Космология

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.

Image 

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).

Image 

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.

Image 

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

Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
Все о космосе
Добавить комментарий

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: