Физика Вселенной

Человек с давних пор интересовался устройством Вселенной. Звезды притягивали к себе наших предков, заставляли смотреть на них с удивлением и трепетом. Физика добилась больших успехов в изучении макроскопических и микроскопических свойств природы, однако, понимание и объяснение свойств Вселенной в целом происходило не так уверенно.
Физика Вселенной
Извечные вопросы, которые всегда волновали человечество, во многом не разрешены до сих пор. Как возникли звезды, планеты, вся Вселенная? Как развивалась эта Вселенная в прошлом, куда движется в настоящем и что ее ждет в будущем? На некоторые вопросы мы может ответить сейчас, другие ждут своего ответа. Но каждый шаг вперед ставит также и новые вопросы, раздвигая области неведомого. Сколько вещества во Вселенной? Существуют ли во Вселенной другие виды материи? Неизвестна природа странных объектов, излучающих фантастическое количество энергии из дальнего Космоса. И так далее...

Тем не менее, к настоящему времени сложились определенные научные представления о происхождении и эволюции Вселенной. Следует сразу отметить, что одним из основных затруднений при изучении астрономических и космологических событий является то, что над изучаемым объектом нельзя провести контрольного эксперимента. Мы можем наблюдать лишь естественный ход событий. Поэтому, можно сказать, поразительным является не безграничное разнообразие наблюдаемых астрономических событий, а возможность, анализируя эти явления, делать выводы относительно эволюции звезд и галактик на протяжении миллиардов лет.

Остановимся на физических основаниях космологии и астрофизики. Предметом космологии является изучение строения, происхождения и эволюции Вселенной как целого. Поэтому космология связана с общей теорией относительности (ОТО), поскольку во Вселенной приходится иметь дело с большими расстояниями, высокими скоростями и огромными массами.

Первая современная космологическая теория была предложена Эйнштейном в 1917 г. в качестве следствия его формулировки ОТО. Эйнштейн показал, что ОТО однозначно объясняет возможность существования статической вселенной, которая не изменяется со временем. Как мы сейчас понимаем, этого не может быть, но в то время казалось, что это важный успех ОТО. Этот парадокс, по-видимому, был связан с тем, что еще из представлений ученых древней Греции и Египта утвердилось мнение о незыблемости, стационарности Вселенной, и модель Эйнштейна как будто подтвердила это. Однако уже в 1922 г. наш соотечественник А. Фридман показал, что из самих уравнений общей теории относительности следует нестационарность, т.е. развитие Вселенной Он утверждал, что искривленное пространство не должно быть стационарным, оно должно или расширяться, или сжиматься. И Эйнштейн вынужден был публично согласиться с выводами Фридмана. К сожалению, работы Фридмана, в частности его книга «Мир как пространство и время», были подвергнуты умолчанию вплоть до настоящего времени. Его работы не переиздавались и не пропагандировались, а автором теории расширяющейся Вселенной объявляется аббат Ж. Леметр, президент Папской академии наук в Ватикане. В значительной мере это связано с идеологической кампанией против «физического идеализма», развернутой в СССР в 30-50-е годы [ ]. Стационарная, бесконечная в пространстве и времени Вселенная фигурировала и в философии Канта, Гегеля и Энгельса и была «узаконена» Марксистско-Ленинской философией. Все другие представления были объявлены ошибочными и лженаучными, в том числе и сама теория относительности А. Эйнштейна.

И действительно через какое-то время была создана теория расширяющейся Вселенной, причем она была подтверждена экспериментально. Из телескопических наблюдений звезд было установлено, что кроме нашей Галактики, звездного скопления в виде Млечного пути, существует огромное количество других галактик. Как мы уже указывали в главе 1.4 по красному смещению, точнее смещению световых лучей к красному концу видимого спектра, можно определить движение объекта относительно наблюдателя. В более общем виде - это так называемый эффект Доплера при распространении волны любой природы и движении источника этой волны относительно наблюдателя. Например, звуковой сигнал движущегося поезда относительно неподвижного наблюдателя на платформе будет выше, когда поезд приближается к нему, и ниже, когда удаляется. Так вот, экспериментально наблюдались и измерялись радиальные движения (от нас или к нам) отдельных звезд, а затем и галактик методом эффекта Доплера. Было установлено, что если звезда движется к нам, то спектральные линии смещаются к фиолетовому концу спектра, если от нас - то к красному концу.

При анализе изучения далекий галактик получился удивительный результат: у всех галактик наблюдается красное смещение! Поэтому можно считать, что они удаляются от нас. Причем величина этого красного смещения и, следовательно, скорость разбегания галактик больше для более удаленных галактик (что само по себе чрезвычайно удивительно и до сих пор причина этого не выяснена):

S = Hr (1.6.1)
где S - лучевая скорость, r - расстояние до объекта, Н - постоянная Хаббла, равная ~(3 - 5)×10-18c-1 и названная так в честь Э. Хаббла, который в 1929 г. экспериментально подтвердил расширение Вселенной. Из Н можно определить возраст Вселенной (t ~ 1/H), который оценивается 10-20 миллиардов лет. В 1997 г. появились данные измерений расстояния до галактики Н100 в созвездии Девы, что Н больше, чем предполагалось, и тогда возраст вселенной составит 8 миллиардов лет. Кстати по данным радиоактивного распада некоторых веществ возраст Земли определяется в 5 миллиардов лет.

Если все галактики удаляются от нас, то возникает вопрос: не занимаем ли мы особого положения во Вселенной? Простой физический опыт не дает оснований полагать, что это так. Предположим, что мы надуваем воздушный шарик, на поверхности которого равномерно нанесены пятнышки. По мере того как шарик будет раздуваться, наблюдателю, находящемуся на одном из пятнышек, будет казаться, что все другие пятнышки удаляются от него. Более того. ему будет казаться, что более далекие пятнышки удаляются значительно быстрее, чем те которые расположены близко. Такие же результаты получаются, естественно, при наблюдении из любого другого пятнышка. Таким образом, при однородном расширении будут увеличиваться все расстояния между пятнышками. Поэтому изменение красного смещения обычно трактуется как очевидное доказательство, что Вселенная расширяется. Так как расширение, по-видимому, происходит равномерно во все стороны, то «центра» Вселенной явно выделить нельзя. Естественно остается много вопросов: почему Вселенная расширяется, будет ли она расширяться дальше или сожмется? Конечна она или бесконечна? Как образуются галактики, из чего состоят? И т.д.

1.6.1.
Модели происхождения Вселенной
Не останавливаясь подробно здесь на других ранних моделях, напомню все же, что в историческом аспекте первыми моделями Вселенной были модели Солнечной системы, в центре которой была неподвижная Земля, неподвижная сфера со звездами и подвижные 5 планет, Солнце и Луна. Затем Аристарх Самосский в III веке до нашей эры предложил гелиоцентрическую систему, возрожденную польским священником Коперником в 1514 г. Сюда же можно отнести и античную систему Птоломея, согласно которой за последней сферой располагались ад и рай. Кстати, «модернизацией» этой модели занимались и Кеплер (эллиптические орбиты вместо круговых) и Галилей. Все это продолжалось до появления законов Ньютона в небесной механике в XVIII веке. Уже в это время (а идеи Джордано Бруно еще ранее - XVI век) возникли представления о бесконечной Вселенной. В XIX веке они развились в представления Платона о бесконечной в пространстве, но неизменной во времени Вселенной. Это была стационарная космологическая модель, которая по сути близка статической Вселенной Эйнштейна.

Предполагалось, что пространство - абсолютно, однородно и изотропно, а время - абсолютно и однородно, т.е. использовались строительные материалы классической механики и евклидовой геометрии. Это, кстати, устраивало теологический подход к пониманию мира: система мира без начала и конца, как в пространственном так и во временном понимании. Бог создал и все! Кстати, с материалистической точки зрения можно предположить, что Бог в теологии - это и есть пространство и время в физике. Получалось, что мир в целом не эволюционирует. Пространство и время представлялись как жесткий каркас (они же абсолютные!) и не участвовали в процессах, т.е. рассматривались как параметры. Выражаясь на гуманитарном языке, можно сказать - оставались «равнодушными» на такой сцене жизни. Заметим при этом, что если неизменность пространства и времени вызывала некоторый дискомфорт, то бесконечность мира частично это неудобство сглаживала. Можно даже сказать, что стационарная модель мира выполняла согласно [ ] как бы роль стыковочного узла между культурами Запада (рационализм) и Востока (мистицизм). Как мы уже знаем, в СТО и ОТО Эйнштейн предположил, что пространство и время не абсолютны, а относительны и связаны между собой, причем скорость передачи взаимодействия конечна и равна скорости света с. Было показано, что геометрия пространства и времени не является евклидовой и определяется наличием материи в данной области. Пространство и время приобретают динамические свойства, им приписывается кривизна, которая влияет на характер движения тел в данной области и которая сама зависит от наличия и движения тел. Пространство и время - уже не «равнодушная» сцена событий, а активные участники, влияющие на события, регулирующие их.

В настоящее время существует много космологических теорий, и нельзя, естественно, сказать, что уже установлена истина в последней инстанции, учитывая еще указанную сложность астрофизических и космологических экспериментов. Однако одна из современных таких теорий - теория Большого взрыва (Big Bang) - смогла к настоящему времени объяснить почти все факты, связанные с космологией.

В основе этой теории лежит предположение, что физическая Вселенная образовалась в результате гигантского взрыва примерно 10 миллиардов лет тому назад, когда все вещество и вся энергия современной Вселенной были сконцентрированы в одном сгустке с плотностью свыше 1025 г/см3 и температурой свыше 1016К. Такое представление соответствует модели горячей Вселенной. Модель Большого Взрыва (БВ) была предложена в 1948 г. нашим соотечественником Г. Гамовым. В свое время Г. Гамов, блестящий теоретик (учился в ЛГУ вместе с Л. Ландау, Н. Козыревым), до войны был самым молодым членом-корреспондентом АН СССР, затем эмигрировал на Запад и по сему поводу, естественно, до последнего времени [ ] замалчивался советской официальной наукой. В то же время ему принадлежат по крайней мере три научных результата «нобелевского ранга»: модель БВ, предсказание температуры реликтового излучения и генетического кода ДНК. Кроме того он был отличным популяризатором науки и опубликовал более 20 прекрасных научных книг.

В то же время неизвестно достоверно - как этот сгусток образовался. Из чего? И откуда взялось такое гигантское количество изначальной энергии? Тем не менее, огромное радиационное давление внутри этого сгустка привело к необычайно быстрому его расширению - Большому Взрыву. Составные части этого сгустка, разлетевшиеся с максимальными относительными скоростями, теперь образуют далекие галактики, очень быстро удаляющиеся от нас. Мы наблюдаем их сейчас такими, какие они были примерно 2 ×109 лет тому назад. Таким образом, расширение Вселенной оказывается естественным следствием теории Большого Взрыва (ТБВ). Заметим здесь, что открытие расширяющейся Вселенной и принятие научным сообществом этого факта можно считать огромным мировоззренческим прорывом в интеллектуальном мире.

Гамов также предположил, что все элементы Вселенной образовались в результате ядерных реакций в первые моменты после БВ. Дальнейшие уточнения этой теории показали, что ядерные реакции действительно имели место, но в результате их могло быть образование лишь гелия. Спектр гелия наблюдался в солнечном излучении до того, как он был обнаружен на Земле, отсюда и название этого элемента от греческого Гелиос - Солнце. Современные методы анализа излучения звезд и галактик показали, что почти все они состоят из водорода - (~60%) и гелия (~20%). Лишь малая часть водорода и гелия содержится в звездах, остальное количество распределено в межзвездном пространстве. В звездах, где температура исключительно велика, атомы полностью ионизированы и составляют высокотемпературную плазму. В межзвездном пространстве водород и гелий находятся в основном в атомарном состоянии. Таким образом теория БВ согласуется с наблюдаемой распространенностью гелия во Вселенной.

Рассмотрим варианты объяснения образования сгустка. Предполагается, что эти межзвездные атомы водорода и гелия служат сырьем для образования новых звезд. Заметим, что распределение газа в межзвездном пространстве неоднородно. Средняя концентрация вещества в нашей Галактике ~ 1 атом/см3, однако имеются сильные флуктуации. Эти флуктуации плотности объясняются хаотическим движением атомов в пространстве. Случайно плотность вещества в определенной области может существенно превысить среднюю. При этом предполагается, что если количество вещества превысит в какой-либо области критическое значение, порядка 1000 солнечных масс, то в этой области возникают достаточно сильные гравитационные поля, способные противостоять разлету газового облака и стремящиеся сжать его до возможно меньших размеров. Тогда возникает гипотеза: образование из межзвездной пыли сгустка, гигантское уплотнение и взрыв.

Наиболее важным подтверждением теории БВ является обнаружение реликтового излучения (РИ), как раз и связанного, по-видимому, с существованием первоначального сверхплотного сгустка вещества и излучения. Название «реликтовое излучение» ввел наш астрофизик И. Шкловский. Первоначально это излучение представляло собой лучи, которые обладали огромной энергией, но расширение и охлаждение сгустка привели к тому, что излучение также «остыло» и энергия фотонов уменьшилась, т.е. возросла длина их волны. Это излучение и сейчас существует во Вселенной, но теперь уже в виде радиоволн, микроволнового и инфракрасного излучения. Г. Гамов как раз и рассчитал температуру реликтового излучения. По расчетам она составляет 3К, согласно современным данным 2,7 К.

Рассматривая такой сгусток вещества и излучения, мы должны понимать, что его нельзя рассматривать как бы со стороны, с далекого расстояния, и считать, что он расширяется по направлению к нам (или от нас). Сгусток есть ни что иное как сама Вселенная, и Земля находится внутри нее. Внутри же сгустка при расширении его все остальное вещество во Вселенной движется в направлении от Земли (вспомним шарик с пятнышками), или от любого куска вещества в сгустке. Поэтому излучение сгустка бомбардирует Землю со всех сторон. Любой наблюдатель во Вселенной должен регистрировать это излучение с равной интенсивностью с любого направления в пространстве.

Так как расширение продолжается ~1010 лет, то огромная начальная температура уменьшилась согласно теории, к настоящему времени до средней температуры Вселенной порядка 3 К. Максимум в распределении длин волн, соответствующий излучению источника с такой температурой в 3К, должен приходиться на длину волны 0,1 см. Это означает, что если теория БВ верна, то должны экспериментально наблюдаться два эффекта: спектр излучения Вселенной должен соответствовать равновесному излучению при 3К и это излучение должно приходить с равной интенсивностью с любого направления в пространстве, т.е. быть изотропным. Начиная с 1965 г. проводились многочисленные измерения, обнаружившие космические радиоволны с малой энергией, которые можно интерпретировать как равновесное излучение остывшего, но все еще расширяющегося сгустка, причем с длиной волны, соответствующей Т = 3К. Таким образом, получены некоторые экспериментальные доказательства справедливости теории БВ.

Если считать, что эксперименты подтверждают нынешнее расширение Вселенной, то будет ли она продолжать расширяться и дальше? ОТО предполагает следующий ответ на этот вопрос. Считается, что существует некая критическая масса Вселенной. Если действительная масса Вселенной меньше критической, гравитационного притяжения вещества во Вселенной будет недостаточно, чтобы остановить это расширение, и оно будет идти и дальше. Если же действительная реальная масса больше критической, то гравитационное притяжение в конце концов замедлит расширение, приостановит его и затем приведет к сжатию. В этом случае Вселенную ожидает коллапс, в результате которого вновь образуется сгусток. Тем самым готовы условия для нового Большого взрыва и последующего потом расширения. Следовательно, Вселенная может пульсировать между состояниями максимального расширения и коллапса. Это и есть модель пульсирующей Вселенной.

Что дают эксперименты? Они, конечно, очень не простые, скорее оценочные, так как кроме определения массы Вселенной в виде вещества и энергии в звездах, галактической пыли и газе необходимо учитывать вещество и в межгалактическом пространстве. А вот с этим как раз большая неопределенность. Прямые эксперименты затруднены тем, что межгалактический водород почти полностью ионизирован излучением галактик и квазизвездных объектов (квазаров). Поэтому для регистрации ионизированного водорода необходимы рентгеновские методы измерения и вне пределов атмосферы Земли, чтобы избежать поглощения. Как показывают измерения с помощью ракет и спутников, а также предварительные расчеты, полная масса Вселенной с учетом межгалактического вещества значительно превышает критическую. Это означает, что модель пульсирующей Вселенной как будто подтверждается. Получается, что мы живем в такой вселенной, которая взрывается, расширяется и снова сжимается примерно каждые 80 миллиардов лет.

Рассмотрим, каким предполагается поведение горячей Вселенной, расширяющейся после своих родов во время Большого Взрыва. Известный наш теоретик, занимавшийся в том числе и астрофизикой, Я.Б. Зельдович заметил, что теория БВ в настоящий момент не имеет сколько-нибудь заметных недостатков. Она столь же надежно установлена и верна, сколь верно то, что Земля вращается вокруг Солнца. Обе теории занимали центральное место в картине мироздания своего времени и обе они имели много противников, утверждавших, что новые идеи, изложенные в них, абсурдны и противоречат здравому смыслу. Однако вспомним определение Эйнштейном здравого смысла!

Успех модели расширяющейся Вселенной связан не только с экспериментальными подтверждениями, о которых мы говорили ранее, но и с тем, что, как оказалось, физикой микромира, в том числе физикой элементарных частиц, можно непротиворечиво объяснить поведение «ранней» Вселенной, причем, как это не парадоксально звучит, буквально по долям микросекунд (и даже более того, отсчет идет от 10-43 с). Поэтому в этом разделе рассмотрим кратко и имеющиеся представления о физике элементарных частиц. Вообще же, по существу сейчас возникла новая наука - космомикрофизика. В космомикрофизике объединяются не только космологические модели Большого Взрыва, расширяющейся и пульсирующей Вселенной, а также и строение материи в виде элементарных частиц и понятия устойчивости-неустойчивости материи, ее симметрии-асимметрии, самоорганизации и эволюции. Модель горячей Вселенной описывает ее как «котел кипящих элементарных частиц».

Каков же сценарий, как любят говорить космологи, развития событий по модели БВ и горячей Вселенной? Сразу после БВ Вселенная представляла собой огненный шар из элементарных частиц и фотонов (свет) огромных энергий со взаимными превращениями. Дальше Вселенная стала расширяться с уменьшением плотности и температуры. При предполагаемых громадных плотностях (~1025 г/см3) и температурах (~1016К) вещество состоит только из элементарных частиц - протонов и нейтронов. Частицы движутся так быстро, что при столкновениях образуются парами новые частицы (частица- античастица). Вообще говоря, чем выше температура Вселенной, тем более тяжелые частицы могут рождаться при столкновениях. В этой модели поведения Вселенной можно установить взаимосвязь между плотностью, температурой и временем жизни вселенной:

, (1.6.2)
где r - среднее значение плотности материи во Вселенной в момент времени t (с) от начала расширения;

. (1.6.3)
Предполагается, что качественный состав элементарных частиц, образующих новую Вселенную меняется при ее расширении. Когда Вселенной «исполнилось» 10-43 с, все фундаментальные взаимодействия в природе были объединены и имели одинаковую интенсивность. Через 10-23 с наступило время тяжелых частиц, точнее того, из чего они состоят, - кварков. В это время вся Вселенная состояла из кварков и антикварков. По мере уменьшения температуры и с ростом времени уменьшалось число пар этих тяжелых частиц и за счет аннигиляции они быстро исчезали. Далее еще через 10-2 с после БВ наступает время легких частиц. Вселенная как бы «омолодилась» и практически состояла из легких частиц - лептонов и излучения ( фотонов). Еще дальше во времени (~1 - 20 c) Вселенная, расширяясь дальше, теряет и эти частицы. При аннигиляции они превращаются в фотоны. Фотонам же не хватает энергии, чтобы образовать электрон-позитронную пару, и поэтому излучение преобладает над частицами.

Через ~100 с жизни Вселенной ее температура упала до 109 К и скорости оставшихся протонов уменьшились настолько, что за счет ядерных сил притяжения они начинают соединяться в ядра легких элементов, в основном гелия, затем лития и бериллия. По прошествии нескольких часов после ВВ образование этих ядер закончилось. Этот период эволюции называется временем нуклеосинтеза. А дальше счет пошел уже на миллионы лет. Вселенная продолжала расширяться и охлаждаться. При этом энергии фотонов были значительно больше сил связи электронов и ядер, и поэтому атомы пока не могли образоваться. Затем при уменьшении температуры до 3000 К энергия электромагнитного притяжения ядра и электрона становится больше энергии фотонов и тогда начинают образовываться атомы водорода и гелия. Фотоны перестали взаимодействовать с веществом, как говорят космологи, Вселенная стала прозрачной. Предполагается, что с тех дальних времен до наших дней эти фотоны (это излучение) заполняют нашу Вселенную. За это время температура упала с 3000 К до 3 К в наше время. Это и есть реликтовое излучение, о котором мы уже говорили. Таким образом РИ несет нам информацию о молодой Вселенной, когда ей исполнилось «всего» 1 миллион лет. Теперь в рамках модели расширяющейся Вселенной можно построить схему физической истории Вселенной (рис. ).

В начальный период времени прозрачная Вселенная была однородным «бульоном» из элементарных частиц, ядер, атомов и фотонов. Затем флуктуационно возникали области, где плотность материи несколько выше. Это, в свою очередь, привело к увеличению гравитационного притяжения в этих областях, а значит к отставанию этих областей от общего темпа расширения Вселенной. Атомы и частицы в этих областях испытывали большое число столкновений (объем-то уменьшился!), газ разогревался, шли термоядерные реакции. Давление внутри области возрастало, область перестала сжиматься.

Заметим, что хотя теория или модель БВ в целом оправдывает доверие научного мира, но все же некоторые вещи она объяснить не может. Так, она не может объяснить конкретную причину БВ, причину «первотолчка». Кроме того, почему мощность взрыва была именно такой, какой была, не больше и не меньше. И скорость разлета, и плотность вещества очень близки к критическим значением. Теория не может также объяснить причину крупномасштабной однородности Вселенной, но одновременно в меньших масштабах допускает наличие в прошлом отклонений от однородности, которые и привели впоследствии к возникновению галактик. При этом предполагается, что расширение происходит с большой степенью однородности и изотропности, а удаленные друг от друга неоднородности причинно между собой не связаны.

Частично эти вопросы снимает еще одна современная модель - сценарий раздувающейся Вселенной (РВ). Это модель хаотического раздувания в период времени от 10-43 до 10-32 с, и связана она с понятием вакуума. Согласно этим идеям, Вселенная начала свою жизнь из состояния вакуума, лишенного вещества и излучения. Заметим, что проблема вакуума сейчас становится одной из центральных в физике.

По современным представлениям вакуум - особый тип физической реальности, наиболее фундаментальное состояние материи, особое «ничто», скрытое бытие, содержащее в потенции всевозможные частицы и при сообщении энергии этому вакууму из него можно извлечь любые частицы и объекты, в том числе не только нашу Вселенную, но и другие вселенные. В этой модели предполагается, что Вселенная родилась 15-18 миллиардов лет тому назад из вакуума путем спонтанного (самопроизвольного) нарушения его симметрии. Получается, что Вселенная как бы самозародилась. Конечно, это выглядит несколько парадоксально: чем не Божественное сотворение Мира?

Вот что говорил по этому поводу упомянутый уже нами Я.Б. Зельдович: «Понятие классической космологической сингулярности должно быть существенным образом заменено квантово-гравитационным процессом, описывающим рождение нашего мира. Предполагается, что в начальном состоянии не было ничего, кроме вакуумных колебаний всех физических полей, включая гравитационное. Поскольку понятия пространства и времени являются существенно классическими, то в начальном состоянии не было реальных частиц, реального метрического пространства и времени. Считаем, что в результате квантовой флуктуации и образовалась трехмерная геометрия... Кроме того, на этой стадии из вакуумных флуктуаций негравитационных полей рождаются флуктуации плотности вещества, которые значительно позже, в близкую нам эпоху, приводят к образованию скоплений галактик, нашей Галактики, звезд и в конечном итоге планет и самой жизни».

Стоит также отметить, что модель раздувающейся Вселенной еще раз обращает нас к глобальной мировоззренческой проблеме - проблеме множественности миров. В частности, один из создателей модели РВ А.Д. Линде отмечает: «Привычный взгляд на Вселенную как на нечто в целом однородное и изотропное сменяется представлением о Вселенной островного типа, состоящей из многих локально-однородных и изотропных минивселенных, в каждой из которых свойства элементарных частиц, величина энергии вакуума и даже размерность пространства могут быть различны».

В этом смысле можно уже по-другому взглянуть на проблему жизни «разумных» существ в других галактиках. Из вышесказанного следует, что другие галактики могут иметь совершенно другие свойства и взаимодействовать (говорить) на совершенно других языках без принципиальной возможности перевода. И дело здесь, как правильно отмечает Ровкин [ ], не в изменении нашего мышления для понимания другой Вселенной, а в изменении структуры, пространственной ориентировки, размерности материального мира, носителя мышления, т.е. нас самих, и все это без представления, как это сделать! Можно отметить, что может быть поэтому свернута программа СЕТI поиска связи с другими «разумными» цивилизациями. Нужны иные принципиальные подходы, до которых человечество на Земле, видимо, не доросло.

1.6.2.
Современные модели элементарных частиц как первоосновы строения материи Вселенной

Рассмотрим теперь, из чего же состоит вещество Вселенной, из чего состоит тот сгусток, который и привел к Большому Взрыву? В космомикрофизике материя Вселенной представляется состоящей из элементарных частиц, как наименьших структурных единиц вещества. Развивая далее атомистическую модель Демокрита о том, что весь мир состоит из атомов, на современном уровне мы уже должны говорить, что он состоит из взаимодействующих элементарных частиц. Как уже отмечалось, во времена Аристотеля предполагались четыре основные субстанции - земля, воздух, огонь и вода. Все сущее состояло из этих своего рода «элементарных частиц». В дальнейшем к началу 30-х годов нашего столетия наука смогла дать более приемлемое научное описание строения вещества на основе четырех видов элементарных частиц: протонов, нейтронов, электронов и фотонов. Используя эти устойчивые и стабильные образования, а также и законы квантовой механики, удалось объяснить природу химических элементов, их классификацию (таблица Менделеева), образование различных соединений и испускаемых ими излучений. Добавление к ним пятой частицы нейтрино, сначала, кстати, постулированного Паули из-за необходимости сохранения момента импульса при b-распаде, позволило объяснить процессы радиоактивного распада. Поэтому вначале казалось, что названные элементарные частицы и являются как бы основными кирпичиками мироздания.

Однако, к сожалению, приятная простота вскоре исчезла. Не прошло и года с открытия нейтрона (Чадвик, 1931), как был обнаружен позитрон. Он тоже сначала был предсказан Дираком в 1928 г., который показал, что его релятивистское уравнение может описывать как электрон с обычным отрицательным зарядом (-е), так и положительный электрон (+е). Этот позитрон был в дальнейшем в 1932 г. экспериментально обнаружен Андерсеном. Впоследствии сначала в природных космических лучах, а затем и в построенных ускорителях были обнаружены и другие частицы - мезоны, пионы и т.д. Таких частиц сейчас насчитывается уже более двух сотен.

Релятивистской квантовой теорией было установлено, что любой элементарной частице соответствует античастица в том смысле, что имея одинаковые массы, периоды полураспада, а также одинаковые квантовые числа, они проявляют противоположные электромагнитные свойства. Таким образом возникла глобальная проблема частица - античастица. Простой пример - разные по знаку заряда частицы. Причем при столкновении частицы и античастицы происходит аннигиляция, т.е. они взаимно уничтожают друг друга и при этом выделяется энергия в виде квантов электромагнитного излучения ( фотонов). Заметим, что фотоны, нейтральные пионы и η°-мезоны тождественны собственными античастицам, т.е. эти частицы и их античастицы не различимы. Все это множество частиц и принято называть элементарными частицами. Следует подчеркнуть, что это не означает, что все они обязательно являются упомянутыми кирпичиками мироздания - для этого достаточно протонов, нейтронов и электронов, из них состоят атомы. Но эти частицы возникают в результате основных взаимодействий частиц обычного вещества и участвуют в этих взаимодействиях, т.е. их тоже необходимо учитывать.

Изобилие типов элементарных частиц поставило перед физиками трудные вопросы: что же лежит в основе строения вещества, есть ли какая-нибудь общая схема, систематика, которая позволила бы просто и ясно объяснить взаимную связь элементарных частиц? Физики - тоже люди, и они упорно верят в то, что природе присуща внутренняя гармония и существует единый принцип, который, когда его откроют, позволит построить общую картину и систематизировать это обилие частиц.

В настоящее время в основе современной классификации элементарных частиц лежит их деление на два класса: сильновзаимодействующих (адроны) и слабовзаимодействующих ( лептоны). Адроны делятся так же на мезоны и барионы, а последние, в свою очередь, на нуклоны (нейтроны и протоны) и гипероны (λ, Σ, Θ, Ω). Название гипероны происходит от греческого «гипер» - выше, так как они тяжелее протона, барионы - греческого «барис» - тяжелый. К лептонам относятся электроны, мюоны и нейтрино. Барионы при любых реакциях могут превращаться в протоны или из них получаться. Барионам приписывается особое число В = 1, антибарионы имеют В = -1. В теории элементарных частиц показывается, что существует закон сохранения барионного числа в любом процессе. Именно этим законом обусловлена невозможность аннигиляции протона и электрона в обычных условиях, потому что протон - это барион, а электрон - лептон. С точки зрения квантовой статистики, частицы с разными (целыми и полуцелыми) спинами могут также разделяться на фермионы (статистика Ферми) с полуцелым спином (1/2) (электрон, нейтрон, мюон, протон, гиперон), бозоны (статистика Бозе) с целым (0 или 1) спином (пион (π-мезон), каон (К-мезон), фотон). Фермионы всегда, без исключения, возникают или аннигилируют парами. С другой стороны, бозоны могут рождаться или поглощаться по одному и группами по нескольку частиц.

Символ Заряд
q Странность
S Барионное число B Спин
s
Kварки +2/3 e 0 1/3 1/2
–1/3 e 0 1/3 1/2
–1/3 e –1 1/3 1/2
Антикварки –1/3 e +1 –1/3 1/2
+1/3 e 0 –1/3 1/2
–2/3 e 0 –1/3 1/2
В дополнение к закону сохранения числа барионов Гелл-Манн и Нишиджима в 1953 г. ввели еще одну квантовую характеристику - странность S, для которой тоже существует закон сохранения, согласно которому странность сохраняется во всех сильных (ядерных) взаимодействиях. Эти законы позволяют прогнозировать природу взаимодействия различных элементарных частиц. К концу 50-х годов нашего века численность и разнообразие элементарных частиц настолько выросли, что классификация их только по массе, заряду и спину, даже с учетом упомянутых законов сохранения барионного числа и странности, вызывала у физиков-теоретиков значительное неудовлетворение. Появлялись даже идеи, что за этим разнообразием скрывается некая симметрия.

