4.Космическая прелюдия

4.1. История космологических представлений

Грешник считает, что церковь обещает ему ад в будущем, а космология доказывает, что раскалённый ад был в прошлом.

Я.Б. Зельдович

Космология как раздел современной физики изучает Э и структуру нашей Вселенной, проблемы её взаимодействия с другими Вселенными. В конце ХХ в. стало ясно, что наша Вселенная:

• является системой, эволюционирующей от планковских размеров (10^-33см.) до масштабов 10³¹см. или даже больше;

• может оказаться частью огромного мира, состоящего из множества МВ, областей или доменов разной размерности, в каждой из которых свойства микрочастиц, размерность Пр-Вр могут быть различными.

История развития космологических представлений до 1922 г. включает 3 этапа:

1. древнегреческие, геоцентрические модели вечного, как правило, шарообразного и стационарного Космоса;

2. утверждение гелиоцентрической модели Н. Коперника, работы И. Кеплера, Г. Галилея и стационарная, механистическая картина мира И. Ньютона;

3. статичная, сферичная, конечная Вселенная А. Эйнштейна.

В развитии космологии ХХ в. так же можно выделить 3 этапа:

1. создание модели расширяющейся Вселенной А.А. Фридманом (1922 г.) и её подтверждение открытием Э. Хаббла;

2. предсказание (Г. Гамов) и открытие (А. Пензиас, Р. Вилсон) реликтового электромагнитного излучения с Т=3К, приходящего из дальних областей Вселенной;

3. современные инфляционные модели многомерного и сложного мира (Линде 1987; Павленко 1997).

Древнегреческая парадигма Космоса характеризуется:

• гармонией через число (Пифагор) и вечностью (по Гераклиту мир всегда есть, был и будет вечно живым огнём);

• одушевлённостью и подобием живому организму;

• центризмом (неподвижная Земля в центре у Птолемея, Платона и Аристотеля, у Пифагора в центре – огонь, у Аристарха – Солнце);

• бесконечностью (Демокрит).

В Новое Вр утверждается гелиоцентрическая система Вселенной Н. Коперника: Солнце – центр мира, Земля вращается вокруг Солнца. Вселенная есть гармония и разумный порядок, движение небесных тел – вечное и круговое. По И. Кеплеру планеты движутся по эллипсам вокруг Солнца, а по Дж. Бруно вообще нет центров, так как небо – безмерное Пр с бесчисленными мирами. Г. Галилей впервые наблюдал в телескоп миллиарды звёзд и вращение солнечных пятен, кольца Сатурна и спутники Юпитера. И. Ньютон считал, что Вселенная создана Богом по неизменным законам, число звёзд бесконечно, они равномерно распределены по бесконечному Пр, нет и центральной точки, куда бы могли упасть звёзды под действием сил гравитации (Павленко 1997; Девис 1989: 205).

А. Эйнштейн, под сильным влиянием И. Ньютона, сохранил стационарность Вселенной в работе Вопросы космологии и общая теория относительности (1917), введя в уравнения силу отталкивания, так называемую -лямбда постоянную (в противовес силам притяжения Ньютона для сохранения статичности) и очень сожалел, когда под напором открытий в космологии теория стационарной Вселенной разрушилась. В 1922 г. А.А. Фридман в работе О кривизне Пр впервые выдвигает гипотезу расширяющейся Вселенной на основе общей теории относительности А. Эйнштейна, и в науке появляются проблемы:

• “сингулярности” (особенности), Вселенная родилась из состояния с бесконечной плотностью (в сингулярном состоянии) в момент t=0. Но что было до этого? Откуда физически рождается Вселенная?

• будущего Вселенной – вечное расширение или коллапс, повторный “уход” в сингулярность.

В 1929 г. Э. Хаббл установил смещение линий в спектрах галактик в направлении к “красному” краю (красное смещение как проявление эффекта Доплера). Что мы можем сказать о звёздах, когда видим их? Только одно: цвет идущего от них света. Настроив телескоп на отдельную звезду или галактику, можно разложить свет в спектр, испускаемый звездой или галактикой, разные звёзды – разные спектры. По спектру определяют Т звезды и химический состав. В 20-е гг. астрономы, анализируя спектры, обнаружили, что все спектры смещены к красному концу спектра, что является проявлением эффекта Доплера⁵³.

Э. Хаббл составлял каталоги расстояний до галактик и изучал их спектры всю жизнь. Открытие “красного смещения” в спектрах галактик экспериментально подтвердило расширение Вселенной. Величина “красного смещения” прямо пропорциональна расстоянию от нас, , чем дальше находится галактика, тем быстрее она удаляется. Хаббл впервые перевёл вопрос о возникновении Вселенной из сфер мифа, метафизики и религии в сферу науки.

В 1947 г. ученик А.А. Фридмана Г. Гамов предсказал: ранняя Вселенная была очень плотной, горячей и раскалённой добела, а поскольку Т связана со звуком, от “начального взрыва” должно остаться реликтовое излучение⁵⁴.

Экспериментально обнаружить реликтовый фон микроволнового радиоизлучения из Космоса удалось в 1965 г. А. Пензиас и Р. Вильсон испытывали очень чувствительный “микроволновый⁵⁵”, сверхвысокочастотный детектор, антенну. Они зафиксировали какой-то шум, который не был направленным. Исключили все побочные факторы, но шум не изменялся и с течением Вр. Не зная работ Гамова, физики долго не понимали смысл открытия.

В то же самое Вр Б. Дикке и Д. Пиблс проверяли гипотезу Гамова о том, что ранняя Вселенная была плотной и горячей. Они предположили, что мы можем увидеть свечение ранней Вселенной, ибо свет, испущенный очень далёкими её областями, мог бы дойти до нас только теперь. Но из-за расширения Вселенной красное смещение светового спектра должно быть так велико, что дошедший до нас свет будет уже микроволновым излучением. Дикк и Пиблс искали то, что нашли Пензиас и Вилсон. Всё это означало не только расширение (за каждую тысячу миллионов лет Вселенная расширяется на 5-10%), но и остывание Вселенной (Вайнберг 1981; Силк 1983: 83-87; Девис 1985).

Начиная с середины 60-х, в космологии утверждается теория горячей раздувающейся Вселенной, БВ. Но оставались вопросы без ответа (Зельдович, Новиков 1975; Линде 1987: 4-5):

• что было до сингулярности? почему геометрия нашего мира близка к евклидовой геометрии, ведь по теории Эйнштейна геометрия нашего мира может сильно отличаться от геометрии Евклида? почему Вселенная однородна и откуда появились те малые неоднородности, из которых впоследствии образовались галактики? почему наше Пр не 5-мерное или 2-мерное, а 3-мерное?

В 1965 г. Р. Пенроуз показал, что звезда может сжиматься под действием собственных сил гравитации до нуля. В 1970 г. Р. Пенроуз и С. Хокинг, исследуя так называемые чёрные дыры (коллапсирующие в сингулярность звёзды), доказали существование сингулярности, “дофизической” формы существования материи (Хокинг 1990, 2000:127-129).

В нач. 70-х в теории “элементарных” частиц произошла подлинная революция: построили единую теорию слабых и электромагнитных взаимодействий, наметились принципы построения единой теории фундаментальных взаимодействий. Для развития космологии большую роль сыграло введение так называемых скалярных полей  (СП). После создания единых теорий было установлено, что по мере остывания Вселенной должны были происходить фазовые переходы, во Вр которых, СП во всём Пр менялись; в результате этого менялись свойства микрочастиц и законы их взаимодействий (Линде 1987: 5-9).

В 1983 г. А.Д. Линде был предложен так называемый сценарий хаотически раздувающейся Вселенной. Основную роль в этом сценарии играют СП. С конца 70-х разрабатывается перспективное направление в космологии, реконструирующее квантовое рождение Вселенной посредством флуктуаций вакуума – инфляционные модели. Согласно этим моделям, существует не одна Вселенная, а множество различных МВ (А. Альбрехт, П. Стейнхардт, С. Хокинг, А. Гут, Я.Б. Зельдович, А.Д. Сахаров, Д.А. Киржниц, А.Д. Линде).

Э СП приводит к возникновению многих областей, МВ, где действует инфляция (расширение), между разными МВ, доменами нет причинной связи, так как возникают так называемые доменные стенки с колоссальной плотностью энергии. Физики называют эту проблему проблемой доменных стенок.

Э не имеет конца и, скорее всего, не имеет единого (сингулярного) начала. “Наша” МВ “отпочковалась” от какой-то всеобщей, единой матрицы существования. В одних областях этой матрицы расширение уменьшается, в других – квантовая флуктуация влечёт за собой рост инфляции, быстрое расширение, мы живём в одной из “долин”, где Пр больше не “инфлирует”. А.Д. Линде иллюстрирует глобальную структуру матрицы как множество по-разному раздувающихся “пузырей”, соединённых узкими каналами. На компьютерной модели МВ выглядят как множество холмов пикообразных гор и долин.

Свойства Пр-Вр и закон взаимодействия микрочастиц в каждом “пузыре” МВ могут быть различными. Даже если законы природы всюду и всегда одни и те же, как считал, например, А.Д. Сахаров, возможно, что в других МВ возникли иные формы разума.

А.Д. Сахаров в одноимённой работе развивал похожую на инфляционную модель – цикличную модель многолистной Вселенной. Действие двух механизмов – образование чёрных дыр и выравнивание неоднородностей – приводит к тому, что происходит смена “гладких” и “возмущённых” циклов. Цикличность во Вр имеет начало. Нашему циклу предшествовал “гладкий” цикл, когда чёрные дыры не образовывались. Продолжительность циклов возрастает вследствие роста S и стремится к бесконечности.

С данной моделью была связана интригующая воображение знаменитого академика возможность. Высокоорганизованный разум, развивающийся миллиарды миллиардов лет, в течение цикла находит способ передать в закодированном виде информацию наследникам в следующих циклах. Аналогия – передача живыми существами генной информации, спрессованной и закодированной в хромосомах (Линде 1987: 23; Сахаров 1996: 82-823; Павленко 1997: 183).