Журнал «Если», 1998 № 01
Шрифт:
А ведь лаборатория, в которой подобные, а возможно, и другие экзотические условия существуют, у нас перед глазами. Это бесконечно разнообразная лаборатория Вселенной. Именно здесь можно изучать такие явления, состояния и физические процессы, которые мы не можем воспроизводить и исследовать на Земле.
Развиваясь, любая наука вырабатывает новые подходы и понятия, свой специфический язык, доступный только современнику. А в настоящее время науки настолько «рас-почковались», что даже представители смежных областей знаний говорят на «разных языках». Порой один физик не может понять другого! Тем более для нас может оказаться совершенно непонятным научный язык другой цивилизации, который сформировался в иных обстоятельствах, чем привычные нам научные языки.
Среди многообразной информации, поступающей из глубин Вселенной, особое место занимают данные, имеющие непосредственное отношение к нашему существованию. К такого рода сведениям относится, например, информация о наличии «красного смещения» в излучении звездных систем — галактик. Красное смещение — это сдвиг электромагнитного излучения в сторону более низких частот и больших длин волн. А чем выше частота электромагнитного излучения, тем большую энергию оно с собой несет. И если бы вместо красного происходило «фиолетовое смещение», то в каждой точке пространства плотность энергии, а следовательно, и температура была бы столь велика, что в такой Вселенной не могла бы существовать жизнь. Не было бы даже планет — они просто испарились…
Но красное смещение возникает в тех случаях, когда источник излучения и его приемник удаляются друг от друга. Следовательно, мы не случайно живем именно в расширяющейся Вселенной, где все галактики удаляются друг от друга со скоростями, пропорциональными взаимным расстояниям между ними.
Изучение разбегания галактик позволяет заглянуть в будущее нашей Вселенной. Но не только. В этом грандиозном явлении содержится информация и о прошлом. Это вполне закономерно, поскольку между будущим и прошлым существует неразрывная генетическая связь: будущее вырастает из прошлого. В середине текущего XX столетия выдающимися физиками Г. Гамовым и Ш. Леметром были заложены основные теории «горячей расширяющейся Вселенной», согласно которой она возникла в результате Большого Взрыва и последовавшего за ним «взрывного расширения» первоначального «сгустка» сверхплотной материи, получившего модное наименование — «первоатом».
Однако в дальнейшем эта теория столкнулась с рядом принципиальных трудностей, которые никак не удавалось преодолеть, оставаясь в ее рамках. Первый «ухаб» был связан с однородностью и изотропией современной Вселенной8. Считается, что возраст нашей Вселенной составляет около 20 миллиардов лет. Но так как диаметр любой сферы в два раза длиннее ее радиуса, то внутри современной Вселенной должны существовать точки, расстояние между которыми превосходит 20 миллиардов световых лет. А поскольку, согласно теории относительности, любые физические взаимодействия не могут распространяться со скоростью, превосходящей скорость света, то такие точки оказываются абсолютно независимыми друг от друга. И в равномерно расширяющейся Вселенной подобное положение будет сохраняться всегда. Иными словами, в таком мире нет и не может быть механизма, способного выравнивать неоднородности на расстояниях, превышающих 20 миллиардов световых лет (расстоянии так называемого «оптического горизонта»).
Для преодоления этой и некоторых других трудностей была разработана специальная теория, дополняющая теорию горячей расширяющейся Вселенной. Она утверждает, что в результате спонтанного всплеска так называемого физического вакуума, который представляет собой скрытую форму существования материи, образовался «первоначальный объем» Вселенной размером около 10– 33 см, содержавший не более 10– 5
г вещества. Затем произошло примерно следующее. По существующим представлениям, физический вакуум обладает гравитационными свойствами. Однако эта гравитация, в отличие от обычной, порождает не притяжение, а отталкивание.В современной Вселенной гравитация вакуума либо полностью отсутствует, либо чрезвычайно мала. Но в начальный период расширения она должна была достигать огромной величины. Такое состояние получило название «ложного вакуума». Это мощное отталкивание обладало столь большой силой, что вызвало стремительное расширение первоначального сгустка. В 1980 году такой процесс, названный «инфляционным расширением» или «инфляцией», был впервые подробно рассмотрен Аланом Гутом из Массачусетского технологического института в США.
И именно в теории инфляционного расширения наконец получила объяснение однородность Вселенной на больших расстояниях. До начала инфляции внутри исходного сгустка в близких точках должны были установиться приблизительно сходные физические условия. В период же раздувания эти точки оказались стремительно разнесенными на огромные расстояния. И хотя стадия инфляции длилась около 10– 30 с, за этот исчезающе малый промежуток времени объем Вселенной, как показывают расчеты, возрос примерно в 1050 раз! В течение этого времени каждые 10– 34 с все области Вселенной удваивали свои размеры, и этот процесс продолжался в геометрической прогрессии. Все части Вселенной стремительно разлетались. Это и был Большой Взрыв. В конце процесса исчезло гравитационное отталкивание вакуума, сменившись обычной гравитацией, замедлившей стремительное расширение…
Классическая физика рассматривала Вселенную как гигантский часовой механизм, заведенный раз и навсегда. Квантовая физика разрушила подобную схему. Оказалось, что на атомном уровне материя и ее движение неопределенны и непредсказуемы. Разумеется, это не означает, что квантовый мир полностью свободен от причинности, но она проявляется отнюдь не однозначным образом. Главная особенность «квантового поведения», которое лежит в основе строения материи, — утрата строгой «железной» причин-но-следственной связи…
В конце фазы инфляции Вселенная была пустой и холодной. Однако затем произошел грандиозный всплеск энергии, обусловленный ее колоссальными запасами в ложном вакууме. По образному выражению Сиднея Коулмена из Гарвардского университета, в этот момент совершился квантовый скачок из «ничего во Время». И современное «пространство-время» есть не что иное, как реликт этой эпохи. С этого момента дальнейшая эволюция происходила в соответствии с теорией горячей расширяющейся Вселенной. Таким образом, «пустое» пространство самопроизвольно взорвалось, благодаря отталкиванию, присущему ложному вакууму.
Еще в V веке до нашей эры в эпоху Парменидов возникла идея, согласно которой «из ничего не родится ничто». И оказалась одной из самых устойчивых идей, которая прошла через столетия и в почти неизменном виде сохранялась в естествознании до последнего времени. Всего около десяти лет назад мысль о возможности самопроизвольного возникновения вещества или энергии «из ничего» в результате чисто физических процессов считалась подавляющим большинством ученых абсолютно неприемлемой. К тому же повседневный житейский опыт как будто убеждает в том, что одни предметы или объекты всегда образуются из других предметов или объектов…
Однако с появлением теории инфляционной Вселенной закономерно возник сакраментальный вопрос: откуда взялась энергия, необходимая для инфляционного расширения? Ведь существует закон сохранения энергии, а энергия начальной Вселенной была равна нулю! Однако в дальнейшем выяснилось, что закон сохранения энергии в его обычной форме к инфляционной Вселенной не применим. Сам процесс инфляционного расширения формирует возрастание энергии вакуума. И лишь квантовый распад ложного вакуума положил этому предел.