Коперник и Фридман - две революции в космологии - Аюрведа Плюс. Магазин аюрведических товаров.

02.12.2011

Коперник и Фридман - две революции в космологии

Новые законы, открытые в физике элементарных частиц, заставляют предполагать, что картина равномерно расширяющейся Вселенной - это только одна из многих фаз "мировой истории", причем весьма далеко отстоящая от "начала мира".  В предшествующей фазе Вселенная мгновенно раздулась из субмикроскопического ядрышка в огромный, практически бесконечный шар раскаленного вещества. То, что до сих пор считалось всей Вселенной, на самом деле лишь ничтожно малая остывшая частичка этого шара. Формулы новой теории, объединившей физику элементарных частиц и космологию, говорят, что привычные нам трехмерное пространство и одномерное время - только часть "сторон" мира. В области малых масштабов мир, по-видимому, обладает большим числом измерений. Такую многомерную структуру имела вся Вселенная, когда 15-20 миллиардов лет назад она образовалась в виде ультра-малой капли сверхплотного вещества.

Насколько велика сила привычки и предубеждений, видно, например, из того, что Галилео Галилей - ученый, едва не попавший на костер инквизиции за приверженность идеям Коперника,- в молодости был их ярым противником. Воспитанный по канонам церкви, он впервые услышал об идеях Коперника на лекциях в университете и искренне считал их очевидной глупостью.

- Я спрашивал об этом многих из числа бывших на лекциях,- вспоминал он впоследствии, - и увидел, что эти лекции служили неистощимым предметом для насмешек.
Мысль Коперника о том, что в представлениях людей об устройстве мира надо поменять местами Солнце и Землю, казалась просто издевательством над здравым смыслом. Но именно эта мысль сняла путы с человеческого мышления и открыла дорогу для построения все более точной научной картины мира.


                   Галилео Галилей

В последующие столетия стараниями астрономов, математиков и физиков было получено огромное количество новых сведений о явлениях природы, картина мира стала несравненно более полной и совершенной. Уровень XX века трудно сравнивать с полунаучными-полурелигиозными воззрениями Коперника и его последователей. Тем не менее все эти столетия представления о строении мира как целого оставались в своей основе, по существу, неизменными. Бесконечное пространство, заполненное сгустками кипящей материи - звездами, шарики планет вокруг них, разреженный межзвездный газ и пыль. Такая модель бесконечной и вечной Вселенной господствовала в науке вплоть до середины 20 века.

Рождение и смерть Вселенной

Как и любая другая научная концепция, теория Фридмана приближенна и имеет границы своей применимости. В частности, ее заведомо нельзя использовать в области очень малых пространственно-временных масштабов, где важны не учитываемые ею квантовые эффекты. Здесь космологическая модель Фридмана может приводить к парадоксальным результатам, например, к выводу о рождении Вселенной "из ничего" - из абсолютной, безразмерной точки.


                          А.А.Фридман

Это похоже на то, как классическая (неквантовая) электродинамика Максвелла предсказывает неизбежную гибель всех атомов, поскольку согласно ее законам каждый вращающийся электрон, теряя энергию на излучение, обязательно должен упасть на ядро. Такие выводы - незаконная экстраполяция теории за область ее справедливости. Ультрамалые масштабы в окрестностях "начала мира" - предмет квантовой космологии, которая еще только создается.

А пока можно лишь утверждать, что 15-20 миллиардов лет назад (эту оценку дают астрономические наблюдения) Вселенная имела микроскопические размеры. Если ее масса недостаточно велика, то, непрерывно расширяясь, Вселенная будет увеличивать свои размеры беспредельно. В противном случае ("тяжелая Вселенная") наступит время, когда силы гравитационного притяжения остановят расширение и начнется обратный цикл сжатия мира "почти в точку".

Какой из этих двух сценариев реализуется в действительности, пока неясно. Правда, с житейской точки зрения они почти не различаются, так как если сжатие и начнется, то это случится, по-видимому, не ранее чем через 10 в сороковой - 10 в пятидесятой степени лет, когда Вселенная станет похожей на темный зал, заполненный газом легких элементарных частиц - длинноволновых фотонов, нейтрино, электрон-позитронных пар с редкими островами "черных дыр", которые медленно испаряются, превращаясь в газ элементарных частиц. Расчеты показывают, что это наиболее продолжительная по времени, можно сказать, основная фаза нашего мира.

Что последует за сжатием: повторное рождение и расширение Вселенной или какая-либо иная ее фаза, - это пока за пределами наших знаний.

В случае, если гравитационные силы не остановят расширения, то через 10 в сотой степени лет, когда размеры Вселенной достигнут чудовищной величины - грубо говоря, в 10 в 110 степени километров, она полностью превратится в чрезвычайно разреженный газ легких элементарных частиц, которым распадаться уже не на что. Почти пустое мертвое пространство.

Впрочем, природа в многообразии своих свойств превосходит любую человеческую фантазию, поэтому не исключено (а с философской точки зрения даже очень вероятно!), что какие-то неизвестные нам процессы воспрепятствуют осуществлению безрадостной картины полностью омертвевшего мира. Возможно, это будет связано с учетом сложной многоярусной структуры Вселенной, где развитие принимает непривычный для нас многоплановый характер с разными пространственными масштабами и ритмами времени.

Многоэтажная Вселенная

Мы привыкли к тому, что в мире одно время, а пространственная бесконечность всегда - увеличение размеров. На самом деле природа, по-видимому, устроена значительно хитрее. В экстремальных условиях первичного взрыва концентрация массы в отдельных участках могла стать настолько большой, что под действием сильного гравитационного притяжения расширение пространства сменялось его сжатием, в результате чего возникали почти самозамкнувшиеся, "схлопнувшиеся" области пространства-времени.