Развитием этого поиска явилось еще одно изобретение Гелл-Манна (1963), а затем, независимо от него, Цвейга (1964) - модель кварков. В этой модели предполагается, что все сильновзаимодействующие элементарные частицы являются комбинациями трех основных частиц (которые называются кварками) и их античастиц. Название «кварк» взято Гелл-Манном из туманной фазы романа Дж. Джойса «Поминки по Финнегану»: «Три кварка для мистера Марка». Кварки имеют необычные свойства: электрический заряд, равный ±1/3 е или ±2/3 е, и барионное число (заряд), тоже дробное, равное ±1/3. Обозначения кварков и антикварков, а также их параметров даны в таблице.

Свойства кварков
Таким образом, основные свойства кварков - заряд q (+2/3 е, -1/3 е, -1/3 е), странность S (0, 0, -1), барионное число В (1/3, 1/3, 1/3) и спин s (1/2) не похожи на свойства других частиц. Однако различные комбинации этих гипотетических частиц воспроизводят свойства всех известных адронов с поразительной точностью. Предполагается, что, например, барионы построены из трех кварков, а мезоны - из двух кварков (кварк - антикварк). Реальны ли кварки в действительности или эта модель служит лишь удобным средством описания элементарных частиц, но лишена физического реального смысла? Пока это неизвестно. Кстати, последними исследованиями показано, что кварки не являются самыми «неделимыми». Обнаружены уже протокварки.

Тем не менее, несмотря на то, что экспериментально кварки в свободном состоянии не обнаружены, в теории элементарных частиц существует так называемая «стандартная модель». Согласно этой модели кварки различаются «ароматом»: u (от up - верхний), d (от down - нижний), s (от strange - странный), с (от charm - очарование), b (от beauty - красота), t (от truth - истинный). Кроме того кварки разделяются еще по одному параметру, который назвали «цветом». Для каждого кварка существует три «цвета»: красный, желтый и синий. Ясно, что к реальному цвету этот признак не имеет никакого отношения, так же как и «аромат» к реальному обычному запаху. Современные представления о природе таковы, что в рамках этой «стандартной модели» существуют всего три поколения кварков, лептонов и нейтрино, которые и представляют собой начальный уровень структурной организации материи.

1.6.3.
Фундаментальные взаимодействия и их мировые константы

Остановимся теперь на характере взаимодействия элементарных частиц. В настоящее время известны четыре фундаментальных взаимодействия: гравитационное, электромагнитное, слабое и сильное. Гравитационное и электромагнитное взаимодействия по сути своих названий относятся к силам, возникающим в гравитационных и электромагнитных полях. Заметим еще раз, что несмотря на «приоритет» гравитационного взаимодействия, количественно установленного еще Ньютоном, природа его до сих пор не является полностью определенной и на самом деле не ясно, как передается это действие через пространство.

Ядерные силы, относящиеся к сильным взаимодействиям, действуют на малых расстояниях в ядрах и обеспечивают их устойчивость, несмотря на отталкивающие действия кулоновских сил электромагнитных полей. Поэтому ядерные силы являются в основном силами притяжения и действуют между протонами (р-р), нейтронами (n-n). Существует также протон-нейтронное взаимодействие (p-n). Поскольку эти частицы объединены в одну группу нуклонов, то это взаимодействие нуклон-нуклонное. Слабые взаимодействия проявляются в процессе ядерного распада или более широко - в процессах взаимодействия электрона и нейтрино (оно может существовать также и между любыми парами элементарных частиц). Как мы уже знаем, гравитационное и электромагнитное взаимодействия меняются с расстоянием как 1/r2 и являются дальнодействующими. Сильное ядерное и слабое взаимодействия являются короткодействующими. По своей величине основные взаимодействия располагаются в следующем порядке: сильное (ядерное), электрическое, слабое, гравитационное.

Этим основным взаимодействиям соответствуют четыре мировых константы. Заметим, что подавляющее число физических констант имеют размерности, зависящие от системы единиц отсчета, например в СИ заряд электрона е = 6 ×10-19 Кл, его масса m = 9,1 ×10-31 кг. Оказалось, что в различных системах отсчета основные единицы имеют не только различные размерности, но даже и численные значения. Такое положение не устраивает науку, так как, естественно, хотелось бы иметь безразмерные константы, не связанные в общем-то с условным выбором исходных единиц систем отсчета. Кроме того, фундаментальные константы не выводятся из физических теорий, а определяются экспериментально. В этом смысле теоретическую физику, действительно, нельзя считать самодостаточной и законченной для объяснения свойств природы, пока проблема, связанная с мировыми константами, не будет понята и объяснена [ ].

Анализ размерностей физических констант приводит к пониманию того, что они играют очень важную роль в построении отдельных физических теорий. Однако, если попытаться создать единое теоретическое описание всех физических процессов, т.е., другими словами, сформулировать унифицированную научную картину мира от микро- до макроуровня, то главную, определяющую роль должны играть безразмерные, т.е. «истинно» мировые константы. Это и есть константы основных взаимодействий.

Константа гравитационного взаимодействия
(1.6.4)
Константа электромагнитного взаимодействия
(1.6.5)
Константа сильного взаимодействия
(1.6.6)
где g - цветовой заряд, причем . Индекс «s» - от английского слова «strong» (сильный).

Константа слабого взаимодействия
(1.6.7)
где g ~ 1,4 ×10-62 Дж ×м3 - константа Ферми. Индекс «w» - от английского слова «weak» (слабый). Заметим, что размерную константу гравитационного взаимодействия получил еще сам И. Ньютон [ ]: G ~ 6,67×10-11м3×c2×кг-1 для сил гравитационного взаимодействия

F = G Mm/R2. (1.6.8)
Мы помним также, что закон всемирного тяготения (1.6.8) недоказуем, так как получен путем обобщения опытных фактов. Причем абсолютная справедливость его не может быть гарантирована до тех пор, пока не станет ясным сам механизм тяготения. Константа электромагнитного взаимодействия отвечает за превращение заряженных частиц в такие же частицы, но при изменении скорости их движения и появлении дополнительной частицы - фотона. Сильное и слабое взаимодействия проявляются в процессах микромира, где возможны взаимопревращения частиц. Константа сильного взаимодействия количественно определяет взаимодействие барионов. Константа слабого взаимодействия связана с интенсивностью превращений элементарных частиц при участии нейтрино и антинейтрино.

Таким образом, считается, что все четыре вида взаимодействия и их константы обусловливают нынешнее строение и существование Вселенной. Так, гравитационное - удерживает планеты на их орбитах и тела - на Земле. Электромагнитное - удерживает электроны в атомах и соединяет их в молекулы, из которых, в том числе, состоим и мы сами. Слабое - обеспечивает длительное горение Солнца, дающего энергию для протекания всех процессов на Земле. Сильное взаимодействие обеспечивает возможность стабильного существования ядер атомов. Теоретическая физика показывает, что изменение числовых значений этих констант приводит к разрушению устойчивости одного или нескольких структурных элементов Вселенной. Например, изменение массы покоя электрона m0 от ~0,5 МэВ до 0,9 МэВ приведет к невозможности энергетического баланса в реакции образования дейтрона в солнечном цикле. Дейтрон - атом водорода, состоящий из протона и нейтрона. Это «тяжелый» водород с А = 2 (тритий имеет А = 3). Уменьшение αs всего на 40% привело бы к тому, что дейтрон был бы не стабилен. Увеличение же делало бы стабильным бипротон, что привело бы к выгоранию водорода на ранних стадиях эволюции Вселенной. Константа αe изменяется в пределах . Другие значения приводят к невозможности должного отталкивания протонов в ядрах, а это ведет к нестабильности атомов. Увеличение αw приводит к уменьшению времени жизни свободного нейтрона. Это, в свою очередь, означает, что на ранней стадии Вселенной не образовался бы гелий и не было бы реакции тройного слияния α-частиц при синтезе углерода ( ). Тогда вместо нашей углеродной была бы водородная Вселенная. С другой стороны, уменьшение αw привело бы к тому, что все протоны оказались бы связаны в α-частицы.

