Канке В.А., Лукашина Л.В. Концепция современного естествознания Теория и практика

Хаббл описал рассматриваемый закон в статье от 1929 г. Ранее, в 1927 г., он был обнародован в малочитаемом журнале бельгийским теоретиком Ж. Леметром, который ссылался на экспериментальные работы Хаббла. Леметр никогда не настаивал на своем приоритете в деле открытия закона Хаббла. Видимо, его позиция объяснялась признанием общепризнанных экспериментальных заслуг Э. Хаббла.

Из закона Хаббла следуют определенные, разумеется, приблизительные выводы относительно возраста Вселенной. Предположим, что все галактики отклоняются от нас со скоростью v. В таком случае r vt. Подставив это соотношение в выражение закона Хаббла, вычислим t, которое как раз и является временем существования Вселенной:

Итак, в период с 1917 до 1929 г. как теоретические (дедуктивные), так и эмпирические данные способствовали росту авторитета концепции расширяющейся Вселенной. В теоретическом отношении решающими оказались исследования А. А. Фридмана, а в эмпирическом — Э. Хаббла. Думается, что с учетом этого обстоятельства правомерно говорить о концепции Фридмана — Хаббла.

Э. Хаббл открыл закон разлета галактик, учитывая красное смещение линий в спектрах атомов химических элементов. Если спектральные линии смещаются в синюю сторону, то они свидетельствуют о приближении объектов. Смещение же спектральных линий в красную сторону указывает на удаление объектов. Согласно современным данным, Хаббл был прав: смещение спектральных линий в красную сторону указывает на удаление соответствующих объектов, которыми в рассматриваемом случае являются галактики. Но как объяснить красное смещение? Хаббл сомневался, что оно объясняется эффектом Доплера. И правильно делал.

Эффект Доплера состоит в изменении частоты волн, регистрируемых приемником, вызванном движением либо источника волн, либо приемника. С этим явлением знаком каждый: при приближении автомобиля с включенной сиреной человек воспринимает звук более высокого тона, чем при его удалении.

Длительное время считалось, что за космологическое красное смещение ответствен именно эффект Доплера. Это мнение сейчас считается неправильным. В наблюдаемое красное смещение вносит свой вклад эффект Доплера, но он не решающий. Определяющим является расширение пространства, описываемое релятивистской теорией тяготения. Оно вызывает расширение расстояния между гребнями и впадинами той волны, каковой является свет. Что же касается расширения пространства, то его вызывает особого типа вакуум.

Но в таком случае возникает еще один трудный вопрос: почему космическое расширение наблюдается лишь в случае галактик, но не, например, в Солнечной системе. Многие ученые полагают, что это объясняется величиной тех сил, которые связывают тела в системы. Если объекты не свя-

121

заны значительными силами тяготения, то эффект космологического расширения является для них определяющим. Так обстоят дела со скоплениями галактик. В случае же Солнечной системы все ее объекты объединены эффективно значительными силами. На этом фоне вакуумные эффекты малозаметны.

Стремясь к наглядному изображению расширяющейся вселенной, прибегают к модели раздувающегося шара, точки на поверхности которого обозначают галактики. Расстояния между точками шара увеличиваются в равной степени, причем ни одна из них не занимает привилегированного положения.

Выводы

•Исследование красного космологического смещения указывало на расширение Вселенной. Объяснение этого расширения оказалось во многом возможным благодаря потенциалу релятивистской теории тяготения А. Эйнштейна.

•А. А. Фридман показал, что абсолютное большинство решений уравнений Эйнштейна указывает на расширение Вселенной.

•Э. Хаббл представил эмпирическое доказательство расширения Вселенной

вформе закона.

•Космологическое расширение объясняется новейшими представлениями о физическом вакууме.

•Астрономические открытия, сделанные в 1917—1929 гг., имели революционный характер. Их вполне правомерно считать третьей революцией в астрономии. Решающий вклад в ее развитие внесли А. А. Фридман и Э. Хаббл.

