Тайны пространства и времени

Ну, а если масса окажется меньше некоторого критического значения? Тогда замыкания не произойдет и пространство будет бесконечным.

Проведем еще один «мысленный эксперимент». Соберем все вещество, все массы Вселенной – звезды, планеты, туманности, сгустки вещества, элементарные частицы – и равномерно «размажем», распределим эту массу по всему пространству, предварительно превратив ее – мысленно, конечно, – для удобства вычислений, в ядра атомов водорода – протоны. Подсчитаем, сколько протонов попадает в каждый кубический метр. Если десять и больше – Вселенная замкнута и конечна, если меньше – незамкнута и бесконечна.

Таким образом, от величины средней плотности непосредственно зависят геометрические свойства Вселенной. Но не только геометрические! Если фактическая средняя плотность больше критической, то расширение Вселенной со временем должно смениться сжатием. Общая масса Вселенной в этом случае окажется столь велика, что ее тяготение остановит разлетающиеся галактики и заставит их возвратиться к исходной точке, подобно тому, как сила тяготения Земли возвращает брошенный вверх камень. Если же средняя плотность меньше или равна критической – расширение Вселенной будет продолжаться неограниченно.

Таков теоретический вывод, позволивший сформулировать новую проблему, новое «знание о незнании». Нам известно, что геометрические свойства окружающего нас мира зависят от распределения вещества. Это – знание. Но нам неизвестно, какова точно реальная величина средней плотности в нашей Вселенной. Это – незнание. Незнание, открывающее путь к новым исследованиям…

Каковы же те данные, которыми располагает современная астрофизика относительно средней плотности вещества? У различных исследователей результаты получаются неодинаковые. Но все же на существующем уровне наших знаний принято считать, что реальная средняя плотность весьма близка к критическому значению, хотя «чуть-чуть» и «не дотягивает» до него. Если подобное представление соответствует действительности, то наша Вселенная незамкнута и бесконечна.

Однако задумаемся над тем, каким путем этот результат получен. Если не вдаваться в тонкости, то астрофизики поступили следующим образом: постарались учесть массы всех известных современной науке космических объектов и форм вещества, существующих во Вселенной, сложили полученные значения вместе и подсчитали, сколько вещества приходится на единицу объема. Вообще-то метод вполне надежный, я бы сказал – естественный. А как же иначе?..

И все было бы хорошо и убедительно, если бы не одно «но». К сожалению, у нас не может быть полной уверенности в том, что при подсчете средней плотности удалось учесть все, абсолютно все массы. А если не все? Это вполне возможно, поскольку нет гарантии в том, что все без исключения виды вещества во Вселенной нам уже известны. Вспомним хотя бы о проблеме «скрытой массы». Так что вполне может быть, что «кое-что» астрономы упустили. Вопрос в том, как велико это «кое-что»?

Пока астрономия оставалась чисто оптической наукой и все наблюдения велись с помощью обычных телескопов, исследователям Вселенной были известны главным образом те космические объекты, которые светятся, излучают свет. Однако с развитием радиоастрономии, а затем и заатмосферной всеволновой астрономии выяснилось, что существует и невидимое вещество, излучающее в других диапазонах электромагнитных волн. Так, например, межзвездный нейтральный водород излучает радиоволны длиной 21 сантиметр, а холодная космическая пыль «дает о себе знать» инфракрасным излучением.

Впрочем, общая масса такого невидимого вещества значительно уступает массе звездных островов галактик и, следовательно, сколько-нибудь существенных поправок в величину средней плотности внести не может. Казалось, достигнута полная ясность.

Однако, согласно астрофизическим данным, реальная средняя плотность в нашей Вселенной близка к «критической». Возникает естественный вопрос: почему это так? Простое совпадение? Но всякое совпадение настораживает: простые совпадения обычно весьма маловероятны. И если мы все же с ними сталкиваемся, они требуют соответствующих объяснений. У совпадений, если они не случайны (что, повторяем, маловероятно), должны быть вполне определенные причины. К какой же категории относится совпадение фактической средней плотности с «критической»? И если ко второй, то в чем причина такого совпадения? Скорее всего, «истоки» этого явления прячутся в очень отдаленном прошлом, где-то в первобытном «ядерном тумане» самых ранних этапов эволюции Вселенной.

У самого начала

Итак, в результате развития теории горячей расширяющейся Вселенной возникло новое очередное «знание о незнании». Во-первых, появилась необходимость объяснить с позиций этой теории однородность и изотропию Вселенной, и во-вторых – ответить на вопрос, в чем причина совпадения реальной средней плотности вещества с «критической».

И еще: почему пространство, в которой мы живем, обладает тремя измерениями – не больше и не меньше? В самом деле – почему именно тремя? В настоящее время разрабатываются различные теории, согласно которым мы, в действительности, обитаем в пространстве со значительно большим числом измерений. Однако во всех направлениях, кроме трех взаимоперпендикулярных – X, Y и Z, наше пространство «свернуто», потому нам оно и представляется трехмерным и мы можем перемещаться в нем только в трех направлениях. Но вопрос в том, почему пространство «свернулось» именно таким, а не каким-либо иным образом, остается без ответа.

И, наконец, быть может, самый главный вопрос: что было до начала расширения, до начального, «нулевого» момента. Иными словами, из чего наша Вселенная образовалась?

Однако все попытки получить ответы на эти вопросы в рамках классического сценария горячей расширяющейся Вселенной к успеху не привели. Установить причинную связь между предполагаемым начальным состоянием Вселенной и ее современными свойствами никак не удавалось. Стало ясно, что требуется какой-то принципиально новый подход…

Значило ли это, что «сценарий» горячей расширяющейся Вселенной должен быть забракован? Что начинать поход за новым знанием надо с того, чтобы от этого «сценария» полностью отказаться?

Пути научного познания истины причудливы и замысловаты. Прежде всего потому, что причудлива сама природа, в том числе и связь между прошлым и будущим. Эволюция материи вовсе не обязательно должна происходить плавно и постепенно – в процессе развития любой системы могут совершаться неожиданные, поражающие воображение скачки. Не было ли такого «скачка» и в истории нашей Вселенной?

В последние годы ряд физиков-теоретиков занялся разработкой весьма необычной теории – цель ее как раз и состоит в том, чтобы выяснить физическую природу возможного «скачка», о котором идет речь. В основу этой теории было положено предположение о том, что Вселенная возникла в результате так называемой флюктуации физического вакуума…

Все – есть вакуум!

Поскольку физический вакуум – та среда, которая фактически заполняет мировое пространство и с ней тесно связаны его фундаментальные физические свойства, нам придется прежде, чем продолжить рассказ о сценарии возникновения нашей Вселенной, посвятить знакомству с этой удивительной средой специальный раздел…

Выйдем на улицу в ясную безлунную ночь и посмотрим на небо. Мы увидим ослепительную россыпь звезд – они везде, куда бы мы ни направили наш взор. Это – звезды нашей Галактики. А за ее пределами на расстояниях в миллионы и миллиарды световых лет – другие галактики, другие звездные системы. Их сотни миллионов и каждая из них состоит из десятков и сотен миллиардов звезд. По современным данным, около 98% вещества Вселенной сосредоточено именно в звездах.

А между галактиками, между звездами – что там? Расстояния между соседними звездами или соседними галактиками во много раз превосходят собственные размеры этих объектов. Звезды и галактики – это лишь отдельные «точки» и «островки» в необъятном космосе.