой мы ее наблюдаем. Этот вопрос можно перефразировать следующим образом: почему значения фундаментальных физических констант имеют именно такие значения, которые наблюдаются в нашей Вселенной, а не какие-либо другие? Сторонники антропного принципа дают достаточно простой ответ: “Вселенная такова, какой мы ее видим, потому, что в ней существуем мы”. Этот залихватский ответ не может, разумеется, доставить чувства удовлетворения. Формулировка ответа сама по себе выглядит сомнительной. Действительно, более правильно было бы сказать: “Мы (наблюдатели) существуем потому, что Вселенная именно такая, какой мы ее видим”.

Нельзя не согласиться с С.Хокингом, который говорит о том, что должно быть более глубокое объяснение устройства мира, чем то, которое предлагает нам антропный принцип. Это объяснение в первую очередь должно ответить на вопрос, который уже был поставлен выше. Почему скорость света имеет значение 300 тысяч км/сек, а не 500 тысяч км/сек? Почему заряд и масса элементарных частиц такие, а не какие-либо другие, и т. д. Современная физика здесь бессильна. Мы можем говорить сейчас лишь о том, что было бы с Вселенной, если изменить численные значения физических констант. Это очень увлекательная проблема, и существенный вклад в ее решение внес советский физик И. Розенталь. Следуя сейчас, в частности, его идеям, можно обсудить возможный облик ансамбля вселенных с различными значениями физических “постоянных”. Основная мысль здесь состоит в том, что даже небольшие их изменения приведут к радикальной перестройке структуры и свойств Вселенной.

Операция варьирования фундаментальных констант может показаться сначала и бессмысленной и неправомочной. Ведь недаром они называются фундаментальными, неизменными. Но поскольку, с одной стороны, мы подошли к понятию ансамбля вселенных, а с другой стороны -- сегодня нам неизвестно, в силу каких причин константы физики имеют именно те значения, которые они имеют, подобная операция выглядит достаточно логично. Лишь в том случае, если в любой из возможных вселенных в силу каких-то пока неизвестных причин физические константы такие же, как и в нашем мире, ситуация становится тривиальной: в мегамире есть ансамбль одинаковых миров.

Вариации различных физических постоянных сильно искажают облик мира, делая его непригодным для жизни. А что, если попробовать изменить набор констант согласованно? В докладе И. Новикова и других была поставлена именно такая задача. Оказалось, что есть два “острова устойчивости” для существования сложных стабильных структур, но один из них находится в планковской области, где масса каждого объекта порядка планковской массы. В таких вселенных жизнь вряд ли возможна. Наша Вселенная попадает в другую область устойчивости. Вывод этой работы состоит в том, что могут быть вселенные с слегка другим набором констант, но тем не менее существования жизни в них исключить нельзя. Разумеется, о формах жизни в других вселенных можно строить сейчас лишь совершенно беспочвенные предположения.

Неортодоксальные взгляды

В заключение стоит вкратце остановиться на так называемых неортодоксальных точках зрения на эволюцию и происхождение нашего мира. Неортодоксальные позиции потому так и названы, что они не находятся в русле генерального направления современной космологии.

В 1986 году в солидном научном журнале появилась статья X. Альвена -- непререкаемого авторитета в области физики плазмы. Одно из основных положений, которое защищает Альвен, состоит в том, что Вселенная существенно неоднородна по своей структуре, она имеет клеточное строение. Одна клетка от другой отделяется плазменными стенками, во Вселенной в равных количествах присутствует материя и антиматерия. Вселенная вечна и бесконечна. Альвен делает и более радикальное предположение, отказываясь от ОТО и, считая, что мир может быть вполне объяснен в терминах ньютоновской механики.

С идеями Альвена перекликается и космологическая модель Р. Омнеса, который также “предпочитает” зарядово-симметричную Вселенную. Проделав соответствующие теоретические оценки, Омнес сделал вывод об отталкивании нуклонов и антинуклонов при температуре порядка нескольких тысяч миллиардов градусов. При этой температуре горячее вещество превращается в эмульсию, смесь капель вещества и антивещества. Далее, с понижением температуры происходит их разделение в астрономических масштабах. Теория Омнеса вызывает возражения, которые основываются главным образом на наблюдательных астрономических данных. В то же время эта теория, как отмечает Я. Зельдович, “красива”, а это, как мы уже говорили, один из важных критериев правильности.

Не один Альвен является приверженцем вечной и безграничной Вселенной. Крупные астрофизики Г. Голд, Г. Бонди и Ф. Хойл (один из наиболее известных астрофизиков XX века и автор ряда научно-фантастических романов) еще в 1948 году выдвинули модель так называемого “стационарного состояния”. Эта модель описывает вечно расширяющуюся, безграничную Вселенную. Плотность ее имеет, как это следует из самого названия модели, постоянную величину. Как это может быть, если Вселенная расширяется? Ведь плотность вещества должна в этом случае падать. Авторы модели стационарного состояния постулируют непрерывное рождение вещества. Если мы вспомним идею о рождении Вселенной из вакуума, то, быть может, рождение частиц, компенсирующих падение плотности из неизвестного с-поля, покажется и не столь удивительным. Рождение частиц происходит по всему пространству, и поэтому теорию стационарной Вселенной называют также теорией непрерывного творения материи. Интересно, как авторы модели обходят вопрос о реликтовом излучении. Они предполагают (и это предположение в известной мере не является надуманным), что в межзвездном и межгалактическом пространстве могут находиться небольшие частицы графита размерами около 1 миллиметра. Они могут поглощать свет звезд, а затем переизлучать его как раз в форме реликтового фона.

Создание новых моделей имеет под собой очевидную психологическую подоплеку. Теория Большого Взрыва неизбежно сталкивается с проблемой сингулярности, камнем преткновения всей современной физики. Поэтому вполне понятно стремление тем или иным путем обойти эту трудность. Сингулярность как дамоклов меч продолжает угрожать космологии, и пока физика не разберется с этой проблемой, не будет стройной и законченной теории происхождения мира. Теорию Большого Взрыва нельзя считать неуязвимой, и поэтому, хотя на сегодняшний день она кажется наиболее правдоподобной, ей придется “держать удары” по слабым местам. А эти удары бесспорно будут наноситься.

Навязчивая идея стационарности мира порождает и другие попытки объяснения красного смещения -- одной из основ моделей расширяющейся Вселенной. Очень популярна (среди неспециалистов) мысль о старении фотонов. Суть заключается в том, что кванты света могут терять энергию в пространстве, пока они дойдут до земных наблюдателей. За счет чего происходят подобные потери энергии? Здесь предлагается несколько механизмов. Во-первых, само старение. Но это предположение совершенно не укладывается в рамки современной физики. Во-вторых, рассеяние на пылинках. Но в этом случае красное смещение очевидным образом должно было бы зависеть от длины волны излучения.

Будущее Вселенной

В космологии есть еще один вопрос, на котором нельзя не остановиться,-- будущее нашего мира. Ясно, что проблема эта, кроме всего прочего, имеет глубокий философский смысл.

В какой-то мере проблема дальнейшей судьбы Вселенной проще, чем проблема начала. Здесь возможны только два (в простейшем случае) варианта. Первый состоит в том, что Вселенная будет постоянно расширяться в течение неограниченного времени. Второй обрекает Вселенную на грандиозную катастрофу -- “коллапс в огненной смерти, когда небо становится все горячее и горячее, пока оно наконец не обрушится на нас и не загонит нас в пространственно-временную сингулярность с бесконечной температурой” (Дайсон).

Во втором варианте опять на сцене появляется сингулярность, но на этот раз не порождающая, а уничтожающая наш мир. По крайней мере, в этом случае можно с уверенностью сказать, что жизнь во Вселенной (так, как мы ее понимаем и видим сегодня) исчезнет за миллионы лет до того, как мир сожмется в точку. Избежать этого, быть может, удастся, научившись путешествиям в другие вселенные или предотвращая процесс обратного сжатия, но рассуждения на эту тему сегодня еще преждевременны, человечеству угрожает гибель от термоядерной катастрофы в более обозримое время и от более низких температур, чем в сингулярности.

Выбор вариантов определяется значением средней плотности вещества во Вселенной. Эта цифра, несмотря на большое число наблюдательных данных, многочисленные теоретические оценки, известна не с очень высокой точностью. Если учесть только массу галактик, а затем усреднить ее по объему Вселенной, то получится значение средней плотности с=3*10^-31 г/см³. Но, кроме галактик, в космосе есть еще ионизированный газ, черные дыры, потухшие звезды и другие виды материи. Значение средней плотности галактик много меньше значений критической плотности (скр==10^-29 г/см³), при котором фаза расширения обязательно должна смениться фазой сжатия.

Однако в астрофизике существует так называемая проблема скрытой массы -- трудно наблюдаемых форм вещества в космосе. Эта масса может находиться как в скоплениях галактик, так и в пространстве между скоплениями. Оценки скрытой массы поднимают значение средней плотности вещества Вселенной почти до ее критического значения. К самой серьезной переоценке скр (плотности с учетом скрытой массы) привели результаты экспериментов, проведенных в Советском Союзе группой исследователей под руководством В. Любимова. Физика опять столкнулась с ситуацией, когда мир элементарных частиц снова во весь голос заявил о своем прямом воздействии на космологию.

В институте экспериментальной и теоретической физики долгое время изучалось поведение нейтрино, которые до последнего времени считались безмассовыми частицами. Но вот в 1980 году группа В. Любимова опубликовала поистине ошеломляющий результат. Масса покоя нейтрино оказалась отличной от нуля! Очень малой, но все-таки не нуль! Оценки дали значение массы нейтрино около 5*10^-32 грамма. Нейтрино в 20 тысяч раз легче электрона и в 40 миллионов раз легче протона.

На первый взгляд это открытие важно лишь для физики элементарных частиц. Но только на первый взгляд. Все дело в том, что нейтрино очень много во Вселенной, не меньше, чем фотонов, а их несколько сот “штук” в одном кубическом сантиметре пространства. Сразу же возникает желание проделать элементарный расчет: умножить вес одного нейтрино на число их в кубическом сантиметре. Результат получается поразительным: рнейтр=10^-29 г/см³, то есть плотность нейтрино примерно равна критической. А тут еще надо учесть, что масса была определена лишь у одного типа нейтрино, а их как минимум четыре. Предполагается, что массы остальных типов нейтрино могут быть больше, чем масса электронного нейтрино, определенная физиками из ИТЭФ.

Если учесть все эти соображения, то средняя плотность материи во Вселенной заведомо больше критической, и, следовательно, расширение должно обязательно смениться сжатием. Чтобы этот вывод не звучал слишком категорично, сделаем оговорку, смысл которой состоит в том, что безусловно следует подождать подтверждения экспериментальных результатов группы Любимова. Если они будут подкреплены независимыми данными, то окажется, что мы живем в нейтринной Вселенной и очень многие ее свойства определяются присутствием в нашем мире этих частиц. Масса обычного вещества в этой Вселенной составляет лишь 3 процента от массы всех нейтрино.

Тем не менее имеющаяся все-таки на сегодняшний день неопределенность в значении средней плотности Вселенной дает нам моральное право рассмотреть альтернативный сценарий ее будущего.

Итак, пусть pcp<pkp.

Что случится в этом случае с пространством и веществом? Будущую жизнь мира можно разделить на шесть основных этапов. Первый из них займет примерно 10¹⁴ лет. Почему?