3.3.Четвертая революция в астрономии. Теория Большого Взрыва

èгорячей Вселенной

Расширение Вселенной наводило на новые мысли относительно ее истории. В этой связи были выдвинуты различные гипотезы. Особое внимание ученых привлекли две из них. Это, во-первых, концепция Большого взрыва, согласно которой существовало первоначальное состояние, превращения которого привели к расширению Вселенной. Эту концепцию начиная с 1927 г. защищал ранее уже упоминавшийся Ж. Леметр. Это состояние он называл первоначальным атомом (а также космическим яйцом). В наши дни исходное состояние, до которого можно довести анализ, рассматривая расширение Вселенной «вспять», называют сингулярностью (от лат. singularis — единственный, особенный).

Альтернативной по отношению к концепции Большого Взрыва теорией является гипотеза стационарной Вселенной, разработанная в 1948 г. американцами Ф. Хойлом, Т. Голдом и Г. Бонди, — теория стационарной Вселенной. Они предположили, что по мере разлета галактик между ними постоянно создается новая материя. Выходит, что у Вселенной нет начала. Дело обстоит не так, что произошел гигантский взрыв, а затем мы наблюдаем его последствия. В динамическом отношении состояние Вселенной всегда одно и то же.

Обе концепции не противоречили космологическому принципу, согласно которому каждый наблюдатель независимо от его месторасполо-

122

жения обнаруживает в космосе одну и ту же картину. В нем отсутствует некоторое выделенное направление, например связанное с существованием некоторой иерархии от простого к сложному.

Длительное время, не менее четверти века, экспериментальные данные не позволяли сделать выбор в пользу либо концепции Большого взрыва, либо стационарной Вселенной. Но благодаря теории Г. Гамова, блестящего теоретика, эмигрировавшего в 1933 г. из СССР в США, равновесие между рассматриваемыми двумя соперничающими концепциями оказалось смещенным в сторону концепции Большого взрыва.

В 1948 г. Г. Гамов разработал концепцию горячей Вселенной. Главная его идея состояла в том, что в состоянии, близком к сингулярности, Вселенная была плотной и горячей. Исходя из этого предположения, можно на основании законов термодинамики и ядерной физики предсказать ее дальнейшую эволюцию, а именно остывание (вспомним о термодинамике)

иобразование ядер атомов химических элементов (вспомним о ядерной физике). Возможный Большой взрыв он оставлял вне анализа.

Согласно концепции Гамова, в начале расширения Вселенной в термодинамическом равновесии с вещественными частицами должно было находиться электромагнитное излучение. До температуры 3000 К энергичные фотоны поддерживали атомы водорода и гелия в ионизированном состоянии. Однако при дальнейшем охлаждении этих фотонов стало недоставать. В результате первичная плазма превратилась в нейтральное вещество

ифоновое излучение, которое стало свободно распространяться по Вселенной. В ходе расширения оно остыло и к настоящему времени является низкотемпературным (по современным данным, температура реликтового излучения составляет приблизительно 2,7 К). Это излучение должно приходить со всех сторон и не иметь выделенного направления. Второе предсказание относилось к химическому составу вещества Вселенной, по массе состоящего приблизительно на 3/4 из водорода и на 1/4 из гелия. Эти предсказания оказались правильными и решающим образом способствовали укреплению позиции теории горячей Вселенной, которая, находясь в гармонии с теорией Большого взрыва, не сочеталась с теорией стационарной Вселенной.

История открытия реликтового излучения

Предсказанное Гамовым микроволновое излучение, названное советским астрономом И. С. Шкловским реликтовым, т.е. остаточным, действительно было открыто, причем прелюбопытным образом. В 1965 г. известный американский астроном Р. Дикке для регистрации реликтового излучения разработал и построил специального типа радиометр. Аналогичный прибор создали в 1965 г. американцы А. Пензиас и Р. Вильсон для изучения радиошумов. При калибровке прибора они, к своему удивлению, обнаружили излучение температурой 3,2 К. Не будучи астрофизиками, они никак не связывали этот факт с теорией горячей Вселенной. Позвонив Дикке, они рассказали ему о результатах своих экспериментов. Он сразу понял, что совершено научное открытие исключительной важности, прокричав в трубку: «Парни, мы сорвали свой куш». В 1978 г. Пензиас и Вильсон получили Нобелевскую премию по физике.

Интересно, что есть все основания утверждать, что реликтовое излучение было зарегистрировано аспирантом-радиоастрономом Т. А. Шма-

123

оновым в Пулковской обсерватории, расположенной недалеко от СанктПетербурга. Температура зафиксированного им микроволнового излучения составляла по его оценке 43 К. К сожалению, некому было подсказать аспиранту, что он случайно сделал весомое научное открытие.

Открытие реликтового излучения имело решающее значение в деле признания теории горячей Вселенной. Подтвердилось также и предсказанное Гамовым преобладание в общей массе вещества Вселенной атомов водорода и гелия, причем в указанной выше пропорции. В теории также учитывалось как расширение Вселенной, так и космологический принцип. Впрочем, последний обычно представляют в модифицированном виде, а именно имеется в виду, что если мысленно разделить Вселенную на пространственные сферические области диаметром 300 млн световых лет, то плотность барионного вещества в них будет одинаковой, а именно ~10– 31, что соответствует приблизительно одному атому водорода на область объемом 5 м 3. Если учитывать ячейки с диаметром меньше 300 млн световых лет, то однородность Вселенной нарушается.

Концепция горячей Вселенной в ее гамовской интерпретации имела исключительное значение для космологии. Разумеется, и ей было суждено встретиться со значительными трудностями. Одна из них состояла в том, что не удалось объяснить синтез ядер тяжелых элементов. Как выяснилось, он происходит в недрах звезд, а не в составе исходного плотного и горячего состояния. Концепция Гамова не учитывала также анизотропию реликтового излучения, открытой в 1992 г. российскими и американскими учеными. Анизотропия — это разница температуры реликтового излучения

вразличных космических направлениях. В реальности реликтового излучения уже никто не сомневается. Теперь по его особенностям стремятся точнее определить всю эволюцию вселенной.

Еще один недостаток гамовской теории горячей Вселенной состоит

втом, что не рассматривается тот взрыв, который предшествовал появлению плотной горячей плазмы. А он, безусловно, заслуживает особого внимания.

Несмотря на свои недостатки, концепция горячей Вселенной прочно вошла в арсенал астрономических идей. Астрономы полагают, что ее можно и следует совершенствовать. Но в стратегическом отношении она верна. Без нее трудно понять эволюцию Вселенной. Не будем забывать, что

вобъяснении нуждаются мириады явлений. Переход от горячей к холодной Вселенной очень многое объясняет, но далеко не все.

Выводы

•Концепция расширяющейся Вселенной нашла свое продолжение в двух других теориях, а именно в концепции Большого Взрыва и горячей Вселенной, с одной стороны, и концепции стационарной Вселенной, с другой стороны.

•Открытие реликтового излучения в 1965 г. привело к резкому возрастанию авторитета концепции Большого Взрыва и горячей Вселенной.

•В пользу этой концепции свидетельствует не только расширение Вселенной

иее пространственная однородность в больших масштабах, но особенно реликтовое излучение предсказанной величины и доля атомов легких элементов в барионном веществе Вселенной.

124

• Концепция горячей Вселенной сама встретилась со значительными трудностями, в частности в связи с необходимостью объяснить анизотропию реликтового излучения.

3.4.Пятая революция: концепция отрицательного давления вакуума

èтемной энергии

В 1998 г. при изучении сверхновых звезд типа Iа, возникающих вследствие взрыва белых карликов, было открыто, что они вопреки закону Хаббла движутся с ускорением. За это открытие С. Перлмуттер, Б. П. Шмидт и А. Рисс получили Нобелевскую премию по физике за 2006 г. Каждое вновь открытое явление нуждается в объяснении, в противном случае оно не становится базисом новых предсказаний. А ведь именно в этом состоит назначение науки — не просто констатировать некоторые явления, а осуществлять эффективные предсказания. Кстати, согласно расчетам, стадия ускорения расширения Вселенной наступила приблизительно 5 млрд лет тому назад.

Итак, как же объяснить ускоряющееся расширение Вселенной? Силами гравитационного притяжения его не объяснить: они не ускоряют, а замедляют расширение. До открытия ускорения расширения Вселенной астрономы полагали, что гравитационные силы притяжения способны даже повернуть расширение вспять. Скопления галактик постепенно замедляются, достигают нулевой скорости, а затем начинают сближаться. Такой сценарий развертывания космических явлений после открытия расширения Вселенной считается маловероятным.

Но если силы гравитационного притяжения не способны обеспечить расширение Вселенной, то разумно предположить, что оно вызывается гравитационными силами отталкивания. Разумеется, они должны продуцироваться некоторыми физическими объектами. Но вновь загадка: какими именно объектами? Возможно, темной материей — довольно загадочным физическим объектом, без постулирования которого невозможно объяснить наблюдаемое движение звезд, особенно их вращение вокруг центра той галактики, к которой они принадлежат. Рассматриваемый тип космической среды называется темной материей постольку, поскольку она не излучает фотоны, ее невозможно увидеть. На существование темной материи указывают также многочисленные эффекты, связанные с существованием гравитационных линз. Они искривляют световой луч подобно тому, как это делает, например, самая обыкновенная оптическая линза с лучом света. В результате действия гравитационной линзы изображение далекого объекта приобретает необычный вид, оно может, например, расслаиваться на несколько изображений.

Природа темной материи пока не раскрыта. Но с большой долей уверенности можно считать, что за ускорение Вселенной ответственна не темная материя. Дело в том, что она способна обеспечить существование некоторого типа гравитационных сил притяжения, но не отталкивания, объяснение которых нас интересует в данном случае.

125

В поиске источников гравитационных сил отталкивания исследователи обратились к идее А. Эйнштейна, который именно для обеспечения этих сил ввел в уравнения релятивистской теории тяготения величину космологической постоянной лямда ( ). Соответствующие уравнения детально рассмотрел А. А. Фридман. Он пришел к выводу, что эффективная плотность гравитационной энергии ( G) зависит от двух величин, а именно плотности массы ( ) и давления (p), согласно формуле

Надо полагать, эта формула покажется удивительной тому, кто привык гравитационные силы связывать исключительно с признаком массы, который фигурирует в законе тяготения Ньютона. Но он не учитывает наличие безмассовых частиц, например фотонов и нейтрино, которые также участвуют в гравитационных взаимодействиях. Мы привели этот комментарий лишь для того, чтобы подчеркнуть связь феномена гравитации не только с массами. С этой точки зрения для физиков и астрономов нет ничего удивительного в том, что в уравнении (3.3) фигурирует величина давления. Тем не менее рассматриваемая формула выражает удивительные факты. Действительно, она явилась следствием использования представления Эйнштейна о космологической постоянной, призванной описать гравитационные силы отталкивания. Плотность массы обеспечивает силы притяжения. Следовательно, силы отталкивания обеспечивает давление. В случае вакуума (для его обозначения в дальнейшем используется значок V) это обстоятельство получает особенно отчетливое выражение. По определению, вакуум является формой существования энергии, плотность которой всегда независимо от системы отсчета остается одной и той же. Этому условию соответствует выражение

По определению, вакуум является формой существования энергии, плотность которой всегда независимо от системы отсчета является одной и той же. Этому условию соответствует выражение (3.4). Подставив выражение (3.4) в уравнение (3.3), получаем для эффективной плотности гравитационной энергии вакуума выражение

Его физический смысл состоит в том, что силы гравитационного отталкивания вызывают вакуум в силу его обладания отрицательным давлением.

Естественно, возникает вопрос о природе отрицательного давления. Чем оно отличается от всем привычного положительного давления, оказываемого, например, молекулами газа на ограничивающие его стенки?

Возникновение отрицательного давления часто иллюстрируют рис. 3.1. Если вытягивать поршень из цилиндра, то частицы — а они считаются скрепленными некоторыми силами связи, например пружинками, — начнут втягивать его обратно. Положительное давление выталкивает цилиндр из поршня, а отрицательное — наоборот, втягивает. Отрицательное давление имеет место в силу того натяжения, которое образуют частицы. Кстати, в твердых телах оно будет больше, чем в газообразных.

126

Рис. 3.1. Возникновение отрицательного давления:

отрицательное давление представлено стрелочкой

Приведенная иллюстрация поясняет различие отрицательного и положительного давления. Но она неудачна, поскольку отрицательное давление притягивает поршень, мы же пытаемся объяснить причину гравитационных сил отталкивания. Нам не остается ничего другого, как подчеркнуть, что отрицательное давление изменяет привычную картину гравитационного тяготения, на первый план выходит не притяжение объектов, а их отталкивание.