Теория говорит, что внутренние и внешние масштабы в этом случае оказываются различными. С внешней стороны такие полузамкнувшиеся области выглядят как микроскопические объекты, а изнутри они могут быть огромными космическими мирами. Внутри их, в свою очередь, могут образоваться полузамкнувшиеся районы - "частицы-вселенные" и так далее. Мир становится многоэтажным, многоярусным.

Конечно, едва ли однообразная цепочка взаимовложенных миров тянется без конца, ведь всякая теория ограничена и не может претендовать на описание природы "до бесконечности". С развитием науки непременно обнаружатся законы, которые внесут свои коррективы в области очень большого и очень малого. Философы говорят, что ни в одном процессе не может быть бесконечного повторения; постепенно накопятся мелкие изменения, и в конце концов произойдет качественный скачок - в игру вступят новые закономерности. Это общий закон природы.

Если локальная концентрация массы очень велика, то пространство может полностью самозамкнуться и от Вселенной отпочкуется новая Вселенная, не имеющая с прежней абсолютно никаких общих точек. Получается, что из одного изолированного мира никак нельзя попасть в другой. Самозамкнувшийся мир стягивается в безразмерную точку, исчезает в "материнской" Вселенной.

Кажется, мы натолкнулись на противоречие - ведь философия учит, что в природе все взаимосвязано и не может быть абсолютно недоступных, принципиально непознаваемых объектов...

Все встает на свои места, если принять во внимание квантовые эффекты. "Материнский" и исчезнувший "дочерний" миры все же остаются связанными между собой спонтанными квантовыми флуктуациями, тоннельными переходами, благодаря чему частицы и информация из одного мира могут "просочиться" в другой. Вселенная остается единой, связанной всеми своими частями.

Если для наглядности представить себе Вселенную двухмерной, вроде поверхности глобуса, то вместе с отпочковавшимися "дочерними" мирами она будет чем-то вроде суммарной поверхности ягод в виноградной грозди, где каждая ягодка-глобус приросла к соседним.

В классической теории Фридмана эти сращения можно перерезать, в квантовой теории этого сделать нельзя. Получается очень сложная переплетающаяся фигура с множеством прорех и дыр. При этом некоторые ягодки-вселенные растут на внутренней поверхности других. Не знаю, насколько читатель способен представить себе столь необычную геометрическую структуру... Но пока это только теория - следствие формул общей теории относительности Эйнштейна.

Первым такие структуры исследовал советский ученый, академик М. Марков. По его мнению, если картина многоэтажной, многоярусной Вселенной почему-то не реализуется природой, это само по себе будет удивительной загадкой - уж очень естественно, без всяких дополнительных гипотез возникает эта картина в рамках современной теории.

Проблемы и парадоксы теории Фридмана

Многоэтажная, расширяющаяся в пространстве и времени Вселенная, мириады миров, где космически большое одновременно является микроскопически малым,- величественная,захватывающая воображение картина!

Идея эволюционирующего мира, ограниченного в пространстве и времени, но непрерывно изменяющего свои размеры, вошла в учебники, о ней пишут в газетах, говорят радио и телевидение. Она стала частью нашего мировоззрения. Однако в этой грандиозной картине есть темные пятна, а часть удерживающих ее "теоретических гвоздей" готова вот-вот сломаться.

Прежде всего удивляет однородность Вселенной. На небольших (в космических масштабах, конечно!) участках она явно неоднородна: безвоздушное пространство, плотные планеты, звезды с огромной плотностью вещества в их центрах. Но на больших расстояниях, сравнимых с размерами скоплений галактик, распределение вещества напоминает орнамент волокон со случайными, но близкими по величине размерами деталей. Какие-то процессы сделали Вселенную равновесной.

Этот экспериментальный факт трудно согласовать с гипотезой первичного взрыва. Инфраструктура взрыва определяется игрой случайных факторов и весьма неоднородна. Поэтому, если Вселенная действительно родилась в катаклизме первичной огненной вспышки с огромными перепадами плотностей и давлений, ее отдельные "области-осколки" должны были бы значительно различаться по своей массе.

Еще более удивляет необычайно высокая однородность реликтового теплового излучения - остаточного жара первичной вспышки. Температура излучения, приходящего к нам с разных направлений, в том числе и прямо противоположных, различается менее чем на 0,01 процента.

Наблюдаемая однородность Вселенной выглядит особенно загадочной, если учесть, что к нам приходят сигналы из областей, которые на протяжении всей своей истории были удалены друг от друга на такие большие расстояния, что они не успели провзаимодействовать даже с помощью самых быстрых световых сигналов.

Каким же образом они могли прийти в равновесие? В теории Фридмана это невозможно.

Еще один удивительный факт связан с величиной средней плотности вещества Вселенной.
Из теории Фридмана следует, что если в первые мгновения поле первичного взрыва, во времена порядка 10 в -43 степени секунды, эта плотность всего лишь на 10 процента превосходила "критическую" (при которой мир становится полностью замкнутым), то расширение Вселенной давным-давно сменилось бы ее сжатием и мы теперь наблюдали бы не разбегание галактик, а их быстрое сближение. С другой стороны, если бы плотность взорвавшейся материи на 10 в -53 степени процента была меньше критической, расширение пространства происходило бы значительно быстрее и современная средняя плотность материи в нашем мире была бы во много-много раз меньше наблюдаемой.

Другими словами, наша Вселенная родилась с плотностью, которая почему-то фантастически близка к критической. Почему так произошло? В теории Фридмана нет объяснения этой загадке. Тут нужны какие-то совершенно новые физические идеи.

Источник: сайт Тайны и факты - http://www.mysterylife.ru/
Теги: