Эвристический взгляд относительно некоторых вопросов космологии

В. КРЫЛОВ

ЭВРИСТИЧЕСКИЙ ВЗГЛЯД ОТНОСИТЕЛЬНО НЕКОТОРЫХ

ВОПРОСОВ КОСМОЛОГИИ

Фундаментом космологических исследований является, как известно, совокупность основных физических теорий, таких, как квантовая механика, специальная теория относительности и об­щая теория относительности. Наблюдательная астрономия явля­ется источником тех фактических данных о Вселенной, которые нуждаются в космологическом истолковании и служат для про­верки правильности любой космологической теории. Наконец, направляющую роль при выполнении космологических исследо­ваний играют, взятые за исходные, методические философские принципы.

Но как бы стремительно не развивались теоретические иссле­дования, ценность математических моделей определяется тем, насколько корректно и полно они объясняют факты:

- Вселенная нестационарна, расширение Метагалактики подчиняется закону Хаббла;

- светящаяся материя в масштабе порядка 100 Мегапарсек однородна и изотропна;

- существующее реликтовое излучение изотропно и имеет тепловой спектр, соответствующий температуре 2,7 К;

- во Вселенной на метагалактическом уровне существуют галактики, галактические скопления и ячеистые структуры;

-все космические объекты представляют собой историче­ские образования.

Следует отметить, что решение космологических проблем еще очень осложнено недостаточным количеством исходного на­блюдательного материала. Современные знания о Вселенной не являются истиной в последней инстанции, так как существую­щая физическая теория сталкивается с глубокими и серьезными трудностями и не дает ответа на ряд фундаментальных вопросов. Астрономия и космология предоставляют экспериментальные факты, явно свидетельствующие о неполноте теории «элементар­ных частиц». Сегодня, к сожалению, не существует последова­тельной теории сильных и слабых взаимодействий, неизвестно, применимы ли используемые пространственно - временные пред­ставления для

масштабов меньшихсм исек. Не построена квантовая теория гравитационного поля и, тем самым, использование общей теории относительности ограниче­но классической (неквантовой) областью. Отсутствует общеприз­нанная физическая теория квазаров. Не решен вопрос о фиксации топологии 3-мерного пространства Вселенной. Далека от решения проблема физической природы тёмной материи.

Теория «Большого взрыва» утверждает, что в прошлом Все­ленной существовал такой момент, когда плотность была беско­нечной и этот момент отстоит от нас на 10-20 млрд. лет. Тогда вся материя Вселенной была сосредоточена, якобы, в виде различных элементарных частиц в одном месте в необычайно малом объеме порядка планковских

-33 93

расстояний (около 10 см) с плотностью равной 10 г/см3 при температуре

27

Т= 10 К.

Тогда в промежутке времени от 10 сек. до 10 сек. вся на­блюдаемая сейчас Вселенная возникла благодаря гигантскому взрыву этой исходной космической материи. При этом утвержда­ется, что «...взрыв, который произошел одновременно везде, за­полнил с самого начала все пространство, причем каждая части­ца устремилась прочь от любой другой частицы». Произошел «Большой взрыв» (в оригинале - «Big Bang»- «Большой бум»), с которого началась история расширяющейся Вселенной.

С точки зрения математической логики рассуждение о быст­ром, в течение одного мгновения, возникновении Вселенной, а затем ее «раз­дувании» (или инфляции), без­укоризненно. Но само по себе оно ничего не доказывает, посколь­ку логическая непротиворечивость еще не является доказатель­ством существования в физическом смысле. Необходимо иметь в виду, что состояние «Большого взрыва» достигается за время порядка

-35

10 секунды от начала Мира. Кроме того, Стандартная модель не позволяет описывать эту особую точку, поскольку законы физики неприменимы к точке, соответ­ствующей бесконечной плотности материи и энергии. Используе­мые в теории инфляционирующей, «раздувающейся» Вселенной математические модели скалярных полей не очень хорошо сты­куются с тем, что предсказывают различные теории элементар­ных частиц. Это настораживающее обстоятельство, поскольку здесь возникают противоречия между требуемыми свойствами квантового поля и математически точными результатами, следу­ющими из теории элементарных частиц. Кроме этого, согласно существующим представлениям, никакой центральной «точки разлёта» принципиально существовать не может, а формальная бесконечность какой-либо величины в теории — верный признак того, что сама теория в этом случае «отказывает». Бесконечное значение плотности означает, скорее всего, что в исходный момент физические условия во Вселенной были столь необычными, что ни общей теории относительности, ни вообще современной физи­ки недостаточно для их правильного понимания. Что действи­тельно произошло тогда и каким образом всему веществу Вселен­ной были сообщены начальные скорости расширения, неизвест­но. И это составляет, пожалуй, самую трудную проблему совре­менной астрономии и физики.

Теория «Большого взрыва» предполагает, что все галактики, в том числе и наша Галактика, с большой скоростью удаляются не только от наблюдателя, но и друг от друга. Это проявляется в об­щем разбегании галактик, в их взаимном удалении — чем боль­ше красное смещение (эффект Доплера), тем дальше от нас галак­тика; чем дальше галактики отстоят друг от друга, тем с большей скоростью они удаляются друг от друга. Теоретический вывод, что пространство наблюдаемой Метагалактики нестационарно, оно расширяется, стал теперь об­щепризнанным.

По закону, предсказанному теорией и най­денному Э. Хабблом, галактики удаляются от нас со скоростями V, пропорциональными расстояниям D до них: V = HD (1)

,где Н — коэффициент пропорциональности — посто­янная Хаббла.

Удаление галактик вызывает смещение их излучения в крас­ную сторону спектра в результате эффекта Доплера. Зависимость красного смещения Z от скорости удаления V дается соотноше­нием: Z = V/c (2)

Из закона Хаббла (1) и соотношения (2) следует связь между красным смещением и расстоянием до источника: Z = H D/ c или D = Zc/H.

Этой формулой пользуются для определения расстояний до галактик и скоплений галактик. На основании этих формул на­шли, что расстояние до ближайшей к нам галактики Туманность Андромеды составляет 2,5 млн. световых лет, до квазара ЗС 273 — 3 млрд. св. лет, а до квазара ЗС 48 — 3,7 млрд. св. лет. Свету необходимо миллионы и миллиарды лет, чтобы преодолеть расстояния, отделяющие нас от этих космических объектов. Аст­рономы наблюдают их такими, какими они были миллионы и миллиарды лет назад, видят далекое прошлое Вселенной. Чем дальше от нас находится тот или иной объект, тем в более далеком прошлом мы его наблюдаем.

Но ведь известно, что расстояние между двумя любыми объ­ектами и скорость его изменения — это величины, зависящие от системы отсчета. И при этом необходимо уточнить, что такое во­обще скорость движения какого-либо объекта. Это — всегда ско­рость движения по отношению к определенной системе отсчета. Более того, по отношению к той точке этой системы, через кото­рую объект в данный момент проходит. Поэтому говорить о скоро­сти движения объекта по отношению к какой-либо другой точке, которая находится на определенном расстоянии, или по отноше­нию к другому объекту, существующему в другую эпоху, строго говоря, не имеет никакого смысла. Что же в таком случае представляет собой скорость движения какой либо галактики по отношению к земному наблюдателю? Очевидно, такое понятие вообще лишено смысла, так как мы раз­общены и в пространстве и во времени. О какой же скорости в таком случает все же можно говорить? Только о скорости движения галактики по отношению к какой-либо определенной системе отсчета, охватывающей и ту область, и ту эпоху, в которой существуем мы; и ту область, и ту эпоху, в ко­торой находилась галактика в момент выхода светового луча. Но подобную систему отсчета можно построить в том случае, если по отношению к ней наша собственная скорость равна нулю. Тогда скорость остальных галактик будет, видимо, зависеть от того, де­формируется ли наша система отсчета с течением времени, а если деформируется, то как именно. Естественно было бы выбрать недеформирующуюся (жесткую) систему отсчета. Но это невозмож­но, так как в результате взаимного удаления галактик изменяет­ся плотность распределения масс, а вследствие этого — и геомет­рия пространства.

В принципе, есть еще одно физическое явление, обладающее такими же особенностями, как и эффект Доплера. Когда излуче­ние распространяется в поле тяготения, то его частота изменяется так же, как и при взаимном удалении источника от приемника. В случае метагалактического красного смещения этот эффект, из­вестный под названием «гравитационного смещения» или «эф­фекта Эйнштейна», по своей величине представляет определен­ный противовес значению, которому придается эффект Доплера.

Что же касается красного смещения квазаров, то здесь име­ются рекордсмены. Большое красное смещение открыто в 1982 году — это Z =3,78. Но имеются данные и об объектах с Z = 8-10 или даже больше. Но мало кто особенно обращает внима­ние на то, что при красных смещениях, превышающих единицу, формулы (1) и (2), связывающие красное смещение со скоростью удаления источника и расстоянием до него, уже неприменимы, так как на гигантских расстояниях до них проявляются свойства кривизны пространства-времени, характеризующие общую гео­метрию Вселенной. Закон Хаббла не считается точным для таких объектов, скорость которых больше 100 тыс. км/сек.

Большому значению красного смещения Z = 3,78 отвечает расстояние 16 млрд. световых лет. Принимаемый сейчас свет испущен этим ква­заром 16 млрд. лет назад, когда нашей Солнечной системы еще не существовало.

Если принимать эти расстояния как верные, то квазары явля­ются наиболее удаленными от нас объектами Вселенной. На краю «обжитой» области, которой представляется нам наблюдаемая Метагалактика, в далеком прошлом находились не укладываю­щиеся ни в какие теоретические рамки «монстры» — квазары, которые больше обычных звезд, но гораздо меньше, например, нашей Галактики. Они являются самыми мощными во Вселенной источниками излучения, которое больше энергии, чем создают сотни больших галактик, насчитывающих в своем составе в об­щей сложности до 10 тыс. млрд. звезд.

Возникает, естественно, вопрос - каким это образом (16 млрд. лет назад) этот объект мог уже оказаться «на краю» на­блюдаемой Метагалактики приблизительно через 2-4 млрд. лет по­сле «Большого взрыва»? И здесь, видимо, следует знать, что это за образования, ка­кую роль играют они в развитии Вселенной. Известно, что почти все известные квазары — одинокие объекты. Родственны квазарам и так называе­мые лацертиды, которые расположены на расстояниях, сравнимыми с расстояниями до далеких квазаров. Особенно бурные про­цессы протекают в ядрах сейфертовских галактик. Их излучение пе­ременно, что, как и в случае квазаров, указывает на интенсивные процессы, происходящие в ядрах сейфертовских галактик. С другой стороны, близкие к квазарам по свойствам радиогалактики, как правило, входят в скопления галактик и являются их центральны­ми членами, наиболее яркими и. активными. В этой связи высказы­ваются предположения, что квазары — это не что иное, как «протоскопления» галактик, то есть объекты, в результате дальнейшей эволюции которых возникли галактики и скопления галактик. В пользу такого предположения говорит активность ядер галактик, очень сходная с активностью квазаров, хотя и не такая бурная. Не исключено, что энергия излучения квазаров и активность ядер га­лактик порождаются сходными физическими процессами. Галак­тики, в том числе и галактики с активными ядрами, в среднем, рас­положены ближе, чем квазары. Следовательно, это объекты более позднего поколения — они должны образовываться позже кваза­ров. Таким образом, прослеживается достаточно очевидная непре­рывность свойств от квазаров — через лацертиды и сейфертовские галактики, эллиптические галактики с активными ядрами и ра­диогалактики — к нормальным галактикам. Это с одной стороны.

С другой стороны, необходимо выяснять – какое место во Вселенной (или в Метагалактике) занимает наша Местная группа галактик, в том числе Млечный путь, где наблюдатель принимает лучевую энергию от объектов, находящихся (находившихся) на расстоянии 16-18 млрд. световых лет. Как следует из теории, вся материя Вселенной возникла после «Большого взрыва» и имеет возраст 10-20 млрд. лет. Но если учитывать собственное пекулярное движение Галактики в составе местной группы галактик (скорость около 600 км/сек) относительно расширяющегося пространства, то напрашивается вывод - материя, из которой состоит наша Галактика, могла возникнуть только лишь в результате длительной эволюции материи «протоквазара», чей возраст значительно превышает возраст квазара, испустившего свет 16 млрд. лет назад. Вывод, на первый взгляд, парадоксальный. Однако, такой «сценарий» вполне вероятен, если иметь в виду, что у Вселенной может быть лишь две альтернативы: либо ее «началом» была сингулярная точка в какой-то момент времени в прошлом, либо она существует в течение бесконечного времени.

Сингулярное состояние, рассматриваемое в релятивистской космологии как «начало Вселенной», полученное путем чисто математических преобразований, а затем проецируемое на космологическую реальность, символизирует собой, с од­ной стороны, «начало» существующих космических систем, а с дру­гой — самую раннюю форму материи, к которой в настоящее вре­мя восходит теория. Очевидно, что понятие «начало Вселенной» должно иметь достаточно условный характер — его объем и со­держание ограничены рамками релятивистской теории эволюци­онирующей Вселенной и оно, как таковое, фиксирует лишь до­стигнутый уровень научного понимания структуры космического целого. Общая теория относительности, на фунда­менте которой построена современная (релятивистская) космоло­гия и в рамках которой доказывается неизбежность сингулярного состояния,— это классическая теория пространства, времени и тяготения, которая не обогащена неклассическими квантомеханическими представлениями. Поэтому, строго говоря, эта теория имеет естественный предел применимости.

Гравитация, заполняющая все пространство,— это фунда­ментальная физическая реальность. Поэтому представления о гравитационном поле, задающего топологию и геометрию про­странства-времени, должны выступать в качестве первичных ис­ходных понятий. С точки зрения научной картины мира очень важным является тезис о равенстве весовой (тяжелой) и инертной массы. Отсюда следует вывод об эквивалентности массы и энер­гии: энергия обладает массой, а масса превращается в энергию. Этот вывод неизбежен, так как тяготение гравитационного поля (в котором проявляется весовая масса) эквивалентно ускоренно­му движению (в котором проявляется инертная масса). В свою очередь, если ускоренное движение нейтрализует тяготение в ка­кой либо системе отсчета, то гравитация и кинематика связаны между собой по существу. А поскольку кинематика (перемещение тел в пространстве) — это геометрия, к которой добавлена еще одна переменная величина — время, то гравитационное поле — это геометрия пространства-времени (суперпространство). В совре­менных теориях вопрос о геометрии сводится к вопросу о симметриях, каждая из которых связана с динамикой — симметрия за­дает геометрию, а геометрия определяет взаимодействие. Возможное чередование стадий расширения и сжатия Вселенной иллюстрирует обратимость во времени основных уравнений теории относительности. Но в её рамках до настоящего времени не удается ответить на вопрос, к какому из возможных типов эволюции относится наша Вселенная. А именно: - открытая Вселенная (отрицательная кривизна пространства), закрытая (положительная кривизна пространства) или плоская (нулевая кривизна пространства). Как бы то ни было, топология Мира давно стала одним из самых принципиальных, если не единственным, по настоящему важным вопросом геометрического характера в космологии Вселенной.

