Вселенная: конец света в научной интерпретации

Такая точка зрения, сложившаяся к началу XX века, собственно, не основывалась ни на чем, кроме логики и отсутствии каких-либо данных, опровергающих эту логику. Но всех устраивала: материалистов, потому что они верили в вечное существование материи; веривших в Божественное творение, потому что они не видели причин тому, чтобы мир был сотворен изменчивым.

В 1922–1924 годах математик Александр Фридман, исходя из уравнений Эйнштейна, создал модели расширяющейся Вселенной и предположил, что Вселенная имела начало примерно 10 млрд лет назад. Работу Фридмана мало кто заметил, но в 1927 году (Фридман скончался в 1925-м от брюшного тифа) эту модель «переоткрыл» бельгийский католический священник, астроном и математик Жорж Леметр, предложивший гипотезу, что Вселенная возникла из протоатома.  

 Александр Фридман (1888–1925); Жорж Леметр (1894–1966); Эдвин Хаббл (1889–1953)

Эйнштейн не поверил ни тому ни другому, считая, что с математической точки зрения расширяющаяся Вселенная имеет право на существование, но к физике, а следовательно, и к реальности не имеет никакого отношения. Однако в 1929 году американский астроном Эдвин Хаббл открыл так называемый закон красного смещения, сдвиг в длинноволновую, красную, область спектра излучения отдаленных объектов. Согласно этому закону, дальние галактики удаляются от нас со скоростью пропорциональной расстоянию до них. Иными словами, чем дальше от нас галактика, тем быстрее она удаляется. Эта картина полностью соответствует модели расширяющейся Вселенной. А раз Вселенная расширяется, значит, где-то в прошлом она была совсем маленькой, то есть когда-то она должна была начаться.

Красное смещение

Однако Хаббл ошибся в расчетах: по его данным возраст Вселенной получался чуть ли не меньше возраста Земли. Поэтому сомнения по поводу возникновения Вселенной всё же оставались вплоть до 60-х годов, когда возможности астрономических наблюдений вышли на новый уровень и были получены уточненные параметры красного смещения. Научное сообщество окончательно признало, что полтора-два десятка млрд лет назад наш мир возник из чего-то очень маленького. Ещё в 1948 году американский физик и астроном русского происхождения Георгий Гамов предложил модель возникновения Вселенной, ныне называемую горячим Большим Взрывом. В рамках этой модели было предсказано существование фонового или реликтового излучения, оставшегося со времён этого взрыва. И в 1965 году оно было обнаружено. Это очень слабое излучение в диапазоне радиочастот и с температурой 2,7º K (если кто-то запамятовал, отсчет по шкале Кельвина начинается от абсолютного нуля, то есть 2,7º K = — 270,45º C). Однако это излучение равномерно распределено по всей Вселенной и в совокупности несет очень большую энергию. Образно можно сказать, что реликтовое излучение — это состарившиеся и уставшие от миллиардов лет скитаний фотоны, пытающиеся рассказать нам о бурных днях своей молодости, горячей стадии ранней Вселенной. Хотя на самом деле их часы стояли, о чем мы говорили в прошлой статье, и этих миллиардов лет для них не существует, но по пространству им всё же пришлось поскитаться.

В том же 1965 году благодаря работе Стивена Хокинга и Роджера Пенроуза стало более или менее ясно, что Вселенная возникла из сингулярности, то есть такой области, где заканчиваются всякие известные нам законы этого мира. Собственно, это и не область вовсе, а точка, так как никакого объема в нашем пространстве-времени она не занимает. В начальной сингулярности, по современным представлениям, были сосредоточены бесконечная энергия и, возможно, бесконечная плотность.

