И.Ковшун, В.Ковшун: "О моделях мира"

В доэйнштейновской (нерелятивистской) космологии пространство рассматривалось как пустое вместилище космических тел, а время как некий причинно-следственный порядок существования сменяющих друг друга явлений. В модели мира Ньютона основными понятиями стали абсолютное пространство и абсолютное время, не зависящие от материи. Вечный, стационарный, неограниченный и бесконечный «мир Ньютона» заполнял плоское (евклидово) трехмерное пространство.

В начале XX века А. Эйнштейн создал специальную теорию относительности — физику субсветовых скоростей, а в 1916 г.— общую теорию относительности, рассмотрев случай ускоренных движений и действие сил гравитации при субсветовых скоростях. При этом выяснилось, что пространство и время — реальные формы существования материи, неотделимые от нее и выступающие как две стороны единого и многооб разного целого. Метрика пространства оказалась зависящей от наличия в нем материи и от распределения тяготеющих масс. Само тяготение масс оказалось лишь следствием искривления пространства этими массами. Течение времени и даже протяженность материальных тел стали зависящими от скорости движения самих тел. Независимость скорости света от движения излучающей системы привела к представлению ос ограниченности любых скоростей скоростью света.

На основе общей теории относительности А. Эйнштейн в 1917 г. построил первую релятивистскую модель мира, исходя из предположения об однородности и изотропности Вселенной. Для того чтобы мир был статичным, Эйнштейн ввел в космологические уравнения так называемый Л — член, описывающей действие неких «сил отталкивания» (Л>0), уравновешивающих гравитационные силы взаимодействия в этой статичной Вселенной. Вселенная Эйнштейна оказалась замкнутой: конечной, но неограниченной (подобно двумерному миру на сфере). Так как при этом наряду с тремя пространственными координатными осями рассматривалась еще и координатная ось времени, то эту «вселенную Эйнштейна" часто называют «цилиндрическим миром Эйнштейна», основываясь на ее формальном изображении в трехмерном пространстве.

В 1922 г. советский физик А. А. Фридман показал, что требование однородности мира неизбежно приводит к отказу от статичности Вселенной и порождает «нестационарные модели» мира, в которых Вселенная либо неограниченно во времени расширяется, либо циклически расширяется и сжимается.

Согласно Фридману релятивистские «модели мира» в значительной степени зависят от знака космологической постоянной Л и постоянной к кривизны пространства. Если Л < 0, то во Вселенной присутствует дополнительная сила притяжения, если Л > 0, то - дополнительная сила отталкивания. Во всех моделях выбор метрик осуществляется так, чтобы постоянная к принимала значения +1,0 или -1, соответствующие замкнутому сферическому, открытому плоскому (евклидову) или открытому гиперболическому пространству.

Рассмотрев в 1922 г. модель замкнутого и расширяющегося мира, Фридман фактически заменил «цилиндрическую модель мира Эйнштейна» на «коническую модель мира Фридмана», в которой к = +1 и Л< 0, а ещё через два года он рассмотрел «открытый мир» с к = - 1.

В 1927 г. бельгийский аббат Ж. Леметр предположил, что расширяющаяся Вселенная была порождена из «атома-отца» (или из «илема», как назвал позже Г. Гамов прародительское вещество Вселенной) в результате Большого Взрыва.

В 1929 г. Э. Хаббл обнаружил явление «красного смещения» у галактик, которое, поясняемое с позиций эффекта Доплера, свидетельствовало о разбегании галактик и о справедливости «модели мира Фридмана». Из полученного тогда значения постоянной Хаббла Э. Милн сразу же вычислил «возраст Вселенной», оказавшийся равным 2 млрд. Нет (сейчас с уточнением значения постоянной Хаббла этот возраст оценивается в 10—20 млрд. лет).

С тех пор появилось множество модификаций «модели Фридмана». И одних из них радиус открытой Вселенной возрастает неограниченно («модель Фридмана-Леметра»), в других — радиус плоской Вселенной также растет либо до бесконечности, либо приближаясь к некоторому конечному значению («модель де Ситтера» и «модель Эйнштейна-де Ситтера»), в третьих — Вселенная, достигнув определенных размеров, вновь начинает сжиматься в «космическое яйцо», которое опять в результате Большого Взрыва породит новую Вселенную.

«Как стало известно много позже, выбор между этими тремя возможностями зависит от величины средней плотности вещества во Вселенной (d ср). Если она больше критической плотности d , пропорциональной постоянной Хаббла, то расширение сменится сжатием, если меньше, то будет продолжаться неограниченно, если равна критической, то реализуется вторая возможность (то есть, достигнув определенного размера, Вселенная придет к стационарному состоянию. — И. К.)» [61, с. 276].

