Теории о происхождении вселенной – История Вселенной — Википедия

возникновение Вселенной. Религиозная теория возникновения Вселенной

Величие и многообразие окружающего мира способно поразить любое воображение. Все объекты и предметы, окружающие человека, другие люди, различные виды растений и животных, частицы, которые можно увидеть только с помощью микроскопа, а также непостижимые звездные скопления: все они объединены понятием «Вселенная».

Теории возникновения Вселенной разрабатывались человеком издавна. Несмотря на отсутствие даже начального понятия о религии или науке, в пытливых умах древних людей возникали вопросы о принципах мироустройства и о том, каково положение человека в том пространстве, которое его окружает. Сколько существует теорий возникновения Вселенной сегодня, сложно и сосчитать, некоторые из них изучаются передовыми учеными с мировыми именами, другие – откровенно фантастические.

Космология и ее предмет

Современная космология — наука о структуре и развитии Вселенной — рассматривает вопрос о ее происхождении как одну из интереснейших и до сих пор недостаточно изученных загадок. Природа процессов, способствовавших возникновению звезд, галактик, солнечных систем и планет, их развитие, источник появления Вселенной, а также ее размеры и границы: все это лишь краткий перечень изучаемых современными учеными вопросов.

Поиски ответов на основополагающую загадку об образовании мира привели к тому, что сегодня существуют различные теории возникновения, существования, развития Вселенной. Волнение специалистов, ищущих ответы, строящих и проверяющих гипотезы, оправдано, ведь достоверная теория рождения Вселенной раскроет для всего человечества вероятность существования жизни в других системах и планетах.

Теории возникновения Вселенной имеют характер научных концепций, отдельных гипотез, религиозных учений, философских представлений и мифов. Их все условно разделяют на две основные категории:

1. Теории, в соответствии с которыми Вселенная создана творцом. Иначе говоря, их суть в том, что процесс создания Вселенной был осознанным и одухотворенным действием, проявлением воли высшего разума.
2. Теории возникновения Вселенной, построенные на основе научных факторов. Их постулаты категорически отвергают как существование творца, так и возможность осознанного создания мира. Такие гипотезы зачастую основаны на том, что называется принципом заурядности. Они предполагают вероятность наличия жизни не только на нашей планете, но и на других.

Креационизм – теория создания мира Творцом

Как следует из названия, креационизм (творение) – это религиозная теория возникновения Вселенной. Это мировоззрение основано на концепции создания Вселенной, планеты и человека Богом или Творцом.

Идея длительное время являлась доминирующей, вплоть до конца XIX века, когда ускорился процесс накопления знаний в самых разных сферах науки (биология, астрономия, физика), а также широко распространилась эволюционная теория. Креационизм стал своеобразной реакцией христиан, придерживающихся консервативных взглядов на совершающиеся открытия. Доминирующая в то время идея эволюционного развития только усилила противоречия, существующие между религиозной и другими теориями.

Чем отличаются научные и религиозные теории

Главные отличия между теориями различных категорий заключаются прежде всего в терминах, которые используют их приверженцы. Так, в научных гипотезах вместо творца – природа, а взамен сотворения – происхождение. Наряду с этим существуют вопросы, которые сходным образом освещены разными теориями или даже полностью продублированы.

Теории возникновения Вселенной, относящиеся к противоположным категориям, по-разному датируют само ее появление. Например, по данным самой распространенной гипотезы (теории большого взрыва), Вселенная образовалась около 13 млрд лет назад.

В противовес этому, религиозная теория возникновения Вселенной приводит совершенно другие цифры:

• В соответствии с христианскими источниками, возраст Вселенной, созданной Богом, на момент рождения Иисуса Христа составлял 3483-6984 лет.
• Индуизм предполагает, что нашему миру ориентировочно 155 трлн лет.

Кант и его космологическая модель

Вплоть до XX века большинство ученых придерживались мнения о бесконечности Вселенной. Этим качеством они характеризовали время и пространство. Кроме того, по их мнению, Вселенная обладала статичностью и однородностью.

Идею о безграничности Вселенной в пространстве выдвинул Исаак Ньютон. Развитием этого предположения занимался Эммануил Кант, который разработал теорию об отсутствии также и временных границ. Продвинувшись дальше, в теоретических предположениях, Кант распространил бесконечность Вселенной на число возможных биологических продуктов. Этот постулат значил, что в условиях древнего и огромного мира без конца и начала может существовать неисчислимое количество возможных вариантов, в результате которых реально появление любого биологического вида.

На основании этой теории о возможном возникновении жизненных форм была позднее разработана теория Дарвина. Наблюдения за звездным небом и результаты расчетов астрономов подтвердили космологическую модель Канта.

Размышления Эйнштейна

В начале XX века Альбертом Эйнштейном была опубликована собственная модель Вселенной. Согласно его теории относительности, во Вселенной одновременно происходят два противоположных процесса: расширение и сжимание. Однако он соглашался с мнением большинства ученых о стационарности Вселенной, поэтому им было введено понятие космической силы отталкивания. Ее воздействие призвано уравновешивать притяжение звезд и прекращать процесс движения всех небесных тел для сохранения статичности Вселенной.

Модель Вселенной — по Эйнштейну — имеет определенный размер, но границы при этом отсутствуют. Такое сочетание осуществимо только при искривлении пространства таким образом, как это происходит в сфере.

Характеристиками пространства такой модели становятся:

• Трехмерность.
• Замыкание самого себя.
• Однородность (отсутствие центра и края), в которой равномерно располагаются галактики.

А. А. Фридман: Вселенная расширяется

Создатель революционной расширяющейся модели Вселенной, А. А. Фридман (СССР) построил свою теорию на основании уравнений, характеризующих общую теорию относительности. Правда, общепринятым мнением в научном мире того времени была статичность нашего мира, поэтому на его работы не было обращено должного внимания.

Через несколько лет астрономом Эдвином Хабблом было сделано открытие, давшее подтверждение идеям Фридмана. Было обнаружено удаление галактик от находящегося рядом Млечного пути. Вместе с тем неопровержимым стал факт сохранения пропорциональности скорости их движения расстоянию между ними и нашей галактикой.

Это открытие объясняет постоянное «разбегание» звезд и галактик по отношению друг к другу, что приводит к выводу о расширении мироздания.

В конечном счете выводы Фридмана были признаны Эйнштейном, впоследствии он упоминал о заслугах советского ученого как основателя гипотезы о расширении Вселенной.

Нельзя сказать, что существуют противоречия между этой теорией и общей теорией относительности, однако при расширении Вселенной должен был быть изначальный импульс, спровоцировавший разбегание звезд. По аналогии со взрывом, идея получила название «Большой взрыв».

Стивен Хокинг и антропический принцип

Результатом расчетов и открытий Стивена Хокинга стала антропоцентричная теория возникновения Вселенной. Ее создатель утверждает, что существование планеты, настолько хорошо подготовленной для жизни человека, не может быть случайным.

Теория возникновения Вселенной Стивена Хокинга предусматривает также постепенное испарение черных дыр, потерю ими энергии и испускание излучения Хокинга.

В результате поиска доказательств были выделены и проверены более 40 характеристик, соблюдение которых необходимо для развития цивилизации. Американским астрофизиком Хью Россом была произведена оценка вероятности подобного ненамеренного совпадения. Результатом оказалась цифра 10^-53.

Наша Вселенная включает триллион галактик, по 100 миллиардов звезд в каждой. По произведенным учеными расчетам, общее количество планет должно составлять 10²⁰. Эта цифра на 33 порядка меньше рассчитанной ранее. Следовательно, ни одна из планет во всех галактиках не может сочетать условия, которые подошли бы для самопроизвольного возникновения жизни.

Теория большого взрыва: возникновение Вселенной из ничтожно малой частицы

Ученые, поддерживающие теорию большого взрыва, разделяют гипотезу, в соответствии с которой мироздание является последствием грандиозного взрыва. Главным постулатом теории становится утверждение о том, что до этого события все элементы нынешней Вселенной были заключены в частице, имевшей микроскопические размеры. Находясь внутри нее, элементы характеризовались сингулярным состоянием, при котором такие показатели, как температура, плотность и давление не могут быть измерены. Они бесконечны. На материю и энергию в этом состоянии не воздействуют законы физики.

Причиной взрыва, происшедшего 15 миллиардов лет назад, называют возникшую внутри частицы нестабильность. Разлетевшиеся мельчайшие элементы положили начало тому миру, который мы знаем сегодня.

Вначале Вселенная была туманностью, образованной мельчайшими частицами (мельче атома). Затем, соединяясь, они сформировали атомы, которые послужили основой звездных галактик. Ответ на вопросы о том, что было до взрыва, а также, что стало его причиной, являются важнейшими из задач этой теории возникновения Вселенной.

Таблица схематически изображает этапы формирования мироздания после большого взрыва.

Состояние Вселенной	Временная ось	Предполагаемая температура
Расширение (инфляция)	От 10-45до10-37 секунд	Больше 1026К
Появляются кварки и электроны	10-6 с	Больше 1013 К
Образованы протоны и нейтроны	10-5 с	1012К
Возникают ядра гелия, дейтерия и лития	От 10-4 с до 3 мин	От 1011 до 109 К
Образованы атомы	400 тыс. лет	4000 К
Газовое облако продолжает расширяться	15 млн лет	300 К
Зарождаются первые звезды и галактики	1 млрд лет	20 К
Взрывы звезд провоцируют формирование тяжелых ядер	3 млрд лет	10 К
Прекращается процесс рождения звезд	10-15 млрд лет	3 К
Энергия всех звезд истощается	1014 лет	10-2 К
Черные дыры истощаются и рождаются элементарные частицы	1040 лет	-20 К
Завершается испарение всех черных дыр	10100 лет	От 10-60 до 10-40 К

Как следует из приведенных выше данных, Вселенная продолжает расширяться и охлаждаться.

Постоянное увеличение расстояния между галактиками – основной постулат: то, чем отличается теория большого взрыва. Возникновение Вселенной таким способом может быть подтверждено найденными доказательствами. Также существуют и основания для ее опровержения.

Проблематика теории

Учитывая то, что теория большого взрыва не является доказанной на практике, не вызывает удивления то, что существует несколько вопросов, на которые она не в состоянии дать ответ:

1. Сингулярность. Этим словом обозначено состояние Вселенной, сжатой до одной точки. Проблемой теории большого взрыва становится невозможность описания процессов, происходящих в материи и пространстве в таком состоянии. Общий закон относительности здесь неприменим, поэтому составить математическое описание и уравнения для моделирования нельзя.
   Принципиальная невозможность получения ответа на вопрос об изначальном состоянии Вселенной дискредитирует теорию с самого начала. Ее научно-популярные изложения предпочитают замалчивать или упоминать лишь вскользь эту сложность. Однако для ученых, работающих над тем, чтобы подвести математическую базу под теорию большого взрыва, такое затруднение признано главным препятствием.
2. Астрономия. В этой сфере теория большого взрыва сталкивается с тем, что не может описать процесс происхождения галактик. Исходя из современных версий теорий, возможно предсказать то, как появляется однородное облако газа. При этом его плотность к нынешнему времени должна составлять около одного атома на кубический метр. Для получения чего-то большего не обойтись без корректировки исходного состояния Вселенной. Недостаток информации и практического опыта в этой сфере становятся серьезными препятствиями на пути дальнейшего моделирования.

Также существует несоответствие в показателях расчетной массы нашей галактики и теми данными, которые получены при изучении скорости ее притяжения к галактике Андромеды. Судя по всему, вес нашей галактики в десять раз больше, чем предполагали ранее.

Космология и квантовая физика

Сегодня нет космологических теорий, которые не опирались бы на квантовую механику. Ведь она занимается описанием поведения атомных и субатомных частиц. Отличие квантовой физики от классической (излагаемой Ньютоном) в том, что вторая наблюдает и описывает материальные объекты, а первая предполагает исключительно математическое описание самого наблюдения и измерения. Для квантовой физики материальные ценности не представляют предмета исследований, здесь сам наблюдатель выступает частью исследуемой ситуации.

Исходя из этих особенностей, квантовая механика испытывает затруднения с описанием Вселенной, ведь наблюдатель – это часть Вселенной. Однако, говоря о возникновении мироздания, невозможно представить посторонних наблюдателей. Попытки разработать модель без участия постороннего наблюдателя были увенчаны квантовой теорией возникновения Вселенной Дж. Уилера.

Ее суть в том, что в каждый момент времени происходит расщепление Вселенной и образование бесконечного количества копий. В итоге каждая из параллельных Вселенных может быть наблюдаема, а наблюдатели могут видеть все квантовые альтернативы. При этом изначальный и новые миры реальны.

Инфляционная модель

Основной задачей, которую призвана решить теория инфляции, становится поиск ответа на вопросы, оставшиеся неосвещенными теорией большого взрыва и теорией расширения. А именно:

1. По какой причине Вселенная расширяется?
2. Что представляет собой большой взрыв?

С этой целью инфляционная теория возникновения Вселенной предусматривает экстраполяцию расширения на нулевой момент времени, заключение всей массы Вселенной в одной точке и образование космологической сингулярности, которая часто именуется большим взрывом.

Очевидной становится неактуальность общей теории относительности, которая не может быть применена в этот момент. В результате для разработки более общей теории (или «новой физики») и решения проблемы космологической сингулярности можно применить только теоретические методы, вычисления и выводы.

Новые альтернативные теории

Несмотря на успешность модели космической инфляции, есть ученые, которые выступают против, называя ее несостоятельной. Их основным аргументом становится критика предлагаемых теорией решений. Противники утверждают, что полученные решения оставляют некоторые детали упущенными, иначе говоря, вместо решения проблемы начальных значений, теория лишь искусно их драпирует.

Альтернативой становятся несколько экзотических теорий, идея которых основана на формировании начальных значений до большого взрыва. Новые теории возникновения Вселенной кратко можно описать следующим образом:

• Теория струн. Ее приверженцы предлагают, кроме привычных четырех измерений пространства и времени, ввести дополнительные измерения. Они могли бы играть роль на ранних этапах Вселенной, а в данный момент находиться в компактифицированном состоянии. Отвечая на вопрос о причине их компактификации, ученые предлагают ответ, гласящий, что свойством суперструн является Т-дуальность. Поэтому струны «наматываются» на дополнительные измерения и их размер ограничивается.
• Теория бран. Ее также называют М-теорией. В соответствии с ее постулатами, в начале процесса образования Вселенной существует холодное статичное пятимерное пространство-время. Четыре из них (пространственные) имеют ограничения, или стены – три-браны. Наше пространство выступает одной из стен, а вторая является скрытой. Третья три-брана размещена в четырехмерном пространстве, ее ограничивают две граничные браны. Теория рассматривает столкновение третьей браны с нашей и высвобождение большого количества энергии. Именно эти условия становятся благоприятными для появления большого взрыва.

1. Циклические теории отрицают уникальность большого взрыва, утверждая, что Вселенная переходит из одного состояния в другое. Проблемой подобных теорий становится возрастание энтропии, согласно второму закону термодинамики. Следовательно, длительность предыдущих циклов была меньшей, а температура вещества – существенно выше, чем при большом взрыве. Вероятность этого чрезвычайно мала.