С идеей расширяющейся Вселенной, а следовательно, с тем, что у времени и пространства есть начало, много десятилетий шла довольно ожесточенная борьба. По предположению того же Хокинга, мысль об этом «многим не нравится, возможно, тем, что в ней есть намёк на вмешательство божественных сил» (Стивен Хокинг, «Краткая история времени»). Наиболее последовательные борцы с этой идеей были, разумеется, в СССР. В журнале «Вопросы философии» в 1948 году некто Карпов в статье «О философских взглядах А. Эйнштейна» писал (цит. по Иван Лупандин. Лекции по истории натурфилософии) :

Классовое чутьё не подводило организаторов идеологического сопровождения советской науки. Научная картина возникновения нашего мира в продолжение XX века стремительно приближалась к Библейскому описанию. Физическая и астрономическая советские школы в вопросе рождения Вселенной держались до последнего. Лишь в 1970-м была опубликована работа известных советских физиков Евгения Лифшица, Исаака Халатникова и Владимира Белинского, не только признавшая теорию Большого взрыва, но и в определенной мере обогатившая ее. Представляя себе механизм принятия решений в Советском Союзе, смею предположить, что решение о публикации этой работы принималось на уровне Политбюро. Судя по всему, накопленное научное знание уже не давало советским идеологам никакой возможности сдерживать признание очевидной для остального мира теории. Тем не менее до конца 80-х годов во всех советских вузах продолжали изучать диалектический материализм, который, как известно, утверждал, что Вселенная вечна и бесконечна.

В 80-е годы возникла так называемая инфляционная модель рождения Вселенной. Сначала российский физик Алексей Старобинский и параллельно профессор Массачусетского технологического университета Алан Гут, а затем Андрей Линде, профессор Стэндфордского университета, разработали некоторую модификацию теории Большого взрыва. Суть инфляционной модели сводится к тому, что на самом раннем этапе своего развития Вселенная необычайно быстро, экспоненциально, расширилась: по Линде, за 10-35 секунды  Вселенная расширилась в 101012 раз (Андрей Линде, лекция. Инфляция, квантовая космология и антропный принцип). Причем расширялось не горячее вещество, а некое скалярное поле, то есть физическое поле, обладающее определенной энергией, но эта энергия никак не проявляет себя для стороннего наблюдателя, так как не имеет направления. И лишь затем это поле породило первые элементарные частички вещества, причем как частицы, так и античастицы, и тогда уже началась горячая фаза рождения Вселенной.

Алексей Старобинский 

В начале этого года одной из научных коллабораций было опубликовано сообщение об обнаружении первичных гравитационных волн. Если это открытие станет открытием, то есть будет подтверждено другими независимыми учёными, это будет прямым доказательством того, что Вселенная действительно прошла стадию инфляции. А там разработчикам инфляционной модели и до Нобелевской премии недалеко! Напомню, что Нобелевская премия по физике может быть присуждена только за теории, подтвержденные экспериментальным путём. Пока же эта модель хорошо объясняет, в частности, почему наша Вселенная так однородна и изотропна, то есть одинакова по своим свойствам во всех направлениях, а также почему она выглядит плоской. А наша Вселенная действительно удивительно однородна. Звёзды группируются в звёздные скопления, звёздные скопления в галактики, галактики в скопления галактик, которые, в свою очередь, образуют сверхскопления. И если бы кому-нибудь удалось взглянуть на нашу Вселенную с большой высоты, он бы увидел что-то напоминающее довольно изящно сплетенную многослойную паутину.

Этот небольшой 7-минутный фильм, представленный широкой публике весной этого года, — компиляция крупнейшего и наиболее полного на сегодняшний день компьютерного моделирования эволюции Вселенной от 12 млн лет с момента Большого взрыва до наших дней. Причем модель охватывает формирование как макроскопической структуры Вселенной, так и отдельных галактик. Проект получил название Illustris. Очень красиво!

Причем эта паутина, согласно современным научным взглядам, представляет собой нечто подобное поверхности раздувающегося воздушного шарика или растягивающейся резиновой плоскости. Точная конфигурация Вселенной остается дискуссионным вопросом, хотя в наблюдаемой нами ее части выполняются требования евклидовой геометрии, то есть параллельные прямые не пересекаются, следовательно, она близка к плоской. Вселенная расширяется, но нет никакого центра, никакой выделенной точки, от которой это расширение можно отсчитывать. Каждая галактика удаляется от всех окружающих ее галактик, как точки рисунка на поверхности раздувающегося шарика будут удаляться друг от друга.

