ЧАСТЬ I. ОСНОВЫ ЦЕЛОСТНОЙ ТЕОРИИ ВСЕГО
Как информация связывает все со всем

3. Краткий перечень загадок согласованности

Загадки согласованности в космологии

Космология, отрасль астрономических наук, переживает потрясения. Чем глубже проникают новые мощные инструменты в труднодоступные области Вселенной, тем больше обнаруживается загадок. И все они имеют общий элемент — демонстрируют поразительную согласованность во всех сферах пространства и времени.

Удивительный мир новой космологии

Важная веха: согласованный и согласованно развивающийся космос

Вселенная гораздо сложнее и согласованнее, чем кто-либо (кроме поэтов и мистиков) может себе представить. Результаты некоторых наблюдений приводят в замешательство.
 
Нарушение равенства зарядов. Вселенная, рожденная в Большом взрыве, должна содержать равное количество частиц и античастиц — материи и антиматерии. Но если бы в нашей Вселенной все так и было, сталкивающиеся пары частиц и античастиц уничтожили бы друг друга, и пространство-время было бы лишено того, что нам известно как материя. Однако равновесия между материей и антиматерией не существует: материи достаточно, чтобы наполнить космическое пространство частицами, атомами, звездами и галактиками. (Эта загадка называется «СР-нарушение», где С — это «зарядовое сопряжение», а Р — это «четность», создающая зеркальное изображение.) Энергия «пустого» пространства. Даже в отсутствие материи космическое пространство не пусто: его занимают поля с положительной энергетической ценностью. Это вызвавшее много споров поле Хиггса и нулевое поле или поле нулевой энергии (ПНЭ). Последнее названо так потому, что энергии этого поля присутствуют даже тогда, когда все традиционные формы энергии исчезают — при температуре, равной абсолютному нулю. Точная величина энергии, присутствующей в свободном от материи (то есть «пустом») пространстве, может быть критическим, пусть и неизвестным пока фактором, который определяет, будет ли Вселенная расширяться вечно, остановится и начнет двигаться к Большому сжатию или же останется балансировать на грани между расширением и сжатием.
 
Ускорение расширения космоса. Отдаленные галактики набирают скорость, двигаясь прочь друг от друга. Но они должны были замедляться по мере того, как гравитация ослабляет силу Большого взрыва, который направил их в разные стороны.
 
«Недостающая масса» Вселенной. В космосе существует больше гравитационного притяжения, чем может объяснить видимая материя, — однако считается, что только материя обладает массой и, следовательно, способна обнаруживать силу гравитации. Даже когда космологи вводят понятие «темной» (оптически невидимой) материи, ее все равно не хватает. Единообразие некоторых космических пропорций. Масса элементарных частиц, количество частиц и силы, которые существуют между ними, загадочным образом сонастроены, что приводит к возникновению определенных пропорций снова и снова.
 
«Проблема горизонта». Галактики и другие макроструктуры Вселенной развиваются практически одинаково во всех направлениях от Земли, даже на расстояниях настолько огромных, что они не могут быть связаны светом, а, следовательно, и сигналами, которые несет свет (потому что, согласно теории относительности, никакие сигналы не могут перемещаться со скоростью, превышающей скорость света).
 
Согласованность универсальных констант. Ключевые параметры Вселенной удивительно точно согласованы, что приводит не только к повторяющемуся возникновению гармоничных пропорций, но и — что статистически невероятно — условий, при которых в космосе может возникнуть и развиться жизнь.

Согласно наиболее общепринятой космологической модели (теории Большого взрыва), Вселенная зародилась в неимоверной силы взрыве, произошедшем от 12 до 15 миллиардов лет назад. Прежде считалось, что это случилось 13,7 миллиона лет назад, но в 2006 году команда исследователей под руководством Альчесте Бонаноса из Института Карнеги в Вашингтоне пришла к другому заключению: возраст Вселенной, заявили они, составляет 15,8 миллиарда лет. Большой взрыв, должно быть, явился взрывной нестабильностью в квантовом вакууме. Регион этого вакуума, который весьма отличен от реального вакуума, то есть пустого пространства, взорвался, создав огненный шар неимоверной температуры и плотности. В первые миллисекунды в нем образовалась вся материя, которая в настоящий момент наполняет космическое пространство. Возникшие пары частица-античастица столкнулись и уничтожили друг друга. Но по неясной причине (которую не объясняет ни теория Большого взрыва, ни известная стандартная модель физики частиц — теория, описывающая математику состояния и взаимодействия частиц) материи было создано больше, чем антиматерии, и излишек материи образовал все то, что существует в настоящий момент во Вселенной.