Хорошо известно, что звезды светят за счет происходящих в них термоядерных реакций. Но для прохождения этих реакций необходимо топливо. Водород -- главное горючее в термоядерных реакциях, а запасы его не беспредельны. Кроме того, чем массивнее звезда, тем быстрее она расходует ядерное горючее. К примеру, наше Солнце будет работать стабильно, как гигантский термоядерный реактор, еще примерно 10 миллиардов лет. Затем наступает очередь выгорания других элементов, более тяжелых, чем водород, и в конце концов звезда умирает, перестает светить. Заметим, что у звезд разной массы этот процесс происходит по-разному, но, не вдаваясь сейчас в подробности, еще раз подчеркнем, что через 10¹⁴ лет на небе погаснут звезды.

Параллельно этим грустным событиям звезды будут терять планеты из-за возмущений орбит при сближении с другими звездами. Это процесс довольно редкий, но, поскольку мы оперируем сейчас огромными промежутками времени, его нужно учитывать. Это займет промежуток времени примерно в 10¹⁷ лет.

Следующий этап в жизни Вселенной действительно грандиозен, и здесь снова центральную роль играет большая шкала времен, на которой уже необходимо учитывать тесные сближения звезд. При таких сближениях одна звезда может передать свою кинетическую энергию другой. В результате такого “обмена” возможен вылет одного из партнеров за пределы Галактики, в то время как другая звезда, потеряв часть своей энергии, приблизится к центру Галактики. Если каждую звезду уподобить молекуле газа, то процесс вылета аналогичен испарению, в связи с чем этот этап в жизни Вселенной был назван испарением галактик.

После “испарения” приблизительно 90 процентов массы Галактики гравитационное поле начнет “подгребать” к центру мертвые звезды и вещество с малой кинетической энергией. Дело кончится тем, что в результате может образоваться сверхмассивная черная дыра в центре Галактики. Этот период можно назвать периодом уборки Вселенной -- все “лишнее” уходит в черные дыры.

Часы показывают 10¹⁸ лет. Далее на авансцену опять выступают законы микромира. Мы помним, что теории Великого объединения предсказывают нестабильность протона, его распад. Правда, возможное время этого распада очень велико: все протоны во Вселенной должны исчезнуть через 10³⁰-10³² лет.

Если протон действительно нестабилен, то вещество звезд, не проглоченных сверхмассивными черными дырами в центрах галактик, будет слегка подогреваться при протонных распадах. Самые массивные мертвые звезды будут иметь температуру примерно 100К, а менее массивные-- всего около 3 К.

Итак, через 10³¹--10³² лет во Вселенной не останется протонов. Если на время забыть о существовании черных дыр, то вся Вселенная будет заполнена электрон-позитронным газом, нейтрино и фотонами. Их концентрация будет убывать по мере расширения Вселенной. Никаких особенных изменений не будет происходить еще примерно 10¹⁰⁰ лет.

Заключительный, финальный аккорд в жизни нашего мира связан с квантовым испарением черных дыр. В 1974 году появилась историческая работа С. Хокинга, в которой было показано, что гравитационная могила, черная дыра не вечна, она очень медленно “испаряется”, теряя свою массу в виде квантов света. Но это будет происходить, когда космические часы покажут 10¹⁰⁰ лет. Столь огромный срок трудно себе представить.

Неопределенность наших сегодняшних знаний о значении средней плотности не позволяет сделать точный выбор между двумя вариантами будущей судьбы нашего мира. Остается открытым и вопрос о том, что будет после возможного коллапса Вселенной, произойдут ли повторные Большие Взрывы с последующими повторными Большими Коллапсами?

Список литературы

1. Мухин Л.М. “Мир Астрономии: рассказы о Вселенной, звёздах, галактиках”. - М.: Мол. гвардия, 1987.

2. Р.Пенроуз “Структура пространства-времени”. Бибфизмат.

Размещено на Allbest.ru