Шарик раздувается, расстояние между точками его поверхности увеличивается

Причина однородности и плоскостности Вселенной оставалась загадкой при стандартной модели Большого Взрыва, так как если бы взрывалось вещество, сегодняшняя Вселенная должна была выглядеть иначе. Инфляционная модель устраняет возникавшие по этому поводу недоумения. Согласно Линде, все неоднородности в момент инфляции должны были растянуться в те же самые 101012 раз, то есть сделаться практически незаметными.

Наименее понятыми в данной модели остаются два вопроса: почему инфляция началась, и, пожалуй, главный — почему она закончилась? Но если бы такое расширение не замедлилось, ни о каких галактиках в нашей Вселенной, да и ни о каком веществе в нынешнем его виде речи бы не шло. В лучшем случае мы бы имели (не очень, правда, понятно, кто это «мы») разрозненные субатомные частицы, разбросанные на световые годы одна от другой.

Модель Андрея Линде предполагает, что Вселенная намного больше, чем та часть, которую мы видим. И что, возможно, в других ее частях законы физики могут быть совсем иными, то есть фактически речь идет о множестве вселенных с различными свойствами. Но о таком многомирье, как и о других вариациях на эту тему, мы поговорим отдельно. Пока же скажем, что в той или иной степени с этой моделью готово согласиться большинство тех ученых, кто имеет какое-либо отношение к космологии.

Наша Вселенная и сегодня продолжает расширяться. Причем, как это выяснилось в 1998 году, вновь с ускорением. До 1998 года, когда научные наблюдения надежно подтвердили это ускоренное расширение, космологи рассматривали три возможных сценария поведения Вселенной, которые в своё время предложил Александр Фридман. Первый — Вселенная расширяется бесконечно, причем скорость расширения никогда не будет стремиться к нулю, то есть эта скорость не будет уменьшаться, но может увеличиваться. Второй — Вселенная расширяется вечно, но скорость расширения стремится к нулю, то есть расширение будет тормозить, но до конца так и не прекратится. И третий — Вселенная до определенного момента расширяется, но затем начинает сжиматься до первоначальной точки. Третий сценарий был основой так называемой теории пульсирующей Вселенной, одной из разновидностей представлений о вечной Вселенной: она, по мнению сторонников, вечно пульсирует, то сжимаясь, то расширяясь. На сегодняшний день этот сценарий, судя по всему, потерял свою актуальность.

Факт ускоренного расширения Вселенной, которое вновь после периода притормаживания началось около 5 млрд лет назад, научный мир связал с существованием тёмной энергии. Расчеты, проведенные учеными, показали, что структура наблюдаемой части нашего мира такова: примерно на 74% он состоит из тёмной энергии, природа которой не известна, на 22% с небольшим — из тёмной материи, о существовании которой ученые знали уже относительно давно, но ее природа также не ясна, и лишь менее 5% — это знакомая нам видимая материя. Причем тёмная энергия обладает не очень большим, но отрицательным давлением, то есть она расталкивает вещество, тем самым заставляя галактики ускоренно разлетаться. Она равномерно распределена по всему пространству, включая всё непосредственно нас окружающее и нас самих. На этом основании уже строятся сценарии будущего Вселенной, в которых всей материи предстоит быть разорванной в мельчайшие клочья.

Так что мы знаем о Вселенной, если более чем на 95% она представляет для нас «тёмную массу»?

Прилагательное «тёмная» по отношению к энергии и материи (иногда их называют тёмной массой, хотя природа их, очевидно, разная) означает, что они практически не взаимодействуют с обычным веществом, из которого состоим мы сами и все многосложные научные приборы, созданные человечеством. Так что они никак не проявляют себя перед нами, за исключением своих гравитационных свойств. Правда, в случае тёмной энергии, пожалуй, стоило бы сказать антигравитационных.

Но вернемся к рассказу о сингулярностях, о которых я вскользь упомянул чуть выше. СТО, в отличие от ОТО, не учитывает гравитационных эффектов. В нашей истории со взорвавшейся звездой, рассказанной в предыдущей статье, мы об этих эффектах даже не упоминали, хотя астрономы, открывшие далёкую звезду, скорее всего, в какой-то мере учитывали их при своих расчетах. Но в наши рассуждения учёт гравитации вряд ли бы внёс существенные изменения.

А в рассказе о сингулярностях без гравитации нам уже никак не обойтись. Величайшее открытие Альберта Эйнштейна заключается в том, что он благодаря какому-то невероятному наитию понял, что гравитация приводит к искривлению пространства-времени. Обычно, чтобы показать, как это примерно выглядит, популяризаторы науки приводят пример массивного тела (например, очень большая гиря) на батуте.

Гравитация искривляет пространство

Это тело продавливает эластичную поверхность батута, и если на искривленную поверхность положить небольшой шарик, то он попросту скатится к гире. Конечно, в нашей реальности мы имеем дело не с плоскостью, которую представляет собой натянутый батут, а с трехмерным пространством, а еще точнее, с четырехмерной геометрией пространства-времени. Представить себе всё это наглядно практически невозможно.

Поэтому нам остаётся просто поверить, что, например, наша Земля в пространстве-времени движется вовсе не по кривой линии вокруг Солнца, а пытается пролететь мимо Солнца по прямой. Но Солнце своей массой так искривляет пространство-время, что в трехмерном пространстве Земля движется по круговой орбите. И лучи света в гравитационных полях распространяются также не по прямым, а по геодезическим линиям (как по поверхности Земли). И время вблизи массивных тел течет медленнее, чем поодаль: во всех навигационных системах с использованием спутников, включая модные сейчас автомобильные навигаторы, этот эффект обязательно учитывается, иначе ошибка может составить несколько километров.

Но чем массивнее тело, тем сильнее оно искривляет пространство-время, тем больше притягивает к себе близлежащую материю, отчего лишь увеличивает собственную массу. И с какого-то момента гравитационное воздействие такого тела начинает стремиться к бесконечности, в том числе и самого на себя: это тело пытается сжаться в точку. Так происходит с массивными (всего в несколько раз превышающими массу нашего Солнца, а оно у нас считается очень небольшим, компактным и уютным, можно сказать, домашним) звёздами. На начальных этапах материя отчаянно сопротивляется предстоящему коллапсу: сначала это термоядерные реакции, затем некоторые квантовые эффекты, не позволяющие звезде легко погибнуть. Но рано или поздно любая массивная звезда, достигнув невероятной, с нашей обыденной точки зрения, плотности, разогреется при этом до колоссальной температуры и взорвется. Это и называется взрыв сверхновой. При этом в окружающую область будет выброшено большое количество вещества и энергии, но если и после такого сброса лишнего веса ее масса останется больше всего нескольких масс нашего Солнца, увы, скорее всего, на этом месте образуется черная дыра.

Иными словами, такая звезда схлопнется в точку, которой не останется даже крохотного местечка в нашем пространстве. Но это не значит, что она бесследно исчезнет для нашего мира. Это не так. Но кривизна пространства-времени в этой точке будет настолько сильной, что само пространство-время здесь будет разрушено. Такая точка и называется пространственно-временной сингулярностью. Здесь уже ничего не увидеть и не измерить. Контакт с человеческим сознанием тут прерывается. Правда, сингулярность черных дыр принципиально отличается от сингулярности начала нашей Вселенной, и об этом мы обязательно подробнее поговорим, обсуждая такое понятие, как энтропия.

