|
Космология В последние десятилетия XXвека на стыке внегалактической астрономии, космологии и теоретической физики были сделаны важные открытия, которые еще не вполне осмыслены наукой. Эти открытия расширяют горизонт познания и открывают перед наукой новые захватывающие перспективы. От "Большого Взрыва" до Большой Вселенной Cовременная космология развивается в тесной связи с внегалактической астрономией, с одной стороны, и физикой элементарных частиц или физикой высоких энергий, с другой. Все три дисциплины развиваются очень бурно. Сложно проследить за всеми нюансами разворачивающейся здесь драмы идей. Но можно попытаться обсудить некоторые мировоззренческие аспекты современной космологии — не на уровне теории (или даже модели), а на уровне научной картины мира. Классическая космологическая модель (модель А.Фридмана) приводит к представлению о том, что Вселенная расширяется из сингулярности, т.е. из состояния с бесконечной плотностью. Геометрия пространства и характер расширения Вселенной зависят от средней плотности вещества в ней. Если средняя плотность равна так называемой критической плотности, которая в современную эпоху составляет величину порядка 10 г/см , то пространство нашей Вселенной эвклидово. Это бесконечное трехмерное пространство с кривизной равной нулю, в котором справедлива геометрия Эвклида. Расширение в такой Вселенной продолжается бесконечно. Если плотность меньше критической, пространство имеет постоянную отрицательную кривизну. В таком пространстве справедлива геометрия Лобачевского. Вселенная также расширяется бесконечно с замедлением, но не столь существенным, как в случае евклидового мира. Наконец, если средняя плотность больше критической, пространство имеет постоянную положительную кривизну, мир замкнут, объем его конечен (хотя пространство не имеет границ). В такой Вселенной выполняется геометрия Рима-на. В замкнутой Вселенной силы тяготения в некоторый момент времени останавливают расширение, после чего Вселенная начинает сжиматься. Начав сжиматься, Вселенная, в конце концов, достигнет сингулярного состояния, после чего может начаться новый цикл расширения. Получается модель пульсирующей (циклической) Вселенной, как в древних космогониях. Что касается геометрических размеров Вселенной в начальный момент (или размеров сингулярности), то в открытой модели пространство бесконечно, оно всегда (в том числе и в начальный момент расширения) остается бесконечным по протяженности и имеет при этом бесконечную плотность в каждой точке. Что же касается любой конечной области в бесконечной Вселенной, в том числе нашей Метагалактики, то она действительно расширяется "из точки". В закрытой модели вся Вселенная в целом начинает расширение "из точки" и в конце цикла сжимается "в точку". В космологии "точка", из которой расширяется любая конечная область Вселенной, означает сверхмалую область с практически бесконечной плотностью вещества в ней. По современным представлениям, эта область имеет размер планковской -33 длины равной, примерно, 10 см. Интересно отметить, что согласно древним космогониям, расширение Вселенной также начинается из точки (точка в круге). Конечно, за этим скрывается сложный символизм древних космогонии. Модель Фридмана дает механическую картину расширения Вселенной, не касаясь физики процессов. Физические процессы, которые протекали на разных стадиях ее эволюции, описывает теория горячей Вселенной. Исходным состоянием является горячая плазма, состоящая из кварков, глюо-нов, лептонов, фотонов и соответствующих античастиц. По мере расширения и остывания Вселенная проходит через ряд этапов, которые получили название адронная эра, лептонная эра, эра излучения и эра вещества — в зависимости от того, какой вид материи преобладал в данный период. Теория горячей Вселенной получила экспериментальное подтверждение в наблюдаемом обилии легких химических элементов — водорода и гелия и в предсказании реликтового излучения, которое было открыто в 1965 г. Однако, она не дает ответа на вопрос о том, почему Вселенная начала расширяться. Согласно современным представлениям, Вселенная начала расширяться из вакуумоподобного состояния за счет сил гравитационного отталкивания вакуума. Вселенная проходит стадию инфляции (экспоненциального расширения), в конце которой происходит фазовый переход, связанный с распадом вакуумоподобного состояния. Энергия вакуума переходит в энергию обычной материи, и Вселенная оказывается в состоянии горячей плазмы при температуре 1027 °К. Дальнейшее развитие идет по сценарию горячей модели. Важной особенностью этих представлений является то обстоятельство, что из вакуумоподобного состояния (или "вакуумной пены", как его называют) возникает не одна, а множество мини-вселенных, образующих Большую Вселенную, которая существует вечно. Таким образом, современная космология возвращает нас, конечно на совершенно новом уровне, к представлению древних философов о существовании бесконечного в пространстве и вечного во времени Универсума, из которого возникает множество миров-вселенных. Одним из таких миров и является наша Вселенная. Считается, что различные мини-вселенные причинно не связаны, однако не исключено, что они соединены между собой топологическими тоннелями (их называют также мостами Эйнштейна-Розена или "кротовыми норами"). Для поддержания стабильной (то есть устойчивой во времени) "кротовой норы" требуются совершенно необычные формы материи. Состояние вещества, из которого "сделаны" "кротовые норы", очень напоминают физический вакуум. Если топологические тоннели действительно существуют, то через них возможен проход вещества и излучения из одной мини-вселенной в другую, причем практически мгновенно. Если это так, то Большая Вселенная представляет собою связанную систему.
