Модель большого взрыва и расширяющейся вселенной

"объяснение"  того,  что  большой  взрыв  произошел  около  десяти   тысяч

миллионов лет назад: примерно столько времени требуется разумным существам

для их развития. Как уже говорилось, прежде всего должно было образоваться

раннее  поколение  звезд.  Эти  звезды  превращали  часть  первоначального

водорода и гелия в элементы типа  углерода  и  кислорода,  из  которых  мы

состоим.  Затем  звезды  взрывались  как  сверхновые,  а  из  их  осколков

образовывались другие звезды и планеты, в том  числе  и  входящие  в  нашу

Солнечную систему, возраст которой  около  пяти  тысяч  миллионов  лет.  В

первые одну или две тысячи миллионов лет существования Земли на  ней  было

слишком жарко для  развития  каких  бы  то  ни  было  сложных  организмов.

Остальные примерно три тысячи миллионов лет происходит  медленный  процесс

биологического развития, в результате которого простейшие организмы прошли

путь до разумных существ, умеющих  измерять  время,  прошедшее  с  момента

большого взрыва.

 

          Мало кто возражает против справедливости и  применимости  слабого

антропного принципа. Некоторые же идут значительно дальше,  предлагая  его

сильный вариант. Он заключается в том, что существует  либо  много  разных

вселенных, либо много разных областей одной вселенной, каждая  из  которых

имеет  свою  собственную  начальную   конфигурацию   и,   возможно,   свой

собственный набор научных законов. В большей части этих вселенных  условия

были непригодны  для  развития  сложных  организмов;  лишь  в  нескольких,

похожих на нашу, вселенных смогли развиваться разумные существа, и у  этих

разумных существ возник вопрос: "Почему наша Вселенная такая, какой мы  ее

видим?" Тогда ответ прост: "Если бы Вселенная была другой, здесь  не  было

бы нас!"

 

          Законы науки в том виде, в котором мы их знаем  сейчас,  содержат

много фундаментальных величин, таких, как электрический заряд электрона  и

отношение массы протона к массе электрона. Мы не умеем,  но  крайней  мере

сейчас, теоретически предсказывать значения этих величин -  они  находятся

только из эксперимента. Может быть, придет день, когда мы  откроем  полную

единую теорию, с помощью которой все  эти  величины  будут  вычислены,  но

может оказаться, что некоторые из них, а то и все изменяются при  переходе

от вселенной к вселенной или и пределах одной вселенной. Удивительно,  что

значения таких величин были, по-видимому,  очень  точно  подобраны,  чтобы

обеспечить возможность развития жизни. Если  бы,  например,  электрический

заряд электрона был чуть-чуть другим, звезды либо не сжигали бы водород  и

гелий, либо не взрывались. Разумеется, могут быть и другие формы  разумной

жизни, о которых не грезили даже писатели-фантасты. Для  поддержания  этой

жизни не требуются ни свет звезды, как, скажем, наше  Солнце,  ни  тяжелые

элементы, синтезирующиеся внутри звезд  и  разлетающиеся  по  космическому

пространству при взрыве звезды.  Тем  не  менее,  по-видимому,  ясно,  что

величины, о  которых  мы  говорим,  имеют  сравнительно  немного  областей

значений, при которых возможно развитие  какой  бы  то  ни  было  разумной

жизни. Большая же часть значений отвечает вселенным, в которых, как бы они

ни были прекрасны, нет никого, кто  мог  бы  ими  восхищаться.  Это  можно

воспринимать либо как свидетельство божественного провидения в  сотворении

Вселенной  и  выборе  законов  науки,  либо  как  подтверждение   сильного

антропного принципа.

 

          Можно выдвинуть несколько возражений против привлечения  сильного

антропного принципа для объяснения наблюдаемого  состояния  Вселенной.  Во

первых, в каком смысле можно говорить, что все эти  вселенные  существуют?

Если они действительно изолированы друг от друга, то события, происходящие

не в нашей  Вселенной,  не  могут  иметь  наблюдаемых  следствий  в  нашей

Вселенной.  Поэтому  нам  следует  воспользоваться  принципом  экономии  и

исключить их из теории. Если же эти  вселенные  -  просто  разные  области

одной и той же вселенной, то научные законы должны быть одинаковы в каждой

области, потому что иначе был бы невозможен непрерывный переход  из  одной

области в другую.  Тогда  области  отличались  бы  друг  от  друга  только

начальными конфигурациями, и  сильный  антропный  принцип  сводился  бы  к

слабой формулировке.

