Большой взрыв и его проблемы

Любопытно, что, помимо объяснения химического состава ранней Метагалактики, теория космологического нуклеосинтеза позволяет получить уникальную информацию о пространственной плотности трудно наблюдаемых частиц, дошедших до эпохи доминирования лептонов от предыдущих этапов космологического расширения. В частности, основываясь на этой теории, можно ограничить число возможных типов нейтрино, которые в последнее время стали объектом пристального внимания космологов.

Еще каких-нибудь 6 - 7 лет  назад этот вопрос стоял как бы на втором плане в модели «горячей Вселенной». Считалось, что решающую роль в формировании химического  состава догалактического вещества играли электронные нейтрино и антинейтрино и в меньшей степени - мюонные нейтрино V_m, V_m. Эксперимент не давал оснований предполагать, что в природе существуют иные типы слабовзаимодействующих нейтральных лептонов, а космологи предпочитали руководствоваться принципом «бритвы Окаама»: entia non sunt multiplicanda praenter necessitatem(« сущности не должны быть умножаемы сверх необходимости»).

Ситуация в этом вопросе  радикально изменилась после открытия в 1975 г. тяжелого заряженного тау-лептона, которому должен был соответствовать новый тип нейтрино - v_t. Сейчас уже не вызывает сомнений, что семейство нейтрино пополнилось новым членом, энергия покоя которого не превышает 250 МэВ. Возникла любопытная ситуация -современные ускорители элементарных частиц приблизились лишь к энергиям порядка 10⁵ МэВ и уже появился новый тип нейтрино. Что кроется за этим порогом энергий? Не ожидает ли нас в будущем катастрофическое увеличение числа членов семейства лептонов по мере проникновения в глубь микромира?

Оказывается, на этот вопрос модель «горячей Вселенной» дает вполне определенный ответ. Если бы в природе, помимо v_е, v_m, v_t существовали новые типы нейтрино, энергии покоя которых не превышали бы 30 - 50 эВ, их роль в период космологического нуклеосинтеза свелась бы к увеличению скорости охлаждения плазмы и, следовательно, изменились бы условия образования химических элементов. Впервые подобная роль слабовзаимодействующих частиц в динамике космологического синтеза легких химических элементов была отмечена в 1969 г. советским астрофизиком В. Ф. Шварцманом, и за последнее десятилетие уточнялась лишь количественная сторона вопроса.

Расчеты показывают, что  если за верхнюю границу распространенности догалактического гелия-4 принять его  массовую концентрацию 25%, то неизбежно  следует вывод, что все возможные типы нейтрино в природе уже открыты. С некоторой осторожностью, связанной с недостаточной точностью наблюдательных данных о распространенности космических ⁴Не и ²Н, можно считать, что, помимо v_е, v_m, v_t существует не более еще двух типов новых нейтрино. Это обстоятельство играет существенную роль при анализе проблемы скрытой массы Вселенной.

Итак, в общих чертах мы познакомились с двумя важнейшими эпохами «температурной» истории  космологической плазмы, на протяжении которых произошло формирование первичного химического состава вещества и спектра микроволнового реликтового излучения. Однако изложенная выше схема нуждается в существенном дополнении, поскольку в ней не нашел еще отражения факт существования крупномасштабной структуры Вселенной - скоплений и сверхскоплений галактик.

Действительно, после  аннигиляции электрон-позитронных  пар во Вселенной (T=5^.10⁹ К) наиболее распространенным компонентом высокотемпературной космологической плазмы стало электромагнитное излучение, которое после рекомбинации водорода перестало взаимодействовать с веществом. Равновесный характер спектра этого излучения обусловлен существованием продолжительной фазы расширения, когда между фотонами и электронами происходило интенсивное взаимодействие. После рекомбинации водорода и гелия Вселенная должна была оказаться заполненной однородно распределенными веществом и излучением. И сейчас не должно было быть никакой структуры - ни звезд, ни галактик, ни нас. Вполне удручающая картина.

Эти предсказания, очевидно, весьма далеки от наблюдаемого многообразия структурных форм материи во Вселенной. Напрашивается вывод, что для объяснения наблюдаемой структуры, еще на ранних этапах расширения Вселенной должны существовать флуктуации - хотя и малые, но конечные отклонения плотности материи от однородного и изотропного распределения в пространстве.

II. Большие проблемы Большого взрыва.

При внимательном рассмотрении космологическая теория происхождения  и структуры вселенной начинает трещать по швам.

Взгляните на усыпанное звездами ночное небо. Как возникли все эти бесчисленные звезды и планеты? Большинство современных ученых, скорее всего, ответит на этот вопрос, сославшись на одну из версий теории «большого взрыва». В соответствии с этой теорией, вначале вся материя Вселенной была сосредоточена в одной точке и разогрета до очень высокой температуры. В некий момент времени произошел ужасающей силы взрыв. В расширяющемся облаке перегретых субатомных частиц постепенно стали формироваться атомы, звезды, галактики, планеты, и, наконец, зародилась жизнь. В настоящее время этот сценарий обрел статус непреложной истины.

Спору нет, теория большого взрыва захватывает  воображение и мало кого оставляет  равнодушным. И поскольку она  как будто основана на фактическом  материале и подкреплена математическими выкладками, большинству людей она представляется более приемлемой, чем религиозные объяснения возникновения Вселенной. Однако космологическая теория большого взрыва является лишь последней из целого ряда попыток объяснить зарождение Вселенной с позиций механистического мировоззрения, согласно которому мир (и человек в том числе) представляет собой порождение материи, функционирующей в строгом соответствии с законами физики.

Попытки ученых создать чисто физическую модель происхождения Вселенной основываются на трех постулатах:

1) все явления природы могут  быть исчерпывающе объяснены  физическими законами, выраженными  в математической форме; 

2) эти физические законы универсальны  и не зависят от времени  и места; 

3) все основные законы природы  просты.

Многие люди принимают эти постулаты  как нечто само собой разумеющееся, но на самом деле никто и никогда  не мог доказать их истинности, более  того, доказать их справедливость далеко не просто. По сути дела, они являются всего-навсего составной частью одного из подходов к описанию реальности. Рассматривая сложнейшие явления, с которыми сталкивается всякий изучающий Вселенную, ученые избрали редукционистский подход. «Давайте, - говорят они, - замерим параметры физических явлений и попробуем описать их с помощью простых и универсальных физических законов». Однако, строго говоря, у нас нет никаких логических оснований заранее отвергать альтернативные подходы к пониманию Вселенной. Нельзя исключить, что в основе Вселенной лежат принципиально иные законы, не поддающиеся простому математическому выражению. И тем не менее многие ученые, путая свое понимание Вселенной с ее истинной природой, заранее отвергают альтернативные подходы. Они настаивают на том, что все явления во Вселенной можно описать с помощью простых математических законов. «Мы надеемся уложить все мироздание в простую и короткую формулу, которую можно будет печатать на майках», - утверждает Л. Ледерман, директор Национальной лаборатории ядерной физики им. Ферми в Батавии, штат Иллинойс.

Существует несколько психологических причин, заставляющих ученых держаться за редукционистский подход. Если структура Вселенной может быть описана простыми количественными законами, то у ученых, несмотря на ограниченность человеческого разума, появляется надежда рано или поздно понять эту структуру (и таким образом получить ключ к управлению Вселенной). Поэтому они исходят из того, что такое описание возможно, и создают тысячи различных теорий. Но если наша Вселенная бесконечно сложна, то нам, с нашим ограниченным умом и чувствами, будет очень трудно познать ее.

Продемонстрируем это на примере. Допустим, у нас имеется множество, содержащее миллион цифр, и перед  нами стоит задача описать структуру  этого множества одним уравнением. Практически это возможно в том  случае, если структура множества достаточно проста. Однако если его структура чрезвычайно сложна, то нам вряд ли удастся даже определить вид формулы, описывающий ее. Подобно этому, попытки ученых будут столь же безрезультатны, когда они столкнутся со свойствами Вселенной, которые в принципе не поддаются математическому описанию. Поэтому неудивительно, что большая часть ученых так упорно держится за свою сегодняшнюю стратегию, не желая признавать никаких других подходов. В этом они похожи на человека, который потерял на дороге ключи от машины, а ищет их под уличным фонарем, просто потому, что там светлее.

Однако на самом деле представления  ученых о том, что физические законы, открытые ими в лабораторных экспериментах  здесь, на Земле, действуют во всей Вселенной  и на всех этапах ее эволюции, мягко говоря, необоснованны. Например, у нас нет никаких оснований утверждать, что раз электрические поля ведут себя определенным образом в лабораторных условиях, то они проявляли те же свойства миллионы лет назад на расстоянии многих десятков световых лет от Земли. Однако без таких допущений не может обойтись ни одна попытка объяснения происхождения Вселенной. Ведь не можем же мы вернуться на миллиарды лет назад, ко времени образования Вселенной, или получить прямую информацию о том, что происходит за пределами Солнечной системы.

Некоторые ученые признают рискованность  переноса наших весьма ограниченных знаний на мироздание в целом. В 1980 году К. Болдинг в своем обращении  к Американской ассоциации развития науки сказал: «Космология... представляется нам наукой, не имеющей под собой прочного основания, хотя бы потому, что она изучает огромную Вселенную на примере небольшой ее части, исследования которой не могут дать объективной картины реальности. Мы наблюдали ее на протяжении очень короткого отрезка времени и имеем относительно полное представление лишь о ничтожно малой части ее объема». Однако не только выводы космологов не имеют под собой прочного основания, похоже, что сама попытка создать простую математическую модель Вселенной не вполне корректна, и сопряжена с трудностями принципиального характера.

