Книга: Занимательная астрофизика

В расширяющейся Вселенной

В расширяющейся Вселенной

В одной из своих статей В. Л. Гинзбург так формулирует основную проблему современной космологии: изучить структуру пространства в больших масштабах и найти закон эволюции Вселенной во времени.

Теперь, когда мы познакомились с некоторыми выводами общей теории относительности, в частности, с искривлением пространства и черными дырами, мы можем еще раз обратиться к одному, из самых поразительных явлений окружающего нас астрономического мира — расширению Вселенной.

Астрономические данные свидетельствуют о том, что мы живем в мире разбегающихся галактик. Воображаемый наблюдатель, в какой бы галактике он ни находился, отметил бы, что все остальные звездные системы от него удаляются. Таким образом, «разбегание» оказывается как бы всеобщим свойством нашей Вселенной. Но если галактики разбегаются, то что было много миллиардов лет назад? Логично предположить, что современное состояние Вселенной возникло из состояния более плотного. В пользу подобного предположения говорят не только наблюдения (разбегание галактик) — к такому же выводу приводит и теория.

Одно точное решение уравнений теории Эйнштейна мы уже рассмотрели. Оно описывало гравитационное поле, создаваемое статической массой вещества, и привело нас к заключению о возможности существования «черных дыр». Это решение было получено К. Шварцшильдом в 1916 г. и носит его имя.

Не менее важным и фундаментальным является решение уравнений общей теории относительности в предположении об однородности и изотропности Вселенной, полученное советским ученым А. А. Фридманом в 1922 г. На основе этого решения была построена модель развития астрономического мира во времени, объясняющая разбегание галактик. В этой модели исходным является сверхплотное состояние материи, существовавшее 10–20 млрд. лет назад.

Выяснение физического состояния вещества, в результате расширения которого образовалась наша Метагалактика, — одна из фундаментальных проблем современного естествознания. Формально решения уравнений дают бесконечную плотность вещества в такой первичной конденсации. Однако бесконечное значение плотности не имеет физического смысла, и поэтому обычно говорят о сингулярности — необычном состоянии, резко отличающемся от «привычных» состояний материи. Во всяком случае считается, что это было состояние чудовищной плотности, достигавшей 10⁹³-10⁹⁵ г/см³, что на 79–81 порядок выше плотности атомного ядра. О подобных суперплотных состояниях мы пока мало что знаем. К описанию физических явлений, которые протекают в таких условиях, современные фундаментальные физические теории неприменимы.

По-видимому, в подобной ситуации меняется смысл, который мы вкладываем в такие фундаментальные понятия, как «пространство», «время», «одновременность», «раньше», «позже» и т. п.

Вообще говоря, наука допускает экстраполяцию тех или иных теоретических представлений и на области явлений, лежащие за границами применимости данной теории. При такой экстраполяции общая теория относительности приводит к выводу, что Вселенная возникла из бесконечно малого (точечного) объема при моменте времени, равном нулю.

Проблема сингулярности составляет одну из центральных проблем современной космологии. С одной стороны, эйнштейновская ОТО с неизбежностью приводит к сингулярности. Однако, с другой стороны, состояния с бесконечной плотностью физически неосуществимы. Складывается впечатление, что появление сингулярности в ОТО является следствием того, что ОТО неприменима к состояниям с очень большой плотностью, что она Здесь выходит за границы своей применимости.

Каким образом может быть устранено возникающее противоречие? Над решением этой задачи упорно работают современные теоретики — физики и астрофизики. Возможно, удастся показать, что возникающая с точки зрения ОТО в процессе эволюции Вселенной сингулярность не является все же в рамках этой теории абсолютно неотвратимой, что при определенных условиях от нее можно избавиться. Другое направление связано с возможностью существования так называемой «фундаментальной длины», т. е. некоей минимальной протяженности, которая определяет границы применимости известной нам физики. Возможен, однако, и третий вариант: не исключено, что границы применимости ОТО определяются возникновением квантовых явлений. Согласно существующим представлениям, такой границей служит временной интервал порядка 10^-43 с, протяженность порядка 1,6·10^-33 см и плотность порядка 5·10⁹³ г/см³. В связи с этим предпринимаются попытки создания квантовой гравитационной теории и квантовой космологии. Этой теории предстоит решить целый ряд принципиальных проблем: о взаимодействии вещества и вакуума, который, судя по всему, представляет собой особую, скрытую форму существования материи, о рождении частиц из вакуума, о взаимосвязи микро- и макропроцессов. Именно это направление теоретического поиска сейчас является основным.

Первичная сингулярность — состояние, резко отличающееся от современного состояния Вселенной. Таким образом, Вселенная изменяется во времени: ее прошлое отличается от настоящего, а настоящее — от будущего. Это — фундаментальный вывод современного естествознания, имеющий важнейшее значение для человечества.

Решение Фридмана, соответствующее современному состоянию Вселенной, распадается на три подкласса решений, соответствующих трем возможным математическим моделям или трем возможным путям грядущего развития астрономического мира. Первый вариант — это так называемая замкнутая модель, второй — открытая модель и третий — промежуточный случай. В случае открытой модели расширение нашего мира должно продолжаться неограниченно. При этом общий его «вид» будет длительное время сохраняться. Лишь постепенно, через очень большие промежутки времени, состояние материи во Вселенной изменится.

В случае же замкнутой модели фаза расширения Вселенной должна со временем смениться на противоположную — фазу сжатия, а затем вновь произойдет расширение — и так без конца. Исследуя возможные свойства и закономерности подобных «циклических» Вселенных, ученые занимаются конструированием различных теоретических моделей.