«... В 1948 г. была предложена так называемая модель «стационарного состояния», в прошлом основной конкурент фридмановской эволюционной космологии. Чтобы объяснить наблюдаемое расширение Вселенной и сохранить при этом извечный status quo, Ф. Хойлом была разработана концепция «непрерывного творения материи»..., которая предвосхитила физические формализмы современных теорий рождения частиц» [62, с. 312-313].

«Что касается скорости этого «непрерывного творения», то она довольно мала: один атом в год в объеме, равном, как говорит Хойл, объему собора Св. Павла в Лондоне» [63, с. 218].

«В 1948 г. была выдвинута известная «а, бета, у- теория» (Р. Аль фера, Г. Бете и Г. Гамова), предсказывавшая существование фоновой радиации, обусловленной взрывом Вселенной из сингулярной точки ...» [62, с. 313]. И в 1965 г. А. Пензиас и Р. Уилсон обнаружили реликтовое излучение Вселенной, подтверждающее фридмановскую эволюционную модель расширяющегося мира.

«Гипотезу о том, что наша Вселенная в прошлом была очень горячей, высказал впервые в 1946 г. Г. А. Гамов. Любопытно, что он сначала не связывал этот вопрос с расширением вселенной: горячая Вселенная нужна была Гамову для объяснения происхождения химических элементов» [61, с. 364].

У нас теория расширяющейся Вселенной вплоть до 1959 г. подвергалась догматической критике с позиции, получившей позже название «наивно-традиционной». В. А. Бронштэн так иллюстрирует подобную «критику»: «... теория расширяющейся Вселенной в своем исходном положении противоречит марксизму, материализму и должна быть отвергнута» [61, с. 282], попутно разъясняя, что исходным положением этой теории в модели Леметра и де Ситтера (и конечно же в модели Фридмана) является тезис о конечности пространства Вселенной.

«В свете полученных данных — результатов подсчета радиоисточников, наличия микроволнового фонового радиоизлучения и возможного решения проблемы гелия (речь идет о почти одинаковом относительном содержании гелия и водорода во всех областях Вселенной. — Авторы) — не представляется странным, что уже в начале 70-х годов теория стационарной вселенной была окончательно отвергнута, а модель горячего Большого Взрыва стала чуть ли не догмой» [64, с. 191].

В. А. Амбарцумян и В. В. Казютинский отмечают [65], что сейчас в космологии конкурируют три направления.

Первое из них, встречающее наибольшее признание, разрабатывает фридмановскую теорию расширяющейся Вселенной. Развитие этого направления привело к модели Большого Взрыва «горячей Вселенной». Здесь ортодоксальная релятивистская теория тяготения рассматривает эволюцию однородной и изотропной Вселенной.

Второе направление рассматривает варианты теории анизотропной неоднородной Вселенной. А. Л. Зельманов, интенсивно занимавшийся разработкой этого направления, называет его «пострелятивистской космологией».

Третье направление включает в себя:
а) разработки различных модификаций теории «стационарной вселенной Хойла»;
б) теории, отказывающийся от релятивистской теории тяготения;
в) промежуточные теории.

«... Горизонты теории Большого Взрыва отнюдь не безоблачны. За последнее время открыт ряд фактов, не укладывающихся в рамки этой теории. Так, например, известны галактики, явно физически связанные между собой и находящиеся от нас на равном расстоянии, но имеющие при этом существенно различающиеся (иногда в 13 раз!) «красные Смещения». Непонятно и другое: почему на одном и том же расстоянии спиральные галактики всегда имеют большие красные смещения, чем эллиптические галактики. По некоторым данным, получается, что и разных направлениях скорость расширения, «распухания» Вселенной неодинакова.

Наконец, недавно выяснилось, что скорости галактик относительно фона реликтового излучения малы. Они измеряются не тысячами и не десятками тысяч километров в секунду, как это следует из теории расширяющейся Вселенной, а всего лишь сотнями километров в секунду» [66, с. 166—167].

В 1978 г. М. Рис высказал предположение, что реликтовое (или фоновое) излучение Вселенной может оказаться остатком инфракрасного излучения облаков пыли, нагретых излучением гипотетических звезд, которые могли возникнуть еще до образования галактик («догалактические звезды»). И хотя это предположение не получило широкого признания, оно косвенно было подтверждено в 1979 г. Д. П. Вуди и П. Л. Ричардсоном из Калифорнийского университета сравнением характеристик реликтового излучения и излучения черного тела.

По поводу идеи М. Риса известный английский популяризатор И. Николсон пишет:

«Пока рано говорить, выдержит ли эта новая идея последующий анализ, но если она соответствует истине, то это означает, что подавляющее количество всей массы Вселенной содержится в невидимых остатках звезд первичного, догалактического, поколения и в настоящее вpeмя может находиться в массивных темных гало, окружающих яркие галактики, которые мы наблюдаем сегодня» [64, с. 195].

«Высказывается гипотеза, хотя и ничем не подтвержденная, что если Вселенная закрыта, то она должна испытать отскок и вновь начать pacширяться. В таком случае Вселенной предстоит полностью повторить весь цикл Большого Взрыва, и снова в ней образуются галактики и звезды. Однако здесь следует добавить одно: излучение, выработанное звездами в предыдущем цикле Большого Взрыва, должно, по-видимому, также присутствовать в этой «новой» Вселенной.... Закрытая вселенная может испытывать лишь конечное число повторяющихся отскоков. В противном случае в течение более ранних циклов расширения должно было возникнуть слишком много излучения.

... Если мы предположим, что каждый предшествующий цикл расширения приводит к генерации такого же количества света, какое создается в сегодняшней Вселенной, то получим, что в прошлом могло произойти около 100 циклов расширения и сжатия Вселенной.

... Вполне возможно, что даже закрытая вселенная, периодически испытывающая отскок, не способна жить бесконечно, и тогда закрытая модель Вселенной отчасти теряет свою главную эстетическую, привлекательность. Начало времени неизбежно. Многие космологи из философских соображений отдают предпочтение закрытой модели Вселенной по сравнению с моделью бесконечного пространства. Однако подобные субъективные пристрастия не должны играть роли в науке. Ведь в конечном счете аргументы в пользу открытой модели опираются исключительно на наблюдательные данные» [67, с. 312—314].

Здесь мы, однако, подчеркнем, что не только субъективные мотивы заставляют многих космологов принять закрытую модель мира, но и такие выводы, как, например, обнаружение массы покоя у нейтрино, приводящее к оценке d ср > dKр, которая характеризует закрытые модели Вселенной..

«Астроном Аллан Сэндейдж, сторонник колеблющейся Вселенной, считает, что большие взрывы происходят каждые 82 миллиарда лет и что в настоящее время мы проникли в фазу расширения примерно на 10 миллиардов лет» [68, с. 67].

Вопрос об устройстве нашей Вселенной для нас важен с точки зрения возможности выживания в ней каких бы то ни было форм жизни даже в том случае, если расширение Вселенной сменится ее сжатием, которое вновь завершится Большим Взрывом.

«Если правильна модель Большого Взрыва и мы живем в единственно существующей Вселенной, то не может быть и речи о какой-то бесконечной панспермии, поскольку никакие споры жизни не смогут выдержать высокие температуры периодически сжимающегося илема. «Э, — говорит сторонник панспермии, — возможно, не все споры будут втянуты в Большой Взрыв и некоторые из них выживут и заразят охлаждающиеся планеты, возникшие после Большого Взрыва». Если Большой Взрыв допускает существование других Вселенных, то жизнь может сохраняться в охладившихся Вселенных, а потом заражать те, которые были стерилизованы Большим Взрывом» [68, с. 222].

В связи с обнаружением пульсара ДжиПи-1953, возраст которого оказался равным 45 миллиардам лет, то есть почти втрое превышающим возраст Вселенной, «... известный американский астроном, директор обсерватории в Аресибо Фрэнк Дрейк сказал... приблизительно следующее: «Очень возможно, что существует небольшая часть мирового пространства, преспокойно пережившая тот гигантский взрыв, который дал начало Вселенной. Вероятно, в этой зоне по каким-то причинам материя сохранилась в своем первоначальном виде...» [см. 69, с. 122].

В 1984 г. физики-теоретики из Польши и Италии рассмотрели стохастическую (вероятностную) космологическую модель мира, средние значения параметров которой совпадают с фридмановской моделью Вселенной, но дисперсия (разброс) этих параметров растет со временем неограниченно. «Из этого следует, что к моменту нового Большого Взрыва часть вещества еще будет в пути к месту формирования точки и, следовательно, сумеет избежать роковых метаморфоз. Эта часть может оказаться не такой уж великой, проценты или доли процента суммарного вещества Вселенной, однако, здесь могут заключаться целые галактики которые, выходит, сумеют «переждать» Большой Взрыв. И если в составе этих везучих галактик окажутся обитаемые миры, жизнь может быть спасена...» [70, с. 15].