Итак, причиной ускорения расширения Вселенной является отрицательное давление гравитационного вакуума. Такой вакуум в специальной литературе часто называется вакуумом Эйнштейна — Глинера. Дело в том, что его теория была существенно уточнена российским физиком Э. Б. Глинером в теперь уже далеком 1965 г. Но его работы оказались весьма кстати при новейших объяснениях ускорения расширения Вселенной, равно как и анизотропии реликтового излучения.

Начиная с 2000 г. стандартной концепцией Вселенной считается CDMмодель (читается —Лямда-СиДиЭм-модель) — космологическая постоянная Эйнштейна, CDM — сокращение от Cold Dark Matter (холодная темная материя). В соответствии CDM-моделью и экспериментальными данными, состав Вселенной представлен на рис. 3.2.

Звезды и пр. — 74%

Рис. 3.2. Состав Вселенной

Разумеется, состав Вселенной поражает воображение — есть чему удивляться. После многовекового развития астрономия открывает два концептуальных материка, а именно темную энергию и темную материю, природа которых вызывает многие вопросы. Звезды, на первый взгляд, являющиеся основным населением Вселенной, составляют лишь несколько десятых ее энергии и массы. Те же элементы, из которых состоит человеческое тело, составляют не более 0,01% Вселенной. Людям предстоит еще изучить очень многое. Будем надеяться, что новое знание позволит нам чувствовать себя во вселенских масштабах более уверенно.

127

Выводы

•Ускорение расширения Вселенной невозможно объяснить силами гравитационного притяжения, которые характерны как для обычного вещества, так и для темной материи.

•Указанное ускорение вызывается отрицательным давлением гравитационного вакуума.

•На сегодняшний день стандартной космологической концепцией является CDM-модель.

3.5.Шестая революция: концепция хаотической инфляции

Мы уже неоднократно убеждались, что обсуждение космологических вопросов порождает многие недоуменные вопросы. Вот некоторые из них. Почему масса Вселенной столь велика, а именно ~1080 кг? Откуда взялась вся эта масса? Почему Вселенная расширяется довольно странным образом? Почему она является плоской? На эти вопросы найдены вполне разумные ответы в рамках теории хаотической инфляции А. Д. Линде, русского физика и космолога, ныне проживающего в США.

Линде исходит из представления об осциллирующем гравитационной вакууме, т.е. о вакууме, в котором происходят колебания. Этот вакуум является скалярным, а не векторным полем. Как это понимать? В нем нет выделенных направлений. Но он обладает энергией. Вакуум не является чем-то вроде застывшего поля, наоборот, в нем постоянно происходят какие-то флуктуации. В результате возникают некоторые пики энергии, как это показано на рис. 3.3.

Плотность

энергии

Скалярное поле

Рис. 3.3. Неустойчивый гравитационный вакуум

Согласно законам физики, вакуум, оказавшись в неустойчивом состоянии, стремится перейти в состояние с наименьшей энергией. Наглядно это можно представить себе как движение шарика, скатывающегося с холма и в состоянии с наименьшей потенциальной энергией колеблющегося около положения равновесия. Происходящее можно представить и по-другому: ком, скатывающийся со склона снежного холма, обрастает снегом. По мере его спуска он увеличивается в размере.

Приведенная иллюстрация неполна, в ней силы трения выступают в качестве несущественного фактора. А между тем, как показывают соот-

128

ветствующие изыскания, колебания скалярного поля всегда связаны с возникновением своеобразных сил трения, которые существенно замедляют скорость происходящих изменений. Это обстоятельство крайне важно для понимания характера космологического расширения. Дело в том, что, согласно экспериментальным данным, отношение скорости изменения расстояния между галактиками (a) к этому расстоянию (а) равно постоянной Хаббла, слабо зависящей от времени (T). В силу указанной зависимости примем постоянную Хаббла за неизменную величину. Следовательно, при принятых упрощениях справедлива формула

Этому уравнению удовлетворяет функция a eHt. Действительно, замечательная особенность показательной функции состоит в том, что ее производная есть произведение показательной функции на производную ее степени. Таким образом, a eHt H.Подставив это выражение в формулу (3.6), получаем тождество. Иначе говоря, наше предположение о виде функции а(t) оказалось верным.

