Чего не знает современная наука

Мы начали с возраста Вселенной в 10^{– 43} сек. и дошли до одной секунды, за это время распалось первичное скалярное поле и Вселенная обрела колоссальный размер. Насколько велик этот размер, сказать трудно. Размер современной причинно-связанной области Вселенной (как говорят, горизонта событий), определенный по недавним блестящим экспериментами по наблюдениям реликтового 3-градусного фона, порядка 10²⁸ см, а что за ней – мы не знаем. Границы этой области расширяются со скоростью света. Но сама Вселенная значительно больше, чем эти 10²⁸ см, во сколько раз – никто не знает. Может, она во столько же раз больше, может, еще в 10¹⁰⁰ раз больше V – все зависит от того, как происходило первичное расширение. При этом получается замечательный факт: какой бы топологически сложной ни была Вселенная на ранней стадии, невероятно сложную можно придумать топологию, но из-за того, что она в краткий миг расширилась в е⁷⁰ раз, все неоднородности, которые у нее были, выровнялись до такой степени, что внутри причинно-связанной области осталась практически плоская поверхность. Это основное предсказание этой теории – то, что мы должны жить в пространстве плоском, евклидовом. Ни геометрии Лобачевского, ни геометрии на сфере во Вселенной быть не должно (точнее говоря, поправки отличия свойств пространства от евклидовой геометрии могут сказываться на масштабах, заметно превосходящих размер современного горизонта событий, – так, для муравья на идеальной сфере с радиусом Земли в 6 тысяч километров его среда обитания с радиусом в несколько десятков метров кажется совершенно плоской!). И понадобилось 19 лет для того, чтобы в 1999 году с помощью наблюдений реликтового излучения удалось измерить эти самые знаменитые «углы треугольника» во Вселенной, причем сделано это было очень остроумным способом.

Пусть имеется некий стандартный метр. Если я буду удалять его от наблюдателя, его угловой размер будет уменьшаться и в конце концов превратится в очень маленькую точку, но если я знаю расстояние до этого объекта и знаю его угловые размеры, то я могу сказать, чему равны углы между лучами, которые исходят от краев этого метра, который мы наблюдаем. Итак, нужен был «стандартный метр», унесенный на далекое расстояние. Естественно, что во Вселенной с отрицательной кривизной наблюдался бы один угловой размер, с положительной – другой угловой размер, в плоской – третий. Причем, зная расстояние до «метра», эти углы можно было вычислить. Вот такой стандартный метр нашелся, он оказался скрыт в реликтовом микроволновом излучении. Оно образовалось примерно через 300 тысяч лет после начала расширения, когда протоны и электроны образовали атомы водорода, и фотоны стали свободно распространяться; до этого момента фотоны фактически были «заперты» среди большого количества рассеивающих их заряженных частиц. А после рекомбинации фотоны стали свободно распространяться и доходят до нас в настоящий момент времени. Естественно, из-за расширения Вселенной длины волн фотонов увеличиваются из-за эффекта Допплера, их энергия уменьшается и мы регистрируем «холодные» фотоны реликтового фона с температурой около 2,7 градуса Кельвина. По флуктуациям, то есть по неоднородностям температуры этого реликтового фона, который является наибольшим носителем информации о ранней Вселенной в настоящее время, удалось измерить геометрию Вселенной. Она оказалась с высокой степенью точности плоской. Если у нее и есть кривизна, то она совершенно ничтожная, необыкновенно маленькая, т. е. ее радиус гигантский. Если даже мы стоим на Земле и не замечаем ее кривизны, а ее радиус всего 6400 км, то представьте, что мы живем на шаре с радиусом 10²⁸ см! Свет будет идти до границы этой области 13 миллиардов лет, это невероятно далеко. И поэтому сумма углов треугольника в таком пространстве с колоссальной точностью составляет 180°. Любое пространственное сечение четырехмерной Вселенной в фиксированный момент времени обладает геометрией Евклида.

Евклид был гениальным человеком. Как всякий гениальный человек, несмотря на то, что он ничего не знал о современной Вселенной, он вывел верную геометрическую теорию, адекватно описывающую мир. Эйнштейн, несмотря на то, что ругал себя за введение космологической постоянной в уравнения гравитации, тоже был гениальным человеком. Почему? Потому что в конце 90-х годов из астрономических наблюдений выяснилось, что наша Вселенная, помимо того что расширяется, расширяется с ускорением. А это означает, что во Вселенной на больших масштабах действует сила антигравитации, сила отталкивания. Природа этой силы совершенно неясна, поэтому ее еще называют «темной энергией» по аналогии с загадочной «темной материей» вокруг галактик. Однако в отличие от «темной материи», которая создает силу гравитационного притяжения, как и обычная материя, «темная энергия» вызывает отталкивание в больших масштабах, Космологическая постоянная Эйнштейна является лишь одной из ряда возможностей для этого, но это не умаляет глубокое предвидение Эйнштейна, которое он сделал совсем с другой целью!

Реликтовое излучение и о чем оно повествует

Такова космическая история в кратком изложении. Осталось добавить несколько важных штрихов. Все галактики, которые мы видим и в одной из которой мы с вами живем, все структуры Вселенной образовались из ничтожных первичных квантовых флуктуаций (например, первичного скалярного поля в инфляционной модели). Что такое квантовые флуктуации? Это неустранимые колебания физических полей, которые нельзя убрать никакими преобразованиями. Согласно квантовой механике, любое физическое поле в своем минимальном состоянии должно немного колебаться. Это предсказание теории подтверждается экспериментально: например, при наблюдении Лэмбовского сдвига уровней в атоме водорода и в эффекте Казимира (притяжение проводящих пластинок в вакууме на малых расстояниях). Амплитуды этих квантовых флуктуаций выросли на стадии инфляции. И в момент, когда Вселенной было 300 000 лет (эпоха рекомбинации) и не было еще никаких галактик и звезд, они оставили свои следы в реликтовом излучении, потому что эти флуктуации носили характер звуковых волн, то есть существовали возмущения плотности, которые распространялись по всей тогдашней Вселенной. Никаких галактик еще не было, а возмущения плотности были. А когда у вас где-то сжато, где-то разрежено, то там, где сжато, температура больше, а где разрежено, температура меньше, и поэтому температура реликтового фона должна иметь неустранимые флуктуации, их открыли в 1992 году (эксперименты Реликт и Кобе). В январе 2003 года опубликовали последние карты неба, полученные со спутника WMAP, где отмечены эти флуктуации, они ничтожно малы. Так, средняя температура реликтового фона 2,7 градуса Кельвина, а флуктуации имеют температуру порядка нескольких стотысячных долей градуса Кельвина, то есть надо измерить на небе флуктуацию температуры реликтового фона с точностью до миллионных долей градуса Кельвина. Эти флуктуации за вычетом галактик изображены на рисунке. Видно, что излучение где-то горячее, где-то холоднее, но они действительно существуют. Это следы той эпохи, которая была в период между 10^{– 43} сек. и 300 000 лет с момента рождения Вселенной. А потом из этих флуктуаций родились галактики, в галактиках звезды, и поэтому все, что мы имеем, вся богатая астрономия и астрофизика ближнего космоса, ближней Вселенной – это все следы тех квантовых флуктуаций.

Это тоже не все. Оказалось, что львиную долю энергии во Вселенной занимают не материя, не излучение, а некая субстанция, о которой мы уже упоминали выше и которую обобщенно называют «темной энергией» или квинтэссенцией. Она разлита по всей Вселенной, как некая жидкость. Все вещество, из которого состоим мы с вами, все в этой аудитории, вся наша Земля, все звезды, все барионное вещество занимают примерно 4 % всей энергии во Вселенной, 27 % – это непонятная «темная материя», и около 70 % – это еще более непонятная «квинтэссенция».