 

          Второе возражение против сильного антропного принципа -  это  то,

что он направлен против хода всей истории науки.  Развитие  науки  шло  от

геоцентрических  космологии  Птолемея   и   его   предшественников   через

гелиоцентрическую космологию Коперника и  Галилея  к  современной  картине

мира,  согласно  которой  Земля  является   планетой   среднего   размера,

обращающейся вокруг обычной звезды внутри  обычной  спиральной  галактики,

которая в свою очередь является всего лишь  одной  из  миллиона  миллионов

галактик в наблюдаемой части Вселенной. Тем не  менее,  согласно  сильному

антропному принципу, все это гигантское сооружение существует просто  ради

нас. В это  очень  трудно  поверить.  Наша  Солнечная  система  безусловно

является  необходимым  условием  нашего   существования;   те   же   самые

рассуждения можно распространить  на  всю  нашу  Галактику,  чтобы  учесть

звезды раннего  поколения,  благодаря  которым  произошел  синтез  тяжелых

элементов. Но, по-видимому, нет никакой необходимости в том, чтобы все эти

другие галактики, да и вся Вселенная были такими однородными и одинаковыми

в больших масштабах в любом направлении.

 

          Гут высказал предположение, что Вселенная возникла  в  результате

большого взрыва  в  очень  горячем,  но  довольно  хаотическом  состоянии.

Высокие температуры означают, что частицы во Вселенной должны  были  очень

быстро двигаться и иметь большие энергии. Как уже  говорилось,  при  таких

высоких температурах сильные и слабые ядерные силы и электромагнитная сила

должны были все объединиться в одну.  По  мере  расширения  Вселенной  она

охлаждалась и энергии частиц уменьшались. В конце  концов  должен  был  бы

произойти так называемый фазовый переход и симметрия сил была бы нарушена:

сильное   взаимодействие   начало   бы    отличаться    от    слабого    и

электромагнитного. Известный пример фазового перехода  -  замерзание  воды

при охлаждении. Жидкое состояние воды симметрично, т. е. вода одинакова во

всех точках и во всех направлениях. Образующиеся же кристаллы  льда  имеют

определенные  положения  и  выстраиваются  в  некотором   направлении.   В

результате симметрия воды нарушается.

 

          Во  Вселенной,   скорость   расширения   которой   растет   из-за

космологической постоянной быстрее, чем замедляется из-за  гравитационного

  притяжения материи, свету хватило бы времени для перехода из одной области

ранней Вселенной в другую. Это было бы решением ранее поставленной  задачи

о том, почему разные области ранней Вселенной имеют  одинаковые  свойства.

Кроме того, скорость расширения Вселенной  стала  бы  автоматически  очень

близка  к  критическому  значению,  определяемому  плотностью  энергии  во

Вселенной. Тогда такую близость скорости расширения  к  критической  можно

было бы объяснить, не делая предположения о  тщательном выборе  начальной

скорости расширения Вселенной.

 

          Поскольку дважды нуль тоже нуль, количество положительной энергии

вещества  во  Вселенной   может   удвоиться   одновременно   с   удвоением

отрицательной гравитационной энергии; закон сохранения энергии при этом не

нарушится. Такого не бывает при нормальном расширении Вселенной, в которой

плотность  энергии  вещества  уменьшается  по  мере  увеличения   размеров

Вселенной. Но именно так происходит при  раздувании,  потому  что  в  этом

случае  Вселенная  увеличивается,  а  плотность  энергии  переохлажденного

состояния  остается  постоянной:   когда   размеры   Вселенной   удвоятся,

положительная энергия вещества и отрицательная гравитационная энергия тоже

удвоятся, в результате чего полная энергия остается равной  нулю.  В  фазе

раздувания размеры Вселенной очень сильно возрастают. Следовательно, общее

количество энергии, за счет которой  могут  образовываться  частицы,  тоже

сильно увеличивается. Гут по этому поводу заметил: "Говорят, что не бывает

скатерти-самобранки. А не вечная ли самобранка сама Вселенная?"