Возвратимся к рассмотрению скалярного поля. Так как оно гравитационного свойства, то удается его связать с уравнениями тяготения Эйнштейна, в которых фигурирует постоянная Хаббла. Медленное изменение энергетической высоты пика плотности потенциальной энергии соответствует экспоненциальному расширению Вселенной. Всего за 10–35с Вселенная увеличилась приблизительно в 101012 раз. Если считать, что оно начиналось с квантовых масштабов порядка 10–33см, то оно достигло столь огромных размеров, по сравнению с которыми радиус наблюдаемой Вселенной ~1028 см ничтожно мал. Такое резкое «вздутие» Вселенной космологи как раз и называют инфляцией. Если бы мы могли видеть всю Вселенную, то она имела бы для нас сферическую форму. Но мы видим лишь малую ее часть, равную 1,4 · 1010 световых лет. Поэтому она для нас является плоской, однородной и изотропной. Это обстоятельство можно проиллюстрировать на примере футбольного мяча (рис. 3.4). Чем меньше его поверхностные шестиугольные области, тем они представляются более плоскими. В качестве существ нашей Вселенной мы живем на поверхности необычайно раздутого шара.

Рис. 3.4. Малые области шаровой поверхности являются плоскими

Итак, за возникновение Вселенной ответствен гравитационный вакуум. Имея это в виду, даже великолепные ученые порой заявляют, что Вселенная возникла из ничего. Они имеют в виду, что до развития теории космо-

129

логической инфляции приходилось считать, что огромная масса Вселенной была сосредоточена в исходной сингулярности, первоатоме Леметра. Теперь же потребность в постулировании реальности такой сингулярности отпала. Акценты стали другими. На первый план выходит представление о скалярном гравитационном поле. Но оно ведь не есть ничто. «Ничто» — это пустое имя, иначе говоря, имя без области его определения. Такого рода имена не соответствуют статусу науки. Здесь, по определению, имя является названием некоторого объекта или процесса. Таким образом, Вселенная не возникла из ничего. Тот, кто использует термин «ничто» в качестве имени, совершает грубую научную ошибку.

Теория хаотической инфляции позволяет по-новому оценить статус горячей Вселенной. Весьма популярна точка зрения, что нагрев Вселенной имел место не до, а после инфляции. Вызван же он был переходом высвободившейся кинетической энергии в энергию рождающихся и разлетающихся частиц.

Что именно представляет собой исходная Вселенная, попавшая на траекторию инфляции, не вполне ясно. Это могли быть объекты негравитационной природы. Но не исключается также, что они были порождены самим гравитационным вакуумом. Инфляция не снимает вопрос о том, что ей предшествовало. Возможно, там и было нечто вроде Большого Взрыва (читай: бурного события, приведшего к началу инфляции). Современные астрофизики, умудренные опытом объединения космологии с квантовой теорией поля, склонны считать, что указанное превращение, т.е. космологическая метаморфоза, будет объяснена посредством новой теории, возможно, теории струн. В отличие от своих предшественников они не склонны абсолютизировать какие-либо метаморфозы, будучи уверенными, что история мультивселенной, в том числе и нашей Вселенной, может быть продолжена как в прошлое, так и в будущее. Причем ни в первом, ни во втором случае нет конца истории. Метаморфозы сменяют друг друга.

Нет никаких оснований считать, что наша Вселенная является единственным порождением скалярного поля. Там, где это поле достаточно большое до начала инфляции, возникнут свои вселенные. Поскольку они все возникают из одного и того же скалярного поля, то между ними существует известная корреляция. По поводу ее обнаружения физики не проявляют особого энтузиазма. Ведь мы находимся в одной из вселенных, т.е. во Вселенной, из которой не можем перейти в другой мир.

Теория хаотической инфляции человеку, недостаточно знакомому с развитием физических и космологических концепций, кажется чуть ли не фантазией. А между тем она лежит на магистральной линии развития астрофизики. Разумеется, тот или иной исследователь волен отказаться от теории хаотической инфляции. Но после этого представления о космологических процессах не прояснятся, а станут более туманными. Научные маршруты всегда пролегают от менее развитых теорий к более развитым концепциям. Кто от них отказывается, тому не достигнуть сияющих вершин научного знания.

Итак, мы рассмотрели по крайней мере шесть значимых астрономических теорий, изобретение каждой из которых вполне можно расценить как

130