Независимо от того, сколько существует теорий возникновения Вселенной, только две из них выдержали проверку временем и преодолели проблему всевозрастающей энтропии. Они были разработаны учеными Стейнхардтом-Тюроком и Баум-Фрэмптоном.

Эти относительно новые теории возникновения Вселенной выдвинуты в 80-х годах прошлого века. Они имеют немало последователей, которые разрабатывают модели на ее основе, занимаются поиском доказательств достоверности и работают над устранением противоречий.

Теория струн

Одна из наиболее популярных среди теории возникновения Вселенной — теория струн. Прежде чем перейти к описанию ее идеи, необходимо разобраться с понятиями одного из ближайших конкурентов, стандартной модели. Она предполагает, что материю и взаимодействия можно описать как определенный набор частиц, делящихся на несколько групп:

• Кварки.
• Лептоны.
• Бозоны.

Эти частицы являются, по сути, кирпичиками мироздания, так как они настолько малы, что их нельзя разделить на составляющие.

Отличительной чертой теории струн становится утверждение о том, что такие кирпичики являются не частицами, а ультрамикроскопическими струнами, совершающими колебания. При этом, колебаясь на различной частоте, струны становятся аналогами различных частиц, описанных в стандартной модели.

Для понимания теории следует осознать, что струны не являются никакой материей, это энергия. Следовательно, теория струн заключает, что все элементы Вселенной состоят из энергии.

Хорошей аналогией может служить огонь. При взгляде на него создается впечатление его материальности, однако его нельзя осязать.

Космология для школьников

Теории возникновения Вселенной коротко изучают в школах на уроках астрономии. Учащимся описывают основные теории о том, как был образован наш мир, что происходит с ним теперь и как он будет развиваться в дальнейшем.

Целью уроков становится ознакомление детей с природой формирования элементарных частиц, химических элементов и небесных тел. Теории возникновения Вселенной для детей сводят к изложению теории большого взрыва. Преподаватели используют наглядный материал: слайды, таблицы, постеры, иллюстрации. Их основной задачей становится пробуждение у детей интереса к миру, который их окружает.

fb.ru

5 известных теорий возникновения Вселенной, ставших частью поп-культуры — FURFUR

5 популярных теорий возникновения Вселенной, ставших культурными мемами

• 19 декабря 2013 в 16:15
• 140780

Новость о том, что Вселенная, согласно свежей математической теории, может представлять собой голограмму, несколько дней назад взорвала сайт Nature — ведущего научного журнала мира. Как обычно, на расчёты, их методику и место в современной физической космологии обратили внимание немногие — но заголовок, будто материализовавшийся из книги Филипа Дика, разошёлся по всем соцсетям. Подобную судьбу в последние годы наследуют почти все термины такого рода, связанные с научными гипотезами о возникновении сущего, — от «сингулярности» до «тёмной материи». Будьте уверены, поп-культура переварит их и превратит значения слов в нечто максимально таинственное и непонятное — тем более что интерес массового зрителя и читателя к космологии в последние годы неуклонно растёт. В этом материале мы решили собрать другие известные теории возникновения Вселенной, превратившиеся в поп-культурные мемы.

 

1Мифологическая космология

Ничто не мило читателю или зрителю в постмодернистском мире так сильно, как синкретическое сочетание различных мифологий: на этом строится буквально любой супергеройский эпос (лучший пример из недавнего — «Мстители»: германские боги, лавкрафтианские инопланетяне, мессианская фигура жертвующего собой Тони Старка, индустриальный оборотень Халк и т. д., и т. п.). Какое это имеет отношение к научным теориям устройства мира, спросите вы? Самое прямое: истории о ясене Иггдрасиле и черепе Урана предшествовали научному пониманию мира и формировали его. Эту хитрую наследственность в жанровом кинематографе любят демонстрировать в лоб — как в «Звёздных войнах», где обеспечивающая существование далёкой галактики Силы имеет двойную природу — мистическую и биологическую (все помнят слово «мидихлорианы»?), или в «Хижине в лесу», где высокотехнологичный центр поддерживает бесперебойное обеспечение древних богов человечиной.

 

 

 

  

Истории о ясене Иггдрасиле
и черепе Урана предшествовали научному пониманию мира
и формировали его.

  

 

 

 

 

2Мультиверс

Представлению о множественности миров гораздо больше лет, чем вы, скорее всего, думаете — и мы сейчас не имеем в виду индуистскую концепцию перерождения. Еще в XII веке мусульманский философ Фахруддин ар-Рази предположил, что за пределами нашего мира существует пустота, заполненная другими вселенными — а в начале XXI века такая точка зрения является крайне популярной частью персонализированной метафизики. Кстати говоря, личностные квазирелигиозные воззрения, сочетающие в себе христианскую мораль, представления о карме и параллельных мирах раньше любил описывать Дуглас Коупленд — в «Поколении X» для этого даже вводится специальный термин, «селф-изм». Что касается мультиверса, то он стал общим местом в научной фантастике и комиксах как таковых: именно так компания DC, скажем, объясняет одновременное существование полудюжины версий Бэтмена. С другой стороны, в данном случае интерпретация понятия довольно далеко ушла от его современной дефиниции: там, где в нынешней квантовой механике продолжается активная дискуссия о правомерности «многомировой» гипотезы, делающей реальными абсолютно все исходы и события (в том случае если они принципиально возможны), в научной фантастике (от «Эффекта бабочки» Брэдбери до трилогии «Назад в будущее») части мультиверса почти всегда так или иначе влияют друг на друга.

 

3Теория Большого Взрыва

Наиболее часто встречающееся в современной поп-культуре космологическое понятие — соответствующее словосочетание можно найти в текстах песен (между прочим, групп с таким названием существует как минимум три: норвежская металлическая, британская синтипоповая и корейский бойз-бэнд), в бесчисленных сценариях комиксов и, разумеется, в названии популярного ситкома о гиперболизированной жизни молодых учёных. Как ни странно, суть события при пересказе почти не перевирают: действительно, Большой Взрыв — это своеобразный «акт творения» Вселенной; событие, в результате которого появились и время, и материя. Именно поэтому, например, бессмысленно задаваться вопросом «что было до Большого Взрыва?» — поскольку само время появилось ровно с началом этого события! (Этот момент хорошо проясняется в «Краткой истории времени», классическом нон-фикшне Стивена Хокинга.) Не зря к этой теории тепло относился Иоанн Павел II: действительно, она довольно неплохо стыкуется с космологией авраамических религий.

 

 

 

  

Большой Взрыв — это своеобразный «акт творения» Вселенной; событие, в результате которого появились и время, и материя.

  

 

 

 

4Эволюционная космология

Строго говоря, эволюция — что в исходном понимании гениального Чарльза Дарвина, что в современной версии, рассматривающей эволюцию в применении к популяциям, — не является космологической теорией и описывает лишь развитие жизни. Но в расширительном смысле идея и философия бесконечного изменения находит очень большой отклик у людей творческих профессий — в том числе её переносят на такие метафизические материи как этика и эстетика. Ярчайшим примером работы на эту тему является «Древо жизни» Терренса Малика: даже если не рассматривать те моменты, где режиссёр обращается к космологии напрямую (речь о вызвавших противоречивые отзывы зрителей моментах с древней Землёй, населённой динозаврами), идея эволюционного изменения — это смысловой стержень фильма.

 

5Теория струн

Попыток модификации Теории Большого Взрыва за те почти уже 100 лет, что она существует, было предпринято довольно много. Теорию струн часто называют очередной «теорией всего» или наследницей теории расширяющейся Вселенной, возникнувшей в результате Большого Взрыва, — но, строго говоря, это не совсем так. Хороших объяснений теории струн «на пальцах» почти нет и по сей день (притом что её история насчитывает несколько десятилетий). Главное, что вам нужно знать о ней, — это то, что в её рамках мир представляется не четырёхмерным, как в эйнштейновском варианте общей теории относительности (три пространственных измерения + время), а вовсе даже 11-мерным: такая интерпретация позволяет получить определённые математические преимущества и снять ряд противоречий между экспериментом и теорией. Несмотря на строгую математичность, за теорией сохраняется эзотерический флёр: именно в таком ключе её использовали режиссер Ридли Скотт и автор сценария Кормак Маккарти в недавнем философском экшене «Советник». Вибрация многомерных струн здесь воспринимается как в метафорическом, так и в совершенно буквальном смысле: струны нарушают структуру мироздания — и разрушают жизни.

www.furfur.me

Теории происхождения вселенной ≪ Scisne?

Терри Пратчетт описал традиционный взгляд на создание Вселенной примерно так: «В начале было ничего, которое взорвалось». Современная точка зрения космологии подразумевает, что расширяющаяся Вселенная возникла в результате Большого Взрыва, и она хорошо поддерживается доказательствами в виде реликтового излучения и смещением далекого света в направлении красной части спектра: Вселенная расширяется постоянно.

И все же далеко не всех удалось в этом убедить. В течение многих лет предлагались самые разные альтернативы и различные мнения. Некоторые интересные предположения остаются, увы, непроверяемыми с применением наших современных технологий. Другие представляют собой полеты фантазии, восставшей против непостижимости Вселенной, которая, кажется, бросает вызов человеческим представлениям о здравом смысле.

Теория стационарной Вселенной

Согласно недавно восстановленной рукописи Альберта Эйнштейна, великий ученый отдал дань уважения британскому астрофизику Фреду Хойлу за теорию о том, что пространство может расширяться в течение неопределенного времени, сохраняя равномерную плотность, если постоянно будет появляться новая материя в процессе спонтанной генерации. В течение многих десятилетий многие считали идеи Хойла ерундой, но недавно обнаруженный документ показывает, что Эйнштейн как минимум серьезно рассматривал его теорию.

Теорию стационарной Вселенной была предложена в 1948 году Германом Бонди, Томасом Голдом и Фредом Хойлом. Она вышла из идеального космологического принципа, который гласит, что вселенная выглядит по существу одинаково в каждой точке в любое время (в макроскопическом смысле). С философской точки зрения он привлекателен, поскольку тогда у вселенной нет начала и конца. Теория была популярна в 50-60-х годах. Столкнувшись с указаниями на то, что Вселенная расширялась, ее сторонники предположили, что во вселенной постоянно рождается новая материя, в постоянном, но умеренном темпе — несколько атомов на кубический километр в год.

Наблюдения квазаров в далеких (и старых, с нашей точки зрения) галактиках, которых в наших звездных окрестностях не существует, охладили энтузиазм теоретиков, и ее окончательно развенчали, когда ученые обнаружили космическое фоновое излучение. Тем не менее, хотя теория Хойла не принесла ему лавров, он провел серию исследований, которые показали, как во вселенной появились атомы тяжелее гелия. (Они появились в процессе жизненного цикла первых звезд при высоких температурах и давлении). По иронии судьбы, он также был одним из создателей термина «большой взрыв».

Утомленный свет

Эдвин Хаббл заметил, что длины волн света далеких галактик смещаются в направлении красной части спектра, если сравнивать со светом, излученным звездными телами поблизости, что говорит об утрате фотонами энергии. «Красное смещение» объясняется в контексте расширения после Большого Взрыва как функция эффекта Доплера. Сторонники моделей стационарной вселенной вместо этого предположили, что фотоны света теряют энергию постепенно по мере движения через космос, переходя к длинным волнам, менее энергетическим в красном конце спектра. Эту теорию впервые предложил Фриц Цвикки в 1929 году.

С утомленным светом связывают целый ряд проблем. Во-первых, нет никакого способа изменить энергию фотона без изменения его импульса, что должно приводить к эффекту размытия, который мы не наблюдаем. Во-вторых, он не объясняет наблюдаемые паттерны излучения света сверхновых, которые прекрасно соотносятся с моделью расширяющейся вселенной и специальной относительности. Наконец, большинство моделей утомленного света базируются на нерасширяющейся вселенной, но это приводит к спектру фонового излучения, который не соответствует нашим наблюдениям. В численном выражении, если бы гипотеза утомленного света была корректной, вся наблюдаемая радиация космического фона должна была бы приходить из источников, которые ближе к нам, чем галактика Андромеды (ближайшая к нам галактика), а все, что за ней, было бы для нас невидимо.

Вечная инфляция

Большинство современных моделей ранней Вселенной постулируют короткий период экспоненциального роста (известный как инфляция), вызванный энергией вакуума, в процессе которого соседствующие частицы оказались быстро разделенными огромными областями пространства. После этой инфляции, энергия вакуума распалась на горячий плазменный бульон, в котором образовались атомы, молекулы и так далее. В теории вечной инфляции этот процесс инфляции никогда не заканчивался. Вместо этого пузыри пространства прекратили бы раздуваться и вступили бы в низкоэнергетическое состояние, чтобы после расшириться в инфляционном пространстве. Такие пузыри были бы подобны пузырям пара в кипящей кастрюле с водой, только в этот раз кастрюля постоянно увеличивалась бы.

По этой теории наша Вселенная — один из пузырьков множественной вселенной, характеризующейся постоянной инфляцией. Один из аспектов этой теории, который можно было бы проверить, это допущение, что две вселенные, которые будут достаточно близко, чтобы встретиться, вызовут нарушения в пространстве-времени каждой вселенной. Лучшей поддержкой такой теории будет обнаружение доказательства такого нарушения на фоне реликтового излучения.

Первую инфляционную модель предложил советский ученый Алексей Старобинский, но на западе известной она стала благодаря физику Алану Гуту, который предположил, что ранняя вселенная могла переохладиться и позволить экспоненциальному росту начаться еще до Большого Взрыва. Андрей Линде взял эти теории и разработал на их основе теорию «вечного хаотического расширения», согласно которой вместо необходимости Большого Взрыва, при необходимой потенциальной энергии, расширение может начаться в любой точки скалярного пространства и происходить постоянно во всей мультивселеннной.

Вот что говорит Линде: «Вместо вселенной с одним законом физики, вечная хаотическая инфляция предполагает самовоспроизводяющуюся и вечно существующую мультивселенную, в которой все возможно».

Мираж четырехмерной черной дыры

Стандартная модель Большого Взрыва утверждает, что Вселенная взорвалась из бесконечно плотной сингулярности, но это не облегчает задачу объяснения ее почти однородной температуры, учитывая относительно короткое время (по меркам космоса), которое прошло со времен этого жестокого события. Некоторые считают, что это могла бы объяснить неизвестная форма энергии, которая привела к тому, что вселенная расширилась быстрее скорости света. Группа физиков из Института теоретической физики Периметра предположила, что вселенная может быть по сути трехмерным миражом, созданным на горизонте событий четырехмерной звезды, коллапсирующей в черную дыру.

Ниайеш Афшорди и его коллеги изучали предложение 2000 года, сделанное командой Университета Людвига Максимилиана в Мюнхене, на тему того, что наша Вселенная может быть лишь одной мембраной, существующей в «объемной вселенной» с четырьмя измерениями. Они решили, что если эта объемная вселенная также содержит четырехмерные звезды, они могут вести себя подобно своим трехмерным коллегам в нашей вселенной — взрываясь в сверхновые и коллапсируя в черные дыры.