Сейчас же заметим, что воздействие сингулярности черной дыры на окружающее ее пространство сохраняется несмотря на то, что сама эта точка окажется фактически вне нашего пространства-времени. Вокруг нее будет некая область, из которой из-за необычайной силы гравитационного поля не сможет вырваться даже свет. Потому-то эту область и называют черной дырой. А условная линия, за которую не может вырваться плененный свет, называется горизонтом событий черной дыры. И уже здесь, на этом горизонте, время ведет себя совсем непривычным для нас образом. Например, для внешнего наблюдателя объект, падающий в черную дыру, навечно(!) зависнет на этой линии. Он, правда, расплющится вдоль всего горизонта, но никогда, подчеркиваю, никогда его не пересечет: время, с точки зрения внешнего наблюдателя, остановится. Хотя сам падающий в дыру объект, даже если это разумное существо, допустим, космонавт, в первые мгновения никаких перемен ни в себе, ни вокруг себя не заметит (если он, конечно, к тому моменту не погибнет из-за невероятных перегрузок). И его часы будут продолжать идти привычным образом.

Вот и с черными дырами так…

Естественно, что и вне пределов своего горизонта событий черные дыры обладают сильнейшим гравитационным полем, хотя свет здесь уже может от них убежать. Благодаря этому их можно наблюдать: по светящимся языкам разогретого до очень высоких температур заглатываемого ими вещества. Черные дыры прожорливы и стараются поглотить всё, что к ним приближается. Масса их продолжает увеличиваться, что в свою очередь, увеличивает их аппетит.

Каждая уважающая себя галактика, как считают учёные, должна иметь массивную черную дыру в самом центре. Считается, что в нашей галактике — Млечный путь — такой дырой является некий космический объект «Стрелец А*». Его масса оценивается примерно в 4 миллиона солнечных масс. Судя по всему, есть в нашей галактике и другие черные дыры массой поменьше, по некоторым расчетам чуть ли не десятки миллионов таких дырочек. Благодаря тому, что при своей невероятной массе черные дыры имеют относительно небольшие размеры, а сила гравитации с расстоянием (пропорционально квадрату расстояния) существенно уменьшается, они не поглотили до сих пор всё вещество в галактике. Но дело к тому потихоньку идёт. Самый вероятный сценарий дальнейшей эволюции Вселенной сводится к тому, что через десяток-другой миллиардов лет все видимые нам сейчас галактики превратятся в черные дыры. Близлежащие предварительно сольются в единую галактику. Отдаленные, если расширение Вселенной не остановится, разлетятся со сверхсветовой скоростью в бесконечность, а затем, уже в качестве черных дыр, будут испаряться из-за так называемого хокинговского излучения многие-многие триллионы и триллионы лет пока полностью не исчезнут. Или произойдет Большой разрыв — это когда всё вещество будет разорвано тёмной энергией, о чем я упоминал чуть выше. Но если по каким-то причинам расширение всё же прекратится, и Вселенная начнет сжиматься, то всё закончится так называемым Большим схлопыванием. Как видите, все термины уже подготовлены. То есть всё вещество (= энергия) вновь сколлапсирует в единую сингулярную точку.

Любой из этих сценариев означает конец нашей Вселенной. Конец света, в научной его интерпретации. Конец навсегда, без какой-либо надежды. Весь социальный оптимизм космологов связан с тем, что, возможно, наш мир не единственный. И не исключено, что где-нибудь, когда-нибудь в иных мирах, с которыми, правда, у нас нет и не может быть никакой связи, могут возникнуть или уже возникли условия, пригодные для зарождения иных форм жизни, а следовательно, быть может, и разума. О такого рода моделях я обязательно расскажу чуть позже хотя бы для того, чтобы не давать лишнего повода для обвинений в предвзятости. Но они вряд ли привнесут существенные дополнения к данным рассуждениям: нашему миру не оставлено никаких шансов. И всё дело тут в энтропии — его проклятии.

Бесславный конец Вселенной. Даже черные дыры испарятся, и останутся разрозненные фотоны, электроны и ещё ряд элементарных частиц никак не взаимодействующих друг с другом. Скорее всего, такая вселенная будет продолжать вечно расширяться, но, по сути, она уже мертва. Казимир Малевич, как я думаю, имел в виду что-то другое, хотя… опубликовано econet.ru

P.S. И помните, всего лишь изменяя свое потребление - мы вместе изменяем мир! © econet