После примерно 400 тысяч лет Вселенная остыла настолько, что заряженные электроны и протоны смогли объединиться и образовать атомы водорода. Большая часть квантов света (фотонов) смогла избежать горячей плазмы, и в результате пространство стало проницаемым. Скопления частиц (в основном атомов водорода) стали отдельными элементами в космосе, и в этих частицах под действием гравитационного притяжения уплотнилась материя. За один миллиард лет сформировались галактики. Внутри галактик образовались вторичные скопления. Становясь все более плотными, они разогревались и достигли температуры, при которой могли запуститься цепные ядерные реакции. Засияли звезды.

До недавнего времени сценарий космической эволюции казался ясным и понятным. Измерения космического фонового излучения — предполагаемого следа Большого взрыва — подтверждают, что его изменения происходят из-за незначительных колебаний внутри космического огненного шара, когда возраст нашей Вселенной составлял менее одной триллионной секунды, а не из-за помех, создаваемых излучением звездных объектов.

Но стандартная космология Большого взрыва уже далеко не так бесспорна сегодня, как это было несколько лет назад. Появляется все больше неясностей. Во-первых, существует необъяснимое СР-нарушение. Затем, теория Большого взрыва ничего не может сообщить о загадочной силе, которая отталкивает галактики друг от друга. Эта отталкивающая сила известна как космологическая константа, а ее величина определяется на основе квантовой физики. Классическая версия теории Большого взрыва обходит стороной тему темной материи и темной энергии и, следовательно, не может объяснить наблюдаемую нехватку гравитационной массы в пространстве (проблему нехватки массы). Кроме того, теория Большого взрыва не объясняет согласованности некоторых основных космических пропорций и единообразия макроструктур в космическом пространстве (проблему горизонта).

Феномен, который космологи называют «согласованностью универсальных констант», особенно загадочен. Три десятка или более физических параметров Вселенной так точно согласованы, что образуют весьма маловероятные условия, при которых жизнь на Земле могла зародиться (и, предположительно, на других планетах тоже) и развиваться, выходя на все новые уровни сложности. Все это загадки согласованности, и они указывают на возможность того, что эта Вселенная возникла не благодаря случайному колебанию квантового вакуума. Она могла зародиться внутри уже существовавшей Метавселенной (приставка мета имеет греческое происхождение и означает «позади» или «вне»; в данном случае имеется в виду более обширная и фундаментальная Вселенная, которая находится позади или вне той Вселенной, которую мы населяем). Факт существования обширной (возможно — бесконечной) Вселенной подкрепляется недооцененным поразительным открытием: куда бы не были направлены мощные телескопы, они находят Галактику за Галактикой даже в «темных регионах» неба, где не предполагалось существования ни галактик, ни каких-либо звезд. Эта картина значительно отличается от той, что существовала в астрономии всего сотню лет назад. В то время и вплоть до 1920-х годов считалось, что Млечный Путь — это все, что существует во Вселенной. Там, где он заканчивается, заканчивается само пространство. Сегодня мы не только знаем, что Млечный Путь (наша Галактика) — одна из миллиардов других галактик в нашей Вселенной, но и начинаем признавать, что границы нашей Вселенной — это отнюдь не границы всей Вселенной. Космос может быть бесконечным во времени и, возможно, в пространстве. Он определенно больше, чем любой космолог отважился бы представить всего несколько десятилетий назад.

Некоторые физические космологии предлагают количественно оформленные описания того, как внутри Метавселенной могла возникнуть наша Вселенная. Такие космологии, возможно, найдут ответ на вопросы, связанные с согласованностью этой Вселенной, включая тот поразительный факт, что ее физические константы так точно согласованы. Для этого факта нет убедительного объяснения в одноразовой одноциклической Вселенной, так как в ней колебания вакуума, которые задали параметры возникающей Вселенной, были бы случайными: не было ничего, что могло бы повлиять на счастливую случайность этого выбора. Однако случайный выбор среди всех возможных колебаний в хаосе бушующего вакуума с астрономически малой вероятностью привел бы к возникновению Вселенной, где существуют живые организмы и другие сложные и целостные феномены — или даже Вселенной, в которой количество материи преобладает над количеством антиматерии.

Согласованность нашей Вселенной говорит нам о том, что все ее звезды и галактики каким-то образом связаны. А поразительная согласованность всех ее физических констант указывает на то, что при ее рождении вакуум, в котором возникла наша Вселенная, был структурирован не случайным образом. Предшествующая Вселенная могла передать информацию для рождения нашей Вселенной — подобно тому, как генетический код родителей передает информацию, необходимую для зачатия и роста эмбриона.