Физический вакуум — праматерия физического плана Все разнообразие форм физического мира, в конечном итоге, возникает из первичной горячей плазмы, которая образуется в конце фазы инфляции при распаде вакуумопо-добного состояния. Из нее на последующих стадиях эволюции образуются сначала нуклоны, входящие в состав атомных ядер, затем сами атомы, галактики, звезды, планеты, молекулы, живые клетки и т. д. Эта плазма, по существу, и является первичной материей физического плана. Тогда вакуум, из которого она образуется, можно назвать прамате-рией физического плана. 
Физический вакуум — это не пустота, а особое состояние материи. Оно характеризуется постоянным рождением и аннигиляцией виртуальных частиц. Что лежит за пределами физического вакуума? Физики утверждают, что это —"ничто". Но поскольку из "ничего" нельзя получить что-то, значит, за пределами физического вакуума существует НЕЧТО, некая реальность, откуда берется энергия, необходимая для образования виртуальных частиц, и куда она возвращается после их аннигиляции. Это нечто лежит вне пределов физической реальности, то есть представляет собой состояние материи, которое не описывается современными физическими теориями. Таким образом, вакуум есть пограничное состояние между физической материей и тем миром, который лежит за ее пределами. Что же это за мир? Думается, это мир тонких энергий. Напрашивается вывод, что если топологические тоннели действительно существуют и если, как утверждают физики-теоретики, материя их близка к физическому вакууму, то она имеет тонкую природу. Это означает, что практически мгновенное перемещение из одной точки физического пространства в другую удаленную точку осуществляется с помощью тоннелей, пролегающих в Тонком Мире. Скрытая масса или темная материя. Геометрия мира и характер расширения Вселенной зависят от средней плотности вещества. Плотность "светящегося", а точнее, наблюдаемого вещества в виде звезд, межзвездного и межгалактического газа составляет около 3 • 10 г/см , т.е. приблизительно в 30 раз меньше критической. Если бы никакой другой материи во Вселенной не существовало, это значило бы, что реализуется открытая модель с отрицательной кривизной пространства, для которого справедлива геометрия Лобачевского. Однако, помимо "светящегося" вещества, существует так называемая "темная" материя или "скрытая масса", которая непосредственно не наблюдается, но проявляет себя по гравитационному воздействию на наблюдаемую материю. С учетом скрытой массы, средняя плотность материи во Вселенной весьма близка к критической. Это значит, что кривизна пространства очень близка к нулю. Мы живем в эвклидовом (точнее, почти эвклидовом) мире. В мировоззренческом плане этот вывод имеет принципиальное значение. Вероятно, Конструктор Вселенной, который, несомненно, знал геометрии Римана и Лобачевского, по каким-то неведомым нам причинам выбрал для своего творения эвклидову геометрию. Какова природа скрытой массы? Небольшая часть ее связана с остывшими звездами, черными дырами и другими, в общем, известными объектами. Вместе со "светящейся" (наблюдаемой) материей масса этих объектов составляет около 5% массы Вселенной. То есть, только 5% материи во Вселенной принадлежит обычному, известному в физике веществу, состоящему из атомов, из которого строятся планеты, звезды, межзвездная и межгалактическая среда. А 95% составляет так называемая небарионная материя, природа которой до конца не известна. Значение этого обстоятельства полностью еще не осознано, хотя астрономы и космологи обращают на него серьезное внимание. Считается, что подавляющая доля скрытой массы, до 70% приходится на долю особой "вакуумной материи", равномерно заполняющей все пространство Вселенной. Эта материя обладает отрицательной гравитацией и является источником тех самых сил отталкивания, которые приводят к расширению Вселенной в начале инфляционной фазы. Остается еще около 30% скрытой (или 25% общей) массы Вселенной. Предполагается, что эта часть может быть обусловлена такими гипотетическими частицами, как ак-сионы, нейтралино и другими суперсимметричными частицами, которые "с необходимостью" возникают в теории, но экспериментально пока не обнаружены. Н.С.