При сверхбольших плотностях, соответствующих предельно­му радиусу кривизны и времени, должны давать знать неучтен­ные теорией гравитации Эйнштейна квантовые эффекты, кото­рые могут существенно поменять общую картину явлений, опи­сываемые этой теорией. Одновременный учет квантовой природы материальных полей и возможной роли слабых гравитационных волн может привести к таким новым эффектам, как поляризация вакуума и рождение частиц, включая кванты гравитационного поля. Эти эффекты, в принципе, могут устранить со временем из теории классическую сингулярность.

Хотя это не более чем абстрактная возможность, однако, в об­щем русле разработки нового круга идей, связанных с примене­нием макро - и микрофизических концепций, здесь имеется неко­торая перспективность поиска.

Речь идет о новой космологической модели Вселенной (Рис. 1), основанной на следующих допущениях:

1. Средняя плотность вещества с учетом темной материи во всем объеме пространства больше критического;

2. Вселенная имеет структуру, представляющую геометрию дипольного гравитационного силового поля.

Данная модель интересна тем, что она логически проще, сформулирована при минимуме допущений, из которых вытекает большое число следствий, дающих определенную основу для ка­чественного и, возможно, количественного рассмотрения меха­низмов физических процессов, решающих многие проблемы.

Первое допущение вводится в связи с тем, что теория не на­кладывает никаких запретов на возможность наличия у нейтрино некоторой массы. Сегодня накопилось большое число косвенных экспериментальных данных, свидетельствующих о том, что ней­трино, возможно, имеет, хотя и весьма малую, но отличную от нуля массу покоя.

Рис.1

Оно в 10 тысяч раз легче ближайшей по массе эле­ментарной частицы — электрона и более чем в 10 млрд. раз легче самого тяжелого из кварков —

t кварка. Но их количества вполне достаточно, чтобы заполнить короны галактик, сделать их таки­ми протяженными и массивными, какими они представляются по астрономическим данным. Тогда около 95-97 процентов всей материи Вселенной должно приходиться на нейтрино, а все остальные частицы «обычного» вещества (барионная компо­нента) — лишь небольшая по массе «примесь», то есть все извест­ные энергоносители составляют только несколько процентов мас­сы и энергии Вселенной. Все планеты, звезды, туманности и га­лактики — ничтожная добавка к нейтринному «фону» Вселен­ной. Рано или поздно это подтвердит физический эксперимент. Как заметил один астрофизик, если окажется, что масса нейтри­но все-таки равна нулю, то придется «изобрести» другую частицу, очень слабо взаимодействующую с веществом, но обладающую конечной массой.

В данном случае допускается, что средняя плотность вещест­ва больше

-29

критического значения (1-0,5)10 г/см3 и тогда объем Вселенной конечен. Поэтому в данной модели «нейтринная Вселенная» пространственно замкнута, но она не имеет никаких гра­ниц — она безгранична.

Таким образом, Вселенная безгранична, но вовсе не бесконечна. И в то же время в данной модели матери­альный мир всей Вселенной в определенных фазах расширяется одновременно с процессом сжатия. Иными словами, материя, занимающая пространст­во-время нашей обозримой Метагалактики, пройдя фазу рас­ширения, со временем, на определенном этапе своей эволюции, перейдет в фазу сжатия. Хотя замкнутая Вселенная в целом при этом нахо­дится в своем нестационарном изотропном состоянии.

Такое положение возможно, так как крупномасштабная структура Вселенной возникает в ходе развития гравитационной неустойчивости и имеется специфика энергетического баланса Вселенной. Дело в том, что фундаментальным следствием теории Эйнштейна является равенство нулю полной энергии Вселенной. В этом смысле в замкнутой Вселенной по энергетическому критерию равновесные состояния не предпочтительнее неравновесных. Отсюда можно предположить, что замкнутая Вселенная должна испытывать спонтанные (самопроизвольные) квантовые скачки из равновесных состояний в неравновесные, энергия которых при распаде превращается в энергию частиц. При этом физический (возбуж­денный) вакуум имеет достаточно сильное гравитационное поле, а Вселенная имеет структуру, представляющую геометрию про­странства-времени дипольного гравитационного силового поля.

Данная модель условно разделена на пять зон (Рис. 1):

1. зона «0» — Нуль-пространство - «Суперсфера» (1-мерное время);

2. зона «1м» — одномерное пространство (2-мерное про­странство-время);

3. зона «2м» — двухмерное пространство (3-мерное про­странство-время);

4. зона «Зм» — трехмерное пространство (4-мерное про­странство-время);

5. зона «4» — корона.