Трехмерные черные дыры окружены сферической поверхностью — горизонтом событий. В то время как поверхность горизонта событий трехмерной черной дыры двумерна, форма горизонта событий четырехмерной черной дыры должна быть трехмерной — гиперсферой. Когда команда Афшорди смоделировала смерть четырехмерной звезды, она обнаружила, что извергаемый материал образовал трехмерную брану (мембрану) вокруг горизонта событий и медленно расширился. Команда предположила, что наша Вселенная может быть миражом, сформированным из обломков внешних слоев четырехмерной коллапсирующей звезды.

Поскольку четырехмерная объемная вселенная может быть намного старше, или даже бесконечно старой, это объясняет однородную температуру, наблюдаемую в нашей Вселенной, хотя некоторые из последних данных свидетельствуют о том, что могут быть отклонения, вследствие которых традиционная модель подходит лучше.

Зеркальная Вселенная

Одна из запутанных проблем физики такова, что почти все принятые модели, включая гравитацию, электродинамику и относительность, работают одинаково хорошо в описании Вселенной, независимо от того, идет время вперед или назад. В реальном же мире мы знаем, что время движется лишь в одном направлении, и стандартное объяснение этому в том, что наше восприятие времени есть лишь продукт энтропии, в процессе которой порядок растворяется в беспорядке. Проблема этой теории в том, что из нее вытекает, что наша Вселенная начала с высокоупорядоченного состояния и низкой энтропии. Многие ученые несогласны с понятием низкоэнтропийной ранней вселенной, фиксирующей направление времени.

Джулиан Барбур из Оксфордского университета, Тим Козловски из Университета Нью-Брансвик и Флавио Меркати из Института теоретической физики Периметра разработали теорию, согласно которой гравитация привела к тому, что время стало течь вперед. Они изучили компьютерное моделирование частиц в 1000 точек, взаимодействующих между собой под влиянием ньютоновой гравитации. Выяснилось, что независимо от их размера или размера, частицы в конечном итоге образуют состояние низкой сложности с минимальным размером и максимальной плотностью. Затем эта система частиц расширяется в обоих направлениях, создавая две симметричных и противоположных «стрелы времени», а с ней и более упорядоченные и сложные структуры по обе стороны.

Это позволяет предположить, что Большой Взрыв привел к созданию не одной, а двух вселенных, в каждой из которых время течет в противоположную от другой сторону. По мнению Барбура:

«Эта ситуация с двумя будущими будет демонстрировать единое хаотичное прошлое в обоих направлениях, означая, что будет по сути две вселенных, по каждую сторону центрального состояния. Если они будут достаточно сложными, обе стороны будут поддерживать наблюдателей, которые смогут воспринимать течение времени в обратном направлении. Любые разумные существа определят свою стрелу времени как удаление от центрального состояния. Они будут думать, что мы сейчас живем в их далеком прошлом».

Конформная циклическая космология

Сэр Роджер Пенроуз, физик Оксфордского университета, считает, что Большой Взрыв не был началом Вселенной, а лишь переходом по мере того, как она проходит через циклы расширения и сжатия. Пенроуз предположил, что геометрия пространства изменяется со временем и становится все более запутанной, как описывает математическое понятие тензора кривизны Вейля, который начинается с нуля и увеличивается со временем. Он считает, что черные дыры действуют, уменьшая энтропию Вселенной, и когда последняя достигает конца расширения, черные дыры поглощают материю и энергию и, в конце концов, друг друга. По мере распада материи в черных дырах, она исчезает в процессе излучения Хокинга, пространство становится однородным и наполненным бесполезной энергией.

Это приводит к понятию конформной инвариантности, симметрии геометрий с разными масштабами, но одной формы. Когда Вселенная уже не сможет соответствовать изначальным условиям, Пенроуз считает, что конформное преобразование приведет геометрию пространства к сглаживанию, и деградировавшие частицы вернутся к состоянию нулевой энтропии. Вселенная коллапсирует сама в себя, готовая разразиться новым Большим Взрывом. Отсюда следует, что Вселенная характеризуется повторяющимся процессом расширения и сжатия, который Пенроуз поделил на периоды под названием «эоны».

Панроуз и его партнер, Ваагн (Ваге) Гурзадян из Ереванского физического института в Армении, собрали спутниковые данные NASA о реликтовом излучении и заявили, что нашли 12 четких концентрических колец в этих данных, которые, по их мнению, могут быть доказательством гравитационных волн, вызванных столкновением сверхмассивных черных дыр в конце предыдущего эона. Пока это главное доказательство теории конформной циклической космологии.

Холодный Большой Взрыв и сжимающаяся Вселенная

Стандартная модель Большого Взрыва говорит, что после того, как вся материя взорвалась из сингулярности, она раздулась в горячую и плотную Вселенную и начала медленно остывать в течение миллиардов лет. Но эта сингулярность создает ряд проблем, когда ее пытаются впихнуть в общую теорию относительности и квантовую механику, поэтому космолог Криштоф Веттерих из Университета Гейдельберга предположил, что Вселенная могла начаться с холодного и огромного пустого пространства, которое становится активным лишь потому, что сжимается, а не расширяется в соответствии со стандартной моделью.

В этой модели, красное смещение, наблюдаемое астрономами, может быть вызвано увеличением массы вселенной по мере сжатия. Свет, излученный атомами, определяется массой частиц, больше энергии проявляется по мере движения света в голубую часть спектра и меньше — в красную.

Главная проблема теории Веттериха в том, что ее невозможно подтвердить измерениями, поскольку мы сравниваем лишь соотношения различных масс, а не самих масс. Один физик пожаловался, что эта модель сродни утверждению, что не Вселенная расширяется, а линейка, которой мы ее измеряем, сжимается. Веттерих говорил, что не считает свою теорию заменой Большому Взрыву; он лишь отмечал, что она соотносится со всеми известными наблюдениями Вселенной и может быть более «естественным» объяснением.

Круги Картера

Джим Картер — ученый-любитель, разработавший личную теорию о вселенной, основанную на вечной иерархии «цирклонов», гипотетических круглых механических объектов. Он считает, что всю историю Вселенной можно объяснить как поколения цирклонов, развивающихся в процессе воспроизводства и деления. К такому выводу ученый пришел после наблюдения идеального кольца пузырьков, выходящих из его дыхательного аппарата, когда он занимался подводных плаванием в 1970-х годах, и отточил свою теорию экспериментами с участием контролируемых колец дыма, мусорных баков и резиновых листов. Картер считал их физическим воплощением процесса под названием цирклонная синхронность.

Он говорил, что цирклонная синхронность являет собой лучшее объяснение создания Вселенной, нежели теория Большого Взрыва. Его теория живой вселенной постулирует, что хотя бы один атом водорода существовал всегда. В начале один атом антиводорода плавал в трехмерной пустоте. У этой частицы была такая же масса, как и у всей вселенной, и состояла она из положительно заряженного протона и отрицательно заряженного антипротона. Вселенная пребывала в завершенной идеальной дуальности, но отрицательный антипротон гравитационно расширялся чуть быстрее, чем положительный протон, что приводило к потере им относительной массы. Они расширялись по направлению друг к другу, пока отрицательная частица не поглотила положительную, и они не сформировали антинейтрон.

Антинейтрон тоже был несбалансирован по массе, но в конечном итоге вернулся в равновесие, что привело к расщеплению его на два новых нейтрона из частицы и античастицы. Этот процесс вызвал экспоненциальный рост числа нейтронов, некоторые из которых уже не расщеплялись, а аннигилировали в фотоны, которые легли в основу космических лучей. В конечном итоге вселенная стала массой стабильных нейтронов, которые существовали определенное время перед распадом, и позволили электронам впервые объединиться с протонами, образовав первые атомы водорода и наполнив вселенную электронами и протонами, активно взаимодействующими с образованием новых элементов.

Немного безумия не повредит. Большинство физиков считает идеи Картера бредом неуравновешенного, который даже не подлежит эмпирическому обследованию. Эксперименты Картера с кольцами дыма использовались в качестве доказательства ныне дискредитированной теории эфира 13 лет назад.

Плазменная Вселенная

Если в стандартной космологии гравитация остается главной управляющей силой, в плазменной космологии (в теории электрической вселенной) большая ставка делается на электромагнетизм. Одним из первых сторонников этой теории был русский психиатр Иммануил Великовский, который написал в 1946 году работу под названием «Космос без гравитации», в которой заявил, что гравитация — это электромагнитный феномен, вытекающий из взаимодействия между зарядами атомов, свободными зарядами и магнитных полей солнца и планет. В дальнейшем эти теории прорабатывал уже в 70-х годах Ральф Юргенс, утверждавший, что звезды работают на электрических, а не на термоядерных процессах.

Существует много итераций теории, но ряд элементов остается одним. Теории плазменной вселенной утверждают, что Солнце и звезды электрически питаются дрейфовыми токами, что некоторые особенности планетарной поверхности вызываются «сверхмолниями» и что хвосты комет, марсианские пыльные дьяволы и образование галактик — все это электрические процессы. По этим теориям, глубокий космос заполнен гигантскими нитями электронов и ионов, которые скручиваются вследствие действия электромагнитных сил в космосе и создают физическую материю вроде галактик. Плазменные космологи допускают, что Вселенная бесконечна в размере и возрасте.

Одной из самых влиятельных книг на эту тему стала «Большого Взрыва никогда не было», написанная Эриком Лернером в 1991 году. Он утверждал, что теория Большого Взрыва неправильно предсказывает плотность легких элементов вроде дейтерия, лития-7 и гелия-4, что пустоты между галактиками слишком велики, чтобы их можно было объяснить временными рамками теории Большого Взрыва, и что яркость поверхности далеких галактик наблюдается как постоянная, тогда как в расширяющейся вселенной эта яркость должна уменьшаться с расстоянием вследствие красного смещения. Он также утверждал, что теория Большого Взрыва требует слишком много гипотетических вещей (инфляция, темная материя, темная энергия) и нарушает закон сохранения энергии, поскольку Вселенная якобы родилась из ничего.

Напротив, говорит он, теория плазмы правильно предсказывает изобилие легких элементов, макроскопическую структуру Вселенной и поглощение радиоволн, являющихся причиной космического микроволнового фона. Многие космологи утверждают, что лернеровская критика космологии Большого Взрыва базируется на понятиях, которые считались неправильными на момент написания его книги, и на его объяснениях, что наблюдения космологов Большого Взрыва приносят больше проблем, чем могут решить.

Бинду-випшот

Пока мы не затрагивали религиозные или мифологические истории сотворения вселенной, но сделаем исключение для индуистской истории создания, поскольку ее можно с легкостью увязать с научными теориями. Карл Саган однажды сказал, что это «единственная религия, в которой временные рамки отвечают современной научной космологии. Ее циклы переходят от наших обычных дня и ночи до дня и ночи Брахмы, длиной в 8,64 миллиарда лет. Дольше, чем существовала Земля или Солнце, почти половина времени с момента Большого Взрыва».

Ближайшая к традиционной идее Большого Взрыва вселенной обнаруживается в индуистской концепции бинду-випшот (буквально «точка-взрыв» на санскрите). Ведические гимны древней Индии гласили, что бинду-випшот произвел звуковые волны слога «ом», который означает Брахмана, Абсолютную Реальность или Бога. Слово «Брахман» имеет санскритский корень brh, означающий «большой рост», что можно связать с Большим Взрывом, согласно писанию Шабда Брахман. Первый звук «ом» интерпретируется как вибрация Большого Взрыва, обнаруженная астрономами в форме реликтового излучения.

Упанишады объясняют Большой Взрыв как одно (Брахман), желающее стать многим, чего он и достиг за счет большого взрыва как усилия воли. Создание часто изображается как лила, или «божественная игра», в том смысле, что вселенная создавалась как часть игры, и запуск в виде большого взрыва тоже был ее частью. Но разве игра будет интересной, если в ней будет всеведущий игрок, знающий, как она будет проходить?

По материалам listverse.com

scisne.net

Происхождение Вселенной: теория «Большой взрыв, но не такой, каким мы его знаем»

Алена Лепилина

Все слышали о теории Большого взрыва, которая объясняет (по крайней мере, на данный момент) зарождение нашей Вселенной. Однако в ученых кругах всегда найдутся желающие оспорить идеи — из этого, кстати, нередко и вырастают великие открытия.

Астрофизик Джон Гриббин в своей книге рассказывает о разных теориях происхождения Вселенной, о реликтовом излучении, о любопытной, почти детективной истории его обнаружения, в которой «замешаны» советские физики, и о Нобелевской премии, буквально уплывшей из рук.

Большой взрыв и советский след

К середине 1940-х годов стало ясно, что большую часть видимой материи во Вселенной составляют водород и гелий. Яркие звезды и галактики состоят из водорода примерно на 75% и из гелия примерно на 24%. Водород — самый простой элемент: каждый его атом состоит всего из одного протона и одного электрона, поэтому физики не могли понять, как же сформировались прочие элементы.

Первым ученым, который применил космологические идеи в попытке понять происхождение химических элементов, стал Георгий Гамов — физик — эмигрант из СССР. Получив подтверждение того, что Вселенная непрерывно расширяется — тогда это открытие только было сделано — Гамов первым поддержал идею, что она образовалась из исходного плотного и горячего состояния под влиянием того, что мы сегодня называем Большим взрывом.

Георгий Гамов, – источник

Гамов предположил, что сначала был горячий, плотный газ. И он состоял из нейтронов — очень нестабильных частиц, которые быстро распадаются и образуют атомы водорода. А сталкиваясь друг с другом, они могут образовывать еще и гелий. Однако в теории был пробел.

Гамов вместе со своим аспирантом Альфером выяснил, что получить так гелий действительно несложно. Однако более тяжелые элементы, которые тоже присутствуют во Вселенной, просто не успели бы сформироваться — Вселенная остыла б раньше, чем бы завершился процесс. Гамова это не смутило. Никогда не сомневавшийся в своих силах ученый заявил, что его теория объясняет происхождение 99% видимой Вселенной, так что остальное — всего лишь детали, которые можно оставить для выяснения другим исследователям.

Теория стационарной Вселенной

Несмотря на то, что Гамов вместе с коллегами сделал ключевой шаг в космологии уже потому, что впервые доказал возможность проведения научных расчетов в рамках теории Большого взрыва, оставались белые пятна. Вопрос происхождения всех элементов, помимо водорода и гелия, висел в воздухе.

Неясность с происхождением элементов  и ядерным синтезом стала одной из причин, по которой в том же 1948 году Германом Бонди, Томми Голдом и Фредом Хойлом была выдвинута альтернатива Большому взрыву — теория стационарной Вселенной.

В основе их концепции лежала идея, что хотя Вселенная и расширяется (скопления звезд, называемые галактиками, отходят дальше друг от друга), она не образовалась в конкретный момент времени из некоего горячего и плотного состояния — а всегда имела приблизительно нынешний вид.

источник

По мере расширения в промежутках между галактиками возникает новая материя в виде атомов водорода, которая затем включается в новые звезды и галактики. Далее внутри звезд происходит ядерный синтез. Хойл обнаружил, что, хотя ядерный синтез внутри звезд действительно объяснял возникновение пресловутого 1% материи, объяснить происхождение всего гелия во Вселенной с его помощью было невозможно.

Для интерпретации всех элементов в видимой Вселенной необходимо было использовать еще и идею ядерного синтеза согласно теории Большого взрыва…

Альтернативная теория Большого взрыва

Роберт Дикке, американский физик, известен своими работами в области астрофизики, атомной физики, космологии и гравитации. И одной интересной идеей. Совсем коротко идею Дикке можно назвать «Большой взрыв, но не такой, каким мы его знаем».

Дикке смущала мысль, что вся материя во Вселенной могла быть создана за долю секунды во время Большого взрыва, но ему не казалось правдоподобным и то, что материя создается непрерывно в промежутках между галактиками. Впрочем, существовал еще и третий вариант — так называемая циклическая Вселенная.

Согласно этой теории, количество материи во Вселенной остается неизменным, но после фазы расширения наступает фаза сжатия: Вселенная доходит до горячего и плотного состояния, как перед Большим взрывом, и вновь расширяется, возрождаясь, словно Феникс.

Массивное скопление галактик под названием Abell 1689 и множество более отдаленных галактик; сфотографировано космическим телескопом «Хаббл». Фото из книги «Интерстеллар. Наука за кадром»

Однако, понял Дикке, если бы эта модель была реальной, то не было бы двух видов звезд — Населения I и Населения II, молодых и старых звезд. А они были. Значит, Вселенная вокруг нас все-таки развилась из горячего и плотного состояния. Даже если это был не единственный в истории Большой взрыв.

Удивительно, правда? Вдруг этих взрывов было несколько? Десятки, сотни? Науке еще предстоит это выяснить. Дикке предложил своему коллеге Пиблсу просчитать необходимую для описанных процессов температуру и вероятную температуру остаточного излучения в наши дни. Примерные расчеты Пиблса показали, что сегодня Вселенная должна быть наполнена микроволновым излучением с температурой менее 10 К, и Ролл с Уилкинсоном уже готовились искать это излучение, когда раздался звонок…

Трудности перевода

Однако тут стоит перенестись в другой уголок земного шара — в СССР. Ближе всех к открытию реликтового излучения подошли (и тоже не довели дело до конца!) в СССР. Проделав в течение нескольких месяцев огромную работу, отчет о которой вышел в 1964 году, советские ученые сложили, казалось, все части головоломки, не хватило лишь одной. Яков Борисович Зельдович, один из колоссов советской науки, осуществил расчеты, аналогичные тем, что провел коллектив Гамова (советского физика, живушего в США), и тоже пришел к выводу, что Вселенная должна была начаться с горячего Большого взрыва, оставившего фоновое излучение с температурой в несколько кельвинов.

Яков Борисович Зельдович, – источник

Он даже знал о статье Эда Ома в «Техническом журнале Bell System», который примерно высчитал температуру реликтового излучения, но неверно интерпретировал выводы автора. Почему же советские исследователи не поняли, что Ом уже открыл это излучение? Из-за ошибки в переводе. В статье Ома утверждалось, что измеренная им температура неба составила около 3 К. Это означало, что он вычел все возможные источники радиопомех и что 3 К — это температура оставшегося фона.

Однако по случайному совпадению такой же (3 К) была и температура излучения атмосферы, поправку на которую Ом тоже сделал. Советские специалисты ошибочно решили, что именно эти 3 К и остались у Ома после всех предыдущих корректировок, вычли и их и остались ни с чем.

В наши дни подобные ошибки понимания легко устранились бы в процессе электронной переписки, но в начале 1960-х годов коммуникация между учеными Советского Союза и Соединенных Штатов была весьма затруднена. Это и стало причиной столь обидной ошибки.

Нобелевская премия, которая уплыла из рук

Вернемся в день, когда в лаборатории Дикке раздался телефонный звонок. Оказывается, в это же время астрономы Арно Пензиас и Роберт Вильсон сообщили, что им случайно удалось уловить слабый радиошум, поступающий из всего космического пространства. Тогда они еще не знали, что другой коллектив ученых самостоятельно пришел к идее существования такого излучения и даже начал строить детектор для его поиска. Это был коллектив Дикке и Пиблса.

Еще удивительнее и то, что космическое микроволновое фоновое, или, как его еще называют, реликтовое, излучение было более чем за десять лет до этого описано в рамках модели возникновения Вселенной в результате Большого взрыва Георгием Гамовым и его коллегами. Ни одна, ни другая группа ученых об этом не знала.

Пензиас и Вильсон случайно узнали о работе ученых под руководством Дикке и решили им позвонить, чтобы обсудить это. Дикке внимательно выслушал Пензиаса и сделал несколько замечаний. Положив трубку, он повернулся к коллегам и сказал: «Ребята, нас обскакали».

Спустя почти 15 лет, после того как множество измерений, произведенных на самых разных длинах волн многими группами астрономов, подтвердили, что открытое ими излучение действительно реликтовое эхо Большого взрыва, имеющее температуру 2,712 К, Пензиас и Вильсон разделили Нобелевскую премию за свое изобретение. Хотя поначалу они даже не хотели писать статью о своем открытии, потому что считали его несостоятельным и не укладывающимся в модель стационарной Вселенной, которой они придерживались!

Говорят, Пензиас и Вильсон сочли бы для себя достаточным упоминание в качестве пятого и шестого имени в списке после Дикке, Пиблса, Ролла и Уилкинсона. В таком случае Нобелевская премия, видимо, ушла бы Дикке. Но все случилось так, как случилось.

По материалам книги «13.8. В поисках истинного возраста Вселенной и теории всего»

P.S.: Подписывайтесь на нашу рассылку. Раз в две недели будем присылать 10 самых интересных и полезных материалов из блога МИФ.

blog.mann-ivanov-ferber.ru

Теории возникновения Сущего (Вселенной, не меньше!)

Окружающий нас мир велик и многообразен. Все, что окружает нас, будь то другие люди, животные, растения, видимые только под микроскопом мельчайшие частички и гигантские скопления звезд, микроскопические атомы и огромные туманности, составляет то, что принято называть Вселенной.
С незапамятных времен человеческий разум интересует вопрос о возникновении мира. Еще не существовало таких понятий как религия и наука, а человек уже задумывался о мироустройстве и своем положении в окружавшем его пространстве.
Возникновение Вселенной и на данный момент остается одной из самых интересных и не изученных загадок современной космологии. Как появилась Вселенная, какие процессы способствовали возникновению звезд, солнечных систем, галактик, планет, что было до появления Вселенной, имеет ли она начало и конец? Вот лишь немногие вопросы, ответы на которые пытаются получить современные ученые.
Вопрос о происхождении Вселенной является своего рода основополагающим. Загадка возникновения жизни на Земле, а также возможности зарождения жизни на других планетах, так или иначе раскрывается, исходя из теорий о рождении Вселенной.
Итак, гипотез о возникновении Вселенной существует множество, это и научные концепции, и отдельные теории, и религиозные учения, и философские представления, и мифы о сотворении мира древних июлей. Однако все их можно условно разделить на две группы:
1. Теории возникновения Вселенной (в первую очередь религиозные), в которых в качестве созидающего фактора выступает Творец. Иными словами, согласно им, Вселенная представляет собой одухотворенное и осознанное творение, появившееся в результате воли Высшего разума;
2. Теории возникновения Вселенной, основывающиеся на научных факторах и отвергающие как само понятие Творца, так и его участие в создании мира. Они часто основываются на принципе заурядности, который рассматривает возможность существования жизни не только на нашей, но и на других планетах, находящихся в других солнечных системах или даже галактиках.
Различие этих концепций кроется, в первую очередь, в разных терминологиях, например, природа — творец, сотворение — происхождение. Зато в некоторых других вопросах отдельные научные и религиозные теории пересекаются или даже повтори ют друг друга.
Кроме различных концепций о происхождении Вселенной существуют также религиозные и научные датировки этого грандиозного события. Так, самая распространенная научная теория о возникновении Вселенной — теория Большого взрыва — утверждает, что Вселенная возникла примерно 13 млрд лет назад.
По различным христианским источникам, от сотворения мира Богом до рождения Иисуса Христа прошло от 3483 до 6984 лет. В индуизме с момента начала мироздания прошло примерно 155 трлн лет.
Однако рассмотрим некоторые концепции возникновения Вселенной подробнее.

Космологическая модель Канта

До начала XX в. среди ученых господствовала теория о том, что Вселенная бесконечна в пространстве и времени, статична и однородна. Еще Исаак Ньютон сделал предположение о том, что она безгранична в пространстве, а немецкий философ Эммануил Кант, основываясь на работах Ньютона и развивая его идеи, выдвинул теорию о том, что у Вселенной также нет начала и во времени. Он ссылался на законы механики и ими объяснял все происходящие во Вселенной процессы.
В своей теории Кант продвинулся еще дальше, распространив ее также и на биологию. Он утверждал, что в не имеющей начала и конца древней и огромной Вселенной существует бесконечное число возможностей, благодаря которым на свет может появиться любой биологический продукт. Эта теория о возможности возникновения жизни во Вселенной позднее легла в основу теории Дарвина.
Космологическая модель Канта нашла подтверждение благодаря наблюдениям астрономов XVIII— XIX вв. за движениями светил и планет. В скором времени его гипотеза стала теорией, которая к началу XX в. уже считалась единственно верной. Она не вызывала сомнений, даже несмотря на светометрический парадокс, или парадокс темного ночного неба, заключающийся в том, что в бесконечной Вселенной существует нескончаемое количество звезд, сумма яркостей которых должна образовывать бесконечную яркость. Иными словами, ночное небо было бы полностью покрыто яркими звездами, а в реальности оно тёмное, так как количество звезд и галактик исчислимо.

Модель Вселенной Эйнштейна (статическая Вселенная)

В 1916 г. увидел свет труд Альберта Эйнштейна Основы общей теории относительности», а уже и 1917 г. на основе уравнений этой теории он развил свою модель Вселенной.
Большинство ученых того времени сходилось но мнении, что Вселенная стационарна, и Эйнштейн также придерживался этого мнения, поэтому старался создать такую модель, в которой Вселенная не должна была расширяться или сжиматься. Это местами шло вразрез с его собственной теорией относительности, из уравнений которой следует, что Вселенная расширяется и одновременно происходи се торможение. Поэтому Эйнштейн ввел такое понятие, как космическая сила отталкивания, которая уравновешивает притяжение звезд и прекращает движение небесных тел, благодаря чему Вселенная остается статической.
Вселенная Эйнштейна имела конечные размеры, но вместе с тем у нее не было границ, что возможно только в том случае, когда пространство искривлено, как, например, в сфере.
Итак, пространство в модели Эйнштейна было трехмерным, оно замыкало само себя и было однородным, т.е. у него не было центра и краев, и в нем равномерно рас полагались галактики.

Модель расширяющейся Вселенной (Вселенная Фридмана, нестационарная Вселенная)

В 1922 г. советский ученый А. А. Фридман разработал первую нестационарную модель Вселенной, которая также была основана на уравнениях общей теории относительности. Работы Фридмана остались в то время незамеченными, а А. Эйнштейн отвергал возможность расширения Вселенной.
Тем не менее, уже в 1929 г. астроном Эдвин Хаббл открыл, что галактики, находящиеся рядом с Млечным путем, удаляются от него, а скорость их движения при этом все время остается пропорциональной расстоянию до нашей галактики. Согласно этому открытию, звезды и галактики постоянно «разбегаются» друг от друга, а следовательно, происходит расширение Вселенной. В итоге Эйнштейн согласился с выводами Фридмана, а позднее говорил, что именно советский ученый стал основателем теории расширяющейся Вселенной.
Эта теория не находится в противоречии с общей теорией относительности, но если Вселенная расширяется, то должно было произойти некое событие, приведшее к разбеганию звезд и галактик. Это явление очень напоминало взрыв, поэтому ученые и назвали его «Большим взрывом». Однако если Вселенная появилась в результате Большого взрыва, то должна существовать Высшая первопричина (или Конструктор), позволяющая этому взрыву произойти.

Теория Большого взрыва

Теория Большого взрыва строится на том, что материя и энергия, из которых состоит все сущее но Вселенной, ранее находились в сингулярном состоянии, т.е. в состоянии, характеризующемся бесконечной температурой, плотностью и давлением. В состоянии сингулярности не действует ни один закон физики, а все, из чего на данный момент состоит Вселенная, заключалось в микроскопически малой частичке, которая в какой-то момент времени пришла в нестабильное состояние, в результате чего и произошел Большой взрыв.
Изначально теория Большого взрыва носила название «динамическая эволюционирующая модель». Термин «Большой взрыв» получил широкое распространение в 1949 г. после публикации работ ученого Ф. Хойла.
На данный момент теория Большого взрыва разработана настолько хорошо, что ученые берутся описать процессы, которые начали происходить во Вселенной через 10—43 с после Большого взрыва.
Существует несколько доказательств теории Большого взрыва, одним из которых является реликтовое излучение, пронизывающее всю Вселенную и возникшее в результате Большого взрыва благодаря взаимодействию частиц. Реликтовое излучение может рассказать о первых микросекундах после рождения Вселенной, о тех временах, когда она находилась и горячем состоянии, а галактики, звезды и планеты еще не образовались.
Изначально реликтовое излучение также было только теорией, и вероятность его существования рассматривал Г. А. Гамов в 1948 г. Измерить реликтовое излучение и доказать действительность его существования смогли только в 1964 г. американские ученые благодаря новому прибору, который обладал необходимой точностью. После этого реликтовое излучение печально исследовали с помощью наземных и космических обсерваторий, что позволило увидеть, какой была Вселенная в момент своего рождения.
Еще одним подтверждением Большого взрыва является космологическое красное смещение, которое заключается в уменьшении частот излучения, что доказывает удаление звезд и галактик друг от друга вообще, и от Млечного пути в частности.
Теория Большого взрыва ответила на множество вопросов о возникновении нашей Вселенной, но и вместе с тем стала причиной появления новых загадок, которые остаются без ответов и сейчас. Например, что же стало причиной Большого взрыва, почему точка сингулярности стала нестабильной, что было до Большого взрыва, как появилось время и пространство?
Многие исследователи, например Р. Пенроуз и С. Хокинг, изучая общую теорию относительности, добавили в ее уравнения такие показатели, как пространство и время. По их мнению, эти параметры также появились в результате Большого взрыва вместе с материей и энергией. Следовательно, у времени тоже есть определенное начало. Однако из этого также следует, что должна существовать некая Сущность или Высший разум, который не зависит от времени и пространства, и присутствовал всегда. Именно этот Высший разум и стал причиной возникновения Вселенной.
Изучение того, что было до Большого взрыва — новый раздел в современной космологии. На вопрос о том, что же было до рождения нашей Вселенной и что ей предшествовало, пытаются ответить многие ученые.

Большой отскок

Эта интересная альтернативная Большому взрыву теория говорит о том, что до нашей Вселенной существовала другая. Таким образом, если рождение Вселенной, а именно Большой взрыв, рассматривали как уникальное явление, то в данной теории это лишь одно звено из цепи реакций, в результате которых Вселенная постоянно воспроизводит саму себя.
Из теории следует, что Большой взрыв не является точкой начала времени и пространства, а появился и результате предельного сжатия другой Вселенной, масса которой, по этой теории, не равна нулю, а лишь близка этому значению, при этом энергия Вселенной мс бесконечна. В момент предельного сжатия Вселенная имела максимальную энергию, заключенную в минимальный объем, в результате чего произошел большой отскок, и родилась новая Вселенная, которая также начала расширяться. Таким образом, квантовые состояния, существовавшие в старой Вселенной, просто изменились в результате Большого отскока и перешли в новую Вселенную.
В основе новой модели рождения Вселенной лежит теория петлевой квантовой гравитации, которая помогает заглянуть за Большой взрыв. До этого считалось, что все во Вселенной появилось в результате взрыва, поэтому вопрос о том, что же было до него, практически не ставился.
Данная теория принадлежит к числу теорий квантовой гравитации и объединяет в себе общую теорию относительности и уравнения квантовой механики. Предложили ее в 1980-х гг. такие ученые, как Э. Аштекар и Л. Смолин.
Теория петлевой квантовой гравитации говорит о том, что время и пространство дискретны, т.е. состоят из отдельных частей, или маленьких квантовых ячеек. На малых масштабах пространства и времени ни ячейки создают разделенную прерывистую структуру, а на больших — появляется гладкое и непрерывное пространство-время.
Рождение новой Вселенной происходило в экстремальных условиях, которые заставляли квантовые ячейки отделяться друг от друга, этот процесс и был назван Большим отскоком, т.е. Вселенная не появилась из ничего, как при Большом взрыве, а начала быстро расширяться из сжатого состояния.
М. Божовальд стремился получить сведения о Вселенной, предшествующей нашей, для чего несколько упростил некоторые квантово-гравитационные модели и уравнения теории петлевой квантовой гравитации. В данные уравнения входят несколько параметров состояния нашей Вселенной, которые необходимы для того, чтобы узнать, какой была предыдущая Вселенная.
Уравнения содержат взаимодополняемые параметры, позволяющие описать квантовую неопределенность об объеме Вселенной до и после Большого взрыва, и отражают тот факт, что ни один из параметров предшествующей Вселенной не сохранился после Большого отскока, поэтому в нашей Вселенной он отсутствует. Иными словами, в результате бесконечной цепи расширения, сжатия и взрыва, а затем нового расширения образуются не одинаковые, а разные Вселенные.

Теория струн и М-теория (то, чему я лично склонен доверять более всего)

Идея того, что Вселенная может постоянно воспроизводить себя, многим ученым кажется разумной. Некоторые полагают, что наша Вселенная возникла в результате квантовых флуктаций (колебаний) в предшествующей Вселенной, поэтому вполне вероятно, что в какой-то момент времени и в нашей Вселенной может возникнуть такая флуктация, и появится новая Вселенная, несколько отличная от настоящей.
Ученые идут в своих рассуждениях дальше и предполагают, что квантовые колебания могут произойти в любом количестве и в любом месте Вселенной, в результате чего появляется не одна новая Вселенная, а сразу несколько. На этом строится инфляционная теория возникновения Вселенной.
Образовавшиеся Вселенные отличны друг от друга, в них действуют разные физические законы, при этом все они находятся в одной огромной мегавселенной, но изолированы друг от друга. Сторонники данной теории утверждают, что время и пространство не появились в результате Большого взрыва, а существовали всегда в нескончаемой череде сжатия и расширения Вселенных.
Своего рода развитием инфляционной теории является теория струн и ее усовершенствованный вариант — М-теория, или теория мембран, которые строятся на цикличности мироздания. Согласно М-теории, физический мир состоит из десяти пространственных и одного временного измерения. В этом мире находятся пространства, так называемые браны, одной из которых и является наша Вселенная, состоящая из тpёx пространственных измерений.
Большой взрыв — результат столкновения бран, которые под воздействием огромного количества энергии разлетелись, затем началось расширение, постепенно замедлившееся. Выделенные в результате столкновения излучение и вещество остывали, появились галактики. Между бранами находится положительная по плотности энергия, вновь ускоряющая расширение, которое через некоторое время снова замедляется. Геометрия пространства становится плоской. Когда браны вновь притягиваются друг к другу, квантовые колебания становятся сильнее, геометрия пространства деформируется, а места таких деформаций в будущем становятся зародышами галактик. Когда браны сталкиваются друг с другом, цикл повторяется.
В перечисленных выше научных концепциях возникновения Вселенной отсутствует Творец как созидающая одухотворенная сила. Однако кроме них существуют иные теории появления мироздания, в которых в качестве созидающего фактора выступает Высший разум, названный в каждой из теорий по-разному.

Креационизм

Данная мировоззренческая теория происходит от латинского слова «creations» — «творение». Согласно этой концепции, наша Вселенная, планета и само человечество являются результатом творческой деятельности Бога или Творца. Термин «креационизм» возник в конце XIX в., а сторонники этой теории утверждают истинность истории о сотворении мира, изложенной в Ветхом Завете.
В конце XIX в. происходило быстрое накопление знаний в различных областях науки (биологии, астрономии, физики), широко распространенной стала теория эволюции. Все это привело к противоречию между научными знаниями и библейской картиной мира. Можно сказать, что креационизм появился как реакция консервативных христиан на научные открытия, в частности, на эволюционное развитие живой и неживой природы, которые в это время стали доминирующими и отвергали появление всего сущего из ничего.

Христианский креационизм

Креационизм в христианстве представлен несколькими течениями, которые отличаются степенью расхождения с научными воззрениями на происхождение Вселенной и Земли.
Согласно младоземельному, или буквалистскому, креационизму мир был создан Богом за 6 дней, как о том и говорится в Библии. При этом некоторые последователи (прежде всего протестанты) этой теории утверждают, что мир был создан примерно 6 тыс. лет назад. Это утверждение основано на Масоретском тексте Ветхого Завета. Другие (в основном православные исследователи) исходят из текста Септуагинты (самого старого перевода Библии) и верят, что мир появился 7,5 тыс. лет назад.
Последователи староземельного, или метафорического, креационизма считают, что 6 дней творения — это метафора, более понятная людям того времени. В Библии слово «день» подразумевает скорее не сутки, а неопределенный отрезок времени, следовательно, в один день творения могут входить миллионы земных лет.
При это метафорический креационизм делится на следующие подвиды:
— креационизм постепенного творения. Последователи этой концепции соглашаются с некоторыми научными открытиями, в частности, принимают астрофизические датировки рождения Вселенной, звезд и планет, но не приемлют теорию эволюции образования видов в процессе естественного отбора. Они утверждают, что именно Бог влияет на появление новых и изменение существующих биологических видов;
— эволюционный креационизм, или теистический эволюционизм. Представители данного направления соглашаются с теорий эволюции, но, по их мнению, именно Творец направляет эволюцию, и она является осуществлением его высшего замысла. Общепринятые научные идеи практически полностью признаются сторонниками этой концепции, а чудесное вмешательство Бога рассматривается ими, например, в проявлении божественного промысла или существовании бессмертной человеческой души, т.е. в тех вопросах, на которые наука ответить просто не может. Они рассматривают творение не как мгновенный законченный акт, а как эволюцию, из-за чего наиболее радикальные буквалисты не считают их не только креационистами, но даже христианами.

Креационизм в иудаизме

Так же, как и в христианском креационизме, среди приверженцев иудаизма есть те, кто приемлет современные взгляды науки, и те, кто их отрицает. Так, например, представители классического ортодоксального иудаизма не признают теорию эволюции, придерживаясь буквального толкования Торы.
Современные ортодоксальные иудаисты, к которым относятся религиозные сионисты и модернисты, признают возможным аллегорическое интерпретирование некоторых частей Торы и считают правильными некоторые моменты теории эволюции.
Существует также реформированный и консервативный иудаизм, последователи которого соглашаются с основными положениями теории эволюции.

Креационизм в исламе

Еще сильнее, чем христианство, теорию эволюции критикует ислам. Многие последователи этой религии считают идеи эволюционной теории близкими к атеизму, поэтому не могут поддерживать их, полностью выступая за божественное сотворение Вселенной и жизни на Земле.
С другой стороны, существуют ученые, которые отмечают, что эволюция — это научный факт, который никак не противоречит Корану. В отличие от Библии, в Коране нет детального описания сотворения мира, поэтому буквалистский креационизм распространен в исламе меньше.

Креационизм в индуизме

15 священных писаниях индуизма, Ведах, описано первичное и вторичное творение. В первичном творении участвовал верховный Господь, который создал материальную энергию. Также он создал первое живое существо — Брахму, осуществившего вторичное творение, заключавшееся в создании материальных тел для кухонных существ и условий, в которых эти существа могли бы контактировать друг с другом и предметами неживой природы.
Индуизм верит, что созданная Господом Вселенная очень древняя, и ее возраст составляет примерно 155 трлн земных лет. В Ведах эволюция человечества описывается как постепенная духовная деградация, в ходе которой сокращается продолжительность человеческой жизни, приходят в упадок его нравственные устои, появляются болезни, исчезает способность общаться с высшими разумными существами.
Развитие человечества и Вселенной в индуизме имеет циклический характер: после того как человечество полностью расходует отведенное ему на свободное развитие время, временное колесо останавливается, после чего цикл создания мироздания и человечества повторяется заново.

Мировые религии о сотворении мира и рождении Вселенной

Такой глобальный вопрос как «Откуда же произошла наша Вселенная?», интересовал человечество на протяжении всей истории его развития. Неудивительно, что практически в любой из мировых религий можно встретить мифы о сотворении мира. При этом только на первый взгляд может показаться, что они зачастую являются абсурдными с точки зрения современного человека, хоть немного разбирающегося в достижениях науки. На самом деле во многих из них повествуется о том, что сейчас пытаются доказать ученые, просто при толковании мифов следует делать скидки на иной уровень восприятия у древних людей и их меньшую научную подкованность.
Религиозно-философские теории также пытаются ответить на вопрос о происхождении Вселенной, но практически все они основаны на вере в то, что мир был создан в результате творческого акта Высшего Разума, Бога, Творца.
В христианстве Создателем всего сущего выступает Бог, а одной из основных христианских догм является «сотворение из ничего», т.е. наша Вселенная из состояния небытия была переведена в состояние бытия в результате Божественной воли. В первых трех главах Книги Бытия (первой книги Библии) описаны этапы сотворения всего сущего.
Большая часть христиан верит в то, что в акте творения мира были задействованы все три ипостаси Святой Троицы: Бог Отец, еще невоплотившийся Бог Сын и Бог Святой Дух. Некоторые христианские учителя, например, святой Иоанн Дамаскин, указывают, что сотворение есть безначальный и предвечный процесс, оно «исходит из самой сущности Бога» и не вызывает изменений в нем, т.е. нет Бога «до» и Бога «после» сотворения мира, он остается единым.
Все человечество появилось на свет от двух созданных Богом людей — Адама и Евы. Сотворенный мир был изначально идеальным, гармоничным и послушным человеку, а он сам был наделен свободой воли.
Научная теория о цикличности Вселенной в некотором роде повторяет представления о возникновении Вселенной в буддийской космологии, в которой представлено бесконечное чередование рождения и уничижения мироздания.
К данном случае высшее существо (Бог) не создал И( еденную как таковую. Каждый мировой цикл накапчивает общую карму всех живых существ, и в результате такого накопления возникает новая Вселенная. Каждому миру отпущен определенный срок существования, в течение которого человечество проходит путь «и расцвета до деградации. Происходит накопление плохой кармы живых существ, и Вселенная от этого разрушается. Через некоторое время космического покоя цикл начинается заново.
Кроме религиозной теории о сотворении мира из ничего, в христианской и иудейской традиции есть также теория о сотворении мира из материи. Ряд современных иудейских исследователей видят в этом возможную связь с теорией эволюции.
В каждом мировом цикле существует 4 периода:
— период пустоты, т. е. время, когда один мир разрушен, а другой еще не сформировался;
— период формирования, когда мир начинает возникать заново;
— период пребывания, когда Вселенная находится в стабильном состоянии;
— период разрушения, когда дурная карма приводит к гибели Вселенной.
На вопросы, было ли начало у самих мировых циклов, есть ли конец у Вселенной или она бесконечна, буддизм ответа не дает, так как подобные вопросы относятся к области неопределенного, на что просвещённый Будда «хранил благородное молчание».
Первым живым существом в каждой новой Вселенной является бог Брахма. При этом он не считается Творцом самой Вселенной, а лишь верховным божеством, которому все поклоняются. Хотя считается, что Брахма вечен и существовал всегда, при этом он не неизменен и на него так же, как и на остальных существ, действует причинно-следственный закон кармы, т.е. вместе с разрушающейся Вселенной пропадает и Брахма.
На теорию Большого взрыва очень похожа каббалистическая теория о «разбиении сосудов», которую создал в средние века каббалист и иудейский богослов Ицхак Луриа. В своем учении он говорил о том, что за попыткой творения последовала космическая катастрофа, в результате которой и возник мир. Божественные лучи, появившиеся в результате катастрофы, рассеялись и претерпели изменение.
В мифах многих народов существует такое понятие, как «хаос», т.е. изначальное состояние мироздания, в котором материя и пространство не имели формы. Элементы космоса (с греч. «порядок», «красота») были выделены из первоначального хаоса, и так появилась Вселенная, подчиненная определенным законам и противопоставленная хаосу. Первичный хаос также называют мировой бездной.
Так, в религиозных воззрениях древних скандинавов в начале существовала только мировая пустота, бездна, называемая Гинунгагап, которую наполняли лишь первобытные силы творения. В ней существовали Муспелль (огненная страна) и Нифель (страна мрака). Столкновение двух противоположностей — жара и холода — привело к появлению первого живого существа, великана Имира, из растерзанного тела которого в последствие и была создана Вселенная. По представлению древних скандинавов, все появилось из мировой бездны и в конце времен все в нее и вернется.
В китайской мифологии также существует миф о рождении Вселенной из мрачного хаоса. Главными космическими силами там выступают мужское начало (Ян, что означает «мрачный») и женское начало (Инь, что означает «светлый»). Эти два начала сами собой образовались в мировой бездне и установили главные направления мирового (вселенского) пространства которых по китайской мифологии насчитывается восемь. Начало Инь стало управлять землей, а начало Ни небом.
Похожее представление о рождении мира существует и в концепции даосизма. В начале существовала шип. пустота (У-цзи), вакуум, неизвестное, из которого (формировались две основные энергии: Ян и Инь. Благодаря их взаимодействию произошло образование энергии ци, а затем и всего сущего во Вселенной.

Бесконечна ли Вселенная?

При изучении Вселенной и ее строения нередко встаёт вопрос о том, есть ли у нее конец или она бесконечна. Понятие бесконечности является одним из самых интересных в науке, поскольку относится к области таинственного и необычного. Действительно, невозможно представить себе бесконечность, ведь у ною понятия нет наглядности, но оно вовсе не является придуманным математическим построением, а используется в науке для решения многих проблем.
Наиболее заинтересованы в изучении бесконечности астрономы и физики, так как им приходится иметь дело с пространством Вселенной и геометрией окружающего мира. Изучать бесконечность Вселенной и пространстве начали еще в глубокой древности. Великие философы предлагали простые и, казалось бы, неопровержимые рассуждения, не противоречащие, на первый взгляд, логике.
Так, Лукреций Кар в поэме «О природе вещей» писал: «Нет никакого конца ни с одной стороны у Вселенной, ибо иначе края непременно она бы имела». Многим ученым того времени было легче представить, что Вселенная не имеет конца и бесконечно долго простирается во все стороны, чем то, что у нее есть определенные границы, ведь тогда бы пришлось искать ответ на вопрос, что же лежит за этими границами.
Однако рассуждения Лукреция и его сторонников опирались, в первую очередь, на логику и привычные представления о земном пространстве, а в современном мире опираться на это при изучении проблемы бесконечности в масштабах Вселенной считается неразумным. В данном случае следует изучать реальные свойства мира и на их основе делать выводы.
В эпоху Возрождения Коперник разработал гелиоцентрическую модель мира, по которой в центре Вселенной находилось Солнце, а вокруг него вращалась Земля и другие планеты. По представлениям ученого, Вселенную ограничивала сфера из неподвижных звезд. Он считал, что все небесные тела вращаются вокруг Солнца с одинаковой скоростью, совершая один оборот в сутки. Следовательно, чем большее расстояние от Солнца до небесного тела, тем большая скорость обращения у последнего.
Таким образом, если есть звезды, расположенные на бесконечно больших расстояниях от Солнца, то они должны обладать бесконечно большой скоростью, что невозможно. Из этого следует, что Вселенная имеет конец, т. е. заключена в сферу звезд. Современникам Коперника такое доказательство казалось неопровержимым, ведь тогда еще не знали, что Солнце является не центром Вселенной, а центром Солнечной системы.
В выводах Коперника первым усомнился итальянский ученый Джордано Бруно. Он же первым предложил идею и бесконечной Вселенной. В своих рассуждениях ученый опирался на философские взгляды, а не на физические или астрономические исследования.
Исаак Ньютон впервые попытался дать естественно научное объяснение бесконечности Вселенной и в разработанных им законах механики. Согласно его положениям, если материальные частицы притягиваются друг к другу, то со временем они должны рассеяться в бескрайнем пространстве. Следовательно, не может существовать неизменная конечная Вселенная.
Долгое время считалось, что ответ на вопрос о бесконечности Вселенной получен и считается окончательным, но мнение оказалось ошибочным. Всегда считалось, что на вопрос о том, есть ли граница у Вселенной, должно быть только два ответа: «да» или нет». И только позднее оказалось, что может существовать несколько видов бесконечности. Например, в математике существует бесконечность ряда натуральных чисел и бесконечность всех точек, расположенных мм отрезке прямой.
В геометрии также могут существовать разные бесконечности. Например, есть такие понятия, как бесконечность и неограниченность пространства, которые не тождественны друг другу Неограниченным пространством является то, которое не имеет границы, по имеете с тем оно замкнуто в себе, или конечно. Примером такого пространства может служить сфера. У площади сферы есть конечная величина, но достичь её границы невозможно, поэтому она считается неограниченной. Пример со сферой служит примером пи о, что пространство может иметь конечный объем, но при этом у него отсутствуют границы.
В современной науке никто уже не сомневается в том, что пространство Вселенной неограниченно, т.е. достичь границы Вселенной невозможно. Но вопрос о ее бесконечности или конечности все еще остается открытым. Для того чтобы найти ответ на него, ученые изучают геометрию мира и пытаются выяснить расположение материи во Вселенной.
С помощью теоретических подсчетов проводится измерение критической плотности вещества, находящегося во Вселенной. Так, подсчитано, что на 13 см пространства приходится 1/100000 массы протона. Исходя из теории относительности, ученые говорят, что мировое пространство имеет конец, если средняя плотность вещества, находящегося во Вселенной, больше критической. И наоборот, Вселенная имеет бесконечный объем, если плотность вещества в ней ниже критической.
Происхождением, эволюцией и свойствами Вселенной занимается космология — специальный раздел астрономии. Она опирается на такие науки, как физика, математика, астрономия, а также на богословие и философию.
Основываясь на данном выводе, многие исследователи создали различные версии вычисления средней плотности материи в мире. Некоторые, основываясь на своих вычислениях, пришли к выводу о том, что Вселенная конечна, и делали попытки подсчитать ее радиус.
Однако подобные вычисления не могут ответить на вопрос о бесконечности Вселенной и рассказать о ее геометрических свойствах.
Общая теория относительности предоставляет физический критерий, на основании которого можно делать догадки о кривизне пространства, но о физической величине данной кривизны можно судить, скорее всего, только на основании наблюдений, указывающих на то, что средняя плотность вещества в мире приблизительно равна критической.
Все это говорит в пользу того, что современная наука пока не готова дать однозначного ответа на вопрос о конечности и бесконечности Вселенной и предпочесть одну из этих вероятностей.
Автор: А.В.Колпакова, Е.А.Власенко
Источник: «Загадки и тайны Вселенной»

От себя добавлю следующее: без «наблюдателя» Вселенная представляет собой волновую функцию — безвидную и безучастную. Для того, чтобы появилось «что-то» нужен «наблюдатель». «Высшее» это существо или нет — неважно. Важно чтобы «наблюдатель» был. А «наблюдатель» — он существо «живое»!

andergx.livejournal.com

Теории происхождения Вселенной – ряд предположений

Мы все живем в загадочной Вселенной, и, несмотря на то, что в мире науки практически ежедневно совершаются громкие открытия, до сих пор никто не смог ответить на вопрос: откуда взялась материя, энергия, космос и время. Как появилась наша Вселенная? В вопросах без ответов есть своя прелесть, такие вопросы открывают безграничное поле для дискуссий и формируют различные теории происхождения вселенной.

Теория 1: Вселенная – творение Бога

Согласно этой теории Бог или боги или некая божественная сила создала Вселенную. На основе этого утверждения базируется философия основных мировых религий: христианства, ислама, иудаизма и даже буддизма. В каждой из этих религиозных традиций присутствует положение, утверждающее, что Бог (боги) существовали до сотворения Вселенной, и именно Всевышний стал ее автором. Данная теория популярно представлена в одном из разделов Библии под названием Книга Бытия. Оттуда мы узнаем о том, что Вселенная и все, что ее населяет, были созданы за шесть дней.

Теория 2: Вселенная сделала это сама

Определенная группа версий происхождения Вселенной базируется на утверждении, что Вселенная создала себя сама: просто в определенный момент, миллиарды лет назад, наша Вселенная решила быть и воплотила свое решение в жизнь. Эта теория, в частности, лежит в основе так называемой Теории Большого Взрыва, и здесь отсутствуют вопросы, кто или что создало нашу Вселенную. На самом деле теория Большого Взрыва далеко не первая и не единственная теория, пропагандирующая «самосоздание» Вселенной.

Один из древнеегипетских мифов повествует о боге Неб-ер-Чере, который сам по себе являлся вселенной и заключал в себе всю двойственность мира: видимое и невидимое, мужское начало и женское, физический план и ментальный. В мифе говорится о создании вселенной самим богом через себя же, посредством мастурбации и оплодотворения через рот словами и идеями. Вообще миф — это достаточно запутанный, но концепция создания Вселенной тем, что ею по сути и является, здесь налицо.

Все теории данного направления, однако, не дают ответа на вопрос, почему нечто появилось из ничего, и такое спонтанное творение существует уже столько лет. Стоит признать, что даже без ответа на этот вопрос сторонники теории Большого взрыва вполне логично могут использовать данную модель в описании дисперсии материи во Вселенной, разницы в формах звезд и, как следствие, галактик. Теория Большого Взрыва никак не объясняет, была ли цель перед актом создания Вселенной, и если она была, то в чем заключалась.

Теория 3: Она была всегда

Третья теория, объясняющая то, как была создана Вселенная, утверждает, что Вселенная существовала всегда, поэтому вопросы о том, кто, когда и зачем ее создал, в данной концепции не рассматриваются вовсе. Версии происхождения Вселенной на основе данного утверждения, особенно популярны в среде атеистов и ученых.

Аристотель, один из самых видных древнегреческих философов также верил, что Вселенная существовала всегда. Многие считают, что нечто, существующее вечно все же лучше чем то, что было тем или иным способом создано. Прогресс и эволюция, по мнению, Аристотеля были обусловлены наводнениями или другими природными катастрофами которые постоянно заставляли Вселенную начинать все сначала. Вера в вечное существование вселенной лишила людей необходимости привлекать к гипотетическому созданию Вселенной Бога и напротив, те, кто признавал, что Вселенная имела начало, использовали это утверждение в качестве аргумента в пользу существования Бога как инициатора и создателя Вселенной.

Экпиротический сценарий создания Вселенной

Все знают о Теории Большого Взрыва, о ней вам может рассказать любой школьник, но существует и альтернативная теория, в которой создание Вселенной рассматривается с совершенно иной точки зрения. Сторонники экпиротической теории верят в существование параллельной нашей вселенной и в какой-то момент эти две «родственные» вселенные пересеклись. В момент их контакта высвободилось гигантское количество энергии, что привело к серьезным пертурбациям космического пространства и в результате этих потрясений образовались частицы, из которых образовались газовые туманности, галактики, звезд и другие небесные тела.

После такой коллизии, вселенные начали движение в противоположных направлениях, но чем дальше они расходились, тем большее притяжение возникало между ними. Постепенно, они снова стал притягиваться друг к другу, к тому времени в обоих вселенных не наблюдалось ни звезд, ни других объектов, все равномерно распределилось в соответствии со Вторым законом термодинамики. Столкновения Вселенных происходил и снова и снова, при этом под действием энергии формировались частицы и весь процесс повторялся как один бесконечный цикл.

Белые дыры

О так называемых черных дыр в космосе знают все. В принципе, предположение о их существовании основано на нарушении гравитационных полей и преломлении света. Однако в последнее время ученые заговорили о белых дырах. В конце концов, если материя поглощается черной дырой, то, что должно появиться в каком-то другом месте вселенной. Теоретически места, где материя не поглощается, а высвобождается, существуют. Пока их никому не удалось обнаружить, но сторонники этой идеи верят, что открытие белых дыр не за горами.

Однако, вероятное существование белых дыр, даже если таковое допустить, нарушает несколько устоявшихся законной современной физики. Если однажды существование белых дыр будет подтверждено, человечеству придется серьезно пересмотреть основы современной науки, для того, что найти и формировать адекватное объяснение этому явлению.

Матричная теория Вселенной

Действительно, фильм «Матрица» был снят «по мотивам» очень экстравагантной теории происхождения Вселенной, согласно которой вся наша Вселенная есть продукт мощнейшей компьютерной программы, автор которой неизвестен. В принципе, такой компьютер невозможно даже представить. В 2003 году эта идея привела профессора Оксфордского университета Ника Бострома к мысли, что человек – это лишь иллюзорный искусственный интеллект из силикона, а не углеродный организм в настоящей Вселенной.

Черная дыра – родина Вселенной

Среди множества теорий происхождения Вселенной существует одна интересная версия, в основе которой лежит идея о черных дырах, которые выделяют материю в какие-то неизвестные места, тем самым создавая новые вселенные, которые растут буквально как грибы после дождя. Каждая частица, поглощенная черной дырой может стать источником образования новой Вселенной. В чем-то эта теория созвучна с Теорией Большого Взрыва с той лишь разницей, что взрывов здесь бесчисленное множество.

Каждая новая вселенная в свою очередь создает новые черные дыры а они опять-таки дают жизнь новым вселенным. Результаты исследований, опубликованные в научном журнале Nature, указывают на то, что наша Вселенная могла появиться из черной дыры какой-то другой вселенной.

Создание миров по квантовой теории

Эта теория создания Вселенной широко пропагандируется писателями – фантастами. В основе этой версии лежит идея постоянном разветвлении и дивергенции реальностей. Например, вы выбираете межу походом в магазин и включением телевизора: в одной реальности вы идете в супермаркет, а в другой – нажимаете кнопку дистанционного пульта.

Мы живем в двух Вселенных, которые не слишком сильно отличаются друг от друга, но чем глубже мы изучаем вопрос, тем более глубокой оказывается разница между ними. Варианты «разветвления» зависят от множества факторов, включая поведение движущихся в разных направлениях атомов и так далее. В результате этих процессов миллиарды новых реальностей появляются в каждый отдельно взятый момент, и чем дальше они находятся друг от друга, тем разительнее разница между вселенными.

 

Статьи по теме

www.chuchotezvous.ru

Пятая лекция. Происхождение и судьба Вселенной. «Теория всего[Происхождение и судьба Вселенной]»

 

На протяжении 1970-х гг. я занимался в основном черными дырами. Однако в 1981 г. во мне вновь проснулся интерес к происхождению Вселенной, разбуженный участием в конференции по космологии в Ватикане. Католическая церковь допустила большую ошибку с Галилеем, когда пыталась навести свои порядки в науке, провозгласив, что Солнце обращается вокруг Земли. И вот, столетия спустя, церковь почла за лучшее пригласить ряд специалистов, чтобы посоветоваться по вопросам космологии.

По завершении конференции ее участники были удостоены аудиенции у Папы Римского. Он сказал нам, что приветствует исследование истории Вселенной после Большого Взрыва, но считает, что мы не должны углубляться в изучение самого Большого Взрыва, поскольку это акт Творения, а значит, деяние Бога.

Я был рад, что Папа не знает темы доклада, только что сделанного мной на конференции. Я совсем не жаждал разделить судьбу Галилея; он мне очень симпатичен — отчасти потому, что я родился ровно три столетия спустя после его смерти.

Модель горячего большого взрыва

Чтобы объяснить, о чем шла речь в моем докладе, я должен сначала изложить общепринятую историю Вселенной в соответствии с тем, что известно под названием «модель горячего Большого Взрыва». Она предполагает, что Вселенная в период от нынешнего времени до Большого Взрыва описывается моделью Фридмана. В таких моделях расширение Вселенной сопровождается снижением температуры материи и интенсивности излучения. Поскольку температура — это всего лишь мера средней энергии частиц, охлаждение Вселенной оказывает основополагающее влияние на содержащуюся в ней материю. При очень высоких температурах частицы движутся с такой значительной скоростью, что избегают взаимного притяжения, обусловленного ядерными или электромагнитными силами. Однако следует ожидать, что при охлаждении частицы, которые притягиваются друг к другу, начнут «слипаться».