В современном естествознании предполагается, что мировые константы стабильны начиная со времени 10-35 с с момента рождения Вселенной, и что таким образом в нашей Вселенной как бы существует очень точная «подгонка» числовых значений мировых констант, обусловливающих существование ядер, атомов, звезд и галактик. Возникновение и существование такой ситуации не ясно. Тем не менее, эта «подгонка» (константы именно такие, какие они есть!) создает условия для существования не только сложных неорганических, органических и живых структур, но, в конечном счете, и человека [ ].

Так из чего же все-таки состоит вещество Вселенной? Как ни странно, теоретическая физика, с точки зрения рассмотренной нами теории элементарных частиц, с ее могучим аппаратом и не менее могучими моделями отвечает: до 90% вещества Вселенной находится в неизвестном нам состоянии. Было установлено, что протоны и нейтроны образуют либо ядра различных атомов, либо громадные скопления нейтронных звезд. Поэтому в рамках «стандартной модели» кварков формы стабильной материи рассматриваются в виде двух групп: ядра атомов, имеющие массу не более 300 атомных единиц, и нейтронные звезды, имеющие структуру ядра (т.е. состоят из нейтронов и протонов), но с массой в 1054 раз большей. Эти группы разделены огромным пробелом, состоящим предположительно их так называемой «странной» материи, в котором, может быть, находится до 90% всей массы Вселенной (рис. ).

Наличие возможности существования такой странной материи в кварковой модели строения вещества отчасти подтверждается выводом из наблюдений дальних галактик о невозможности наблюдения многих космологических объектов обычными астрофизическими методами. Это связано, в частности, с тем, что гравитационные поля видимых звезд или скоплений звездной пыли, по-видимому, недостаточны для создания условий из движения по наблюдаемым нами траекториям. Имеется как бы «скрытая» от наблюдателя масса. Э. Уитмен в 1984 г. высказал предположение, что эта «скрытая» масса состоит из материи, содержащей уже упомянутый S-кварк. Он как раз и называется странным кварком. Предполагается, что эта материя из странных кварков возникла в течение первой миллионной доли секунды после БВ, причем диаметр таких образований составлял от 10-7 до 10 см, масса от 109 до 1018 г, а число кварков от 1033 до 1042. Из-за малых размеров и огромной плотности вещества (например, теннисный мяч из такой же материи весил бы 1012 тонн) оно не проявляет себя в видимом диапазоне световых волн.

Для такого космологического объекта американским физиком Уилером в 1969 г. был предложен термин «черная дыра» (ЧД). ЧД - это объект, у которого такое большое гравитационное поле, что он ничего (в том числе и излучение) от себя не отпускает. Наступает факт «пленения» света. Кстати, еще в 1798 г. Лаплас говорил об объектах с огромной гравитацией, которые будут абсолютно черными для внешнего наблюдателя. ОТО показывает, что для таких полей масса объекта М должна соответствовать так называемому гравитационному радиусу R или радиусу сферы Шварцшильда, который первый решил уравнение Эйнштейна для поля тяготения сферического тела:

(1.6.9)
Этим расстоянием будет определяться горизонт событий. Для Солнца гравитационный радиус равен 3 км, для Земли - 1 см. Однако ни Солнце, ни Земля до таких размеров самопроизвольно не уменьшатся.

Предполагаются два варианта образования ЧД в процессе эволюции звезд. Первый - для звезд с массой больше двух масс нашего Солнца. По мере старения звезды ядерное топливо (водород) сжигается и гравитационное притяжение уже не может уравновеситься давлением за счет горения топлива. Звезда сжимается и превращается в ЧД. Второй - для малых звезд массой значительно меньшей массы Солнца. В начальные моменты жизни Вселенной плотность материи огромна, и малые неоднородности вещества создавали большие неоднородности гравитационного поля, это могло приводить к образованию ЧД в малых областях пространства. Кстати, по одной из гипотез, Тунгусский метеорит - микрочерная дыра (по космическим масштабам), «вошедшая» в Землю в районе поселка Ванавара в Сибири и «вышедшая» из нее в районе Бермудских островов («Бермудского треугольника»).

Наличие такого огромного гравитационного поля у ЧД приводит к тому, что время течет все медленнее и медленнее по мере приближения к ЧД. На расстоянии гравитационного радиуса время полностью останавливается с точки зрения удаленного наблюдателя, т.е. ЧД искривляет пространство и тормозит время. Как отмечал Б. Паркер, «Попав в ЧД, наш наблюдатель не сможет сообщить о том, что видит: он все время будет приближаться к ее центру... в центре будет находиться то, что осталось от звезды после коллапса - сингулярность (нулевой объем). По мере приближения к сингулярности наблюдатель заметит, что пространство и время поменялись ролями. По «нашу» сторону горизонта событий мы можем управлять пространством, но не временем: время течет одинаково независимо от наших действий. Но за горизонтом, как ни странно, можно управлять временем, но не пространством - нас затягивает сингулярность, хотим мы этого или не хотим. Оказавшись с ней рядом, мы поймем, что нас ждет та же судьба, что и звезду - нас сожмет до нулевого объема». В этом смысле ОТО описывает звезду как «кладбище» всего того, что ЧД успела захватить.

В 1975 г. С. Хокинг [ ] показал, что ЧД может «дышать» - гравитационное поле вблизи поверхности ЧД рождает в вакууме пары частиц, одна из которых захватывается ЧД, а другая улетает в окружающее пространство, т.е. получается, что черная дыра может излучать частицы разных видов. Надо все же заметить, что мы у себя на земле этого пока не можем зарегистрировать. Это квантовое излучение не существенно для ЧД, образованных из звезд в процессе эволюции, но существенно для тех ЧД, которые образовались на начальном этапе жизни Вселенной. Астрономическими наблюдениями двойных звезд, вращающихся вокруг общего центра масс, такая ЧД была обнаружена в 1972 г. в системе Лебедь-Х-1. Отметим также, что ЧД - не просто необычный небесный объект, но в известном смысле дыра в пространстве и времени.

В последние годы появились предположения, что черные дыры являются областями перехода от одного пространства к другому пространству с отличной от первого размерностью и, следовательно, с другими физическими свойствами. То, что выглядит в «нашем» трехмерном пространстве как черная дыра, в другом - является «белой дырой», через которую захваченная материя выходит в это другое пространство [ ].

Вернемся еще раз к странной материи. Предполагается, что главное отличие странной материи от обычной состоит в разных значениях отношения заряда к массе (q/m). Для обычной материи это отношение лежит в пределах от 1/3 (дейтерий, тритий) до 1 (один протон у обычного водорода), у большинства изотопов других атомов ~ 1/2 из-за того, что число протонов примерно равно числу нейтронов. Для странной материи это отношение q/m лежит в пределах от 1/10 до 1/20.

1.6.4.
Модель единого физического поля и многомерность пространства-времени

Кто бы мог подумать, что мы
будем так много знать и так
мало понимать.
А. Эйнштейн
Раз мы заговорили о попытках единого описания всех физических явлений, следует вкратце упомянуть о моделях единого физического поля (ЕФП). Такие попытки неоднократно предпринимались, начиная с Эйнштейна. Хотя до настоящего времени этой теории нет, можно отметить, что С. Вайнберг, Ш. Глэшоу и Э. Салам в 1967 г. показали, что слабое и электромагнитное взаимодействия есть одно и то же электрослабое (так они его назвали) взаимодействие, проявляющееся при энергиях свыше 100 ГэВ. При меньших энергиях спонтанно нарушается симметрия между ними, и в обычных условиях мы наблюдаем их как разные поля и взаимодействия. Ш. Глэншоу и Г. Джордан в 1979 г. предположили, что при энергии свыше 1014 ГэВ слабое, электромагнитное и сильное взаимодействия также объединяются. Это так называемая первая теория Великого объединения (ТВО). По этой теории лептоны могут переходить в кварки и наоборот.

Однако, как мы помним, кварки имеют барионный заряд, не равный нулю, а у лептонов В = 0. Следовательно, здесь уже при таких превращениях нарушается закон сохранения барионного заряда. Кроме того возникает вопрос, насколько стабилен протон, время жизни которого составляет порядка 1030-1032 лет. По сравнению с временем существования Вселенной (~1010 лет) это время жизни протона значительно больше, чем возраст нашей Вселенной.

Если это действительно так, то возникает гипотеза, что вещество во Вселенной может быть не стабильно. Кроме того ТВО «разрешает» существование в свободном состоянии кварков, и тогда они действительно являются фундаментальными частицами. И наконец, при энергиях свыше 1019 ГэВ возможно включение в общую схему объединения взаимодействий и гравитационных полей. Это и есть модель (или теория) супергравитации или суперсимметрии. Здесь происходит объединение симметрии ОТО. Частицами-переносчиками должны быть безмассовые частицы со спином s = 2, называемые гравитонами, о которых мы уже упоминали.

Физический вакуум порождает виртуальные (возможные) частицы, которые своей массой создают дополнительное поле тяготения. Согласно ОТО, в этом же месте и в тот же момент времени изменяются геометрические свойства пространства-времени, т.е. оно флуктуирует. Согласно такой модели, гравитон - это квант флуктуирующего пространства-времени, объединяющий в себе и элементарную частицу, и волну искривления, распространяющуюся по четырехмерному миру. Эффекты, связанные с этим, должны проявляться на так называемых планковских расстоянии и времени , соответствующая масса . Индекс «р» обозначает, что эти параметры - соответствуют планковским расстоянию, времени и массе. Отсюда делается вывод, что в ранние моменты существования Вселенной пространство-время было дискретным, квантованным, как это следует из физического смысла константы Планка.

Волну искривления пространства связывают в теории супегравитации с моделью суперструн. В этой модели в качестве элементарной основы мира берутся уже не описанные элементарные частицы, а элементарные процессы - колебания бесконечно длинных струн с очень малым диаметром. При этом могут возникать резонансы колебаний разных струн и вихри в пространстве, которые можно связать с ритмикой Космоса, циклическими процессами во Вселенной, оказывающими влияние на все процессы на Земле [ ].

В теории супергравитации также показывается, что, согласно Т. Калуце (1921 г.) и О. Клейну (1926 г.), электромагнитное поле можно рассматривать как некое геометрическое свойство дополнительного пятого измерения пространства-времени. Не вдаваясь в теоретические тонкости, отметим, что это ненаблюдаемое пятое измерение сворачивается (компактифицируется) до малых ненаблюдаемых размеров. Это приводит к геометрическим симметриям, связанным с семью дополнительными измерениями пространства, компактифицированными в семимерную сферу. Тогда можно предположить, что мы живем в 11-мерной Вселенной. Это - три видимых пространственных измерения, семь невидимых, свернутых в пространстве, и время. Таким образом, новая и последняя на сегодняшний день в теоретической физике безразмерная константа - размерность Вселенной N = 11.

Свертка ненаблюдаемого измерения может быть качественно понята из приведенного примера бесконечно длинной струны, которую мы видим в одном измерении - длине. Микрообъекты рассматриваются уже не как точечные, а как одномерные. Исчезновение размерности можно также увидеть при свертывании плоского листа в цилиндр или в ленте Мебиуса, в которой происходит непрерывный переход с внешней поверхности листа на внутреннюю.

В связи с теорией ЕФП в настоящие время рассматривается также возможность существования кванта единого пространства-времени, который называется st (space - time)-квантом [ ]:

(1.6.10)
Если st-квант действительно существует, то это приводит к интересным выводам: в «объеме» st-кванта нарушены причинно-следственные связи. События, происходящие в st-кванте могут быть растянуты во времени, но сжаты в пространстве и наоборот. На уровне st-кванта пространство-время непрерывно творит само себя с изменяющимися в каждом акте топологией, физическими свойствами и законами из-за неопределенности пространства-времени. Спонтанные флуктуации пространства-времени могут привести к нарушению закона сохранения энергии. Предполагается, что в эти особые моменты, по-видимому, и произошел БВ. И наконец, существует возможность существования непрерывного множества виртуальных вселенных.

Существуют и другие попытки описать многомерность пространства, представить его расслоенным и даже мнимым в окрестностях черных дыр, когда объект пересекает сферу Шварцшильда [ ]. При этом частица, не наблюдаемая в одном пространстве, может наблюдаться в другом, и поэтому частицы тахионы, движущиеся со скоростями, большими скорости света, и тардионы, движущиеся со скоростями, меньшими скорости света, существуют в разных расслоенных пространствах, и принцип причинности не нарушается. Имеется также гипотеза Ю. Иванова о частотном пространстве [ ]. Согласно этой модели трехмерному геометрическому пространству сопоставляется сферическое частотное пространство, шаровыми слоями которого являются: не видимая человеческим глазом ультрафиолетовая область (УФ) спектра, видимая область спектра (оптический диапазон), невидимая инфракрасная область (ИК) спектра (рис. ). Тогда появление неопознанных летающих объектов (НЛО), «материализацию» или, наоборот «дематериализацию» различных физических объектов Ю. Иванов объясняет переходом из одного частотного пространства в другое. В связи с такой гипотезой предполагается, что рядом с нами в УФ- и ИК-областях частотного пространства процессы, в том числе и само время, могут протекать по-иному и, следовательно, может существовать другая, быть может, разумная жизнь.

Другой ультрасовременной моделью строения пространства является попытка заполнить его кубами с планковскими размерами, внутри которых каким-то образом вращаются взаимно противоположно петли времени С. Хокинга, переходы между которыми в известном смысле, и соответствуют переходам от одного пространства к другому. Все эти модели, конечно, являются умозрительными и требуют дальнейшего доказательства и экспериментального подтверждения. Как сказал Р. Фейнман, «многие физики трудятся над создание великой картины, объединяющей все в одну сверхмодель. Это восхитительная игра, но в настоящее время игроки никак не договорятся о том, что представляет собой эти великая картина».

1.6.5.
Устойчивость Вселенной и антропный принцип
В связи с уже упомянутой ранее «подгонкой» мировых констант встает вопрос не только о пределах изменения их значений в отдельности, но и об изменении в целом всего набора этих констант, позволяющем судить об устойчивости структуры Вселенной.

Следует заметить, что с общечеловеческой точки зрения разумным ограничением изменения набора констант в целом является сохранение условий для возникновения и существования жизни. Попыткой ответа на вопрос, что же определяет столь точную «подгонку» мировых констант, что реализует существование сложной структуры Вселенной и образование жизни вообще, стало применение скорее гуманитарного, чем естественнонаучного антропного принципа (АП), согласно которому наша Вселенная обладает наблюдательными свойствами именно потому, что эти свойства допускают возможность существования наблюдателя, т.е. человека.

Антропный принцип впервые в 1958 г. был предположен нашим соотечественником Г. Идлисом и затем Б. Картером в 1974 г., но в неявном виде он уже функционировал и раньше в виде антропоморфизма. Этот принцип применяется в слабом и сильном вариантах.

Слабый антропный принцип. На свойства Вселенной накладываются ограничения наличием нашей разумной жизни. То, что наблюдают астрономы, зависит от присутствия наблюдателя.

