Модель большого взрыва и расширяющейся Вселенной

звезды или черной дыры. Внешние области звезды могут время от времени

отрываться и уноситься чудовищным взрывом, который называется взрывом

сверхновой, затмевающей своим блеском все остальные звезды в своей

галактике. Часть более тяжелых элементов, образовавшихся перед гибелью

звезды, была отброшена в заполняющий галактику газ и превратилась в сырье

для последующих поколений звезд. Наше Солнце содержит около двух процентов

упомянутых более тяжелых элементов, потому что оно является звездой

второго или третьего поколения, образовавшейся около пяти миллионов лет

назад из облака вращающегося газа, в котором находились осколки более

ранних сверхновых. Газ из этого облака в основном пошел на образование

Солнца или был унесен взрывом, но небольшое количество более тяжелых

элементов, собравшись вместе, превратилось в небесные тела - планеты,

которые сейчас, как и Земля, обращаются вокруг Солнца.

Сначала Земля была горячей и не имела атмосферы. Со временем она

остыла, а вследствие выделения газа из горных пород возникла земная

атмосфера. Ранняя атмосфера была непригодна для нашей жизни. В ней не было

кислорода, но было много других, ядовитых для нас газов, например

сероводорода (это тот газ, который придает специфический запах тухлым

яйцам). Правда, есть и другие, примитивные формы жизни, которые могут

процветать в таких условиях. Предполагают, что они развились в океанах,

возможно, в результате случайных объединений атомов в большие структуры,

называемые макромолекулами, которые обладали способностью группировать

другие атомы в океане в такие же структуры. Таким образом они

самовоспроизводились и множились. Иногда в воспроизведении могли произойти

сбои. Эти сбои большей частью состояли в том, что новая макромолекула не

могла воспроизвести себя и в конце концов разрушалась. Но иногда в

результате сбоев возникали новые макромолекулы, даже более способные к

самовоспроизведению, что давало им преимущество, и они стремились заменить

собой первоначальные. Так начался процесс эволюции, который приводил к

возникновению все более и более сложных организмов, способных к

самовоспроизведению. Самые первые примитивные живые организмы потребляли

различные вещества, в том числе сероводород, и выделяли кислород. В

результате происходило постепенное изменение земной атмосферы, состав

которой в конце концов стал таким, как сейчас, и возникли подходящие

условия для развития более высоких форм жизни, таких, как рыбы, рептилии,

млекопитающие и, наконец, человеческий род.

Картина, в которой Вселенная сначала была очень горячей и

охлаждалась по мере своего расширения, па сегодняшний день согласуется с

результатами всех наблюдений. Тем не менее целый ряд важных вопросов

остается без ответа.

1. Почему ранняя Вселенная была такой горячей?

2. Почему Вселенная так однородна в больших масштабах? Почему она

выглядит одинаково во всех точках пространства и во всех направлениях? В

частности, почему температура космического фона микроволнового излучения

практически не меняется при наблюдениях в разных направлениях? Когда на

экзамене нескольким студентам подряд задается один и тот же вопрос и их

ответы совпадают, вы можете быть совершенно уверены в том, что они

советовались друг с другом. Однако в описанной модели с момента большого

взрыва у света не было времени, чтобы попасть из одной удаленной области в

другую, даже если эти области располагались близко друг к другу в ранней

Вселенной. Согласно же теории относительности, если свет не может попасть

из одной области в другую, то и никакая другая информация тоже не может.

Поэтому разные области ранней Вселенной никак не могли выровнять свои

температуры друг с другом, если у них не были одинаковые по какой-то

непонятной причине температуры прямо с момента рождения.

3. Почему Вселенная начала расширяться со скоростью, столь

близкой к критической, которая разделяет модели с повторным сжатием и

модели с вечным расширением, так что даже сейчас, через десять тысяч

миллионов лет, Вселенная продолжает расширяться со скоростью, примерно

равной критической? Если бы через секунду после большого взрыва скорость

расширения оказалась хоть на одну сто тысяча миллион миллионную

(1/100.000.000.000.000.000) меньше, то произошло бы повторное сжатие

Вселенной и она никогда бы не достигла своего современного состояния.

4. Несмотря на крупномасштабную однородность Вселенной, в ней

существуют неоднородности, такие, как звезды и галактики. Считается, что

они образовались из-за небольших различий в плотности ранней Вселенной от

области к области. Что было причиной этих флуктуаций плотности?

Общая теория относительности сама по себе не в состоянии

объяснить перечисленные свойства или ответить на поставленные вопросы, так

как она говорит, что Вселенная возникла в сингулярной точке большого

взрыва и в самом начале имела бесконечную плотность. В сингулярной же

точке общая теория относительности и все физические законы неверны:

невозможно предсказать, что выйдет из сингулярности. Как мы уже говорили,

это означает, что большой взрыв и все события до него можно выбросить из

теории, потому что они никак не могут повлиять на то, что мы наблюдаем.

Следовательно, пространство-время должно иметь границу - начало в точке

большого взрыва.

Наука, по-видимому, открыла все те законы, которые в пределах

погрешностей, налагаемых принципом неопределенности, позволяют

предсказать, как Вселенная изменится со временем, если известно ее

состояние в какой-то момент времени. Может быть, эти законы были даны

Богом, но с тех пор Он, судя по всему, предоставил Вселенной развиваться в

соответствии с ними и теперь не вмешивается в ее жизнь. Но какими он

выбрал начальное состояние и начальную конфигурацию Вселенной? Какие

"граничные условия" были в момент "начала времени"?