В заключение параграфа хочется подчеркнуть, что и до появления работ А. Эйнштейна и А. А. Фридмана, положивших начало веренице моделей мира, все более поражающих наше воображение, но вместе с тем логически следующих из уточняющихся экспериментами и теорией представлений об устройстве материи, времени и пространства, в отдельных математических и физических работах высказывались до гадки о возможной неевклидовости реального пространства окружающего нас мира.

В противовес плоскому евклидовому пространству математики pacсматривали теоретически пространства, в которых справедливы геометрия Лобачевского либо геометрия Римана. Пространства с геометрия Лобачевского — неограничены и бесконечны. Они так же отличаются от плоского евклидова пространства, как отличается «мир», расположенный на поверхности разомкнутого однополостного гиперболоида, от «мира» на плоской поверхности стола или листа бумаги. Разомкнутые пространства с геометрией Лобачевского были названы гиперболическими пространствами. Пространства же с геометрией Римана — неограничены и конечны. Они так же отличаются от плоского евклидова пространства как отличается «мир», расположенный на поверхности эллипсоида, от «мира» на поверхности плоскости. Замкнутые пространства с геометрией Римана были названы эллиптическими пространствами.

В разомкнутом «мире Лобачевского» к каждой прямой линии через точку, лежащую вне ее, можно провести не менее одной параллельной прямой, а в «мире Римана» через эту точку нельзя провести ни одной прямой, параллельной заданной.

Реальный мир, как это следует из работ А. Эйнштейна, обладает геометрией, зависящей от плотности материи в нем: если эта плотность меньше «критической плотности» d кр , то реальный мир разомкнут, а если больше, то реальный мир — замкнут.

На рубеже XIX и XX вв. математики обосновали возможность сосуществования и других неевклидовых геометрий. «Четвертой геометрией назвал великий французский математик Я А. Пуанкаре построенную ИМ геометрическую систему, в которой каждая прямая оказывается перпендикулярной самой себе. Еще более удивительные геометрии были построены Д. Веронезе и Д. Гильбертом («неархимедовы геометрии»).

Например, в одной из них («геометрия Гильберта») между любыми двумя отрезками на прямой, которые в обычной геометрии рассматриваются как смежные, можно поместить множество новых точек.

В 1902 г. А. Пуанкаре предложил любопытную физическую модель мира («сфера Пуанкаре»), наглядно демонстрирующую принципиальную возможность существования «бесконечной» вселенной, погруженной, например, во вселенную конечных размеров.

«Вообразим, например, мир, заключенный внутри большой сферы и подчиненный следующим законам. Температура здесь неравномерна; она имеет наибольшее значение в центре и понижается по мере удаления от него, делаясь равной абсолютному нулю на шаровой поверхности, которая является границей этого мира.

Я определю в точности даже закон, по которому изменяется эта температура. Пусть R будет радиус граничной поверхности, г — расстояние рассматриваемой точки от центра сферы. Абсолютная температура пусть будет пропорциональной R2—г.

Я предположу далее, что в этом мире все тела имеют один и тот же коэффициент расширения, именно такой, что длина какой-нибудь линейки пропорциональна абсолютной температуре.

Наконец, я предположу, что предмет, перенесенный из одной точки и другую, где температура иная, тотчас же приходит в состояние теплового равновесия со своей новой средой. В этих допущениях нет ничего ни противоречивого, ни немыслимого.

В таком случае движущийся предмет будет все уменьшаться по мере приближения к граничной сфере. Теперь заметим, что хотя этот мир ограничен с точки зрения нашей обычной геометрии, тем не менее он будет казаться бесконечным для его обитателей» [71, с. 49—50].

Среди многочисленных моделей мира есть и такие, в которых замкнутый пространственно-временной континуум скручен подобно тому, как плоская лента склеивается в одностороннюю поверхность — в «лист Мёбиуса». В таком мире время оказывается неориентированным: гипотетический наблюдатель этого «скрученного мира», совершив, к примеру, кругосветное путешествие, обнаружит, что к концу вояжа время по текло вспять, изменив свое направление. Локальный пространственно-временной «твист» («закрученность») может возникнуть, по-видимому, и в обычных мирах вблизи от источников мощных гравитационных возмущений.

БИБЛИОГРАФИЯ К КНИГЕ >>>