Происхождение Вселенной, Солнечной системы и Земли. С точки зрения науки. 2. Анализ теорий происхождения вселенной (Владимир Воронцов)

Когда в учебниках описывается стандартная модель Большого взрыва, у читателя создаётся впечатление, что учёные сумели досконально восстановить чуть ли не все этапы образования Вселенной и что Большой взрыв – это непререкаемая истина, против которой не существует никаких возражений. Однако если мы заглянем в специальную литературу, то с удивлением обнаружим, что перед данной теорией поставлено гораздо больше вопросов, чем с её помощью получено ответов. А из тех ответов, которые даны, едва ли найдётся хотя бы несколько, которые можно признать удовлетворительными.

2.1 Вселенная из «ничего». Инфляционная модель Большого взрыва

Первый вопрос, который можно поставить перед теорией Большого взрыва, касается происхождения и состава «первобытного атома», из которого образовалась Вселенная. Как мы уже отметили, в ранних моделях Большого взрыва предполагалось, что такой атом состоял из сильно сжатых частиц: либо из нейтронов (по Гамову), либо из протонов, электронов и нейтрино (по Зельдовичу). Но откуда взялись эти частицы и каким образом они оказались сжатыми в невероятно малый объём? Постулирование существования чего-то до того, как всё началось, разумеется, вызывает лишь недоумение.

В качестве решения этой проблемы в 1980 г. сотрудником Массачусетского технологического института Аланом Гутом была предложена инфляционная модель Большого взрыва. Согласно этой модели для возникновения Вселенной не нужно никакого исходного вещества: Вселенная возникла из вакуумного пузыря, т.е. в буквальном смысле из «ничего» (Девис, 1989).

Понять самопроизвольное возникновение чего-либо из «ничего» довольно сложно, однако считается, что такое вполне возможно. Согласно квантовой теории то, что остаётся после удаления частиц материи (к примеру, из закрытого сосуда с помощью вакуумного насоса), вовсе не является пустотой в буквальном смысле слова, как это считалось в классической физике. Хотя вакуум не содержит обычных частиц, он насыщен так называемыми виртуальными тельцами. Чтобы их превратить в настоящие частицы материи, достаточно возбудить вакуум, например, воздействовав на него электромагнитным полем, создаваемым внесёнными в него заряженными частицами.

Квантовая физика рассматривает вакуум как объект, насыщенный энергией, причём плотность энергии «пустого пространства», согласно расчётам, превышает всю энергию вещества Вселенной (рассчитанную по формуле Е=mс²) в 10¹²⁰ раз (если ввести некоторые ограничения, то получим 10⁵⁵ раз, от чего не легче)! Теоретические исследования указывают и на совершенно фантастическое, с точки зрения здравого смысла, свойство вакуума: он должен иметь отрицательное давление, причём плотность его энергии при расширении остаётся, как ни странно, постоянной (в противоположность газовой среде, давление которой положительно и падает с расширением) (Ксанфомалити, 2005).

Учитывая вышесказанное, обобщённый сценарий рождения Вселенной из «ничего» выглядит следующим образом: в физическом вакууме вследствие его неустойчивости постоянно возникают возмущения (флуктуации), которые, как правило, слабы и моментально затухают. Однако в какой-то момент времени случайным образом в вакууме произошло возмущение, превысившее обычную величину, и физический вакуум перешёл в возбуждённое состояние (состояние «ложного вакуума»). В результате возникла гигантская сила отталкивания, вызвавшая стремительное расширение «вакуумного пузыря». Далее, начиная с примерно 10^—35 секунды после Большого взрыва, Вселенная вступила в фазу экспоненциального расширения, когда её линейные размеры начали увеличиваться с огромной скоростью. Эта фаза расширения получила название инфляции (лат. inflatio – вздутие). Но, как и во всех возбуждённых квантовых системах, ложный вакуум неустойчив и стремится к распаду. Когда распад происходит, отталкивание исчезает. Это, в свою очередь, ведёт к прекращению инфляции и переходу Вселенной во власть обычного гравитационного притяжения. К концу фазы инфляции Вселенная была пустой и холодной. Однако когда инфляция окончилась, Вселенная вдруг стала чрезвычайно «горячей». Этот всплеск тепла обусловлен огромными запасами энергии, заключёнными в ложном вакууме. Когда вакуум распался, его энергия высвободилась в виде излучения, которое мгновенно нагрело Вселенную примерно до 10²⁷°К. Благодаря тепловой энергии возникло вещество и антивещество, избыток вещества породил элементарные частицы, из которых образовались все элементы, наблюдаемые сегодня. А Вселенная продолжала расширяться благодаря первоначальному импульсу, приобретённому в период инфляции (Девис, 1989).

