рефераты бесплатно
 

МЕНЮ


Большой взрыв

представляется более приемлемой, чем религиозные объяснения возникновения

Вселенной. Однако космологическая теория большого взрыва является лишь

последней из целого ряда попыток объяснить зарождение Вселенной с позиций

механистического мировоззрения, согласно которому мир (и человек в том

числе) представляет собой порождение материи, функционирующей в строгом

соответствии с законами физики.

Попытки ученых создать чисто физическую модель происхождения

Вселенной основываются на трех постулатах:

1) все явления природы могут быть исчерпывающе объяснены физическими

законами, выраженными в математической форме;

2) эти физические законы универсальны и не зависят от времени и

места;

3) все основные законы природы просты.

Многие люди принимают эти постулаты как нечто само собой

разумеющееся, но на самом деле никто и никогда не мог доказать их

истинности, более того, доказать их справедливость далеко не просто. По

сути дела, они являются всего-навсего составной частью одного из подходов к

описанию реальности. Рассматривая сложнейшие явления, с которыми

сталкивается всякий изучающий Вселенную, ученые избрали редукционистский

подход. «Давайте, - говорят они, - замерим параметры физических явлений и

попробуем описать их с помощью простых и универсальных физических законов».

Однако, строго говоря, у нас нет никаких логических оснований заранее

отвергать альтернативные подходы к пониманию Вселенной. Нельзя исключить,

что в основе Вселенной лежат принципиально иные законы, не поддающиеся

простому математическому выражению. И тем не менее многие ученые, путая

свое понимание Вселенной с ее истинной природой, заранее отвергают

альтернативные подходы. Они настаивают на том, что все явления во Вселенной

можно описать с помощью простых математических законов. «Мы надеемся

уложить все мироздание в простую и короткую формулу, которую можно будет

печатать на майках», - утверждает Л. Ледерман, директор Национальной

лаборатории ядерной физики им. Ферми в Батавии, штат Иллинойс.

Существует несколько психологических причин, заставляющих ученых

держаться за редукционистский подход. Если структура Вселенной может быть

описана простыми количественными законами, то у ученых, несмотря на

ограниченность человеческого разума, появляется надежда рано или поздно

понять эту структуру (и таким образом получить ключ к управлению

Вселенной). Поэтому они исходят из того, что такое описание возможно, и

создают тысячи различных теорий. Но если наша Вселенная бесконечно сложна,

то нам, с нашим ограниченным умом и чувствами, будет очень трудно познать

ее.

Продемонстрируем это на примере. Допустим, у нас имеется множество,

содержащее миллион цифр, и перед нами стоит задача описать структуру этого

множества одним уравнением. Практически это возможно в том случае, если

структура множества достаточно проста. Однако если его структура

чрезвычайно сложна, то нам вряд ли удастся даже определить вид формулы,

описывающий ее. Подобно этому, попытки ученых будут столь же

безрезультатны, когда они столкнутся со свойствами Вселенной, которые в

принципе не поддаются математическому описанию. Поэтому неудивительно, что

большая часть ученых так упорно держится за свою сегодняшнюю стратегию, не

желая признавать никаких других подходов. В этом они похожи на человека,

который потерял на дороге ключи от машины, а ищет их под уличным фонарем,

просто потому, что там светлее.

Однако на самом деле представления ученых о том, что физические

законы, открытые ими в лабораторных экспериментах здесь, на Земле,

действуют во всей Вселенной и на всех этапах ее эволюции, мягко говоря,

необоснованны. Например, у нас нет никаких оснований утверждать, что раз

электрические поля ведут себя определенным образом в лабораторных условиях,

то они проявляли те же свойства миллионы лет назад на расстоянии многих

десятков световых лет от Земли. Однако без таких допущений не может

обойтись ни одна попытка объяснения происхождения Вселенной. Ведь не можем

же мы вернуться на миллиарды лет назад, ко времени образования Вселенной,

или получить прямую информацию о том, что происходит за пределами Солнечной

системы.

Некоторые ученые признают рискованность переноса наших весьма

ограниченных знаний на мироздание в целом. В 1980 году К. Болдинг в своем

обращении к Американской ассоциации развития науки сказал: «Космология...

представляется нам наукой, не имеющей под собой прочного основания, хотя бы

потому, что она изучает огромную Вселенную на примере небольшой ее части,

исследования которой не могут дать объективной картины реальности. Мы

наблюдали ее на протяжении очень короткого отрезка времени и имеем

относительно полное представление лишь о ничтожно малой части ее объема».