Кардашев выдвинул более радикальную гипотезу: он считает, что от 5% до 25% скрытой массы может быть обусловлено так называемым зеркальным веществом. Оно, как и наше обычное вещество, имеет бари-онную природу, но принадлежит зеркальному миру. Зеркальная материя обладает свойством проницаемости: она свободно проходит через материю нашего мира, но воздействует на нее гравитационно и, следовательно, может давать вклад в скрытую массу. Поскольку природа скрытой массы остается неизвестной и для ее объяснения выдвигаются самые невероятные гипотезы, можно предположить, что источник скрытой массы (по крайней мере, части ее) находится в том самом НЕЧТО, откуда появляются виртуальные частицы физического вакуума, и куда они возвращаются после аннигиляции. Иными словами, часть скрытой массы можно искать в мире тонких энергий. Циклическая эволюция До сих пор возможность циклической эволюции Вселенной связывалась с закрытой моделью, однако наличие "вакуумной материи" вносит важные коррективы в эти представления. Одно из удивительных свойств вакуума состоит в том, что при расширении Вселенной его плотность, в отличие от плотности обычной материи, практически не меняется. Поэтому замедленное расширение будет продолжаться до тех пор, пока плотность обычного вещества не станет меньше плотности "вакуумной материи". После этого Вселенная начнет расширяться ускоренно. В самое последнее время появились данные о том, что Вселенная в современную эпоху действительно расширяется ускоренно. Это важнейшее астрономическое открытие, сделанное на рубеже веков! При ускоренном расширении плотность обычной материи будет быстро убывать, а так как плотность "вакуумной материи" при этом практически не меняется, то неизбежно наступает момент, когда преобладание "вакуумной материи" над обычной становится существенным, и тогда могут возникнуть условия, при которых вновь начнется инфляция, способная привести к рождению новой мини-вселенной. Начнется новый круг эволюции. Образовавшаяся в конце инфляции плазма будет развиваться по законам горячей модели. Эра излучения сменится эрой вещества, образуются галактики, звезды, возникнет жизнь и разум. Затем все повторится вновь. Если это так, история Вселенной будет состоять из периодов существования биологической (или иной?) жизни, разделенных эпохами "темного" времени. Это очень напоминает представления древнеиндийской космологии о чередовании манвантар (периодов активного существования Вселенной) и пралай (когда все процессы на доступном нам плане Бытия замирают). 
Многомерный Космос К числу важнейших результатов, полученных на стыке космологии и теоретической физики, относится представление о многомерности пространства. До последнего времени господствовало убеждение о том, что пространство имеет три измерения. Представления о четвертом и иных измерениях пространства относились к области мистики и оккультизма. Правда, математика давно изучает многомерные пространства, а физика и прикладные науки успешно работают с ними. Однако геометрия многомерных пространств рассматривалась лишь как абстрактное построение и удобный аппарат для анализа, не имеющий отношения к реальности. В настоящее время подобное представление меняется. Сейчас активно предпринимаются попытки построить теорию, объединяющую все четыре физических взаимодействия (электромагнитное, слабое, сильное и гравитационное). Эта теория получила название теории суперобъединения. Она до конца еще не завершена, но некоторые черты ее уже известны. Так, оказалось, что невозможно добиться объединения всех четырех взаимодействий природы в рамках трехмерного мира. Для этого требуется введение дополнительных пространственных измерений. В теории суперструн число дополнительных измерений равно шести, т.е. требуется девятимерное пространство или 10-мерный пространственно-временной мир. Этот мир предшествует рождению нашей Вселенной. Когда она возникает из непроявленного состояния, дополнительные измерения свертываются, т.е. их размер становится очень малым, и мы попросту не в состоянии их заметить. Физики называют этот процесс компак-тификацией. Геометрическая протяженность трех известных нам пространственных измерении не менее 10 см, в то время как протяженность свернутых измерений принимается равной 10 см. Но это неизмеримо мало! Значит, чтобы проникнуть в другие пространственные измерения, надо использовать устройства, размер которых много меньше размера элементарных частиц. Для физического тела человека проникновение в другие измерения невозможно, но можно предположить, что для тонких тел эти ограничения не работают. 
Говоря о мировоззренческих проблемах современной космологии, невозможно умолчать об антропном принципе. Глубокая связь между свойствами Вселенной в целом и наличием в ней жизни и человека (точнее любого разумного наблюдателя) ставит перед философией и наукой сложную проблему. Но это тема для отдельного разговора. Лев Гиндилис |