Сильный антропный принцип. Свойства Вселенной должны быть такими, что бы в ней обязательно была жизнь.

Согласно этим принципам между фундаментальными свойствами Вселенной и возможностью существования в ней жизни установлены строго определенные отношения. Как мы уже отмечали, фундаментальные свойства мира количественно выражаются через фундаментальные постоянные и при их незначительном изменении может сильно измениться сценарий развития Вселенной, а теперь мы можем сказать, что и самой жизни во Вселенной, естественно, в нашем понимании. Таким образом, антропный принцип по сути превращает факт появления человека во Вселенной из случайного, незначительного, в центральный, приоритетный. «Любая физическая теория, которая противоречит существованию человека, очевидно, не верна» [ ].

Заметим также, что антропный принцип не отвергает возможности существования других Вселенных. Однако эволюция может происходить без наблюдателей, и, следовательно, жизнь в нашем понимании в них невозможна. При использовании антропного принципа появляется возможность моделировать другие допустимые Вселенные, что, с точки зрения современной физики, доказывает существование множества миров.

Кроме того, АП приводит к мировоззренческим уточнениям не только по множественности обитаемых Вселенных, но и по множественности существования жизни в нашей Вселенной. Как справедливо указывалось в [ ], вопрос о существовании жизни в нашей Вселенной в свете антропного принципа приобретает новую окраску. Он означает, что наша Вселенная чрезвычайно тонко приспособлена для возникновения и существования жизни. Можно было бы подумать, что это относится к отдельной достаточно крупной, но все же локальной области Вселенной, где в силу случайной флуктуации создались условия, необходимые для существования жизни. Но как мы уже говорили, предполагается, что Вселенная однородна и изотропна, т.е. ее свойства в больших масштабах одинаковы. Следовательно, когда мы говорим о чрезвычайно тонкой приспособленности Вселенной для жизни, речь идет не о локальных областях, а обо всей Вселенной в целом. Таким образом, применение АП приводит к выводу о закономерном возникновении и широкой распространенности жизни и Разума во Вселенной. Антропный принцип, с точки зрения физики и философии, «отвергает» возможность уникальности земной жизни. Проблемы множественности миров неоднократно обсуждались на всех этапах человеческого общества. Например, Анаксагор выступил с идеей о гониометриях, каждая из которых содержит в себе все свойства Вселенной. Другой пример признания множественности миров дает нам Джордано Бруно, сожженный, как известно, инквизицией за эту идею.

В современном естествознании к этой идее приводит ОТО, одним из выводов которой является представление, что наш мир снаружи может выглядеть как микрочастица. Такие объекты наш соотечественник А.А. Марков назвал фридмонами. Дальнейшее развитие идей о множественности миров привело к пониманию, что Земля находится не в центре Солнечной системы. Х. Шекли показал, что и Солнце находится не в центре Галактики, а вблизи ее края. Хаббл и другие исследователи установили, что наша Галактика не только не является центром Вселенной, но и более того, у нашей Вселенной вообще нет пространственного центра - все ее точки эквивалентны. Как уже упоминалось, совсем недавно мы стали понимать, что состоим не из основной материи Вселенной. А расширение Вселенной на ранних стадиях означает, что наша Вселенная - не единственный из раздувшихся «шариков» (Помните наш пример с воздушными шариками?).

Анализ современных теорий физики элементарных частиц, данных астрофизики и космологии показывает необходимость одновременного выполнения некоторых соотношений относительно мировых констант в дополнение к упомянутым уже формулам (1.6.4 - 1.6.7):

(1.6.11)
Это само по себе в обычном понимании довольно противоречиво. Если, согласно [ ], изобразить на плоскости Х, Y, где и , эти неравенства графически, то получается, что неравенствам (1.6.11) удовлетворяют две области (рис. ), соответствующие устойчивым структурам Вселенных. В области 1 образование сложных структур и жизни невозможно, так как минимальная масса в ней - порядка массы протона (m ~10-5 г).

В области 2 будут выполняться условия для существования нашей Вселенной. В области 3 значения фундаментальных констант отличны от наших, но там тоже могут возникать сложные структуры. Однако зоны, где соблюдаются условия (1.6.11), соответствующие возникновению и наличию жизни, занимают предположительно незначительную часть области 3.

Заметим также, что фундаментальные константы играют важную роль в построении масштабов нашего мира. Они позволяют дать некую иерархическую картину структуры Вселенной. Это можно пояснить графически представлениями изменения размеров тел и расстояний, а также их масс (рис. , ). Действительно, наиболее естественными и наглядными квалификационными признаками являются размер объекта и его масса. Выделяют микромир с характерными размерами меньше, чем 10-8 м (элементарные частицы, ядра, атомы, молекулы), макромир (макромолекулы, кристаллы, жидкости, газы, живые организмы, человек, объекты техники, т.е. макротела) и мегамир (планеты, звезды, галактики). Понятно, что границы микро- и макромира подвижны, и не существует отдельного микромира и отдельного макромира. Естественно, что макрообъекты и мегаобъекты построены из микрообъектов и в основе макро- и мегаявлений лежат микроявления. И это наглядно видно на примере построения Вселенной из взаимодействующих элементарных частиц в рамках космомикрофизики. На самом деле мы должны понимать, что речь идет лишь о различных уровнях рассмотрения вещества. Микро-, макро- и мегаразмеры объектов соотносятся друг другу как макро/микро » мега/макро.

Кварки «являются» составной часть протонов и нейтронов, затем из них образуются ядра атомов. Атомы объединяются в молекулы. Если двигаться дальше по шкале разномерности тел, то мы приходим у обычным макротелам и далее - планетам и их системам, звездным скоплениям, галактикам и метагалактикам, т.е. можно представить переход от микро, макро и мега как в размерах, так и физических процессах (моделях). И именно фундаментальные мировые константы определяют масштабы иерархической структуры материи нашего Мира. Очевидно, что сравнительно небольшое их изменение и должно приводить к формированию качественно иного мира, в котором стало бы невозможным образование ныне существующих микро-, макро- и мегаструктур и в целом высокоорганизованных форм живой материи. Имеющая место «подгонка» мировых констант, т.е. определенные их значений и взаимоотношений между ними, по существу и обеспечивает структурную устойчивость нашей Вселенной. Поэтому проблема казалось бы абстрактных мировых констант имеет глобальное мировоззренческое значение.

1.6.6.
Ньютоновская модель развития Вселенной
Антропный принцип требует также, чтобы средняя плотность вещества Вселенной ρср была бы близка к критической ρкр', так как при время существования нашего Мира было бы настолько мало, что за это время жизнь не могла бы возникнуть. Такой взгляд коррелирует с моделью развития Вселенной, построенной на положениях классической динамики Ньютона.

Как мы уже видели в главе 1.3 из упомянутого закона всемирного тяготения Ньютона, по аналогии с электромагнитным полем вводится напряженность гравитацио
Нажми «Нравится» и читай нас в Facebook!

По теме Физика Вселенной

Физика будущего - это физика эфирных сред

Я считаю, что будущее физики – это не насилие природы при помощи все более...
Журнал

Сборник задач физика

Тpение качения и 10 pаз меньше тpения скольжения. Опpеделить, во сколько pаз...
Журнал

Физика в спорте

Идеальный спортсмен Много написано о сверхчеловеческих спортивных способностях...
Журнал

Физика: Песок как жидкость

По мнению американских ученых из Национального научного фонда, сухой песок часто...
Журнал

Буддизм и физика

Буддизм и ФизикаЧасто в качестве подкрепления буддийского учения приводятся...
Журнал

Физика: Приговор обжалованию не подлежит

22 ноября 1963 года в Далласе прозвучали роковые выстрелы, убившие самого...
Журнал

Опубликовать сон

Гадать онлайн

Пройти тесты

Популярное

Земля неизвестная
Цели