Однако не только выводы космологов не имеют под собой прочного основания,

похоже, что сама попытка создать простую математическую модель Вселенной не

вполне корректна, и сопряжена с трудностями принципиального характера.

o Проблематичная сингулярность

Как гласит теория большого взрыва, Вселенная возникла из точки с

нулевым объемом и бесконечно высокими плотностью и температурой. Это

состояние, называемое сингулярностью, не поддается математическому

описанию.

Пытаясь объяснить происхождение Вселенной, сторонники теории большого

взрыва сталкиваются с серьезной проблемой, поскольку исходное состояние

Вселенной в разработанной ими модели не поддается математическому описанию.

Согласно всем существующим теориям большого взрыва, вначале Вселенная

представляла собой точку пространства бесконечно малого объема, имевшую

бесконечно большую плотность и температуру. Такое начальное состояние в

принципе не может быть описано математически. Об этом состоянии ровным

счетом ничего нельзя сказать. Все расчеты заходят в тупик. Это все равно

что заниматься делением какого-то числа на ноль - что получится? 1? 5? 5

триллионов?.. Ответа на этот вопрос не существует. На языке науки это

явление называют «сингулярностью».

Профессор радиоастрономии Манчестерского университета Б. Лоувел писал

о сингулярностях следующее: «В попытке физически описать исходное состояние

Вселенной мы натыкаемся на препятствие. Вопрос в том, является ли это

препятствие преодолимым. Может быть, все наши попытки научно описать

исходное состояние Вселенной заранее обречены на неудачу? Этот вопрос, а

также концептуальные трудности, связанные с описанием сингулярной точки в

исходный момент времени, являются одной из основных проблем современной

научной мысли». Пока что это препятствие не смогли преодолеть даже самые

выдающиеся ученые, разрабатывающие теории большого взрыва.

Нобелевский лауреат С. Вайнберг отмечал: «К сожалению, я не могу

начать свой фильм [цветной документальный фильм о большом взрыве] с нулевой

точки отсчета, когда времени еще не существовало, а температура была

бесконечно велика». Таким образом, теория большого взрыва вообще не

описывает происхождение Вселенной, так как исходная сингулярность, по

определению, не поддается описанию.

Итак, теория большого взрыва сталкивается с непреодолимыми проблемами

буквально с самого начала. В научно-популярных изложениях теории большого

взрыва сложности, связанные с исходной сингулярностью, либо замалчиваются,

либо упоминаются вскользь, но в специальных статьях ученые, делающие

попытки подвести математическую базу под эту теорию, признают их главным

препятствием. Профессора математики С. Хоукинг из Кембриджа и Г. Эллис из

Кейптауна отмечают в своей монографии «Крупномасштабная структура

пространства-времени»: «На наш взгляд, вполне оправданно считать физическую

теорию, которая предсказывает сингулярность, несостоявшейся». И далее:

«результаты наших наблюдений подтверждают предположение о том, что

Вселенная возникла в определенный момент времени. Однако сам момент начала

творения, сингулярность, не подчиняется ни одному из известных законов

физики».

Понятно, что любая гипотеза о происхождении Вселенной, которая

постулирует, что исходное состояние Вселенной не поддается физическому

описанию, выглядит довольно подозрительно. Но это еще полбеды. Следующий

вопрос: откуда взялась сама сингулярность? И ученые вынуждены объявить

математически неописуемую точку бесконечной плотности и бесконечно малых

размеров, существующую вне пространства и времени, безначальной причиной

всех причин.

o Попытки решения проблемы сингулярности

Не желая мириться с подобной перспективой, теоретики разработали

несколько вариантов теории большого взрыва, в которых пытаются обойти

проблему сингулярности. Один из возможных подходов - постулировать, что

сингулярность при зарождении Вселенной была не совершенной. Б. Лоувел

утверждает, что сингулярность в теории большого взрыва «часто

представлялась как математическая проблема, возникшая из постулата об

однородности Вселенной». Все классические модели Вселенной, появившейся в

результате большого взрыва, обладают идеальной математической симметрией, и

некоторые физики сочли это причиной появления сингулярных корней уравнений,

описывающих исходное состояние Вселенной. Чтобы скорректировать это,

теоретики стали вводить в свои модели асимметрию, аналогичную той, которую

можно видеть в наблюдаемой Вселенной. Таким образом, они надеялись внести в

исходное состояние Вселенной достаточную неупорядоченность, необходимую для

того, чтобы оно не сводилось к точке. Однако все их надежды были разрушены

Хоукингом и Эллисом, которые утверждают, что, согласно их расчетам, модель

большого взрыва с асимметричным распределением материи в любом случае

должна иметь сингулярность в исходной точке."

o Откуда появилась Вселенная?

Проблема сингулярности является лишь частью более общей проблемы,

проблемы возникновения Вселенной (независимо от того, каким было ее

начальное состояние). Если какая-либо модель Вселенной постулирует

сингулярность, это, несомненно, создает очень большие теоретические

трудности. Но даже если сингулярности можно избежать, то основной вопрос по-

прежнему остается без ответа: откуда, собственно, появилась Вселенная?

Надеясь уклониться от ответа на этот вопрос, некоторые ученые предложили

теорию так называемой «бесконечно пульсирующей Вселенной». В соответствии с

этой теорией, Вселенная расширяется, а затем сжимается до сингулярности,

затем вновь расширяется и снова сжимается. У нее нет ни начала, ни конца.

Это снимает вопрос о происхождении Вселенной - она ниоткуда не возникает, а

существует вечно.

Но и эта модель не лишена серьезных недостатков. Прежде всего, до сих

пор никто не смог удовлетворительно объяснить механизм пульсирования.

Далее, в своей работе «Первые три минуты» С. Вайнберг утверждает, что

каждый цикл расширения и сжатия должен приводить к определенным

прогрессирующим изменениям во Вселенной, а это значит, что у Вселенной

должно быть начало, иначе вся история Вселенной будет регрессом,

растянувшимся на вечностью. Таким образом, перед нами вновь встает вопрос о

происхождении Вселенной.

Другой попыткой уйти от вопроса о происхождении Вселенной была

предложенная английским астрофизиком П. Дэвисом модель «пульсирующей

Вселенной с обращением хода времени». Согласно этой теории, Вселенная

сначала расширяется, а затем сжимается до сингулярности, причем в начале

каждого следующего цикла расширения-сжатия время поворачивает вспять,

приводя, в конце концов, к сингулярности, с которой начинался предыдущий

цикл. Согласно этой модели, прошлое становится будущим, а будущее -

прошлым, так что понятие «начало Вселенной» лишается смысла. Этот сценарий

дает некоторое представление о том, на какие ухищрения вынуждены пускаться

ученые-космологи, чтобы как-то объяснить происхождение Вселенной.

o Инфляционная Вселенная

Помимо вопроса о происхождении Вселенной, современные космологи

сталкиваются с рядом других проблем. Чтобы стандартная теория большого

взрыва могла предсказать то распределение материи, которое мы наблюдаем, ее

исходное состояние должно характеризоваться очень высокой степенью

организованности. Сразу же возникает вопрос: каким образом такая структура

могла образоваться? Физик А. Гут из Массачусетского технологического

института предложил свою версию теории большого взрыва, которая объясняет

спонтанное возникновение этой организации, устраняя необходимость

искусственно вводить точные параметры в уравнения, описывающие исходное

состояние Вселенной. Его модель была названа «инфляционной Вселенной». Суть

ее в том, что внутри быстро расширяющейся, пере гретой Вселенной небольшой

участок пространства охлаждается и начинает расширяться сильнее, подобно

тому, как переохлажденная вода стремительно замерзает, расширяясь при этом.

Эта фаза быстрого расширения позволяет устранить некоторые проблемы,

присущие стандартным теориям большого взрыва.

Однако модель Гута тоже не лишена недостатков. Чтобы уравнения Гута

правильно описывали инфляционную Вселенную, ему пришлось очень точно

задавать исходные параметры для своих уравнений. Таким образом, он

столкнулся с той же проблемой, что и создатели других теорий. Он надеялся

избавиться от необходимости задавать точные параметры условий большого

взрыва, но для этого ему пришлось вводить собственную параметризацию,

оставшуюся необъясненной. Гут и его соавтор П. Штайнгарт признают, что в их

модели «расчеты приводят к приемлемым предсказаниям только в том случае,

если заданные исходные параметры уравнений варьируют в очень узком

диапазоне. Большинство теоретиков (включая и нас самих) считают подобные

исходные условия маловероятными». Далее авторы говорят о своих надеждах на

то, что когда-нибудь будут разработаны новые математические теории, которые

позволят им сделать свою модель более правдоподобной.

Эта зависимость от еще не открытых теорий - другой недостаток модели

Гута. Теория единого поля, на которой основывается модель инфляционной

Вселенной, полностью гипотетична и «плохо поддается экспериментальной

проверке, так как большую часть ее предсказаний невозможно количественно

проверить в лабораторных условиях». (Теория единого поля - это достаточно

сомнительная попытка ученых связать воедино некоторые основные силы

Вселенной.)

Другой недостаток теории Гута - это то, что в ней ничего не говорится

о происхождении перегретой и расширяющейся материи. Гут проверил

совместимость своей инфляционной теории с тремя гипотезами происхождения

Вселенной. Сначала он рассмотрел стандартную теорию большого взрыва. В этом

случае, по мнению Гута, инфляционный эпизод должен был произойти на одной

из ранних стадий эволюции Вселенной. Однако эта модель ставит перед нами

неразрешимую проблему сингулярности. Вторая гипотеза постулирует, что

Вселенная возникла из хаоса. Некоторые ее участки были горячими, другие -

холодными, одни расширялись, а другие сжимались. В этом случае инфляция

должна была начаться в перегретой и расширяющейся области Вселенной.

Правда, Гут признает, что эта модель не может объяснить происхождение

первичного хаоса.

Третья возможность, которой Гут отдает предпочтение, заключается в

том, что перегретый расширяющийся сгусток материи возникает квантово-

механическим путем из пустоты. В статье, появившейся в журнале «Сайентифик

Америкэн» в 1984 году, Гут и Штайнгарт утверждают: «Инфляционная модель

Вселенной дает нам представление о возможном механизме, при помощи которого

наблюдаемая Вселенная могла появиться из бесконечно малого участка

пространства. Зная это, трудно удержаться от соблазна сделать еще один шаг

и прийти к выводу, что Вселенная возникла буквально из ничего».

Однако какой бы привлекательной ни была эта идея для ученых, готовых

ополчиться на любое упоминание о возможности существования высшего

сознания, создавшего Вселенную, при внимательном рассмотрении она не

выдерживает критики. «Ничто», о котором говорит Гут, - это гипотетический

квантово-механический вакуум, описываемый еще не разработанной теорией

единого поля, которая должна объединить уравнения квантовой механики и

общей теории относительности. Другими словами, в данный момент этот вакуум

невозможно описать даже теоретически.

Надо отметить, что физики описали более простой тип квантово-

механического вакуума, который представляет собой море так называемых

«виртуальных частиц», фрагментов атомов, которые «почти существуют». Время

от времени некоторые из этих субатомных частиц переходят из вакуума в мир

материальной реальности. Это явление получило название вакуумных

флуктуаций. Вакуумные флуктуации невозможно наблюдать непосредственно,

однако теории, постулирующие их существование, были подтверждены

экспериментально. Согласно этим теориям, частицы и античастицы без всякой

причины возникают из вакуума и практически сразу исчезают, аннигилируя друг

друга. Гут и его коллеги допустили, что в какой-то момент вместо крошечной

частицы из вакуума появилась целая Вселенная, и вместо того, чтобы сразу

исчезнуть, эта Вселенная каким-то образом просуществовала миллиарды лет.

Авторы этой модели решили проблему сингулярности, постулировав, что

состояние, в котором Вселенная появляется из вакуума, несколько отличается

от состояния сингулярности.

Однако у этого сценария есть два основных недостатка. Во-первых,

можно только удивляться смелости фантазии ученых, распространивших

достаточно ограниченный опыт с субатомными частицами на целую Вселенную. С.

Хоукинг и Г. Эллис мудро предостерегают своих излишне увлекающихся коллег:

«Предположение о том, что законы физики, открытые и изученные в

лаборатории, будут справедливы в других точках пространственно-временного

континуума, безусловно, очень смелая экстраполяция». Во-вторых, строго

говоря, квантово-механический вакуум нельзя называть «ничто». Описание

квантово-механического вакуума даже в самой простой из существующих теорий

занимает множество страниц в высшей степени абстрактных математических

выкладок. Такая система, несомненно, представляет собой «нечто», и сразу же

встает все тот же упрямый вопрос: «Как возник столь сложно организованный

"вакуум"?»

Вернемся к изначальной проблеме, для решения которой Гут создал

инфляционную модель: проблеме точной параметризации исходного состояния

Вселенной. Без такой параметризации невозможно получить наблюдаемое

распределение материи во Вселенной. Как мы убедились, решить эту проблему

Гуту не удалось. Более того, сомнительной представляется сама возможность

того, что какая-нибудь версия теории большого взрыва, включая версию Гута,

может предсказать наблюдаемое распределение материи во Вселенной.

Высокоорганизованное исходное состояние в модели Гута, по его же словам, в

конце концов, превращается во «Вселенную» диаметром 10 сантиметров,

наполненную однородным сверхплотным, перегретым газом. Она будет

Страницы: 1, 2, 3


ИНТЕРЕСНОЕ



© 2009 Все права защищены.