В момент Большого Взрыва Вселенная имела нулевые размеры, а значит, была бесконечно горячей. Но по мере расширения температура ее излучения должна была уменьшаться. Через одну секунду после Большого Взрыва она упала до десяти миллиардов градусов. Это примерно в тысячу раз больше температуры в центре Солнца и соответствует температуре, возникающей при взрыве водородной бомбы. В это время Вселенная состояла в основном из фотонов, электронов, нейтрино и соответствующих им античастиц, а также некоторого числа протонов и нейтронов.

По ходу расширения и остывания Вселенной скорость образования электронов и электронных пар при столкновениях частиц должна была стать ниже той скорости, с которой они разрушаются при аннигиляции. Так что большая часть электронов и антиэлектронов должна была аннигилировать, порождая все больше фотонов и оставляя совсем мало электронов.

Примерно через сто секунд после Большого Взрыва температура должна была упасть до одного миллиарда градусов,

что соответствует температуре внутри самых горячих звезд. При такой температуре протоны и нейтроны уже не обладают достаточной энергией, для того чтобы избежать взаимного притяжения, обусловленного сильным ядерным взаимодействием. Они начинают объединяться, формируя ядра атомов дейтерия (тяжелого водорода), состоящие из одного протона и одного нейтрона. Присоединяя другие протоны и нейтроны, ядра дейтерия становятся ядрами гелия, содержащими два протона и два нейтрона. Образуется и небольшое количество ядер более тяжелых элементов, лития и бериллия.

Можно подсчитать, что, согласно модели горячего Большого Взрыва, примерно четверть протонов и нейтронов должна превратиться в ядра гелия, а также в небольшое количество тяжелого водорода и других элементов. Оставшиеся нейтроны распадаются на протоны, представляющие собой ядра атомов обычного водорода. Эти предсказания прекрасно согласуются с наблюдениями.

Модель горячего Большого Взрыва также предсказывает, что мы должны иметь возможность наблюдать излучение, сохранившееся с ранних, «горячих», этапов развития Вселенной. Однако из-за постоянного расширения Вселенной температура этого начального излучения должна была понизиться до величины, лишь на несколько градусов превышающей абсолютный нуль. Этим объясняется существование микроволнового фонового излучения, обнаруженного Пензиасом и Уилсоном в 1965 г. Поэтому мы почти уверены, что располагаем верной картиной случившегося, по крайней мере на протяжении от нынешнего времени до момента через секунду после Большого Взрыва. Всего лишь через несколько часов после Большого Взрыва формирование ядер гелия и других элементов должно было прекратиться. А затем на протяжении миллиона лет или около того Вселенная должна была лишь продолжать расширяться без каких-либо особенных

событий. И вот, когда температура упала до нескольких тысяч градусов, электроны и ядра перестали обладать энергией, необходимой для противодействия электромагнитному притяжению между ними. Они начали объединяться в атомы.

Вселенная же в целом продолжала расширяться и остывать. Однако в областях с плотностью немного выше средней расширение замедлялось повышенным гравитационным притяжением. Это должно было в конце концов остановить расширение в некоторых областях и вызвать там сжатие. По мере сжатия гравитационная тяга материи за пределами этих областей могла привести к тому, что они начали медленно вращаться. Чем меньше становилась сжимающаяся область, тем быстрее она вращалась (так фигуристы увеличивают частоту своего вращения, прижимая руки к телу). Наконец, когда область сделалась достаточно малой, частота вращения стала достаточной, чтобы уравновесить гравитационное притяжение. Таким образом возникли вращающиеся дисковидные галактики.

С течением времени газ в галактиках распался на облака, которые сжимаются под воздействием собственного притяжения. При сжатии газа он нагревается до температур, запускающих ядерные реакции. Водород превращается в гелий, и выделяющееся тепло повышает давление, чем останавливает дальнейшее сжатие облаков. В таком состоянии они могут оставаться долгое время, как звезды, подобные нашему Солнцу, сжигая водород, который превращается в гелий, и излучая энергию в виде тепла и света.

Чем массивнее звезды, тем горячее они должны быть, чтобы сопротивляться своему мощному гравитационному притяжению. А это настолько сильно ускоряет термоядерные реакции, что такие звезды сжигают весь свой водород за сравнительно короткое время — примерно за сто миллионов лет. Затем они слегка сжимаются и, разогреваясь дальше, начинают преобразовывать гелий в более тяжелые химические элементы, такие как углерод и кислород. Это, однако, высвобождает не намного больше энергии, так что наступает кризис, который я описал в лекции о черных дырах.

Что происходит дальше, не совсем ясно, но представляется вероятным, что центральные области звезды должны сжаться до сверхплотного состояния, характерного для нейтронных звезд или черных дыр. Внешнюю оболочку может разметать так называемая вспышка сверхновой — чудовищный взрыв, сияние которого превосходит яркость всех остальных звезд в галактике. Некоторые из более тяжелых элементов, образовавшихся в конце жизненного цикла звезды, будут выброшены назад в галактический газ. Они станут сырьем для следующего поколения звезд.

Наше Солнце содержит примерно 2% таких более тяжелых элементов, так как это звезда второго или третьего поколения. Оно сформировалось около пяти миллиардов лет назад из облака вращающегося газа, которое содержало остатки более ранних сверхновых. Большая часть газа в этом облаке пошла на образование Солнца или была выброшена вовне. Однако небольшое количество более тяжелых элементов объединилось в небесные тела — планеты, подобные Земле, — которые обращаются теперь вокруг Солнца.

Открытые вопросы

Картина Вселенной, в начале своего развития очень горячей и остывавшей по мере расширения, хорошо согласуется с данными наблюдений, которые мы имеем сегодня. Тем не менее она оставляет без ответа ряд важных вопросов. Во-первых, почему новорожденная Вселенная была такой горячей? Во-вторых, почему Вселенная столь однородна

в больших масштабах, почему она выглядит одинаково из всех точек пространства и во всех направлениях?

В-третьих, почему в самом начале скорость расширения Вселенной была столь близка к критической, что едва позволяла избежать немедленного обратного сжатия? Если бы через секунду после Большого Взрыва эта скорость была меньше всего на миллиардную часть от миллиардной доли, Вселенная тут же пережила бы коллапс, не достигнув наблюдаемых ныне размеров. С другой стороны, будь скорость расширения в ту секунду на столь же ничтожную долю больше требуемой, Вселенная расширилась бы настолько, что сейчас была бы практически пустой.

В-четвертых, несмотря на однородность Вселенной в больших масштабах, она содержит локальные скопления материи в виде звезд и галактик. Предполагается, что они возникли за счет небольших различий плотности вещества в разных областях Вселенной на ранних стадиях ее развития. Но из-за чего возникли эти различия плотности?

Общая теория относительности сама по себе не может объяснить эти особенности и ответить на эти вопросы. А всё потому, что она предсказывает: Вселенная началась с бесконечной плотности, с сингулярности Большого Взрыва. В сингулярности, в этой особой точке, общая теория относительности и все известные нам физические законы не действуют. Нельзя предсказать, что выйдет из сингулярности. Как я уже объяснял, это означает, что мы вправе исключить из теории все события, которые происходили до Большого Взрыва, потому что они не возымеют влияния на то, что доступно нашему наблюдению. Пространство-время имеет границу — начало в момент Большого Взрыва. Почему Вселенная должна была начаться с Большого Взрыва именно тем образом, который привел ее к состоянию, наблюдаемому нами сегодня? Почему она столь однородна и расширяется именно с критической скоростью, позволяющей избежать коллапса? Нам стало бы легче, если бы мы смогли показать, что небольшой набор различных начальных конфигураций Вселенной мог привести ее к современному состоянию.

Если дело обстоит именно так, Вселенная, которая развилась из некоторых случайных начальных условий, должна содержать ряд областей, сходных с теми, что мы наблюдаем. Кроме того, могли существовать совершенно иные области. Однако они, вероятно, не подходят для формирования галактик и звезд. Это весьма существенное обстоятельство для развития разумной жизни, по крайней мере такой, какая известна нам. Так что в этих областях не может быть существ, способных увидеть, что они, эти области, иные.

Говоря о космологии, следует учитывать принцип отбора, состоящий в том, что мы населяем область Вселенной, пригодную для развития разумной жизни. Это весьма простое и очевидное соображение иногда называют антропным принципом. С другой стороны, представьте, что начальное состояние Вселенной должно быть выбрано с большой тщательностью, чтобы привести к тому, что мы видим вокруг себя. Тогда во Вселенной вряд ли сыскалось бы место, где могла возникнуть жизнь.

В описанной выше модели горячего Большого Взрыва на ранних стадиях развития Вселенной не имеется периода времени, достаточного для передачи тепла от одной области к другой. Это означает, что различные области Вселенной должны были иметь абсолютно одинаковую начальную температуру, чтобы это согласовалось с тем фактом, что температура фонового микроволнового излучения одинакова во всех направлениях, куда бы мы ни посмотрели. Кроме того, начальная скорость расширения должна была выбираться с большой точностью, чтобы Вселенная не схлопнулась к настоящему моменту. Следовательно, начальное состояние

Вселенной в самом деле должно быть выбрано крайне тщательно, если модель горячего Большого Взрыва справедлива на отрезке от нынешнего момента и вплоть до самого начала времени. Почему Вселенная зародилась именно так, очень трудно объяснить чем-либо иным, кроме воли Бога, который намеревался сотворить существ, подобных нам.

Инфляционная модель

Для того чтобы избежать описанных трудностей, связанных с самыми ранними стадиями в модели горячего Большого Взрыва, Алан Гут из Массачусетского технологического института предложил новую модель. В модели Гута множество различных начальных конфигураций могут эволюционировать в некое подобие нынешней Вселенной. Гут предположил, что новорожденная Вселенная могла пережить период очень быстрого, экспоненциального, расширения. Такое расширение называют инфляционным — по аналогии со стремительным ростом цен, в большей или меньшей степени происходящим в каждой стране. Мировой рекорд инфляции цен, вероятно, был поставлен в Германии после Первой мировой войны, когда цена буханки хлеба за несколько месяцев подскочила от одной марки до нескольких миллионов. Инфляция, которая, как мы думаем, могла происходить в масштабе Вселенной, была гораздо значительней: размеры Вселенной за ничтожную долю секунды выросли в миллион миллионов миллионов миллионов миллионов раз. Гут допустил, что Вселенная после Большого Взрыва была очень горячей. Правомерно ожидать, что при крайне высоких температурах сильные и слабые ядерные силы должны объединиться с электромагнитной силой в некую единую силу. Расширяясь, Вселенная остывала, и энергия частиц уменьшалась. Рано или поздно должно было произойти то, что называют фазовым переходом, и симметрия сил была нарушена. Сильное ядерное взаимодействие отделилось от слабого и электромагнитного. Типичным примером фазового перехода может служить превращение воды в лед при охлаждении. Жидкая вода симметрична, обладает одинаковыми свойствами во всех точках и во всех направлениях. Однако образующиеся при замерзании кристаллы льда характеризуются выделенной направленностью и заметной пространственной упорядоченностью. Это нарушает симметрию воды.

При известном старании воду можно переохладить — добиться того, чтобы ее температура опустилась ниже точки замерзания (0°С), но лед не образовался. Гут предположил, что нечто подобное происходило со Вселенной: температура стала ниже критического значения, но симметрия физических взаимодействий не была нарушена. Если произошло нечто подобное, Вселенная должна была прийти в нестабильное состояние, энергия которого выше, чем у состояния с нарушенной симметрией. Можно показать, что эта особая избыточная энергия обладала антигравитационным эффектом. Она должна была действовать как космологическая постоянная.

Эйнштейн ввел космологическую постоянную в общую теорию относительности, когда пытался построить стационарную модель Вселенной. Однако в рассматриваемом нами случае Вселенная уже расширяется. Отталкивающий эффект космологической постоянной заставил бы Вселенную расширяться с постоянно возрастающей скоростью. Даже в тех областях, где содержание частиц выше среднего, гравитационное притяжение материи уступает отталкиванию, обусловленному эффективной космологической постоянной. Так что и такие области будут расширяться в ускоренном, инфляционном, режиме.

По мере расширения Вселенной расстояние между частицами увеличивается. А значит, мы можем получить Вселенную, где едва ли найдется хоть одна частица. Она все еще будет оставаться в переохлажденном состоянии, при котором сохраняется симметрия между взаимодействиями. Любые неоднородности будут попросту сглажены расширением, как разглаживаются складки на туго надутом воздушном шарике. Таким образом, современное гладкое и однородное состояние Вселенной могло возникнуть из множества различных неоднородных начальных состояний. Скорость расширения также стремится к критической, позволяющей избежать коллапса.

Более того, инфляционная модель позволяет объяснить, почему во Вселенной так много материи. В наблюдаемой нами области Вселенной насчитывается около 1080 элементарных частиц. Откуда они могли появиться? Ответ таков: согласно квантовой теории, частицы могут возникать из энергии в виде пар частица/античастица. Но откуда берется необходимая для этого энергия? Объяснение состоит в том, что полная энергия Вселенной в точности равна нулю.

Вещество во Вселенной возникло из положительной энергии. Однако материя притягивает самое себя под действием гравитации. Два куска материи, которые находятся близко друг к другу, обладают меньшей энергией, чем те, которые разделены большим расстоянием. Это происходит потому, что для их разделения необходимо затратить энергию. Вы должны преодолеть действующие между ними гравитационные силы. Так что в каком-то смысле можно утверждать, что гравитационное поле обладает отрицательной энергией. При рассмотрении Вселенной в целом можно показать, что

отрицательная гравитационная энергия погашает всю положительную энергию материи. А следовательно, полная энергия Вселенной равна нулю.

Итак, удвоение нуля дает нуль. Поэтому Вселенная может удвоить количество положительной энергии материи и удвоить количество отрицательной гравитационной энергии, не нарушив закона сохранения энергии. Этого не случается при обычном расширении Вселенной, когда плотность энергии вещества уменьшается с увеличением Вселенной. Но это происходит при инфляционном расширении, потому что плотность энергии в переохлажденном состоянии остается постоянной, в то время как Вселенная расширяется. Когда Вселенная удваивается в размерах, позитивная энергия материи и отрицательная гравитационная энергия удваиваются тоже, так что полная энергия остается равной нулю. Во время инфляционной фазы размеры Вселенной увеличиваются очень сильно. И общее количество энергии, из которой могут образовываться частицы, становится очень велико. Гут заметил по этому поводу: «Говорят, бесплатных завтраков не бывает. Но Вселенная — самый большой бесплатный завтрак».

Конец инфляции

В настоящее время расширение Вселенной уже не носит инфляционного характера. Так что должен существовать некий механизм, исключающий очень большую эффективную космологическую константу. Это заменило бы скорость расширения с возрастающей на замедленную гравитацией, какую мы наблюдаем сейчас. Можно ожидать, что по мере расширения и остывания Вселенной рано или поздно симметрия физических взаимодействий будет нарушена, подобно

тому как переохлажденная вода в конце концов всегда замерзает. Избыточная энергия состояния с ненарушенной симметрией высвободится, вновь нагрев Вселенную. Затем расширение и остывание Вселенной продолжатся в полном соответствии с моделью горячего Большого Взрыва. Однако теперь у нас будет объяснение того, почему скорость расширения в точности равна критической и почему разные области пространства имеют одинаковую температуру.

В первоначальной модели Гута предполагалось, что фазовый переход к нарушенной симметрии происходит внезапно, как возникновение кристаллов льда в переохлажденной воде. Идея состояла в том, что «пузырьки» новой фазы (с нарушенной симметрией) зарождаются в недрах старого фазового состояния, подобно тому как пузырьки пара возникают в закипающей воде. Предполагалось, что «пузырьки» расширяются и постепенно сливаются друг с другом до тех пор, пока все пространство не окажется захвачено новой фазой. Но вот незадача (на это указывал я и ряд других ученых): Вселенная расширялась настолько быстро, что образующиеся пузырьки просто не успевали слиться друг с другом, а разбегались в пространстве. Вселенная должна была остаться в крайне неоднородном состоянии, при котором в некоторых ее областях сохранялась бы симметрия между различными силами. Такая модель Вселенной не согласуется с тем, что мы наблюдаем.

В октябре 1981 г. я отправился в Москву на конференцию по квантовой гравитации. А после нее провел семинар по инфляционной модели в Астрономическом институте им. Штернберга. В семинаре участвовал молодой советский исследователь Андрей Линде. Он сказал, что сложности, связанной с тем, что пузырьки не сливаются, можно избежать, если предположить, что пузырьки были очень большими.

В этом случае наша область Вселенной может заключаться внутри одного пузырька. Для того чтобы это работало, переход от симметрии к ее нарушению должен происходить очень медленно и внутри пузырька, что вполне возможно в соответствии с великими объединенными теориями.

Идея Линде о медленном нарушении симметрии была очень хороша, но я указал, что его пузырьки могут превосходить размер Вселенной в то время. Я продемонстрировал, что симметрия одновременно нарушалась бы повсеместно, а не только внутри пузырьков. Это привело бы к однородной Вселенной, какую мы наблюдаем. Модель медленного нарушения симметрии была удачной попыткой объяснить современное состояние Вселенной. Однако я и некоторые коллеги отметили, что предсказываемые ею колебания микроволнового фонового излучения намного превышают наблюдаемые. Кроме того, более поздние работы заронили сомнение в том, происходили ли правильные фазовые переходы на ранних стадиях развития Вселенной. Более удачной оказалась хаотическая инфляционная модель, предложенная Линде в 1983 г. Она не зависела от фазовых переходов и давала правильные значения вариаций микроволнового фона. В соответствии с ней современное состояние Вселенной могло возникнуть из очень большого числа различных исходных конфигураций. При всем том не могло быть такого, чтобы каждая из них приводила к появлению Вселенной, которую мы наблюдаем. Таким образом, даже инфляционная модель не объясняет нам, почему начальные условия были такими, какие могут привести к формированию наблюдаемой Вселенной. Должны ли мы вернуться для объяснения к антропному принципу? Не было ли все это просто счастливой случайностью? Решение согласиться с этим выглядело бы шагом отчаяния, отказом от всех наших надежд понять порядок, лежащий в основе Вселенной.

Квантовая гравитация

Для предсказания того, как должна была зародиться Вселенная, нужно установить законы природы, которые действовали в начале времени. Если справедлива классическая общая теория относительности, то из теоремы сингулярности следует, что начало времени должно было представлять собой точку, где плотность материи и кривизна пространства были бесконечны. Все известные нам законы природы там должны нарушаться. Можно предположить, что там действовали особые законы, не нарушаемые в сингулярностях, но было бы крайне трудно даже сформулировать физические законы для таких своенравных точек, и наблюдения не подсказали бы нам, какими могут быть эти законы. Однако теоремы о сингулярности показывают, что при столь значительном усилении гравитационного поля особую важность приобретают эффекты квантовой гравитации. Классическая теория больше не может служить хорошим описанием Вселенной. Поэтому, обсуждая самые ранние этапы развития Вселенной, надо использовать квантовую теорию гравитации. Как мы покажем далее, квантовая механика допускает повсеместное соблюдение обычных физических законов — включая начало времени. Нет нужды постулировать новые законы для сингулярностей, потому что квантовая теория не нуждается в сингулярностях.

Мы пока не имеем полной и последовательной теории, объединяющей квантовую механику и гравитацию. Но мы совершенно уверены в некоторых особенностях, которыми должна обладать объединенная теория. Прежде всего, должно быть учтено предложение Фейнмана о формулировании квантовой теории на основе сумм по траекториям (историям частиц). При таком подходе частица, перемещающаяся из точки А в точку В, имеет не одну историю, как в классической теории. Вместо этого

предполагается, что она следует каждым из возможных путей в пространстве-времени. Каждой такой истории соответствует пара чисел, одно из которых характеризует размеры волны, а второе — ее положение в цикле, то есть фазу.

Вероятность того, что частица, скажем, минует некоторые особые точки, определяется путем сложения волн, связанных с каждой возможной историей, которая проходит через эту точку. Однако практические попытки выполнить это сложение обычно наталкиваются на серьезные технические трудности. Единственный способ обойти их — последовать такому своеобразному предписанию: нужно складывать волны для историй частиц, которые происходят не в реальном времени, привычном для нас, а в мнимом.

Выражение «мнимое время» словно бы взято из научной фантастики, но на самом деле это точно определенное математическое понятие. Чтобы избежать технических трудностей при фейнмановском суммировании по историям, следует использовать мнимое время. Это оказывает интересное влияние на пространство-время: различие между пространством и временем совершенно стирается. Пространство-время, в котором событиям соответствуют мнимые значения временных координат, признается евклидовым, потому что метрика определенно-положительна.

В евклидовом пространстве-времени нет разницы между направлением времени и направлениями в пространстве. С другой стороны, в реальном пространстве-времени, где события характеризуются реальными значениями временных координат, разницу установить легко. Направление времени лежит внутри светового конуса, а пространственные направления — вне его. Можно посчитать, что использование мнимого времени просто-напросто математический прием, уловка, помогающая вычислить результаты для реального пространства-времени. Однако может статься, что этим дело

не ограничивается. Возможно, что евклидово пространство-время — фундаментальное понятие, а наши представления о реальном пространстве-времени не более чем плод воображения.

Когда мы применяем для Вселенной фейнмановский метод суммирования по историям, аналогом истории частицы выступает уже все искривленное пространство-время, которое представляет историю всей Вселенной. По техническим причинам, о которых говорилось выше, это искривленное пространство-время должно восприниматься как евклидово. Иначе говоря, время является мнимым и неотличимо от направлений в пространстве. Для того чтобы вычислить вероятность обнаружения реального пространства-времени с заданными характеристиками, нужно сложить волны, связанные с теми траекториями в мнимом времени, которые обладают требуемыми характеристиками. Проделав вычисления, можно получить вероятностную историю Вселенной в реальном времени.

Отсутствие граничных условий

В классической теории тяготения, в основе которой лежит реальное пространство-время, имеется лишь два возможных варианта поведения Вселенной. Она или существовала вечно, или берет начало в сингулярности в некоторый конечный момент прошлого. Теоремы о сингулярности показывают, что должен был иметь место второй вариант. С другой стороны, квантовая теория гравитации предлагает третью возможность. Поскольку мы имеем дело с евклидовым пространством-временем, в котором направление времени уравнено с направлениями в пространстве, пространство-время может быть конечным по протяженности, но при этом

не иметь сингулярностей, которые формируют границу или край. Пространство-время в этом случае будет подобно поверхности Земли, только с двумя дополнительными измерениями. Поверхность Земли конечна по протяженности, но не имеет границы или края. Отплыв на запад, вы не упадете с края света и не натолкнетесь на сингулярность. Уж я-то знаю, потому что огибал земной шар.

В евклидовом пространстве-времени, двигаясь назад к бесконечному мнимому времени или чему-то другому, начинающемуся в сингулярности, мы, как и в классической теории, столкнемся с проблемой определения начального состояния Вселенной. Бог может знать, как началась Вселенная, но мы не в состоянии привести каких-либо особых доводов в пользу того, что она зарождалась так, а не иначе. С другой стороны, квантовая теория гравитации открыла новую возможность: пространство-время вообще не имеет границ. Так что нет нужды устанавливать их поведение. Нет ни сингулярностей, в которых нарушаются законы физики, ни края пространства-времени, который заставил бы нас апеллировать к Богу или выводить новый закон граничных условий пространства-времени. Скажем так: граничные условия для Вселенной состоят в отсутствии у нее границ. Вселенная должна быть абсолютно замкнутой и независимой от чего-либо лежащего вне ее. Ее нельзя ни создать, ни уничтожить. Она должна просто существовать.

Именно на конференции в Ватикане я впервые выдвинул предположение, что, возможно, время и пространство вместе образуют поверхность конечных размеров, не имеющую границы или края. Мой доклад был, однако, скорее математическим, поэтому напрашивающиеся из него выводы о роли Бога в сотворении Вселенной ускользнули тогда от внимания слушателей (и моего тоже). Во время ватиканской конференции я не знал, как использовать идею отсутствия

границ для прогнозов о Вселенной. Следующее лето я провел в Университете Калифорнии в Санта-Барбаре. Мой друг и коллега Джим Хартл помог мне сформулировать условия, которым должна удовлетворять Вселенная, если у пространства-времени нет границы.

Должен подчеркнуть, что эта идея о конечном пространстве-времени, не имеющем границы, всего лишь предположение. Она не выводится логически из каких-либо других принципов. Как и любая другая научная теория, она могла быть изначально подсказана эстетическими или метафизическими соображениями, подтвердить же ее истинность должно соответствие теоретических предсказаний наблюдениям. Однако в случае квантовой механики произвести такую проверку весьма затруднительно, и на то есть две причины. Во-первых, мы все еще не знаем наверняка, какая теория успешно объединяет в себе общую теорию относительности и квантовую механику, хотя нам довольно много известно о том, какую форму должна иметь подобная теория. Во-вторых, любая модель, детально описывающая Вселенную в целом, должна быть слишком сложной математически, чтобы мы могли проделать вычисления для точных предсказаний. Так что придется довольствоваться приближениями, но даже и тогда проблема вывода предсказаний остается сложной.

Если принять предположение об отсутствии границы, выясняется: шансы обнаружить, что Вселенная следует большинству возможных историй, пренебрежимо малы. Но существует особое семейство историй, которые гораздо более вероятны, чем остальные. Эти истории можно уподобить поверхности Земли, где расстояние от Северного полюса представляет собой мнимое время, а величина широтного круга отображает пространственный размер Вселенной. Вселенная начинается на Северном полюсе в виде одиночной точки. По мере продвижения на юг широтный круг становится все больше, соответствуя расширению Вселенной в мнимом времени. Вселенная достигает максимального размера на экваторе и снова сойдется в одиночную точку на Южном полюсе. Даже если бы она имела нулевые размеры на Северном и Южном полюсах, эти точки не были бы сингулярностями, как не являются ими Северный и Южный полюса Земли. Законы природы будут соблюдаться в начале Вселенной, как они соблюдаются на полюсах нашей планеты.

История Вселенной в реальном времени, однако, выглядела бы совершенно иначе. Она начиналась бы с некоторого минимального размера, равного максимальному размеру истории в мнимом времени. Вселенная расширялась бы в реальном времени согласно инфляционной модели. Впрочем, не стоит теперь предполагать, будто Вселенная была так или иначе создана в правильном состоянии. Вселенная расширилась бы до очень больших размеров, но рано или поздно схлопнулась бы, став чем-то вроде сингулярности в реальном времени. Таким образом, в каком-то смысле мы все обречены, даже если держимся подальше от черных дыр. Только описание Вселенной на основе мнимого времени избавит нас от сингулярностей.

Теоремы о сингулярности в классической общей теории относительности показывают, что Вселенная должна иметь начало и что это начало следует описывать с помощью квантовой теории. Это, в свою очередь, приводит к идее, что Вселенная может быть конечной в мнимом времени, но не иметь границ или сингулярностей. Если вернуться в реальное время, в котором мы живем, сингулярности возникнут вновь. Несчастного астронавта, угодившего в черную дыру, по-прежнему постигнет печальный конец. Избежать встречи с сингулярностями он мог бы лишь в мнимом времени.

Возможно, это предполагает, что именно так называемое мнимое время является основным, а то, что мы называем

реальным временем, есть лишь плод нашего ума. В реальном времени Вселенная имеет начало и конец в сингулярностях, которые формируют границу пространства-времени и в которых нарушаются физические законы. Но в мнимом времени нет ни сингулярностей, ни границ. Так что, возможно, на самом деле мнимое время — основное, а то, что мы называем реальным временем, не более чем идея, придуманная нами для описания своих представлений о Вселенной. Но в соответствии с подходом, который я изложил в первой лекции, научная теория — это всего лишь математическая модель, которую мы вырабатываем для описания наблюдений. Она существует только в нашем сознании. А значит, бессмысленно спрашивать, что подлинно — реальное или мнимое время. Суть лишь в том, какое из них удобнее использовать для описания.

Предположение об отсутствии границы, похоже, предсказывает, что в реальном времени поведение Вселенной должно соответствовать инфляционным моделям. Особо интересная проблема — это величина небольших отклонений от однородной плотности в ранней Вселенной. Считается, что именно они привели к появлению сперва галактик, затем — звезд и наконец — разумных существ, таких как мы. Согласно принципу неопределенности, ранняя Вселенная не могла быть совершенно однородной. Напротив, положение или скорость частиц должны были иметь некоторый разброс, или флуктуации, значений. Если же принять предположение об отсутствии границ, то оказывается, что для начала Вселенной хватило бы всего лишь минимально возможной неоднородности, допускаемой принципом неопределенности.

Тогда Вселенная должна была пережить период стремительного расширения, как в инфляционных моделях. На протяжении этого периода исходные неоднородности разрастались бы, пока не достигли размеров, достаточных, чтобы объяснить возникновение галактик. Таким образом, все сложные структуры, которые мы наблюдаем во Вселенной, можно объяснить с помощью условия об отсутствии границ и принципа неопределенности квантовой механики.

Идея о том, что пространство и время может представлять собой замкнутую поверхность без границы, имеет глубокие следствия для того, какова роль Бога в делах Вселенной. В результате успешного применения научных теорий для описания событий большинство людей пришло к убеждению, что Бог позволяет Вселенной развиваться в соответствии с неким набором физических законов. Похоже, Он ни во что не вмешивается во Вселенной, дабы не нарушить этих законов. Однако физические законы не говорят нам, как выглядела Вселенная в момент своего возникновения. Право завести часовой механизм и решить, каким должно быть начало Вселенной, по-прежнему остается за Господом. Пока предполагается, что Вселенная имела началом сингулярность, правомерно допустить, что она была сотворена некой внешней силой. Но если Вселенная действительно полностью замкнута и не имеет ни границы, ни края, она никогда не может быть ни создана, ни уничтожена. Она просто должна существовать. Где же тогда место Создателя?

litra.pro