Нуль-пространство («Суперсфера») имеет два полюса, из которых в разные стороны расходятся силовые гравитационные линии. Материя, которая непрерывно (или периодически в резуль­тате скачков или импульсов – «мегаквантов») возникает в зоне «0» из-за возбуждения вакуума, движется вдоль силовых линий гравитационного поля (геомет­рия пространства-времени), создающего воронки у полюсов. Дви­жение материи поперек силовых гравитационных линий поля за­труднено, а движение вдоль силовых линий беспрепятственно. Материальный мир и излучение распространяется в поле тяготе­ния, при этом наблюдается эффект «гравитационного смеще­ния». Расширение наблюдаемой Метагалактики — не результат разбегания самих галактик, а результат расширения пространства между галактиками в основном за счет «гравитаци­онного смещения». Таким образом, пространство-время и плоское и кривое, од­новременно. Смотря в каком масштабе его рассматривать.

Однако, как классическая теория не способна была объяс­нить магнитные свойства вещества, так и современный уровень знаний пока не способен объяснить, к сожалению, процесс возникновения гравитационных свойств физического (возбуж­денного) вакуума, возможный круговорот вещества и энергии во Вселенной, позволяющий отодвинуть ее «начало» на минус беско­нечность.

Существует, правда, еще термодинамический парадокс: если Вселенная существует вечно, то она уже должна находиться в со­стоянии полного статистического равновесия, чего, однако, нет в действительности. Тепловой «смерти» Вселенной не может быть, так как имеются принципиально важные особенности Вселен­ной — совокупность гравитирующих систем. Дело ведь вовсе не в бесконечности или конечности пространственной протяженности Вселенной, а в том, что непрерывное возрастание энтропии никог­да не прекращается. По существующим оценкам, если бы вся имеющаяся во Вселенной материя превратилась в фотоны, то энтропия Вселенной изменилась бы только на 0,01 процента. Вселенная никогда не достигнет состояния теплового равновесия, ибо самого предельного, максимального значения энтропии не существует. Главное — в физических тон­костях «взаимоотношений» Вселенной и создаваемого ею грави­тационного поля. Гравитационное поле замкнутой системы мо­жет рассматриваться составляющей частью этой системы. Оно выступает по отношению к Вселенной внутренним, причем не­стационарным условием.

Физический вакуум — самоорганизующаяся система, по­рождающая материю, имеет сложную иерархическую структуру, определяемую большим числом взаимодействующих и взаимообуславливающих подсистем, свойства которых формируются на различных пространственно-временных масштабах. В физиче­ском вакууме, представляющем собой систему нулевых колеба­ний квантованных полей (зона «0»), отсутствуют реальные фик­сируемые частицы, поля и волны. Но в нем имеются виртуальные частицы, которые рождаются и тут же исчезают, при этом между ними происходят сложные взаимодействия. Энергия, заключен­ная в вакууме, располагается как бы на его разных этажах, то есть имеются разные энергетические уровни вакуума, которым соот­ветствуют разности отрицательных давлений. Когда вакуум по какой то причине возбудился и вышел из состояния равновесия, то виртуальные частицы захватывают энергию у вакуума без от­дачи и превращаются в огромное число реальных частиц со свя­занной ими энергией. Неравновесный вакуум рано или поздно обязан распасться, так как возбужденный вакуум неустойчив. Вакуум стремится к распаду, а отталкивание, характерное для квантового вакуума, исчезает. При распаде неравновесного ваку­ума происходит генерация реликтовых неоднородностей. При этом высвобождается гигантская энергия излучения,

27

которая на­гревает возникшую материю до 10 К.

Существующая теория пока не может описывать квантовые топологические переходы между различными вакуумными кон­фигурациями в реальном времени. Сложная эволюция принци­пиально квантового объекта — вакуума — приближенно описы­вается на классическом уровне. Новая будущая динамическая те­ория должна, по всей видимости, быть основана на новых принци­пах более современной квантовой теории гравитационного поля, в рамках которой можно было бы описывать и прогнозировать ди­намику физического вакуума. Вполне очевидно, что задача иссле­дования микро - и макроструктуры пространства-времени и вакуума резко превышает по сложности даже задачу изучения свойств и струк­туры вещества.

Тем не менее, можно все же предположить, что при опреде­ленных условиях осуществляются скачкообразные (или импуль­сные) явления, происходящие на астрономически больших масш­табах и при низких энергиях:

- зона «0» — непертурбативный вакуум представляет ­собой своеобразную форму материи (или темной энергии), способную при определенных условиях «рождать» материальные частицы без нарушения закона сохранения и превращения энергии. Возбужденный вакуум может рождать реальные частицы и античастицы, а также спон­танные флуктуации

вакуума, когда выбрасываются высокотемпературные сгустки вещества (кварк-глюонная плазма - мегакванты) сначала в одномерное про­странство — в зону «1м».

- зона «1м» — гравитация вакуума достигает огромной ве­личины, а энергия поля превращается в энергию частиц. Основ­ную роль начинают играть частицы, а не вакуум. При охлаждении плазмы происходит переход кварк-глюонной плазмы в адронную фазу, когда вещество представляет собой плазму, состоящую из элект­ронов, протонов и, может быть, ядер легких элементов. Причем это происходит именно в одномерном пространстве, когда устой­чивость движения наиболее велика;

- зона «2м» — в дальнейшем температура падает настоль­ко, что электроны соединяются с ионами, синтезируя атомы водорода, гелия и других элементов. На этом этапе в нейтринном газе, проистекающем уже в двухмерном пространстве, вследствие гра­витационной неустойчивости возникают небольшие плоские мелкомасш­табные флуктуации. Материя Вселенной расширяется не резко, не инфляционно, а через последовательный переход из одномер­ного пространства в двухмерное. В двухмерном пространстве ни­какие возмущения не могут нарушить равновесия и удалить ма­терию, движущуюся (Рис. 2) по кривой траектории (по спирали). Таким образом, материя выходит из одномерного в двухмерное пространство с плотно­стью, очень близкой к критической, а затем переходит в 3-мерную геометрию, где ограничения уже слабее. Может быть именно в этом заключается разрешение первой глобальной космологичес­кой проблемы — происхождение исходной однородности и изо­тропности материи наблюдаемой Метагалактики.

Рис. 2

- зона «Зм» — в процессе постепенного перехода по спира­ли в трехмерное пространство (Рис. 2) флуктуации достаточно большого масштаба нарастают. В космологической плазме возни­кают и присутствуют малые 4-мернопространственно-временные неоднородные возмущения плотности и температуры, развитие которых в более поздние эпохи приводит к появлению гравитаци­онно-обособленных объектов. В ходе космологической эволюции постепенно формируется темная материя. Рождение большого числа частиц, формирование свойств 3-мерной геометрии, близ­кой к евклидовой, сопровождается генерацией малых неоднородностей, которые доживают до момента рекомбинации, когда ядра захватывают электроны с образованием нейтральных атомов, а затем развиваются, образуя крупномасштабную структуру. Воз­никают и формируются огромные по размеру довольно плоские газовые сгущения, которые образуют ячейки, то есть создается сложная система сгущений и пустот. В ходе развития гравитаци­онной неустойчивости и по мере «гравитационного смещения» формирующиеся отдельные фрагменты превращаются со време­нем в ранние космологические структуры — квазары («протоскопления» галактик), а затем в скопления галактик, звездные скопления — ранние галактики. И именно в начале зоны «Зм» данной модели, то есть «на краю Вселенной», 16-18 млрд. лет назад могли находиться многие (если не все) квазары, лучевую энергию от кото­рых мы сейчас регистрируем.

В связи с фотометрическим парадоксом при расширении уча­стка Вселенной (или Метагалактики, где расположена наша Га­лактика), в ночное время мы наблюдаем звезды только на фоне черного неба. Это происходит, как известно, за счет расширения пространства, уменьшения энергии фотонов, увеличения длины волны; в каждую единицу времени в приемные устройства фото­ны попадают реже, чем они испускались источником. В случае постепенного сжатия пространства-времени должен наблюдаться другой эффект, когда в спектрах галактик вместо красного будет наблюдаться фиолетовое смещение; сдвиг излучения переходит в область более высоких частот, энергия фотонов увеличивается, яркость неба усиливается. Тогда гипотетический наблюдатель в реальное «ночное время» мог бы «видеть» звезды на фоне более светлого неба.

В этой связи зона «Зм» условно разделена на две фазы (Рис. 3):

- фаза «Т» — фаза «темного (или черного) неба»;

- фаза «С» — фаза «светлого неба».

Наша Метагалактика в настоящее время находится где-то в фазе «Т» — именно в расширяющейся области. Возможно, что в конце фазы «С» жизнь уже не может суще­ствовать. По-видимому, какая либо жизнь вообще невозможна на ранних стадиях расширения и на поздних стадиях сжатия мате­риального мира.

Рис.3

В результате дальнейшей эволюции материя Метагалактики постепенно должна перейти в фазу «С», где начинается сжатие про­странства. Происходит по спирали взаимное сближение галактик, в которых при гравитационных взаимодействиях происходит так­же сокращение расстояний между звездами. Подавляющее боль­шинство звезд покидает периферии галактик, а галактические ядра в результате гравитационного сжатия образуют гигантские «черные дыры» — сильно сжатые компактные объекты, когда масса вещества оказывается в малом объеме, критическом для данной массы. Под действием собственного тяготения вещество начинает сжиматься, что ведет к неограниченно большой плотности и неограниченно малым размерам объектов. Вещество материи коллапсирует — перейдя через гравитационный ради­ус, оно продолжает сжиматься, его гравитационное поле уже спо­собно удержать любые частицы, включая фотоны. Вымершие планеты и другие типы малых небесных тел переходят в новое состояние: их вещества превращаются в железо, имеющее максимальную энергию связи. Жидкие сферические железные «капли», пришедшие на смену звезд и планет, затем превращаются также в «черные дыры».

Однако, как показали последние исследования, «черные ды­ры» могут являться не абсолютно «черными», то есть они возможно способны не только поглощать частицы, но также излучать их. Несмотря на то, что из-под гравитационного радиуса никакие ча­стицы выйти не могут, пары частиц (с противоположными по зна­ку зарядами) могут спонтанно рождаться из вакуума в окрестно­сти гравитационного радиуса. При этом одна из них покидает «черную дыру», а другая находится под радиусом и падает обрат­но. Этот эффект «испарения», открытый в 70-х годах С. Хокингом, может являться следствием деформации вакуума сверхсиль­ным гравитационным полем «черной дыры». Масса-энергия «черной дыры» уносится спонтанно рождающимися частицами. Радиус и масса «черных дыр» становятся равными планковским значениям в зоне «2м». Последним актом существования таких объектов в зоне пространства «1м» может быть всплеск излуче­ния на масштабе планковских энергий, после чего область «чер­ной дыры» переходит в зону «0», где отсутствует материя и про­странство.

Естественно предположить, что в результате такой цепочки явлений зона «0», существуя как «целостный объект» на конеч­ной стадии эволюции материи (в виде «черных дыр»), является стимулятором (импульсом) нового скачка, нового возбуждения вакуума для со­здания «мегакванта материи». Происходит согласованность между кос­мологической эволюцией и микроскопическими событиями (воз­никновение и исчезновение материи).

Таким образом, имеются закономерности, которые содержат или формируют в потенциальном виде цель эволюции, реализуемую через квантовые скачки. Вместо «непрерывной инфляции» будущая квантовая теория вакуума должна будет, видимо, обратиться к исследованию их последовательности в одномерном пространстве. Физиче­ский вакуум, играющий роль «резервуара», из которого черпается энергия для создания материи через спонтанные импульсы в виде «мегаквантов», является носителем всех потенциальных свойств Вселенной, на его уровне происходят процессы, которые приводят к периодическому рождению материи и её исчезновению на различных этапах пространства-времени.

В своё время С. Хокинг высказал требование, согласно которому удовлетворительная космологическая модель должна быть независимой от конкретных начальных условий: «Не следует задавать состояние в далёком

прошлом, и не должно быть никаких особых точек, в которых законы физики нарушались бы. Можно сказать, граничные условия Вселенной состоят в том, что у неё нет границ». Модель, описанная выше, удовлетворяет этим требованиям постольку, поскольку исключает особую точку «Большого взрыва» (которая заменена кривизной пространства-времени и созданием в одномерном пространстве материи через квантовые скачки), поскольку здесь объединены стадии между геометрически статичной Вселенной и Вселенной, эволюционирующей во времени, а также показан результат взаимодействия двух полей: одно поле, связанное с материей, другое - с гравитацией.

Между тем, необходимо ещё иметь в ввиду, что структура теории относительности в её квантовом варианте приводит к специальным ограничениям на вектор состояния (или на волновую функцию

Вселенной - Ψ, которая содержит информацию о вероятностях состояния геометрии 3-мерного пространства Вселенной). При этом появляется уравнение Шредингера для волновой функции Вселенной: i h dΨ / dt= Н Ψ)

,где h - постоянная Планка;

Н - оператор энергии;

d/dt – частная производная по времени.

Это уравнение для Вселенной в целом, по существу, есть квантовое обобщение динамических законов, содержащихся в шести уравнениях движения Эйнштейна. В современной картине Мира, как отмечалось выше, имеет место эффект равенства нулю полной энергии Вселенной. Поэтому можно предположить, что Н = 0. Тогда уравнение Шредингера

i h dΨ /dt = Н Ψ приводит к уравнению связи: Н Ψ = 0, откуда следует, что производная по времени обращается в нуль: dΨ / dt = 0. То есть, волновая функция Вселенной не зависит от времени. Таким образом, квантовая динамика, в привычном понимании, исчезает и этот факт является следствием рассмотрения фоновой геометрии в качестве равноправного объекта квантовой теории. Отсутствие космологического времени в основном уравнении квантовой геометродинамики может означать только то, что волновая функция Вселенной описывает сразу и прошлое, и настоящее, и будущее Вселенной. Это утверждение, возможно, носит фаталистический характер - все «события» во Вселенной как бы уже предопределены. Но ведь именно это и отображает описанная выше модель закрытой нестационарной Вселенной, где мы наблюдаем материальный мир, переносчик гравитации, «плавающий» в 4-мерном пространстве-времени.

Встает, разумеется, вопрос: что за пределами Вселенной? Но имеют ли смысл слова «за пределами Вселенной»? Таких пределов нельзя вообразить, так как тогда надо представить себе, что за ними должно быть что-то, от чего эти пределы отграничивают Вселенную, а всё, что есть её и составляет. Мир не может выпрыгивать из себя, потому, что, кроме него, ничего нет. Можно вообразить себе любые превращения материи, кроме одного - уничтожения, потому что тогда что-то должно было бы стать чем-то, что не есть материя, чем-то, что не принадлежит Вселенной. Но ей принадлежит всё, в том числе и вакуум (или «Ничто»). Раз «Ничто» превращается в массу - меру количества материи, значит материя, теряя массу, превращается в «Ничто». Но пустоты, как таковой, в природе не существует. Поэтому пространство, свободное от материи, способное к макроскопическим перемещениям, тем не менее, пустотой не является. В качестве такой, всё заполняющей и всё порождающей среды необходимо понимать самопроизвольно деформируемые вакуумные структуры. Материи некуда деться, и ей неоткуда родиться, потому что материя и есть источник самой себя.

