Модель большого взрыва и расширяющейся Вселенной

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.

Можно было бы не беспокоиться насчет антропного принципа,

особенно в его слабой формулировке, если бы удалось показать, что из

разных начальных конфигураций Вселенной лишь некоторые могли развиться во

Вселенную, как та, которую мы наблюдаем. Если это правильно, то Вселенная,

возникшая из случайных начальных условий, должна содержать в себе гладкие

и однородные области, пригодные для развития разумной жизни. Если же для

того, чтобы получилось то, что мы видим вокруг, требовался чрезвычайно

тщательный выбор начального состояния Вселенной, то вряд ли в ней

оказалась бы хоть одна область, в которой могла зародиться жизнь. В

горячей модели большого взрыва было слишком мало времени для передачи

тепла из одной области в другую. Это значит, что для объяснения того

факта, что температура микроволнового фона одинакова в любом направлении

наблюдения, необходимо, чтобы в начальном состоянии Вселенной ее

температура была везде в точности одинаковой. Кроме того, требовался и

очень точный выбор начальной скорости расширения, потому что для избежания

повторного сжатия скорость расширения должна оставаться достаточно близкой

к критическому значению. Следовательно, выбор начального состояния

Вселенной должен производиться очень тщательно, если горячая модель

большого взрыва применима до самого момента начала отсчета времени. Почему

начало Вселенной должно было быть именно таким, очень трудно объяснить

иначе, как деянием Бога, которому захотелось создать таких живых существ,

как мы.

Попытки построить модель Вселенной, в которой множество разных

начальных конфигураций могло бы развиться во что-нибудь вроде нашей

нынешней Вселенной, привели Алана Гута, ученого из Массачусетского

технологического института, к предположению о том, что ранняя Вселенная

пережила период очень быстрого расширения. Это расширение называют

раздуванием, подразумевая, что какое-то время расширение Вселенной

происходило со все возрастающей скоростью, а не с убывающей, как сейчас.

Гут рассчитал, что радиус Вселенной увеличивался в миллион миллионов

(единица с тридцатью нулями) раз всего за крошечную долю секунды.

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.

Если охлаждать воду очень осторожно, то ее можно "переохладить",

т. е. охладить ниже точки замерзания (0 град. Цельсия) без образования

льда. Гут предположил, что Вселенная могла себя вести похожим образом: ее

температура могла упасть ниже критического значения без нарушения

симметрии сил. Если бы это произошло, то Вселенная оказалась бы в

нестабильном состоянии с энергией, превышающей ту, которую она имела бы

при нарушении симметрии. Можно показать, что эта особая дополнительная

энергия производит антигравитационное действие аналогично космологической

постоянной, которую Эйнштейн ввел в общую теорию относительности, пытаясь

построить статическую модель Вселенной. Поскольку, как и в горячей модели

большого взрыва, Вселенная уже вращалась, отталкивание, вносимое

космологической постоянной, заставило бы Вселенную расширяться со все

возрастающей скоростью. Даже в тех областях, где число частиц вещества

превышало среднее значение, гравитационное притяжение материи было бы

меньше отталкивания, вносимого эффективной космологической постоянной.

Следовательно, такие области должны были тоже расширяться с ускорением,

характерным для модели раздувающейся Вселенной. По мере расширения частицы

материи расходились бы все дальше друг от друга, и в конце концов

расширяющаяся Вселенная оказалась бы почти без частиц, но все еще в

переохлажденном состоянии. В результате расширения все неоднородности во

Вселенной должны были просто сгладиться, как разглаживаются при надувании

морщины на резиновом шарике. Следовательно, нынешнее гладкое и однородное

состояние Вселенной могло развиться из большого числа разных неоднородных

начальных состояний.

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.

Раздуванием Вселенной можно было бы объяснить, почему в ней так

много вещества. В доступной наблюдениям области Вселенной содержится

порядка ста миллионов (единица с восьмьюдесятью нулями) частиц. Откуда все

они взялись? Ответ состоит в том, что в квантовой теории частицы могут

рождаться из энергии в виде пар частица-античастица. Но тогда сразу

возникает вопрос: откуда берется энергия? Ответ таков. Полная энергия

Вселенной в точности равна нулю. Вещество во Вселенной образовано из

положительной энергии. Но все вещество само себя притягивает под действием

гравитации. Два близко расположенных куска вещества обладают меньшей

энергией, чем те же два куска, находящиеся далеко друг от друга, потому

что для разнесения их в стороны нужно затратить энергию на преодоление

гравитационной силы, стремящейся их соединить. Следовательно, энергия

гравитационного ноля в каком-то смысле отрицательна. Можно показать, что в

случае Вселенной, примерно однородной в пространстве, эта отрицательная

гравитационная энергия в точности компенсирует положительную энергию,

связанную с веществом. Поэтому полная энергия Вселенной равна нулю.

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.

Для предсказания того, каким должно было быть начало Вселенной,

необходимы законы, справедливые в начале отсчета времени. Если

классическая общая теория относительности верна, то из доказанных Роджером

Пенроузом и мной теорем о сингулярности следует, что в точке начала

отсчета времени плотность и кривизна пространства-времени принимают

бесконечные значения. В такой точке нарушаются все известные законы

природы. Можно было бы предположить, что в сингулярностях действуют новые

законы, но их трудно формулировать в точках со столь непонятным

поведением, и мы не знали бы, как из наблюдений вывести вид этих законов.

Но на самом деле из теорем о сингулярности следует, что гравитационное

поле настолько усиливается, что становятся существенными квантовые

гравитационные эффекты: классическая теория перестает давать хорошее

описание Вселенной. Поэтому при изучении очень ранних стадий развития

Вселенной приходится привлекать квантовую теорию гравитации. Как мы потом

увидим, в квантовой теории обычные законы науки могут выполняться везде, в

том числе и в начале отсчета времени: нет необходимости постулировать

новые законы для сингулярностей, потому что в квантовой теории не должно

быть никаких сингулярностей.

Пока у нас еще нет полной и согласованной теории, объединяющей

квантовую механику и гравитацию. Но мы совершенно уверены в том, что

подобная единая теория должна иметь некоторые определенные свойства. Во-

первых, она должна включать в себя фейнмановский метод квантовой теории,

основанный на суммах по траекториям частицы (и по "историям" Вселенной).

При таком методе в отличие от классической теории частица уже не

рассматривается как обладающая одной-единственной траекторией. Напротив,

предполагается, что она может перемещаться по всем возможным путям в

пространстве-времени и любой ее траектории отвечает пара чисел, одно из

которых дает длину волны, а другое - положение в периоде волны (фазу).

Например, вероятность того, что частица пройдет через некоторую точку,

получается суммированием всех волн, отвечающих каждой возможной

траектории, проходящей через эту точку. Но попытки произвести такое

суммирование наталкиваются на серьезные технические затруднения. Их можно

обойти, лишь воспользовавшись следующим специальным рецептом: складываются

волны, образующие те истории (траектории) частиц, которые происходят не в

ощущаемом нами реальном (действительном) времени, а в так называемом

мнимом времени. Мнимое время звучит, возможно, научно фантастически, но на

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6