Еще около тридцати лет назад знаменитый математик К. Гёдель попытался построить модель Вселенной, которая периодически точь-в-точь повторяет саму себя. Ситуация, весьма заманчивая для авторов научно-фантастических романов.

Если бы модель Гёделя соответствовала действительности, то это означало бы, что все наблюдаемое нами в окружающем мире уже когда-то было. И не один раз…

Однако повторяющая себя Вселенная в духе Гёделя пока что остается всего лишь неопределенной идеей, возможностью, которая и не подтверждена и не опровергнута. Более детально разработаны другие варианты циклических моделей. В этих моделях Вселенная пульсирует, то сжимаясь, то расширяясь и периодически проходя при этом через стадию чудовищно плотной горячей плазмы.

Одна из таких моделей сконструирована английским астрономом Т. Голдом. В ее основу положен тот уже известный нам факт, что все современные физические теории в принципе допускают обращение направления времени. Если в уравнениях этих теорий изменить направление течения времени на противоположное, то не возникает никаких противоречий, только все события потекут в обратном порядке.

Правда, в реальном мире мы ничего подобного не наблюдаем. И тому, видимо, есть свои причины, хотя нам они пока неизвестны. А вот в модели Голда время всякий раз поворачивает вспять при каждом переходе от эпохи сжатия к эпохе расширения.

Вдохновившись «конструкторской» деятельностью Голда, другой английский астроном Девис решил «построить» свою Вселенную, в известной мере противоположную Голдовской. В этой Вселенной направление времени в каждом цикле также меняется на противоположное, но в промежутках между соседними циклами в период наибольшего сжатия время вообще не имеет направления, Что это значит физически, сказать трудно, поскольку (мы это не раз обсуждали) в современной физике и астрофизике вопросы, связанные с поведением материи в экстремальных условиях, в частности, при очень больших плотностях, по существу, еще не разработаны. Но любопытно, что конструкция Девиса допускает проникновение через область наибольшего сжатия некоторых физических процессов из одного цикла в другой, разумеется, с соответствующей «переработкой». В частности, с этой точки зрения Девис пытается истолковать реликтовое излучение.

Как мы уже говорили, астрофизики рассматривают его как весьма веское доказательство начального взрыва и вообще справедливости всей теоретической концепции горячей расширяющейся Вселенной.

Однако в модели Девиса реликтовое излучение приобретает совсем иной, прямо скажем, совершенно неожиданный смысл. Это уже не посланец из прошлого, а отголосок… будущего. Именно отголосок, а не предвестник. Своеобразная «радиозаря» того цикла в эволюции Вселенной, который еще только должен наступить в будущем.

Таким образом, во Вселенной Девиса нарушается один из фундаментальнейших принципов современного естествознания, согласно которому следствия не могут опережать свои причины. Тем не менее не исключено, что модель Девиса, несмотря на всю свою экстравагантность, все же отражает какие-то вполне реальные, и, быть может, весьма существенные черты мироздания.

Весьма необычна и циклическая модель, разработанная одним из учеников Эйнштейна Уилером. И в этой модели Вселенная пульсирует, то сжимаясь, то раздуваясь, но всякий раз она возрождается из сверхплотного «сгустка» в ином виде, с иными характерными параметрами, даже с иным набором элементарных частиц. Любопытно, что во Вселенной Уилера вообще нет времени в обычном понимании этого слова — нет настоящего и будущего. Поэтому в такой Вселенной возможны любые парадоксы — они здесь в порядке вещей.

Никто, разумеется, не станет утверждать, что одна из перечисленных выше моделей — это и есть точное описание нашей Вселенной. Да на это они, пожалуй, и не претендуют. Идет поиск. Нащупываются новые направления, оцениваются и переоцениваются различные идеи, осмысливаются новые факты и тем самым выявляются новые грани окружающего нас мира. Многое в циклических моделях в той или иной мере условно. За исключением одного вопроса, который имеет самое непосредственное отношение к свойствам нашей реальной Вселенной, — вопроса о том, сменится ли ее расширение сжатием? Для того чтобы это произошло, общая масса во Вселенной должна быть достаточно велика — тогда ее притяжение будет тормозить разбегание галактик и, в конце концов, должно остановить их разлет и повернуть эти звездные системы вспять. Со временем такой «обратный» процесс опять приведет к созданию сверхплотной сингулярности. С подобным вариантом мы уже встречались в циклических моделях.

Какой же вариант соответствует действительности, в какой Вселенной — открытой или замкнутой — мы живем?

Подсчеты, основанные на общей теории относительности, дают на этот счет вполне определенный численный критерий. Мысленно соберем всю массу Вселенной и равномерно «размажем» ее по всему пространству. Если после этой операции средняя плотность окажется меньше, чем 3·10^-29 г/см³, то силы тяготения недостаточны для того, чтобы остановить разбегание галактик, и Вселенная расширяется неограниченно. Если же средняя плотность превысит этот предел (критическое значение), то расширение Вселенной со временем сменится сжатием.

Какими данными располагает современная астрофизика относительно фактической величины средней плотности во Вселенной? Если учесть «светящееся», т. е. видимое, вещество, то его средняя плотность равна 10^-31 г/см³. Попытки учесть и другие формы существования материи в зависимости от подхода к решению задачи приводят к значениям средней плотности, несколько отличающимся друг от друга. Все они, в общем, ниже критического значения., но некоторые из них к нему довольно близки.

Важнейшее значение для определения средней плотности будет иметь решение вопроса о наличии конечной массы у нейтрино.