Можно, конечно со временем, обнаружить (или не обнаружить) хиггсовские бозоны для подтверждения парадигм теории фундаментальных взаимодействий, сформулировать квантовую теорию гравитации, объединяющую квантовую механику и общую теорию относительности, однако, мы, возможно, никогда не узнаем как зародилась Вселенная бесконечное время назад. Решение глобальных проблем в безграничной Вселенной ско­рее всего вообще невозможно, так как бесконечность (со знаком плюс или минус) можно вве­сти в теорию формально, но её нельзя осмыслить операционально. Возможно, с учетом того, что мы еще плохо понимаем смысл бес­конечности, проблема вакуума в ее полном объеме существенно превышает возможности человеческого интеллекта.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

При рассмотрении вышеизложенных вопросов космологии сделана попытка увязать некоторые космологические проблемы в рамках определённой общей теоретической парадигмы или единой ключевой идеи. Изложена некоторая концепция, связанная с другим типом экстраполяции существующих теоретических конструкций Вселенной. Имеется в виду следующее некоторое обобщение квантовой геометродинамики – введение квантового поля всей Вселенной, мегаквантами (порциями) которого являются сгустки материи, эволюционирующие в отдельные протогалактики. Само гравитационное поле определено в суперпространство, где оно выступает как его геометрическая характеристика. Данная модель претенциозна в связи с тем, что исходит из гипотезы о существовании надпространственной реальности, в которой существует материальный мир, состоящий из «множества метагалактик», эволюционирующих в пространстве-времени, а также представлена динамика 3-мерного искривлённого пространства, задана и зафиксирована топология 4-мерного пространства-времени.

То, что в предложенной модели все явления круговорота ма­терии и энергии не могут иметь место, не исключают все же по­добной возможности в рамках общей теории относительности. К тому же никто не может утверждать, что науке уже всё из­вестно, и нельзя заранее безоговорочно отрицать возможность тех или иных явлений только потому, что они представляются мало­вероятными или даже вовсе неосуществимыми с точки зрения известных в настоящее время физических законов.

История науки хранит поучительный опыт того, как на протяжении веков математики тщетно искали доказа­тельств истинности пятого постулата Евклида. Однако дока­зательств того, что через одну точку можно провести только одну прямую, параллельную данной, так и не нашлось. В то же время пространственно-временные представления классиче­ской физики полностью согласуются с тем, как они описывают­ся геометрией Евклида. Больше того, , крити­чески осмысливая процедуру построения геометрии Евклида, до­казал непротиворечивость иной (неевклидовой) геометрии, в ко­торой через одну точку можно провести сколько угодно прямых линий, параллельных данной. Немецкий математик Б. Риман разработал еще одну неевклидову геометрию, в которой через за­данную точку нельзя провести ни одной прямой линии, парал­лельной данной. И оказалось, что все три геометрии имеют пол­ное право на существование, хотя две неевклидовы геометрии вступили в противоречие с пространственно-временными пред­ставлениями классической физики и Лобачевский и Риман так и не могли указать физических объектов, которым бы соответ­ствовали их теории.

Точность классической механики позволяла ученым однозначно предсказывать поведение механических систем. Но, как в свое время заметил первооткрыватель электрона Д. Томсон, «нельзя думать, что Вселенная построена по принципу наибольшего удобства математиков». Как известно, абсолютная математическая точность классических законов оборачивается их физической неточностью. Однако, не следует и самообольщаться и воображать, что в формулах вмещается всё многообразие природы. Во Вселенной, наверное, одинаково существенно всё, а любые физические теории - только приближение к сложному устройству реального мира, который управляется не детерминистическими законами, равно как и не абсолютной случайностью. Знания всегда ограничены и у Вселенной, видимо, всегда есть в запасе нечто новое и неслыханное.

Возможно, знакомясь с вышеизложенным взглядом, будет обращено внимание на то, что мысли, высказанные автором, уже встречались где-то. Аналогичные суждения высказывались в разное время и по разным поводам вполне реальными учеными. Не было надобности называть их имена. Ведь дело не в автори­тетах, а в существе вопроса. Хотя, разумеется, не все физики, не все астрономы и не все философы придерживаются именно тех точек зрения, которые нашли здесь отражение. Важно, что подобные гипотезы существуют в современной науке и сталки­ваются между собой. Главные положения, как правило, хорошо известны и избежать простого их повторения было можно, разве что, стремясь представить их или в необычном ракурсе, или в новом освеще­нии, основываясь на собственных умозаключениях.

Трудно, а порой невозможно, правильно оценить пределы воз­можностей существующих взглядов, концепций и теорий. Спо­рить на подобные темы можно без конца. Только будущее пока­жет, кто в том или ином случае прав, и в какой степени.

В. Крылов

Россия

гг.