Основное отличие инфляционной модели Большого взрыва от стандартной заключается в варианте начального этапа расширения Вселенной. Во время инфляции Вселенная расширяется с быстро возрастающей скоростью: за ничтожную долю секунды её радиус увеличивается как минимум в 10³⁰ раз

Таким образом, согласно инфляционному сценарию, Вселенная начала своё существование из вакуума, лишённого вещества. Но если бы даже вещество и присутствовало изначально, его следы быстро затерялись бы вследствие огромной скорости расширения в фазе инфляции. За чрезвычайно короткий отрезок времени, соответствующий этой фазе, Вселенная выросла от миллиардной доли размера протона до нескольких сантиметров. Плотность любого существовавшего изначально вещества фактически стала бы равной нулю. Поэтому вопрос, из чего состояла Вселенная в момент Большого взрыва, потерял актуальность. Вселенная появилась в результате самопроизвольного взрыва пустого пространства, и всё, что было до этого (если оно было), исчезло (Девис, 1989).

В настоящий момент инфляционная модель Большого взрыва приобрела большую популярностью в науке. Считается, что Вселенная и все элементарные частицы, из которых она состоит образовалась именно таким способом. Эта модель помогла избавиться от многих проблем стандартной модели Большого взрыва: состава первичного атома, его загадочного появления, а также невероятных физических характеристик, которыми он обладал.

2.2 Парадоксы инфляционной модели Большого взрыва

Бесспорно, данный сценарий развития Вселенной способен поразить воображение любого читателя и, в первую очередь, незаурядной фантазией его авторов. Что же касается проблем, с которыми ему приходится сталкиваться, то главная из них – это извечная проблема начала: энергия, свойственная, как утверждают учёные, «пустому пространству», должна была откуда-то взяться, но откуда? Возникновение первичной энергии в инфляционной модели Большого взрыва связано с каким-то волшебством. И это только начало волшебства. Вакуум с таинственным отрицательным давлением наделяется совершенно невероятными возможностями. С одной стороны, он создаёт гигантскую силу отталкивания, обеспечивающую его всё ускоряющееся расширение, а с другой – само расширение форсирует возрастание энергии вакуума. Вакуум, по существу, сам питает себя энергией в огромных количествах. Он готов обеспечивать и непрерывное расширение, и неограниченное производство энергии. И только квантовый распад ложного вакуума кладёт предел этому космическому расточительству (Девис, 1989). То есть история происхождения Вселенной в современной космологии сродни истории, произошедшей с бароном Мюнхгаузеном, когда ему удалось вытащить себя из болота за косу. Но возможно ли такое?

2.2.1 Сколько энергии в вакууме? Теоретические расчёты – вещь серьёзная и важная, но мы живём в мире, где господствует Первый закон термодинамики, который говорит, что ни энергия, ни вещество не могут возникать самопроизвольно. А потому не следует думать, что идея колоссального энергетического потенциала вакуума будет безоговорочно поддержана всеми учёными. Роман Подольный (1933—1990) в своей книге о возникновении Вселенной «Нечто по имени Ничто» по этому поводу пишет: «Идея о грандиозной энергии, содержащейся в вакууме, многим физикам кажется не только недоказуемой сегодня, но и прямо неверной. Большинство специалистов по квантовой теории поля решительно считает такое абсолютно невозможным, и доводы этого большинства звучат очень убедительно. Так, Д. А. Киржниц7 говорит: «Вселенная выглядела бы иначе, будь вакуум резервуаром огромной (не говоря уже – бесконечной) энергии… Академик Я. Б. Зельдович подчёркивает, что если бы энергия вакуума была большой, характер расширения Метагалактики был бы совсем иным, нежели это наблюдается на самом деле. А значит допустимы лишь ничтожно малые значения плотности этой энергии. Хорошо это или плохо с точки зрения энергетического кризиса, но из многих убедительных теоретических работ следует вывод о том, что энергия вакуума вряд ли отлична от нуля. Вакуум во многом загадка, ждать от него стоит многого, но не всего же, что нам нужно» (Подольный, 1983).