Один из возможных ответов - это сказать, что при выборе начальной

конфигурации Вселенной Бог руководствовался соображениями, понять, которые

нам не дано. Это, безусловно, было во власти Бога, но почему, выбрав такое

странное начало, он все же решил, чтобы Вселенная развивалась, но понятным

нам законам? Вся история науки была постепенным осознанием того, что

события не происходят произвольным образом, а отражают определенный

скрытый порядок, который мог или не мог быть установлен божественными

силами. Было бы лишь естественно предположить, что этот порядок относится

не только к законам науки, но и к условиям на границе пространства-

времени, которые определяют начальное состояние Вселенной. Возможно

большое число разных моделей Вселенной с иными начальными условиями,

подчиняющихся законам науки. Должен существовать какой-то принцип для

отбора одного начального состояния и, стало быть, одной модели для

описания нашей Вселенной.

Одну из таких возможностей называют хаотическими граничными

условиями. В них молчаливо принимается, либо что Вселенная бесконечна в

пространстве, либо что существует бесконечно много вселенных. Согласно

хаотическим граничным условиям, вероятность того, что любая выделенная

область пространства сразу после большого взрыва окажется в любом заданном

состоянии, примерно равна вероятности того, что она окажется в любом

другом состоянии: начальное состояние Вселенной выбирается совершенно

произвольным образом. Это означало бы, что ранняя Вселенная была,

вероятно, очень хаотичной и нерегулярной, потому что хаотических и

беспорядочных состояний Вселенной гораздо больше, чем гладких и

упорядоченных. (Если все состояния равновероятны, то Вселенная с большой

вероятностью возникла в одном из хаотических и беспорядочных состояний

просто потому, что таких состояний гораздо больше). Трудно сказать, как

подобные хаотические начальные условия могли породить такую гладкую и

однородную в больших масштабах Вселенную, как наша сейчас. Можно также

ожидать, что в такой модели флуктуации плотности приведут к образованию

гораздо большего числа первичных черных дыр, чем верхний предел,

вытекающий из наблюдений фона гамма-излучения.

Если Вселенная в самом деле бесконечна в пространстве или если

существует бесконечно много вселенных, то где-то могли бы существовать

довольно большие области, возникшие в гладком и однородном состоянии.

Вспомним хорошо известный пример со стаей обезьян, барабанящих на пишущих

машинках: большая часть их работы пойдет в корзину, но в принципе они

могут совершенно случайно напечатать один из сонетов Шекспира. Так и здесь

- не могла ли область Вселенной, в которой мы живем, случайно оказаться

гладкой и однородной? На первый взгляд это может показаться крайне

маловероятным, потому что таких гладких областей должно быть намного

меньше, чем хаотических и неоднородных. Но предположим, что галактики и

звезды образовывались только в гладких областях и только там условия были

пригодны для развития таких сложных самовоспроизводящихся организмов, как

мы, способных задать вопрос: "Почему Вселенная такая гладкая?" Это пример

применения так называемого антропного принципа, который можно

сформулировать следующим образом: "Мы видим Вселенную так, как мы ее

видим, потому что мы существуем".

Антропный принцип существует в двух вариантах - слабом и сильном.

Слабый антропный принцип утверждает, что во Вселенной, которая велика или

бесконечна в пространстве или во времени, условия, необходимые для

развития разумных существ, будут выполняться только в некоторых областях,

ограниченных в пространстве и времени. Поэтому разумные существа в этих

областях не должны удивляться, обнаружив, что та область, где они живут,

удовлетворяет условиям, необходимым для их существования. Так богач,

живущий в богатом районе, не видит никакой бедности вокруг себя.

Один из примеров применения слабого антропного принципа -

"объяснение" того, что большой взрыв произошел около десяти тысяч

миллионов лет назад: примерно столько времени требуется разумным существам

для их развития. Как уже говорилось, прежде всего должно было образоваться

раннее поколение звезд. Эти звезды превращали часть первоначального

водорода и гелия в элементы типа углерода и кислорода, из которых мы

состоим. Затем звезды взрывались как сверхновые, а из их осколков

образовывались другие звезды и планеты, в том числе и входящие в нашу

Солнечную систему, возраст которой около пяти тысяч миллионов лет. В

первые одну или две тысячи миллионов лет существования Земли на ней было

слишком жарко для развития каких бы то ни было сложных организмов.

Остальные примерно три тысячи миллионов лет происходит медленный процесс

биологического развития, в результате которого простейшие организмы прошли

путь до разумных существ, умеющих измерять время, прошедшее с момента

большого взрыва.

Мало кто возражает против справедливости и применимости слабого

антропного принципа. Некоторые же идут значительно дальше, предлагая его

сильный вариант. Он заключается в том, что существует либо много разных

вселенных, либо много разных областей одной вселенной, каждая из которых

имеет свою собственную начальную конфигурацию и, возможно, свой

собственный набор научных законов. В большей части этих вселенных условия

были непригодны для развития сложных организмов; лишь в нескольких,

похожих на нашу, вселенных смогли развиваться разумные существа, и у этих

разумных существ возник вопрос: "Почему наша Вселенная такая, какой мы ее

видим?" Тогда ответ прост: "Если бы Вселенная была другой, здесь не было

бы нас!"

Законы науки в том виде, в котором мы их знаем сейчас, содержат

много фундаментальных величин, таких, как электрический заряд электрона и

отношение массы протона к массе электрона. Мы не умеем, но крайней мере

сейчас, теоретически предсказывать значения этих величин - они находятся

только из эксперимента. Может быть, придет день, когда мы откроем полную

единую теорию, с помощью которой все эти величины будут вычислены, но

может оказаться, что некоторые из них, а то и все изменяются при переходе

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

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5