• Проблематичная сингулярность

Как гласит теория большого взрыва, Вселенная возникла из точки  с нулевым объемом и бесконечно высокими плотностью и температурой. Это состояние, называемое сингулярностью, не поддается математическому описанию.

Пытаясь объяснить происхождение  Вселенной, сторонники теории большого взрыва сталкиваются с серьезной  проблемой, поскольку исходное состояние  Вселенной в разработанной ими  модели не поддается математическому описанию. Согласно всем существующим теориям большого взрыва, вначале Вселенная представляла собой точку пространства бесконечно малого объема, имевшую бесконечно большую плотность и температуру. Такое начальное состояние в принципе не может быть описано математически. Об этом состоянии ровным счетом ничего нельзя сказать. Все расчеты заходят в тупик. Это все равно что заниматься делением какого-то числа на ноль - что получится? 1? 5? 5 триллионов?.. Ответа на этот вопрос не существует. На языке науки это явление называют «сингулярностью».

Профессор радиоастрономии Манчестерского университета Б. Лоувел писал о сингулярностях следующее: «В попытке физически  описать исходное состояние Вселенной  мы натыкаемся на препятствие. Вопрос в том, является ли это препятствие преодолимым. Может быть, все наши попытки научно описать исходное состояние Вселенной заранее обречены на неудачу? Этот вопрос, а также концептуальные трудности, связанные с описанием сингулярной точки в исходный момент времени, являются одной из основных проблем современной научной мысли». Пока что это препятствие не смогли преодолеть даже самые выдающиеся ученые, разрабатывающие теории большого взрыва.

Нобелевский лауреат С. Вайнберг отмечал: «К сожалению, я не могу начать свой фильм [цветной документальный фильм о большом взрыве] с нулевой точки отсчета, когда времени еще не существовало, а температура была бесконечно велика». Таким образом, теория большого взрыва вообще не описывает происхождение Вселенной, так как исходная сингулярность, по определению, не поддается описанию.

Итак, теория большого взрыва сталкивается с непреодолимыми проблемами буквально  с самого начала. В научно-популярных изложениях теории большого взрыва сложности, связанные с исходной сингулярностью, либо замалчиваются, либо упоминаются вскользь, но в специальных статьях ученые, делающие попытки подвести математическую базу под эту теорию, признают их главным препятствием. Профессора математики С. Хоукинг из Кембриджа и Г. Эллис из Кейптауна отмечают в своей монографии «Крупномасштабная структура пространства-времени»: «На наш взгляд, вполне оправданно считать физическую теорию, которая предсказывает сингулярность, несостоявшейся». И далее: «результаты наших наблюдений подтверждают предположение о том, что Вселенная возникла в определенный момент времени. Однако сам момент начала творения, сингулярность, не подчиняется ни одному из известных законов физики».

Понятно, что любая гипотеза о  происхождении Вселенной, которая  постулирует, что исходное состояние  Вселенной не поддается физическому описанию, выглядит довольно подозрительно. Но это еще полбеды. Следующий вопрос: откуда взялась сама сингулярность? И ученые вынуждены объявить математически неописуемую точку бесконечной плотности и бесконечно малых размеров, существующую вне пространства и времени, безначальной причиной всех причин.

• Попытки решения проблемы сингулярности

Не желая мириться с подобной перспективой, теоретики разработали  несколько вариантов теории большого взрыва, в которых пытаются обойти проблему сингулярности. Один из возможных подходов - постулировать, что сингулярность при зарождении Вселенной была не совершенной. Б. Лоувел утверждает, что сингулярность в теории большого взрыва «часто представлялась как математическая проблема, возникшая из постулата об однородности Вселенной». Все классические модели Вселенной, появившейся в результате большого взрыва, обладают идеальной математической симметрией, и некоторые физики сочли это причиной появления сингулярных корней уравнений, описывающих исходное состояние Вселенной. Чтобы скорректировать это, теоретики стали вводить в свои модели асимметрию, аналогичную той, которую можно видеть в наблюдаемой Вселенной. Таким образом, они надеялись внести в исходное состояние Вселенной достаточную неупорядоченность, необходимую для того, чтобы оно не сводилось к точке. Однако все их надежды были разрушены Хоукингом и Эллисом, которые утверждают, что, согласно их расчетам, модель большого взрыва с асимметричным распределением материи в любом случае должна иметь сингулярность в исходной точке."