2.2.2 Из чего состоит «ничего»? Что же касается того «ничего» из которого согласно инфляционной модели Большого взрыва возникает Вселенная, то здесь необходимо оговориться. Физики, описывающие сценарий зарождения Вселенной, действительно часто пишут, что она рождается из «ничего», однако это слово они берут в кавычки. И не случайно. Пустота, в которой возникает что-то, пуста только в привычном для нас понимании. Если, например, судить по статье американского физика и космолога, профессора Александра Виленкина «Квантовое происхождение Вселенной» (Vilenkin, 1985), на которую ссылаются многие астрофизики, то для возникновения Вселенной необходимы как минимум: квантовая пена (сильно турбулентная, конденсированная среда, где пространство и время сильно искривлены и мощно проявляются квантовые эффекты и эффекты общей теории относительности), гравитационное поле Эйнштейна, поле Хиггса, туннельный эффект и другие физические сущности и законы (Ацель, 2015). Другими словами, «пустота» – это отсутствие классического пространства-времени, но присутствие так называемой «предсуществующей среды».

Разумеется, всё это тоже только теоретическое предположение, о чём не преминул отметить сам автор вышеупомянутой статьи: «Большинство проблем, обсуждаемых в этой статье, относится к „метафизической космологии“, к той ветви космологии, которая не может опираться на непосредственные наблюдения. Это не означает, однако, что такие проблемы не поддаются рациональному анализу: идеи можно проверять по тому, насколько они вписываются в общую картину Вселенной» (Vilenkin, 1985).

Действительно, фактических подтверждений у инфляционной модели Большого взрыва практически нет. Поиск того вакуума, который может произвести Вселенную, успехом не увенчался. Из вакуума, имеющегося в нашем распоряжении (причём в неограниченном количестве), получить ничего не удаётся. Американский учёный Брэд Лемли, обсуждая эту проблему в журнале Discover, пишет: «Квантовая теория утверждает, что вакуум подвержен квантовым неопределённостям. Это значит, что из него могут материализоваться объекты, которым, впрочем, свойственно мгновенно в нём же исчезать… Теоретически, благодаря этой квантовой причуде, которую физики именуют флуктуацией вакуума, может возникнуть всё на свете… Впрочем, с огромной вероятностью возникает лишь пара субатомных частиц… и крайне быстро исчезает. Спонтанное возникновение устойчивого объекта размером хотя бы с молекулу крайне маловероятно. Однако в 1973 г. доцент Колумбийского университета Э. Трайон предположил, что Вселенная могла появиться именно таким образом. Вся Вселенная, по словам А. Гута, может быть «бесплатным завтраком» (Lemley, 2002).

«„Вселенная из ничего“ – это вымысел, фикция, не имеющая никакого обоснования в объективной реальности», – пишет американский математик Амир Ацель (1950—2015) (Ацель, 2015).

Астроном Дэвид Дарлинг в журнале New Scientist по этому поводу высказался более категорично: «Не позволяйте толкователям космологии одурачить вас. У них тоже нет ответов на вопросы – хотя они хорошенько поработали над тем, чтобы убедить всех, и себя в том числе, в том, что им всё ясно… На самом же деле объяснение того, как и откуда всё началось, – до сих пор серьёзная проблема. Не помогает даже обращение к квантовой механике. Либо не существовало ничего, с чего всё могло бы начаться – ни квантового вакуума… ни каких бы то ни было физических законов, в соответствии с которыми ничтó могло превратиться в нéчто. Либо же существовало нéчто, и в этом случае оно требует объяснения» (Darling, 1996).

Гипотетичность идеи зарождения материи Вселенной из вакуума – не единственное слабое место в теории Большого взрыва. Если детально проанализировать события, которые предположительно должны были происходить после Взрыва, то можно выявить ряд важнейших параметров, которые при этом должны быть соблюдены в абсолютной точности.

2.2.3 Идеальная скорость расширения. Исследования скорости расширения Вселенной показали, что она очень близка к критическому значению, при котором Вселенная способна преодолеть собственную гравитацию и расширяться вечно. Будь эта скорость чуть меньше – произошёл бы коллапс Вселенной, а будь она чуть больше – космическое вещество давно бы рассеялось. Интересно выяснить, насколько точно скорость расширения Вселенной попадает в этот очень узкий допустимый интервал между двумя возможными катастрофами. Если бы в начальный момент предполагаемого Большого взрыва скорость расширения Вселенной отличалась от своего реального значения более чем на 1/100000000000000000 долю, этого оказалось бы достаточно для полного нарушения тонкого баланса. Таким образом, сила взрыва Вселенной с невероятной точностью должна была соответствовать её гравитационному взаимодействию. Что обеспечило ему такую точность и откуда она могла взяться? Удовлетворительный ответ на этот вопрос до сих пор не получен (Девис, 1989; Хокинг, 2007).

2.2.4 Идеальная картина расширения. Загадка идеальной скорости расширения Вселенной – первая в череде космических чудес8. Другая связана с характером расширения Вселенной в пространстве. По данным современных наблюдений, Вселенная в больших масштабах чрезвычайно однородна, что касается распределения вещества и энергии. Глобальная структура космоса почти одинакова как при наблюдении с Земли, так и из отдалённой галактики. Галактики рассеяны в пространстве с одинаковой средней плотностью, и из каждой точки Вселенная выглядит одинаково по всем направлениям. Заполняющее Вселенную первичное тепловое излучение падает на Землю, имея во всех направлениях одну и ту же температуру с точностью не ниже 10^—4. Это излучение на пути к нам проходит в пространстве миллиарды световых лет и несёт на себе отпечаток любого встречающегося ему отклонения от однородности. Крупномасштабная однородность Вселенной сохраняется по мере расширения Вселенной. Отсюда следует, что расширение происходит однородно и изотропно с очень высокой степенью точности. Это означает, что скорость расширения Вселенной не только одинакова по всем направлениям, но и постоянна в различных областях. Если бы Вселенная в одном направлении расширялась быстрее, чем в других, то это привело бы к уменьшению температуры фонового теплового излучения в этом направлении и изменило бы видимую с Земли картину движения галактик (Девис, 1989).

Таким образом, эволюция Вселенной должна была начаться не просто со взрыва строго определённой силы, а со взрыва, который должен был быть так организован, чтобы обеспечить столь равномерное движение образующегося в нём вещества во всём пространстве на протяжении всех предполагаемых 13,7 млрд лет. Английский учёный Стивен Хокинг9 отмечает, что такое просто невозможно. Даже ранняя Вселенная не могла быть однородной, потому что «это нарушило бы существующий в квантовой механике принцип неопределённости» (Хокинг, 2006а).

«Почему Вселенная так однородна в больших масштабах? – пишет Хокинг. – Почему она выглядит одинаково во всех точках пространства и во всех направлениях? В частности, почему температура космического фона микроволнового излучения практически не меняется при наблюдениях в разных направлениях? Когда на экзамене нескольким студентам подряд задаётся один и тот же вопрос и их ответы совпадают, вы можете быть совершенно уверены в том, что они советовались друг с другом. Однако в описанной модели с момента Большого взрыва у света не было времени, чтобы попасть из одной удалённой области в другую, даже если эти области располагались близко друг к другу в ранней Вселенной. Согласно же теории относительности, если свет не может попасть из одной области в другую, то и никакая другая информация тоже не может. Поэтому разные области ранней Вселенной никак не могли выровнять свои температуры друг с другом, если у них не были одинаковые по какой-то непонятной причине температуры прямо с момента рождения» (Хокинг, 2007).

Действительно, крайне маловероятно, чтобы подобное одновременное и согласованное расширение могло произойти чисто самопроизвольно, и это сомнение усиливается в рамках традиционной теории Большого взрыва тем, что различные области первичного космоса причинно не связаны друг с другом. Дело в том, что, согласно теории относительности, никакое физическое воздействие не может распространяться быстрее света. Следовательно, различные области пространства могут оказаться причинно связанными друг с другом лишь по прошествии определённого промежутка времени. Например, спустя 1 секунду после Взрыва свет может пройти расстояние не более одной световой секунды, что соответствует 300 тыс. км. Области Вселенной, разделённые большим расстоянием, через 1 секунду ещё не будут оказывать влияния друг на друга. Но к этому моменту наблюдаемая нами область Вселенной уже занимала пространство не менее 10¹⁴ км в поперечнике. Следовательно, Вселенная состояла примерно из 10²⁷ причинно не связанных друг с другом областей, каждая из которых тем не менее расширялась с точно одинаковой скоростью (Девис, 1989).

Конец ознакомительного фрагмента.