Сучасна теорія еволюційного Всесвіту

У принципі, мабуть, можна побудувати скільки завгодно різних «сценаріїв» еволюції Всесвіту. Але претендувати на серйозне визнання можуть лише ті з них, які здатні встановити причинний зв'язок між минулим і теперішнім.

Як відомо, у XX сторіччі було розроблено теорію гарячого Всесвіту, що розширюється, згідно з якою формування його сучасної структури було наслідком розширення початкової надщільної і надгарячої плазми. Однак при розробці моделей різних стадій розширення вчені зіткнулися а цілою низкою труднощів і загадок. Деякі властивості сучасного Всесвіту явно суперечили теоретичним припущенням про попередні фази його еволюції.

Про які ж властивості світобудови, що не вкладаються в сценарій гарячого розширюваного Всесвіту, йде мова? Насамперед про однорідність і ізотропію. У сучасному Всесвіті властивості будь-яких його досить великих ділянок приблизно однакові, а всі просторові напрями рівноправні. Проте в межах теорії Всесвіту, що розширюється, ця обставина виявляється вкрай загадковою. Насправді, у світі, в якому ми живемо, жодні фізичні взаємодії не можуть поширюватися з швидкістю, більшою за швидкість світла. З цього, між іншим, випливає дуже важливий висновок: безпосередньо спостережувана нами ділянка Всесвіту завжди скінченна, в ній існує «обрій», поза який ми неспроможні зазирнути. Об'єкти, розташовані за цим «обрієм», перебувають від нас на таких величезних відстанях, що електромагнітні хвилі не встигли подолати їх за той час, впродовж якого наш Всесвіт існує.

Мало того, у Всесвіті є такі точки, які перебувають одна від одної на відстанях, що перевищують віддаленість оптичного «обрію». Між ними не може бути жодної причинної залежності. Образно кажучи, одна з подібних точок не може «знати», що відбувається в іншій. Неважко підрахувати, що до таких «незалежних» точок можна віднести, наприклад, точки, розташовані на межах спостережуваної частини Всесвіту, які віддалені одна від одної на кутову відстань, більшу за 30°.

Водночас спостереження показують, що матерія, що міститься біля меж спостережуваного Всесвіту, скрізь має приблизно однакові властивості. Як таке могло статися, коли у Всесвіті, що рівномірно розширюється, немає і не може бути жодного механізму, здатного вирівнювати неоднорідності на відстанях, які перевищують відстань оптичного «обрію»? Виникає і таке запитання: як погодити однорідність Всесвіту у великих масштабах з наявністю в ньому численної кількості «згущень» - галактик? І як з'явилися ті первинні неоднорідності, що з них ці зоряні острови утворилися?

Ще одна загадка пов'язана з так званою критичною густиною речовини, значення якої (3 • 10~29 г/см3) випливає з рівняння загальної теорії відносності. Якщо середня густина більша за критичну, то розширення Всесвіту з часом повинне змінитися стисканням. У тому ж разі, коли середня густина менша від критичної або дорівнює їй, розширення Всесвіту триватиме необмежено. При цьому в останньому випадку простір Всесвіту не викривлений, і геометрія такого світу близька до евклідової геометрії на площині. Розуміти це слід не так, що чотиривимірний «простір - час» теорії відносності е плоским, а що певні його перетини площинами мають евклідову геометрію.

Фактична середня густина речовини у нашому Всесвіті (якщо не враховувати можливості існування маси спокою у нейтрино) є дуже близькою до критичного значення. Подібний збіг уявляється досить дивним.

І ще: чому простір, у якому ми живемо, має три виміри - не більше і не менше? Нині розробляються різні теорії, згідно з якими ми насправді живемо в просторі із значно більшою кількістю вимірів. Однак у всіх напрямах, крім трьох взаємно перпендикулярних - X, У і Z, наш простір «згорнуто», «скомпактифіко'вано». В зв'язку з цим наш простір уявляється нам тривимірним, а ми можемо переміщатися в ньому тільки у трьох напрямах. Але питання про те, чому простір «згорнувся» саме таким, а не якимось іншим чином, залишається без відповіді.

Є й інші питання, наприклад: що було до початку розширення, до початкового моменту £=0? Іншими словами: з чого наш Всесвіт утворився?

Спроби знайти відповіді на всі ці питання і встановити причинний зв'язок між гаданим початковим станом Всесвіту і його сучасними властивостями шляхом формально-логічних висновків із класичного «сценарію» гарячого Всесвіту, що розширюється, до успіху не привели.

Чи не означає це, що такий «сценарій» повинен бути забракований? Однак не слід забувати про те, що зв'язок минулого і майбутнього в реальному світі має діалектичний характер. Це означає, що еволюція матерії зовсім не обов'язково повинна проходити плавно і поступово - у процесі розвитку будь-якої матеріальної системи можуть відбуватися глибокі якісні стрибки. Чи не було такого «стрибка» в історії нашого Всесвіту?

Останніми роками ряд фізиків-теоретиків зайнялися розробкою досить незвичайної теорії: мета її полягає в тому, щоб з'ясувати фізичну природу того «стрибка», про який йде мова. В основу цієї теорії покладене припущення про те, що Всесвіт виник внаслідок квантової флуктуації вакууму.

Вакуум - прихована форма існування матерії, здатна за певних умов породжувати матеріальні частинки без порушення законів збереження. Подібні умови можуть складатися як під впливом зовнішніх сил, так і спонтанно, довільно. Завдяки одному з таких спонтанних «сплесків» і утворився початковий об'єм Всесвіту розміром не більше 1033 см3, що містить не більше 10~5 г речовини.

Отже, на дуже ранній стадії своєї еволюції Всесвіт міг перебувати у вакуумоподібному стані, що мав величезну густину енергії. В такій ситуації, як це випливає з рівнянь Ейнштейна, Всесвіт повинен був через 10~33 с після початку розширення пережити стадію надзвичайно швидкого експоненціального роздування за законом ех, де х=Н. Величина Я -так звана стала Хаббла - характеризує швидкість розширення залежно від відстані. При цьому треба враховувати, що Н змінюється з часом. У нашу епоху ця стала на десятки порядків нижча, ніж була в період експоненціального розширення.

Розширення за законом е* відбувається подібно до того, як у сучасних капіталістичних країнах зростають ціни відповідно до швидкості інфляції. Тому іноді сценарій Всесвіту, що «роздувається» чи «розпухає», називають сценарієм «інфляційного Всесвіту».

Стадія роздування тривала протягом 10~30 с, і за цей час першопочатковий об'єм Всесвіту зріс приблизно в 1050 разів.

Фізична сутність описуваних подій така. Згідно з існуючими теоретичними уявленнями вакуум має гравітаційні властивості. Однак ця «гравітація» породжує не притягання, а відштовхування, яке на відміну од звичайної гравітації зростає із збільшенням відстані пропорційно її першому степеню. У сучасному Всесвіті гравітація вакууму або зовсім відсутня, або е надзвичайно малою. Але у початковий період розширення при колосальній температурі вона повинна була сягати величезних значень. Такий стан дістав назву «несправжнього вакууму».

Спочатку гравітація вакууму була нижчою, ніж гравітація звичайної речовини. Проте у процесі розширення настав момент, коли вона її перевищила. Саме ця обставина і повинна була спричинити експоненціальне «розпухання» Всесвіту, яке відбувалося із швидкістю, що у багато разів перевищувала швидкість світла. Це «розпухання» супроводжувалося різким зменшенням густини звичайної речовини і не менш різким зниженням температури.

За теорією ця стадія тривала близько ІО"30 с, після чого внаслідок розвитку нестійкостей стався фазовий перехід від стану «несправжнього вакууму» до стану «справжнього вакууму», в процесі якого утворилася величезна кількість реальних частинок речовини з загальною масою близько 1058 г. При цьому вся енергія вакууму перейшла в енергію випромінювання, і Всесвіт розігрівся до надзвичайно високої температури. З цього моменту його еволюція описується стандартною теорією гарячого Всесвіту, що розширюється.

Теорія «інфляційного Всесвіту» здатна розв'язати багато з тих загадок, про які йшлося вище, наприклад проблему формування однорідності й ізотропії сучасного Всесвіту. До початку роздування всередині загального «горизонту» в близьких точках повинні були встановитися приблизно однакові температура й інші фізичні умови. Але в період роздування, що відбувалося з надсвітловою швидкістю, ці точки виявилися стрімко рознесеними на величезні відстані одна від одної.

Водночас абсолютна однорідність не виникла завдяки квантовим флуктуаціям деяких фізичних величин. Ці флуктуації зумовили виникнення невеликих неоднорідностей густини, які й стали центрами формування галактик.

Природне пояснення дістала й близькість середньої густини речовини в сучасному Всесвіті до критичного значення. Справа в тому, що згідно з теорією густина «несправжнього вакууму» у Всесвіті, що «розпухає», точно дорівнює критичній. Тому й густина речовини, яка виникає при розпаді «несправжнього вакууму», також має дорівнювати критичній густині.

Існує ще один цікавий наслідок інфляційного роздування. З теорії випливає, що після стадії «роздування» в районах, які в «доінфляційний» період були досить віддалені один від одного, могли сформуватися різні фізичні умови. І між такими районами-«доменами» - у процесі інфляційного розширення повинні були виникнути «доменні стінки».

У процесі дальшого розширення з таких районів утворилися «міні-всесвіти», а стінки, що розділяють їх, віддалилися одна від одної, зокрема і від нас,- за відстань «оптичного горизонту». В цих досить віддалених один від одного регіонах, що різняться своїми фізичними властивостями, могли по-різному відбуватися і процеси компактифікації багатовимірного простору. Внаслідок цього у різних «міні-всесвітах» могли сформуватися простори різної розмірності.

Цілком логічні пояснення дістають у межах теорії «інфляційного Всесвіту» і деякі інші властивості світобудови.

На сьогодні існує кілька варіантів сценарію «Всесвіту, що роздувається», які дуже відрізняються один від одного. Однак усі ці варіанти збігаються в головному: в кожному з них існує стадія експоненціального або майже експоненціального розширення.