Это непреложный наблюдательный факт, он удивителен, он непонятен. Это парадоксально. Начало XXI века, мы многое умеем, но мы понимаем только 4 % всего, из чего состоит Вселенная! Если о прошлом Вселенной можно говорить сколько-нибудь уверенно, потому что у нас есть астрономические наблюдения галактик и реликтового излучения, то о будущем Вселенной надо говорить с большой осторожностью. Прошедшие пять лет убеждают, что свойства пространства могут быть настолько сложными, непонятными, и через пять лет может оказаться, что все устроено еще тоньше. Хотя я думаю, что здесь работает принцип дополнительности, и ни один из экспериментов, ни одна из новых концепций не отменяет предыдущие.

Уверенно можно сказать только одно – каждое новое глобальное открытие в космологии ставит больше вопросов, чем дает ответов на уже существующие. Это и является важной движущей силой познания мира.

Константин Постнов, д-р физ. – мат. наук, МГУ

По материалам доклада на научном семинаре «Нелинейные системы»

Самоорганизация – творчество природы

Древние истины: «время вспять не воротишь», «нельзя дважды войти в одну реку»… Доктор Фауст со своей мечтой об утраченной юности… Время нам кажется рекой, чье мощное течение неумолимо уносит вдаль все, что попадает в ее воды, но в своих водоворотах рождает все новые и новые формы мира. Появившаяся в последней четверти XX века теория нелинейных динамических систем позволяет по-новому взглянуть на вечные вопросы о предопределенности и случайности, найти механизмы творчества природы.

«Стрела времени»: от порядка к беспорядку

Всем нам знакомы ситуации, когда порядок, с любовью наведенный в нашей квартире, несколько дней спустя сменяется хаосом, а замок из песка, выстроенный на берегу моря, через несколько минут превращается в бесформенный холмик, от которого на следующий день не остается и следа. Сложные механизмы рано или поздно ломаются и требуют ремонта. За этими явлениями наука разглядела общий принцип, строгая формулировка которого носит название второго начала термодинамики. Его смысл упрощенно можно пояснить так: в системе, предоставленной самой себе, все меняется от порядка к беспорядку.

Этот закон, открытый в XIX веке, несмотря на столь очевидные примеры своего действия, вызвал целую бурю в науке. Дело в том, что ни известная в те времена механика Ньютона и Галилея, ни электродинамика Максвелла не отличают прошлого от будущего: теоретически движение тел по траекториям возможно как в одну сторону, для этого надо лишь поменять направление скорости на противоположное. При этом движение происходит так, как будто бы время поменяло свой бег на обратный. То же можно сказать и об электромагнитных волнах. Второе начало термодинамики утверждает, что все изменения в мире подчинены определенной тенденции; иными словами, время течет только в одну сторону, и повернуть его вспять невозможно, ибо тогда будет нарушено непреложное правило, столь же незыблемое, как закон сохранения массы или энергии.

Прошлое и будущее субъективны?

Вплоть до первой половины XIX века обратимость времени считалась колоссальным достижением разума, идеальным выражением объективности науки. Вот они, истинные законы природы: в них все симметрично, а кажущаяся необратимость – всего лишь следствие субъективности нашего восприятия действительности!

Однако трудности такой концепции непреодолимы. Разбитая ваза не собирается в целую, люди сначала рождаются, живут и потом умирают, и никогда не бывает наоборот, – хотя и ваза, и человек состоят из мельчайших частичек, подчиняющихся законам механики, электродинамики и другим, для которых прошлое и будущее симметричны. Откуда же тогда возникает выделенность течения времени, и где берут начало те явления и объекты нашего мира, которых не было в прошлом? И можно ли вообще адресовать такие вопросы науке, которая идет путем разума и опыта? Ведь с древних времен для объяснения причин и целей существования обращаются к вере, а не к разуму.

Механизмы необратимости времени

Современная нелинейная динамика объясняет механизмы, приводящие к необратимости времени, двумя фундаментальными свойствами, присущими сложным системам. Первое из них состоит в том, что любая сложная система проходит в своем развитии этапы неустойчивости – своего рода кризисы, сопровождающиеся неоднозначностью выбора дальнейшего пути. Второе – в том, что любое сложное движение содержит как составную часть случайную, непредсказуемую «дрожь», так называемые флуктуации.