Несколько современных гипотез Метавселенной

Вызвавшая немало обсуждений гипотеза, выдвинутая физиком из Принстона Джоном Уилером, предполагает, что расширение Вселенной закончится, после чего она неизбежно сожмется обратно. Вслед за этим Большим сжатием Вселенная может взорваться снова, порождая другую Вселенную. В квантовой неопределенности, которая преобладает в суперсжатом состоянии, существует почти бесконечное количество возможностей для создания Вселенной.

Это могло бы объяснить согласованность характеристик нашей Вселенной, так как при достаточно значительном количестве последовательных колебаний, создающих вселенные, даже маловероятная согласованность имеет шанс на возникновение.

Также возможно, что одновременно зародились и другие вселенные. Это справедливо, если взрыв, породивший их, имел сетчатую структуру — состоял из отдельных регионов. Согласно теории расширения Андрея Линде, Большой взрыв был разделен на регионы, подобно мыльному пузырю, в котором есть много маленьких. Когда такой пузырь взрывается, маленькие пузырьки разделяются, и каждый из них образует самостоятельный пузырь. Пузыри-вселенные следуют собственному эволюционному пути. В каждой вселеннойпузыре устанавливается собственная система физических постоянных, которые могут быть весьма отличны от тех, что сущест вуют в других вселенных. Например, в некоторых вселенных гравитация может быть такой сильной, что они сжимаются вновь почти мгновенно, а в других настолько слаба, что звезды не могут образоваться. Мы оказались в пузыре, физические постоянные которого позволяют эволюцию сложных систем, включая людей.

Новые вселенные могут создаваться внутри черных дыр. В крайне высокой плотности этих пространственно-временных регионов известные законы физики не действуют. Стивен Хокинг и Алан Гут предположили, что при таких условиях регион пространства-времени в черной дыре отделяется и расширяется, создавая собственную Вселенную. Черная дыра одной Вселенной может быть «белой дырой» другой: Большим взрывом, который ее создает.

В другой космологии новорожденные вселенные время от времени возникают во вспышках, сходных с той, которая породила нашу Вселенную. Космология квазистационарного состояния, предложенная Фредом Хойлом вместе с Джорджем Барбриджем и Дж. В. Нарликаром, предполагает, что такие «создающие материю события» происходят во всей Метавселенной. Создающие материю события возникают в сильных гравитационных полях, связанных с плотными скоплениями существующей уже материи, как в ядрах галактик. Самые последние вспышки произошли около 14 миллиардов лет назад, что соответствует возрасту нашей Вселенной.

Другая гипотеза Метавселенной была предложена Ильей Пригожиным, Д. Гехениу, И. Ганзигом и П. Нардоне. Их теория совпадает с космологией квазистационарного состояния в том, что создающие материю события, сходные с нашим Большим взрывом, происходят время от времени. Крупномасштабная геометрия пространства-времени создает резервуар «отрицательной энергии» (которая необходима для движения тела в направлении, не совпадающем с действием силы притяжения); из этого резервуара движущаяся под воздействием силы тяжести материя извлекает положительную энергию. Таким образом, гравитация лежит в основе непрерывного синтеза материи: она создает вечную машину, производящую материю. Чем больше частиц создается, тем больше появляется отрицательной энергии, которая потом в качестве положительной участвует в дальнейшем синтезе частиц. Притом, что квантовый вакуум нестабилен при гравитационном взаимодействии, материя и вакуум образуют самоподдерживающуюся петлю обратной связи.

Критическая нестабильность, запущенная материей, заставляет вакуум перейти в состояние расширения, и это состояние означает начало новой эры синтеза материи.

Недавно предложенная космология стала плодом труда Пола Дж. Стайнхарда из Принстона и Нейла Турока из Кембриджа. Она объясняет все факты, которые объясняла теория Большого взрыва, и также дает объяснение странному ускорению расширения далеких галактик. По мнению Стейнхарда и Турока, Вселенная существует в бесконечной последовательности космических эпох, каждая из которых начинается со взрыва и заканчивается сжатием. Каждый цикл включает период постепенного, а затем ускоряющегося расширения, за которым следует начало эпохи сжатия. Они полагают, что в настоящий момент прошло около 14 миллиардов лет с начала цикла, и предстоит еще триллион лет ускоряющегося расширения.

Наша Вселенная (точнее, наш цикл Вселенной) неизбежно достигнет состояния, когда пространство станет равномерным и в нем не будет искривлений. Тогда начнется новый цикл.


Страницы:
[1] [2] [3] [4] [5] [6] | 7 | [8] [9] [10] [11] [12] [13] [14] [15] [16] [17]
[18] [19] [20] [21] [22] [23] [24] [25] [26] [27] [28] [29] [30] [31] »»»»

Яндекс.Метрика