Поява і дальша розробка теорії Всесвіту, що роздувається, мають виключно важливе значення для космології. Ця теорія показала, що цілком можливо з єдиної точки зору пояснити цілий ряд реальних властивостей нашого Всесвіту, які раніше задовільного пояснення не знаходили.

Більше того, уявлення про однорідний і ізотропний Всесвіт, яким вичерпується весь матеріальний світ, змінилося картиною світобудови острівного типу, світобудови, в якій існує безліч локальних однорідних і ізотропних міні-всесвітів. Ці міні-всесвіти можуть різнитися властивостями елементарних частинок, розмірністю простору й іншими фізичними характеристиками.

Теорія «інфляційного Всесвіту», що зв'язала його виникнення з квантовою флуктуацією вакууму, значно розширила еволюційні межі наукової картини світу. Завдяки цій гіпотезі, ідея еволюції, яка в другій половині XX сторіччя пронизала всі наші уявлення про Всесвіт, поширилася нині на значно більші просторово-часові масштаби. Уперше в космології ми дістали принципову можливість поширювати поняття часу в минуле не тільки до моменту початку розширення, а й до «мінус нескінченності».

У новій картині світу змінюються і наші уявлення про місце людини й людства у світобудові. Не виключено, що життя і розум існують тільки в нашому міні-всесвіті, а властивості інших міні-всесвітів для життя непридатні.

Методичні міркування. Необхідно звернути увагу учнів на те, що однією з характерних особливостей не-класичної науки XX сторіччя є парадоксальний характер багатьох її положень, який суперечить звичайному здоровому глузду і класичним уявленням природознав-

ства недавнього минулого. Найяскравішим виразом цієї обставини може бути відоме висловлювання Нільса Бора з приводу однієї запропонованої кимось з фізинів нової теорії: «Ця теорія недостатньо божевільна, щоб бути істинною».

Ще і в наш час, в останню чверть XX сторіччя, деякі вчені, зокрема і досить відомі, що тяжіють до класичного напряму, не можуть примиритися з принципами некласичної фізики й астрофізики. От що, наприклад, пише відомий астрофізик Альвен з приводу загальноприйнятої в сучасному природознавстві космологічної теорії «Всесвіту, що розширюється» і «великого вибуху»: «Чим менше існує наукових доказів, тим більш фанатичною стає віра в цей міф. Як вам відомо, ця космологічна теорія вкрай абсурдна - вона твердить, нібито весь Всесвіт виник у якийсь певний момент, подібно до вибуху атомної бомби, що має розміри (більші чи менші) головки від шпильки. Схоже на те, що в сучасній інтелектуальній атмосфері величезна перевага космології «великого вибуху» полягає в тому, що вона зневажає здоровий глузд: credo, quia absurdum («вірю, бо це абсурдно»)! Коли вчені воюють з астрологічним безглуздям поза «храмами науки», годилося б пригадати, що саме в цих стінах подеколи культивується ще гірше безглуздя».

Подібні висловлювання, зв'язані з недостатнім розумінням діалектики розвитку природознавства, дають зайвий привід сучасним релігійним теоретикам проводити паралелі між релігійною системою поглядів і некла-сичною наукою XX сторіччя, полегшуючи тим самим богословам розв'язання завдання, яке вони перед собою поставили,- виправдати релігію, прикриваючись авторитетом науки.

Проблема сингулярность Знайомлячись з теоретичними моделями Всесвіту, не можна не ввернути увагу на те, що багато які з них приводять до так званої сингулярности Іншими словами, згідно з цими моделями у початковий момент розширення, тобто при t = 0, густина речовини була нескінченно великою! Проблема сингулярності є однією з центральних проблем сучасної космології. З одного боку, ейшптейнівська загальна теорія відносності неминуче зумовлює сингулярність. Проте, з другого боку, стани з нескінченною густиною фізично нездійсненні. Складається враження, що поява сингулярності в загальній теорії відносності є наслідком того, що ця теорія незастосовна до станів з дуже великою густиною, що вона тут виходить за межі своєї застосовності.

Яким чином може бути усунена суперечність, що виникає? Над розв'язанням цього завдання наполегливо працюють сучасні теоретики - фізики і астрофізики. Можливо, вдасться показати, що виникаюча з точки зору загальної "теорії відносності в процесі еволюції Всесвіту сингулярність не є все ж у межах цієї теорії абсолютно неминучою, що за певних умов її можна позбутися. Другий напрямок пов'язаний з можливістю існування так званої «фундаментальної довжини», тобто якоїсь мінімальної протяжності, яка визначає межі застосовності відомої нам фізики. Можливий, проте, і третій варіант: не виключено, що межі застосовності загальної теорії відносності визначаються виникненням квантових явищ. За існуючими уявленнями такими межами є часовий інтервал близько 10~43 с, протяжність близько 1,6 • Ю"33 см і густина близько 5 • 1093 г/см3. У зв'язку з цим робляться спроби створення квантової гравітаційної теорії і квантової космології. Саме цей напрям теоретичного пошуку зараз є основним.