 

          Сейчас  Вселенная  расширяется  без  раздувания.  Значит,  должен

существовать какой-то механизм, благодаря которому  была  устранена  очень

большая эффективная  космологическая  постоянная,  а  скорость  расширения

перестала  расти  и  под  действием  гравитации  начала  уменьшаться,  как

продолжает уменьшаться и сейчас. Можно ожидать, что при раздувании в конце

концов нарушится симметрия сил, так же как переохлажденная  вода  в  конце

концов замерзнет. Тогда лишняя энергия состояния с ненарушенной симметрией

должна выделиться, и за счет этого Вселенная разогреется  до  температуры,

чуть-чуть меньшей, чем критическая температура, при которой симметрия  сил

еще не нарушается. Затем Вселенная опять начнет расширяться и охлаждаться,

так же как в горячей модели большого  взрыва,  но  теперь  мы  уже  сможем

объяснить, почему скорость ее расширения в точности  равна  критической  и

почему разные области Вселенной имеют одинаковую температуру.

 

          В гипотезе Гута фазовый  переход  происходил  очень  быстро,  как

возникают  вдруг  кристаллы  льда  в  очень  холодной  воде.   Идея   Гута

заключалась в том, что внутри старой фазы образуются "пузырьки" новой фазы

нарушенной  симметрии,  подобно  тому,  как  в  кипящей  воде  зарождаются

пузырьки пара. Гут предположил, что пузыри расширяются и сливаются друг  с

другом до тех пор, пока вся Вселенная не окажется в новой фазе. В 1983  г.

Линде предложил  более  удачную  модель,  называемую  хаотической  моделью

раздувания. В ней нет ни фазового перехода, ни  переохлаждения,  а  взамен

присутствует  бес  спиновое  поле,  которое  из-за  квантовых   флуктуаций

принимает большие значения в некоторых областях ранней Вселенной. В  таких

областях энергия поля будет вести  себя  как  космологическая  постоянная.

Результатом действия поля будет гравитационное отталкивание, под  влиянием

которого вышеуказанные области начнут раздуваться. По мере увеличения этих

областей энергия поля в них будет медленно уменьшаться, пока раздувание не

перейдет в такое же расширение, как в горячей модели большого взрыва. Одна

из областей могла бы превратиться  в  современную  наблюдаемую  Вселенную.

Модель Линде обладает всеми преимуществами ранней модели раздувания, но не

требует сомнительного фазового перехода и, кроме того, может дать реальную

оценку флуктуаций температуры фона микроволнового излучения, согласующуюся

с результатами наблюдений.

 

          Проведенные  исследования  моделей   раздувания   показали,   что

современное состояние Вселенной могло возникнуть из большого числа  разных

начальных конфигураций. Это важный вывод, ибо из него следует,  что  выбор

начального состояния той части Вселенной, в которой мы живем, мог быть  не

очень тщательным. Но  вовсе  не  из  всякого  начального  состояния  могла

получиться такая Вселенная, как наша. Это можно доказать, предположив, что

Вселенная сейчас находится в  совершенно  другом  состоянии,  каком-нибудь

очень нерегулярном и комковатом. Воспользовавшись  законами  науки,  можно

проследить  развитие  Вселенной  назад  во   времени   и   определить   ее

конфигурацию  в  более  ранние  времена.  По  теоремам   о   сингулярности

классической общей теории относительности сингулярность в  точке  большого

взрыва все равно должна была  существовать.  Если  такая  Вселенная  будет

развиваться вперед во времени в соответствии с законами науки, то в  конце

мы придем  к  тому  комковатому  и  нерегулярному  состоянию,  с  которого

начинали. Следовательно, должны существовать  начальные  конфигурации,  из

которых не может получиться такая Вселенная, какой сейчас мы  видим  нашу.

Значит, даже модель раздувания ничего не говорит о том,  почему  начальная

конфигурация оказалась не той, при которой получилась бы Вселенная, сильно

отличающаяся от наблюдаемой нами. Следует ли обратиться для  объяснения  к

натронному  принципу?  Было   ли   все   происшедшее   просто   счастливой

случайностью? Такой ответ выглядел бы как  выражение  отчаяния,  отрицание

всех наших надежд понять, какой же порядок лежит в основе Вселенной.

 

          Второе условие, которое должна включать в себя любая  завершенная

теория, - это предположение  Эйнштейна  о  том,  что  гравитационное  поле

представляется  в   виде   искривленного   пространства-времени:   частицы

стремятся двигаться по траекториям, заменяющим в искривленном пространстве-

времени  прямые,  но,  поскольку  пространство-время   не   плоское,   эти

траектории искривляются, как будто на них действует  гравитационное  ноле.