Писатели-фантасты! Прежде чем сетовать на то, что вам скучно в реальном обыденном мире и что ваша безудержная фантазия требует ухода далеко в сторону от всех известных физических теорий и законов – посмотрите, какие чудеса происходят в нашем реальном мире. Оцените и опишите красоту и элегантность современных научных подходов и научных знаний.
Хочу коротко рассказать, как появилась и что собой представляет современная наука космология. Для этой цели хочу привести отрывок одной из популярных статей, написанных моим Учителем и мной в августе 2004 года.
Двадцатый век характеризуется большим прогрессом науки, в начале века родилась новая физика - релятивистская (А. Эйнштейн) и квантовая (М. Планк), изменившая наши взгляды на структуру пространства-времени и структуру физических взаимодействий.
Следствием этих открытий явились большие успехи в объяснении структуры микро- и макромира: строения материи и устройства Вселенной в целом. В начале века родилась и современная космология, дата рождения которой известна достаточно точно. Обычно эту дату отсчитывают от времени публикации статей советского ученого Александра Александровича Фридмана. В 1922 г. в немецком журнале "Zeitschrift fur Physik" была опубликована статья А.А. Фридмана "О кривизне пространства". Основной вывод этой работы заключался в том, что наша Вселенная эволюционирует, она расширяется, ее объем растет.
Вывод о поступательной эволюции нашего мира был настолько необычным, что даже создатель релятивистской физики А. Эйнштейн вначале воспринял его со скепсисом. Конечно, идея постоянного изменения не столь необычна.
Постоянные изменения мы наблюдаем в повседневной жизни, постоянные изменения наблюдаются и в космическом пространстве. День меняется ночью, лето сменяется зимой, год - годом. Но астрономы привыкли больше к циклическим изменениям, происходящим на фоне стационарной звездной картины. Идея поступательной эволюции во времена А.А.
Фридмана была чрезвычайно новой.
Сам А. Эйнштейн в 1917 г. создал модель стационарной, то есть, не эволюционирующей Вселенной, у которой бесконечно много времени было в прошлом и бесконечно много времени в будущем. Позже А. Эйнштейн признал правильность идей А.А. Фридмана.
Космологическая модель А.А. Фридмана, в которой было начало, или, как говорят сегодня, момент рождения, вначале вызвала отторжение. Тем не менее, она была подтверждена наблюдениями и сейчас является общепринятой.
Модель А.А. Фридмана основывалась на решении уравнений общей теории относительности для случая изотропного и однородного распределения вещества. Термин "изотропия" означает, что свойства вещества Вселенной, наблюдаемые из одной точки в разных направлениях являются одинаковыми. Термин "однородность" означает, что свойства вещества в разных точках пространства тоже одинаковы. Основные характеристики вещества – это плотность, давление и температура. Именно они распределены однородно и
изотропно. Конечно, в земных условиях вещество далеко от однородности и изотропии. Поверхность Земли и находящийся над ней воздух обладают различной плотностью. Однако, если мы рассмотрим куб размеров в «3 умножить на 10 в степени 18» см (в астрономии эта единица измерения носит название один парсек, сокращенно пк) и посчитаем среднюю плотность в таком кубе, а затем будем передвигать этот куб, то обнаружим, что контраст плотности значительно меньше чем в земных условиях. Чем больших размеров куб мы будем рассматривать, тем все более однородным окажется в нем распределение вещества. В космологии масштаб, с которого Вселенная становиться приблизительно однородной и изотропной, имеет размер 200 000 000 парсек или 200 Мегапарсек (сокращенно Мпк).
Теоретически предсказанное А.А. Фридманом расширение Вселенной было обнаружено несколько лет спустя Э. Хабблом (1929 г.) и закон расширения, который имеет простой вид: «v равно H умножить на r».
сейчас носит имя Хаббла. В этом законе вектор v - скорость далекого объекта (например, галактики), H - постоянная Хаббла, вектор r - расстояние до объекта. Согласно современным измерениям, постоянная
Хаббла равна 72 км\сек на один мегапарсек.
Доказано, что закон Хаббла описывает однородное и изотропное расширение вещества. Важно отметить, что вид этого закона указывает на поступательный характер эволюции Вселенной. Хаббловское движение начинается только с внегалактических масштабов, и этот закон принципиально отличается от кеплеровского закона движения небесных тел, которые описывают периодическое движение.
Поскольку постоянная Хаббла определяет закон расширения нашей Вселенной, а следовательно, рост ее объема, то обратное значение величины постоянной Хаббла «14 умножить на 10 в степени 9» лет приблизительно равно возрасту Вселенной. Действительно, обратим закон расширения и отсчитаем время, необходимое для того, чтобы Вселенная сжалась до нулевого размера. Такое время равно «H в степени -1».
Здесь следует сказать, что слова «постоянная Хаббла» носят в значительной степени историческое значение. Оно заключается в том, что эта величина не зависит ни от направления на исследуемую галактику, ни от положения галактики.
Однако, эта величина зависит от времени. В ранней Вселенной H имело значение больше, чем сейчас. Для того, чтобы отличать H от фундаментальных постоянных, мы иногда будем называть ее также параметром Хаббла. Сразу оговоримся, что приведенная формула представляет только приближенную форму закона Хаббла, справедливую только для малых значений скорости внегалактического объекта. Точный вид закона Хаббла выглядит гораздо сложнее и его можно найти в монографиях, посвященных космологии (см., например, книгу: Зельдович Я.Б., Новиков И.Д., «Строение и эволюция Вселенной» М.: Наука, 1975).
Сам факт расширения Вселенной считался твердо установленным уже в середине двадцатого века, хотя причины, приведшие к такому закону эволюции, вплоть до конца двадцатого века являлись загадочными. Стандартная космологическая модель Фридмана не могла ответить на вопрос о физических причинах разлета галактик, ведь казалось, силы притяжения должны были бы противодействовать этому разлету. Ответ на этот вопрос удалось дать лишь в последние годы благодаря применению к ранней Вселенной результатов, полученных в современной физике элементарных частиц.
Закон расширения был экспериментально обнаружен следующим методом. Э. Хаббл построил зависимость скорости внегалактического объекта от расстояния до этого объекта. Эти данные образовали линейную зависимость.
Наклон средней линии, показывающей связь скорости далекой галактики и расстояния до нее, называется "постоянной Хаббла". Эта зависимость показывает, что чем дальше галактика, тем быстрее она удаляется от нас.
Следует специально указать, что при построении такой диаграммы скорость галактики и расстояние до нее определяются по отдельности. По измерениям смещения спектральных линий галактики измеряется её скорость (эффект Допплера), а расстояние до галактики измеряется по наблюдениям астрономических "индикаторов расстояний".
Индикатором расстояний в астрономии называется звезда или галактика с известной светимостью. Светимость - это количество энергии за единицу времени. Светимость позволяет измерить расстояние до источника света. Поток света, который измеряется наблюдателем на Земле, обратно пропорционален квадрату расстояния до источника. Если известна светимость и измерен поток света, то из их отношения можно определить расстояние до источника.
Сейчас в космологии таким индикатором расстояний являются сверхновые звезды типа SN Ia. Высокая светимость таких звезд, сравнимая со светимостью целой галактики,
позволяет наблюдать их на расстояниях в несколько гигапарсек («10 в степени 9» пк). Малая разница светимостей отдельных звезд SN Ia, приведенных на одинаковое расстояние, позволяет измерять расстояние до них с небольшой ошибкой и строить очень точные диаграммы Хаббла.
В двадцатом веке индикаторы расстояний обладали настолько большими внутренними ошибками, что оказалось возможным определить только одну кинематическую характеристику нашей Вселенной - скорость ее расширения. Скорость расширения Вселенной (параметр Хаббла) был измерен с большими ошибками.
Теперь параметр Хаббла измеряется лучше, с ошибкой примерно 10%.
В физике отсутствовала эволюция. Законы физики являлись статическими и неизменными в течении времени. В астрономии присутствовали изменения во времени, но они являлись, скорее, отражением стационарной картины Вселенной, чем эволюции. Из-за вращения Земли вокруг своей оси происходили только циклические изменения, которые практически не затрагивали основные параметры орбиты Земли. Картина в целом была стационарна.
Космология - одна из немногих естественных наук, в которых эволюция появилась в явном виде.
В связи с тем, что эволюция во Вселенной присутствует в явном виде, в науке о Вселенной появляются некоторые кинематические величины и понятия, которые отсутствуют в физике.
Первым из них является понятие горизонта частиц.
Вселенная существует 14 миллиардов лет. В трехмерно плоском пространстве-времени мы видели бы события только внутри шара размером 14 Гпк, что есть произведение скорости света на время, прошедшее с рождения Вселенной.
От более далеких точек пространства световой сигнал до нас еще не дошел. Поскольку скорость света - это предельная скорость в природе, то никаким способом получить сейчас информацию о том, что происходит вне радиуса 14 Гпк невозможно. Этот радиус называется радиусом горизонта частиц во Вселенной. Поскольку сама Вселенная расширяется, и составляющие ее частицы разлетаются, точное определение горизонта частиц дает несколько большую величину, чем 14 Гпк, тем не менее, основной вывод о существовании принципиально ненаблюдаемых областей во Вселенной остается и в расширяющейся Вселенной. В трехмерно-плоском пространстве или не расширяющейся Вселенной размер горизонта частиц растет с возрастом и рано или поздно все области Вселенной окажутся доступными для изучения.
Это не так в расширяющейся Вселенной. Более того, в зависимости от скорости расширения, размер горизонта частиц может зависеть от времени, прошедшего с момента начала расширения, по более сложному закону, чем простая пропорциональность времени. В частности, в ускоренно расширяющейся Вселенной размер горизонта частиц может стремиться к постоянной величине. Это означает, что есть области принципиально не наблюдаемые, есть процессы принципиально непознаваемые. Хотя этот простой вывод на первый взгляд кажется абсурдным, приняв теорию расширяющейся Вселенной, мы должны принять этот вывод.
Размер горизонта частиц ограничивает размер причинно-связанных областей. Действительно, пространственные точки, разделенные расстоянием больше чем размер горизонта, никогда не взаимодействовали в прошлом. Поскольку самое быстрое взаимодействие (обмен лучами света) еще не
произошло, то и любое другое взаимодействие исключено. Поэтому никакое событие в одной точке не может иметь в качестве своей причины событие, произошедшее в другой точке. Таким образом, в случае, когда размер горизонта частиц стремиться к постоянной величине, Вселенная разбивается на причинно-несвязанные области, эволюция в которых протекает независимо друг от друга.
В статье обсуждаются наиболее важные гносеологические вопросы космологии. Избегая деталей, в первом разделе мы представляем так называемую "стандартную модель Вселенной", которую также называют "моделью Большого Взрыва". Во втором разделе мы обсуждаем важнейшее открытие нескольких ранее неизвестных в
физике типов материи, явившееся следствием развития космологии. В третьем разделе мы обсуждаем новые нерешенные проблемы физики и космологии, связанные с нелокальным взаимодействием. В последнем разделе мы обсуждаем антропный принцип в космологии, поскольку в нем может прослеживаться связь
Человека и нашей Вселенной.
Часть II. История нашей Вселенной.
В этом разделе будет дан общий взгляд на эволюцию Вселенной в целом и кратко описана каждая эпоха ее развития.
Вселенная расширяется - этот факт сегодня является твердо установленным. Возникает вопрос, что было во Вселенной в прошлом? Из курса школьной физики мы знаем, что все тела при расширении охлаждаются, это значит, что в прошлом наша Вселенная была плотнее и значительно горячее. Опишем современные представления о различных эпохах в развитии Вселенной.
Можно сказать, что также как и многие свойства характера человека закладываются в раннем детстве, так и основные свойства нашей Вселенной являются следствием "младенческой стадии" ее развития.
Начнем рассказ о Вселенной с самых ранних эпох и будем последовательно передвигаться от одной эпохи к другой.
В настоящее время общепризнанной считается так называемая теория "Большого Взрыва" или теория рождения Вселенной из сингулярности. Хотя сингулярность в классической космологии означает бесконечно большие значения плотности, температуры и давления, космологи понимают, что классическое описание этой стадии является неприемлемым и в будущем сменится квантовым описанием. При квантовом описании все основные физические параметры хотя и велики, но конечны. Эти величины называются планковскими. Так, планковская температура составляет «T планковская = 1.3 умножить на 10 в степени 32» K. Начиная с этого момента Вселенная начала расширяться, температура вещества стала понижаться и объем Вселенной начал расти. Время существования этой стадии составляет несколько планковских времен «t планковское = 10 в степени -43» секунд. Надо отметить, что наблюдательных свидетельств в
пользу существования этой стадии нет. Косвенные подтверждения существования этой стадии – в рамках терии суперструн или ее обобщенного варианта М-теории (см. книгу Брайана Грина «Элегантная Вселенная», изд-во УРСС, Москва 2004 год). Ее наличие - следствие теоретического анализа начальной стадии "Большого Взрыва". Что было до момента рождения Вселенной можно только гадать. По удачному выражению одного из выдающихся советских космологов - академика Я.Б. Зельдовича тогда "было время, когда времени не было".
Через приблизительно «10 в степени -42» секунд после рождения классического пространства-времени во
Вселенной наступила инфляционная стадия (термин "инфляция" пришел космологию из экономики; так же как и в экономике, он обозначает быстрый рост масштабов, при котором скорость роста равна самой величине).
Она характеризуется предельно сильным отрицательным давлением, при котором меняются сами законы
обычной теории гравитации в физике.
Вещество становится не источником притяжения, а источником отталкивания. Во время этой стадии объем
Вселенной увеличивается на много порядков (в некоторых моделях даже на порядки порядков, в «10 в степени 10 в степени 3») в результате чего вся современная Вселенная оказывается в одной причинно-связанной области, и уравниваются кинетическая энергия расширения Вселенной и ее потенциальная энергия. Из-за действия сил отталкивания Вселенная "разгоняется" и приобретает большую кинетическую
энергию, которую в дальнейшем мы наблюдаем в виде хаббловского расширения по инерции.
Важная особенность эпохи инфляции состоит в том, что области Вселенной, разделенные расстоянием больше размера горизонта частиц эволюционируют независимо друг от друга. Как следствие, любой наблюдатель сможет видеть только те процессы, которые происходят внутри домена Вселенной с объемом, равным кубу радиуса горизонта. Важное следствие этого достаточно общего утверждения заключается в том, что
в эпоху инфляции процессы, идущие внутри домена, определяемого размером горизонта частиц, происходят независимо от процессов, которые идут в соседних областях Вселенной. Расширение двух областей, разделенных расстоянием порядка горизонта, не сводится к проникновению одной области на "территорию" другой, не сводится к "пожиранию" одного домена другим. Расширение каждой из областей происходит внутри объема, допускаемого общей теорией относительности. Возникают неоднородности с масштабом больше размеров домена.
Таким образом, каждый домен с начальным размером, превышающим размер горизонта частиц может рассматриваться как отдельная Вселенная. Это отдельная Вселенная является однородной, неоднородности возникают на больших масштабах.
Первый вариант теории инфляции, основанный на современной физической теории элементарных частиц, оказался неприемлемым. Однако идея инфляции оказалась столь продуктивной, что астрономы и физики предпочли отказаться от того пути, который подсказывался развитием теории элементарных частиц и изобретать свои собственные связанные только с космологией, но несвязанные с описанием физических взаимодействий модели, чем отказываться от теории инфляции.
Наиболее хорошо всему объему наблюдательных данных сейчас соответствует теория хаотической или вечной инфляции, предложенная Андреем Линде.
Согласно теории хаотической инфляции Вселенная заполнена особым видом материи (так называемым скалярным полем),
Этот вид вещества обладает предельно большой плотностью и релятивистским отрицательным давлением
(или, что тоже самое, положительным натяжением).
В различных частях Вселенной происходят квантовые флуктуации этого скалярного поля, которые повышают или понижают его среднюю плотность. Рассмотрим эволюцию одного такого домена Вселенной с учетом растущих квантовых флуктуаций скалярного поля. За время порядка
параметра Хаббла в ранней Вселенной объем ассматриваемого домена вырастет в «экспонента в степени 3» (приближенно 30) раз,
он окажется разделенным на 30 отдельных субдоменов в которых эволюция будет протекать независимо.
Примерно в половине субдоменов знак флуктуаций скалярного поля окажется равным знаку среднего изменения
величины скалярного поля, и в таких субдоменах инфляция начнет прекращаться. В другой половине знак этих
флуктуаций окажется противоположным знаку среднего изменения. В таких субдоменах инфляция продолжится.
В следующий интервал времени порядка параметра Хаббла объем каждого субдомена, в котором инфляция
продолжается, вырастет опять примерно в 30 раз, а скалярное поле в 15 из них уменьшится по абсолютной
величине, что в нашем рассмотрении означает прекращение инфляции, а в 15 из них останется на прежнем
уровне или даже увеличится. Этот процесс будет продолжаться вечно.
В модели с правильным подбором параметров объем Вселенной, в котором постоянно идет инфляция, окажется
больше, чем объем, в котором инфляция уже закончилась. Андрей Линде назвал такой сценарий "вечной"
или "хаотической" инфляцией.
В тех доменах, в которых инфляция все же кончилась, возникает горячая плазма, состоящая из элементарных
частиц и начинается эволюция Вселенной по законам, открытым А.А. Фридманом.
Горизонт частиц или размер причинно-связанной области быстро стремится к постоянной величине. Вселенная разбивается на много причинно-несвязанных областей, и
каждую такую область можно рассматривать как отдельную мини-Вселенную. Совокупность всех мини-Вселенных составляет "мультивселенную".
В дальнейшем "Вселенной" (с заглавной буквы) будем называть ту ограниченную горизонтом частиц
область "мультивселенной", которая доступна нашим наблюдениям, а просто "вселенными" будем называть все остальные причинно-несвязанные области "мультивселенной".
Во время инфляции физический объем каждой из вселенных растет экспоненциально.
Особенно отчетливо это становиться видно на диаграмме, представляющей распределение части "мультивселенной" с оконченной инфляцией и неоконченной инфляцией.
Для наглядности диаграмму представим в координатах Лагранжа («кси»).
Координаты Лагранжа - это принятая в гидромеханике нумерация точек идеальной жидкости.
Эти координаты можно применить и в космологии, полагая вещество "мультивселенной" идеальной жидкостью. Новые частицы жидкости не рождаются, поэтому разность лагранжевых координат двух расширяющихся точек остается постоянной. Однако физический объем, который
представляет собой произведение разности лагранжевых координат на масштабный фактор, характеризующий рост объема каждой вселенной, является растущей со временем величиной.
Такая диаграмма показывает
распределение в «кси»-пространстве областей,
в которых еще идет инфляция и областей, в которых инфляция уже закончилась. С течением
времени областей, в которых продолжается инфляция, становиться все меньше,
они занимают все меньший объем в этом
пространстве, но в обычном физическом пространстве
этот объем намного превышает размеры областей, в которых уже находится горячая плазма элементарных частиц. Математическое моделирование
показывает, что в простейших ситуациях это распределение подчиняется законам фрактальной математики.
На стадии инфляции из квантовых флуктуаций скалярного поля рождаются возмущения плотности.
Квантовые флуктуации, которые обычно проявляются только в микроскопических масштабах,
в экспоненциально расширяющейся Вселенной быстро увеличивают свою длину и амплитуду и
становятся космологически значимыми. Поэтому можно сказать, что скопления галактик и сами галактики
являются макроскопическими проявлениями квантовых флуктуаций.
Скалярное поле обладает большой плотностью потенциальной энергии, по современным оценкам она
составляет «10 в степени 98» эрг/см в кубе. Уравнение состояния вещества с отрицательным давлением неустойчиво.
Оно должно смениться обычным (положительным или равным нулю) давлением. Поэтому инфляционная фаза
развития вселенной довольно быстро кончается. При этом вся запасенная в cкалярном поле потенциальная
энергия выделяется в виде рождения частиц и их кинетической (тепловой) энергии. Образуется горячая плазма,
состоящая из элементарных частиц с температурой «10 в степени 16» ГэВ (ГэВ - единица измерения энергии
в современной физике элементарных частиц, энергия 1 ГэВ примерно равна полной энергии содержащейся
в протоне или одной тысячной части эрга). Другими словами, с окончанием эпохи инфляции рождается
обычная материя.
Ниже мы будем писать только об эволюции нашей Вселенной, так как наблюдательные данные о других
причинно-несвязанных частях "мультивселенной" отсутствуют.
Природа взаимодействий в области энергий «10 в степени 16» ГэВ до сих пор остается загадочной. Среди
существующих моделей взаимодействий есть такие, которые предсказывают появление тяжелых
лептокварков - частиц, обладающих признаками лептонов и барионов. Считается, что эти частицы могут
взаимодействовать между собой таким образом, что изменяется барионное число, что означает
генерацию избытка вещества над антивеществом. Эта стадия называется эпохой бариосинтеза.
Рождению избытка вещества над антивеществом (бариосинтез) соответствуют энергии элементарных
частиц «E = 10 в степени 15» ГэВ (или «T = 10 в степени 28» K).
Барионный заряд материи нашей Вселенной может также генерироваться, когда температура плазмы
падает до 10 ТэВ. Эта стадия называется стадией бариогенеза.
Между этими двумя эпохами лежит так называемая "пустыня взаимодействий". Этот термин означает,
что ничего интересного с точки зрения современной физики в эту эпоху расширения Вселенной не происходит.
В физике взаимодействий в районе энергий 1 ТэВ и выше экспериментальные данные практически
полностью отсутствуют. Существующие теоретические модели указывают на возможность генерации
избытка материи над антиматерией, хотя ни в одном эксперименте до сих пор не наблюдалось
несохранение барионного числа.
Примерно в этом же интервале температур (1 ТэВ – 1 ГэВ) происходит электрослабый фазовый переход. До этого момента электромагнитные взаимодействия и слабые взаимодействия с участием
нейтрино являются единым электрослабым
взаимодействием. После того, как происходит фазовый переход, бозоны - переносчики электрослабого
взаимодействия – «W» и «Z ноль», становятся массивными (срабатывает механизм динамического
рождения массы) и слабое взаимодействие становиться "очень слабым" и
короткодействующим, поскольку переносящие его бозоны обладают массой 100 ГэВ. В эту эпоху
слабые и электромагнитные взаимодействия, бывшие до этого момента времени едиными взаимодействиями,
расщепляются на обычные электромагнитные взаимодействия, основным квантом которых является фотон, и
слабые взаимодействия с участием нейтрино, основным квантом которых являются вионы, т.е. «W» и
«Z ноль» бозоны.
Позже, при температуре «T = 10 в степени 11» K, происходит конфаймент кварков. Кварки - это
элементарные частицы, из которых состоят протоны, нейтроны и некоторые другие элементарные частицы.
В свободном состоянии в обычных условиях кварки существовать не могут. Это явление называется
"невылетанием кварков" или конфайментом. В свободном состоянии они могут существовать только в очень
горячей плазме, температура которой больше (в энергетических единицах), чем энергия покоя протона,
т.е. при температурах «T > 10 в степени 11» K. В ранней Вселенной температура была значительно больше этой
величины, протонов и нейтронов не было, существовал так называемый "кварковый суп". В результате
расширения температура падает, кварки начинают соединяться, образуя протоны и нейтроны (подробнее с
элементарными частицами, их взаимодействиями, а также со связью элементарных частиц и космологии читатель
может ознакомиться в замечательной книге: Окунь Л.Б. «Физика элементарных частиц» М.: Наука, 1988).
После эпохи образования протонов и нейтронов наиболее замечательной является эпоха нуклеосинтеза.
Она была в интервале от 1 с до приблизительно 100 с. В этот период синтезируются легкие ядра с атомным весом A<5, более тяжелые ядра синтезируются позже в звездах.
Стадия нуклеосинтеза является заключительной стадией, которая относится процессам в ранней Вселенной. Поэтому
здесь термин "ранняя Вселенная" будет относиться к эпохе эволюции Вселенной продолжительностью 3 минуты
с момента рождения. Конец (3 минуты) выбран не случайно, именно такая классификация
ранней Вселенной была предложена в знаменитой книге С. Вейнберга "Первые три минуты".
История нашей Вселенной на этой эпохе не кончается.
Следующая эпоха, которая играет важную роль в космологии - это эпоха доминирования
темной (или скрытой) материи. Природа темной материи до сих пор является нераскрытой. Поэтому в космологии
различают два вида темно материи - HDM (аббревиатура англоязычного термина Hot Dark Matter)
или горячая темная материя и CDM (Cold Dark Matter) или холодная темная материя. Они
различаются по нескольким важным параметрам, но основное их различие заключается в том, что в
космологических моделях с горячей скрытой массой получаются другие скорости галактик,
чем в моделях с холодной скрытой массой. Различаются они также по минимальной массе объектов,
которые первыми образуются во Вселенной. В качестве HDM материи чаще всего говорят о массивном
нейтрино (т.е. нейтрино, обладающем ненулевой массой покоя), хотя роль такой массы могут играть
и другие частицы. В качестве CDM чаще всего называют гипотетические частицы аксионы.
В зависимости от вида скрытой материи и от параметров составляющих ее частиц
эпоха доминирования скрытого вещества наступает примерно при температуре примерно «T = 10 в степени 5» K.
Начиная с этой эпохи, растут малые возмущения плотности вещества, которые к нашему времени
увеличиваются настолько, что появляются галактики, звезды и планеты.
Вслед за эпохой доминирования скрытой массы наступает эпоха рекомбинации водорода. До рекомбинации
во Вселенной существует горячая плазма, состоящая из частиц скрытой материи, протонов, электронов,
фотонов и некоторого количества легких ядер. Во время рекомбинации протоны и электроны объединяются
и образуется водород - один из самых распространенных элементов во Вселенной. Эпоха рекомбинации
совпадает с эпохой прозрачности Вселенной. Дело в том, что в плазме свет не распространяется свободно.
Фотоны сталкиваются с электронами и протонами, рассеиваются, меняют направление движения и частоту.
Другими словами, они "забывают" ту информацию, которую несли до столкновения. Физически это можно
понять, если привести пример, когда наблюдатель рассматривает некоторую картинку вначале свободно,
а затем сквозь мутное стекло. Естественно, во втором случае он видит картинку плохо. Если стекло
совсем мутное, или, как говорят астрономы, оптическая толща большая, наблюдатель картинку не видит
совсем. Плотная плазма играет роль такого мутного стекла. Начиная с эпохи рекомбинации, плазма
исчезает и вещество становиться прозрачным. Иногда этот момент времени называют моментом последнего
рассеяния. Температура этой эпохи извества очень хорошо из лабораторной физики и приходится на
интервал 4500 -3000 K.
Фотоны, рассеянные последний раз, доходят до наблюдателя, практически не взаимодействуя с веществом
по дороге. Эти фотоны образуют реликтовое излучение. Оно обладает спектром абсолютно черного тела
и к настоящему времени имеет температуру 2.75 K. Разница в температурах 3000 К и 3 К обусловлена
тем, что с эпохи последнего рассеяния размер Вселенной увеличился примерно в 1000 раз. Естественно,
что все неравномерности распределения температуры по поверхности последнего рассеяния остаются в
виде угловой неравномерности распределения температуры реликтового излучения по небу. Наблюдая
эти неравномерности (или анизотропию), космологи делают выводы о спектре первичных возмущений, об
основных параметрах Вселенной и о физике в области энергий «10 в степени 28» K.
В промежутке между эпохой рекомбинации и нашим временем лежит еще одна важная эпоха - образование
крупномасштабной структуры Вселенной, образование галактик и других объектов. Начало этой эпохи
условно соответствует температуре «T приближенно равно 30» K.
В 1998 г. астрономы сделали еще одно чрезвычайно важное открытие в космологии. Была измерена новая
кинематическая величина - производная скорости расширения нашей Вселенной. Измерить эту величину
позволили уже рассмотенные выше сверхновые звезды SN Ia.
Производная скорости расширения оказалась положительной - это означает, что Вселенная расширяется ускоренно. Таких
результатов космологи не ожидали. Дело в том, что различные космические объекты (галактики,
скопления галактик, межгалактическая материя) притягиваются друг к другу. Гравитационное притяжение обычной материи приводит к тому, что галактики должны "разбегаться" с замедлением. Открытие ускоренного
"разбегания" явилось очень серьезным вызовом физике. Здесь необходимо отметить две альтернативных
точки зрения, которые могут объяснить ускоренное расширение Вселенной. Первое объяснение
заключается в том, что астрономы открыли новый вид материи, которая обладает свойством антигравитации.
Исследовать такую материю в лаборатории невозможно - она является неустойчивой. Исследование ее свойств
возможно только по ее космологическим проявлениям. Второе объяснение заключается в том, что вне
нашей наблюдаемой части существуют некоторые силы, вызывающие ускоренное расширение нашей Вселенной.
В частности, эта причина может заключаться в том, что закон всемирного тяготения является более сложным.
Гравитационная сила двух пробных частиц содержит два слагаемых: первое хорошо известная ньютоновская
гравитационная сила, второе слагаемое является произведением новой фундаментальной константы
(лямбда-член) на расстояние между частицами. В следущем параграфе мы обсудим
первое из возможных объяснений ускоренного расширения нашей Вселенной.
Эпоха ускоренного расширения началась по меркам космологии недавно, примерно 5 млрд. лет назад.
Таковы основные эпохи развития нашей Вселенной, которые изучает космология. Идеи и факты, обсуждающиеся
в этой главе, с большой степенью подробности изложены в книгах: Долгов А.Д., Зельдович Я.Б., Сажин М.В. «Космология ранней Вселенной» М., Изд-во МГУ, 1988;
Сажин М.В. «Современная космология в популярном изложении» М., Изд-во УРСС, 2002.
Часть III. Три вида материи во Вселенной.
Мы привыкли к разнообразию материи вокруг нас. Однако, с точки зрения физики все вещество, с которым человек имеет дело в повседневной жизни состоит из барионов, лептонов и фотонов - трех типов стабильных частиц, которые являются
видимой материей. С точки зрения
космологии это только один вид материи, который называется видимой материей, т.е. веществом,
которое видно в телескопы, которое можно исследовать в земных лабораториях. По мере развития
астрономии и космологии стало понятно, что видимой материей все разнообразие вещества не ограничивается.
В тридцатые годы двадцатого столетия астрономы, которые исследовали другие галактики, открыли новый вид
материи - темную (или скрытую) материю. Определение "темная материя" вначале означало, что ее не видно в телескопы.
Наблюдать ее можно было только по ее гравитационному полю. Наконец, в конце двадцатого века астрономы
открыли еще один вид материи, которую сейчас называют "квинтэссенция". Если обычная материя исследуется
физиками несколько столетий, то темная материя и квинтэссенция представляют собой новые,
неизвестные виды материи. Важно отметить, что это два принципиально разных вида материи. Темную материю в будущем
вполне вероятно можно будет исследовать в лабораторных условиях. Квинтэссенцию принципиально
невозможно исследовать в лабораторных условиях, и только будущие теоретические и наблюдательные исследования смогут
дать ответ на вопрос, возможно ли в принципе исследовать квинтэссенцию в лабораторных условиях.
Здесь мы обсудим известные свойства всех трех типов
материи, точнее их свойства, важные для космологии, а также обсудим как были открыты два новых вида материи -
темная материя и квинтэссенция.
Дадим описательное определение "обычной" материи, т.к. это понятие не имеет строгого
определения, скорее оно определено интуитивно. Под этим термином космологи обычно понимают вещество,
которое является стабильным или квазистабильным на космологических промежутках времени и которое участвует
в электромагнитных взаимодействиях. Всё восприятие внешнего мира человеком
осуществляется через взаимодействия. Осязательные, слуховые или зрительные ощущения - это взаимодействия,
которые в своей основе имеют электромагнитное взаимодействие. Оно является одним из самых сильных в нашем мире.
Люди не могут непосредственно ощущать сильные или слабые взаимодействия. Тем не менее, явление радиоактивности, хотя
и не наблюдается непосредственно, ведет к появлению характерных ощущений
(общеизвестно действие радиоактивного излучения на организм человека в течение некоторого времени).
Слабое взаимодействие также может детектироваться, но только
специальными физическими приборами. Наконец есть еще одно взаимодействие, можно сказать, что оно самое
слабое, но одновременно и самое универсальное. Это гравитация - сила, что движет мирами. Возможно,
существуют еще некоторые взаимодействия сейчас не известные физикам. Они неизвестны, поскольку нет приборов,
которые могут детектировать эти взаимодействия. Следовательно, мы "не видим" их.
Итак, под обычной материей имеется в виду стабильные или квазистабильные частицы, которые участвуют в
электромагнитных взаимодействиях.
Другой тип материи, который участвует в гравитационном взаимодействии или быть может в слабых
взаимодействиях или еще в нескольких, сегодня не известных взаимодействиях, называется темной материей.
В частности, некоторое время назад в качестве наиболее реального кандидата в темную материю выступали
хорошо известные частицы - нейтрино. Сейчас в качестве кандидатов на роль темной материи выступают
только гипотетические стабильные или квазистабильные частицы.
Впервые о существовании темной материи астрономы заподозрили по изучению движения звезд нашей Галактики,
а также по вращению галактик. Позже ее существование было подтверждено наблюдениями скоростей отдельных
галактик в скоплениях галактик, а также по температуре горячего газа в скоплениях галактик. Доля обычной
светящейся материи (звезд, газа и пыли) в общей массе нашей Вселенной составляет менее одного процента от
общей массы.
Проявления невидимой материи наблюдали впервые в нашей Галактике.
Наша Солнечная система, ближайшие звезды и фон слабых неразрешимых звезд, называемый Млечный Путь,
принадлежит огромной звездной системе - нашей Галактике. В ее состав входят свыше 100 млрд. звезд,
а также межзвездные газ и пыль. Они образуют плоскую подсистему нашей Галактики или дисковую
составляющую. Ее можно сравнить с гигантским диском для метания. Размер такого диска в поперечнике
примерно 30 кпк, а толщина в центральной части примерно 5 кпк. Солнце находиться примерно в 10 кпк от центра.
Такую форму Галактики астрономы определили, построив распределение звезд в пространстве или распределение
так называемой светящейся материи (обычной материи) нашей Галактики. Казалось естественным, что
распределение гравитационного поля должно следовать распределению звезд. Это оказалось не
так. Для объснения этого факта необходимо было предположить либо модификацию закона всемирного
тяготения, либо предположить наличие темной материи, которая является недоступной для
наблюдения в телескопы. Оговоримся сразу, что все современные данные свидетельствуют в пользу
существования темной материи. Закон всемирного тяготения остается справедливым и для пространственных
масштабов порядка размеров галактики и для больших масштабов, которые сравнимы с размерами
наблюдаемой части Вселенной.
Невидимая материя существует не только в галактиках, но также и в скоплениях галактик.
Оценивать принадлежащее скоплениям галактик количество невидимой материи можно несколькими
способами. Один из таких способов - это оценивать полную гравитационную массу скоплений галактик
по скоростям отдельных галактик. Второй - по температуре межгалактического газа,
принадлежащего скоплению. Существует еще один способ оценки полной массы, а следовательно,
и невидимой материи - по слабому линзированию (эффекту искривления лучей света, проходяших вблизи
массивных объектов). Все три метода измерения полной массы дают примерно одно и то же количество массы в
каждом из скоплений.
Природа темной материи, наполняющей галактики, до сих пор неизвестна. Большинство
исследователей предполагают, что темная материя представляет собой стабильные элементарные частицы,
которые обладают массой и, следовательно, участвуют в гравитационном взаимодействии.
Наконец, перейдем к обсуждению последнего известного к настоящему моменту типа материи, существование которого
широко обсуждается космологами, физиками и астрономами. Большинство космологов
называют этот возможный тип материи "квинтэссенция" (или темная энергия).
Микроскопические свойства квинтэссенции сейчас изучать невозможно, но об усредненных по
космологическим масштабам характеристиках этого вида материи астрономы уже могут сказать
довольно много. Распределение этого вида материи в пространстве является самым однородным.
Если остальные два типа материи на малых масштабах распределены неоднородно, то квинтэссенция
по природе своей является практически идеально однородным распределением вещества. Плотность
квинтэссенции составляет «7 умножить на 10 в степени -30» г/см в кубе. Как и обычное вещество
квинтэссенция обладает натяжением. Но если в обычном веществе натяжение появляются обычно как
реакция на внешние силы и является анизотропным (например, в резине натяжения появляются только
при растяжении и в направлении растяжения), то в квинтэссенции натяжение существует всегда и оно
является паскалевым (т.е. изотропным).
Кроме того, натяжение является релятивистским, т.е. отношение натяжения к плотности
энергии является величиной порядка единицы. В обычной лабораторной физике известен только один вид вещества,
которое имеет релятивистское давление (давление и натяжения в космологии - это две одинаковые физические
величины, которые различаются только знаком). Это релятивистский газ. Примерм является газ,
состоящий из фотонов.
Отношение натяжения к плотности в космологии называется уравнением состояния и является одним из самых
важных космологических параметров, которые характеризуют квинтэссенцию. Надо сказать, что измерения этого
параметра пока еще не являются точными. В частности, допускается отношение большее единицы, а в веществе с
таким уравнением состояния могут нарушаться некоторые физические принципы и законы. Впрочем, обсуждение
этого предположения выходит за рамки статьи.
Главным свойством квинтэссенции является свойство антигравитации. Предельно большое релятивистское
натяжение дает отрицательный вклад в полную массу, причем этот вклад является большим, чем вклад самой массы
покоя квинэссенции. Поэтому полная гравитационная масса является отрицательной! Как следствие, появляется
гравитационное отталкивание вместо притяжения. Именно это свойство квинтэссенции и вызывает ускоренное
расширение нашей Вселенной.
Существование такого вида материи космологи теоретически предположили при изучении периода инфляции в
ранней Вселенной. Теперь возможность такого вида доказана наблюдательно.
В древности человек считал Землю помещенной в центр Вселенной, но наблюдения показали, что это не так.
Долгое время человек считал, что Вселенная состоит из той же материи, к которой он привык в повседневности,
но и это оказалось неверным. Что же еще ждет нас в будущем?
Видимая "обычная" материя составляет меньше одного процента от всей массы нашей Вселенной,
темная материя составляет примерно тридцать процентов, а квинтэссенция - семьдесят процентов
всей массы. Кажется удивительным, что та материя, к которой человек привык и изучал в течение нескольких
тысячелетий, составляет ничтожную долю всей материи Вселенной, но этот вывод является твердо установленным.
Часть IV. Нелокальность во Вселенной.
Этот раздел мы хотим посвятить двум проблемам, которые хотя и получили свое начало в физике и
космологии, пока явно выходят за рамки этих наук и их можно считать метафизическими и метакосмологическими
проблемами. Речь пойдет о свойстве нелокальности во Вселенной.
Основные взгляды на физику, а также на пространство и время сформировались под воздействием классической
механики. В этой науке возникло
понятие локальности.
Если две пробные частицы находятся в различных точках пространства, то мы должны
идентифицировать их как различные частицы, несмотря на то, что все их характеристики одинаковы.
Таким образрм, пространство является тем фоном, на котором возможно отличать один объект от другого. Для того, чтобы
"провзаимодействовать" (например, столкнуться) пробные частицы должны оказаться в одной точке пространства.
Релятивистская механика изменила многие представления классической механики, но принцип локальности остался
неизменным. Понятие локальности начало меняться, когда возникла концепция поля. При описании взаимодействия
электромагнитного поля начало возникать понятие нелокальности, когда интерференция и дифракция возникала в различных точках пространства, когда волны меняли свою амплитуду от нуля до максимума "все вдруг". Позже
физики поняли, что интерференция возникает из-за специального состояния поля излучения, которое теперь
называется когерентным состоянием.
Понятие локальности особенно интенсивно начало обсуждаться после возникновения квантовой механики.
В квантовой механике и особенно в квантовой теории поля все объекты имеют волновую природу.
Конечно, не следует думать, что все взаимодействия в квантовой механике требуют понятия нелокальности.
Напротив, для того, чтобы фотон рассеялся на электроне, он должен пройти путь от излучившего его атома
до этого электрона. В этом процессе нелокальность возникает при взаимодействии и только внутри объема
порядка длины волны фотона. Эта длина для большинства случаев имеет микроскопических размер и не может
оказать существенного воздействия на макромасштабы или тем более на космологические масштабы.
Однако, несколько физических экспериментов, проведенных в последние два десятилетия двадцатого века,
поколебали нашу уверенность в принципах локальности и показали, что квантовая нелокальность может
существовать уже на макромасштабах.
Вначале мы рассмотрим эксперименты европейских физиков, которые получили широкую известность и теперь
называются "квантовой телепортацией". Для того, чтобы понять это открытие, необходимо коротко напомнить некоторые основные идеи и принципы квантовой механики.
Физики давно обсуждали проблемы квантовой механики, которые обуславливаются принципом неопределенности,
а также проблему измеримых величин в квантовой механике. Один из основных постулатов квантовой теории гласит,
что состояние какой-либо частицы (например, электрона) до измерения неопределенно. На языке математики это
означает, что волновая функция электрона является линейной суммой собственных функций измеряемого оператора.
Образно говоря, электрон до проведения наблюдения представляет собой частицу без четко очерченной структуры.
Состояние электрона как бы "погружено в Лету". После процесса измерения эта частица
приобретает четкую структуру. На формальном языке это означает, что с некоторой вероятностью частица
получает одно из возможных собственных значений оператора, который соответствует измерительному прибору.
Кроме того, принцип неопределенности гласит, что существуют переменные (операторы, на языке математики),
которые невозможно измерить одновременно. Для электрона такие переменные - координата и импульс.
Иногда они называются дополнительными переменными. Произведение неопределенности координаты на
неопределенность импульса равно постоянной Планка. Поэтому, даже если мы можем точно измерить положение
электрона, его импульс будет полностью неопределен. Подчеркнем, что по отдельности можно сколь угодно точно
измерять величины, которые являются дополнительными. Эту идеологию в квантовой механике развил и
доказал знаменитый российский физик, профессор МГУ В.Б. Брагинский. Поэтому если вначале точно измерить,
скажем, импульс, а затем попытаться найти местоположение электрона, то мы с удивлением обнаружим, что положение
электрона является сильно неопределенным.
Принцип неопределенности справедлив для многих переменных, например, для углового момента частицы или
для проекции спина частицы на какую-либо ось и т.п.
Здесь также следует отметить, что А. Эйнштейн с большим скепсисом относился к квантовой механике и
до конца жизни не принял кванто-механическую идеологию. Так вместе со своими соавторами в 1935 году он
представил работу, которая сегодня известна как парадокс Эйнштейна-Подольского-Розена.
В этой работе физики обсудили простую ситуацию, которая, как казалось, противоречила принципу неопределенности.
Основная идея этой теоретической работы заключалась в следующем. Представим себе возбужденный атом, который
распадается на две идентичные половинки. В начальный момент времени атом покоится. Эти две половинки
разлетаются в противоположные стороны. Их импульсы в точности равны друг другу по абсолютной величине и
противоположны по направлению (по закону сохранения энергии и импульса). Назовем частицу, которая летит
вправо, частицей 1, а летящую влево - частицей 2. Поставим два детектора в направлении полета этих частиц.
Причем один детектор будет точно измерять импульс, а другой - положение. До измерения обе частицы находятся
в состоянии квантовой неопределенности. Теперь детектор номер 1 измеряет импульс первой частицы.
При этом положение этой частицы становиться полностью неопределенным. Но детектор 2 измеряет положение
частицы 2, ее импульс становиться неопределенным. Но из закона сохранения импульса, мы знаем,
что обе частицы имели равные и противоположно направленные скорости. Поэтому проведя измерения над
обеими частицами, даже если теперь каждая из них получила сильную неопределенность в дополнительных
переменных, мы точно знаем положение и импульс каждой из частиц. Это входит в противоречие
с принципом неопределености. В этом и заключается парадокс ЭПР (Эйнштейна-Подольского-Розена).
Что неверно в этом рассуждении и как решается этот парадокс, выяснилось много лет спустя и не теоретическим,
а экспериментальным путем.
Прежде чем перейти к обсуждению решения этого парадокса, необходимо упомянуть, что существует возможность
"найти" подходящий атом, который будет испускать две идентичные частицы. Такие частицы называются связанными.
Их свойства "связываются" законами сохранения. Не обязательно речь должна идти о положении и импульсе. Можно
взять любую переменную, которая обладает свойством дополнительности. В качестве такой переменной физики выбрали
спин фотона. Два фотона испускались возбужденным атомом кальция. При таком процессе излучения их спины были
идеально коррелированы. Измерялась проекция спина на какую-либо выделенную ось. Оказалось, что фотон,
измеряемый вторым детектором, "знает", что происходит с фотоном, измеряемым первым детектором.
Перенося результат этого эксперимента на парадокс ЭПР можно утверждать, что после измерения импульса первой
частицы вторая частица тоже переходит в состояние с определенным импульсом и неопределенной координатой.
Вторая частица "знает", что происходит с первой! Расстояние в эксперименте проведенном в Швейцарии составляло 11 км,
время измерения было практически одновременным, никакой сигнал не успел бы "сообщить" второй частице, что над первой
экспериментаторы производили измерение. Тем не менее, результаты эксперимента однозначно свидетельствовали,
что между фотонами существует связь. Эту связь физики назвали "квантовой связью".
В 1997 г. две группы физиков (университет г. Инсбрук, Австрия и университет г. Рима, Италия) осуществили квантовую
телепортацию фотонов. В данном процессе физикам удалось реплицировать (т.е. передавать без искажений)
квантовое состояние фотона на макромасштабе.
Конечно, это не значит, что можно осуществлять сверхсветовую связь. Необходимо вначале, чтобы до наблюдателя
долетел "связанный" фотон, который, конечно, передвигается со скоростью света. Однако, появлось явление
нелокальности микрочастиц на макромасштабах. Явление нелокальности, которое физики начали изучать в конце двадцатого века,
несомненно, очень важно для космологии.
В ранней Вселенной распад частиц - это явление скорее обычное, чем экзотическое.
Многие свойства элементарных частиц являются "связанными" законами сохранения. Связанные частицы разлетаются и
взаимодействуют с другими частицами. Это взаимодействие позволяет реплицировать состояние первичных частиц на
макромасштабы пространства и времени. Поэтому, вполне возможна квантовая связь материи, разделенной даже
космологическими масштабами.
Позже физики экспериментально также показали, что существует временная связь. Эта связь была продемострирована
в эффектном эксперименте по исследованию квантовых свойств фотонов. В этом эксперименте показана квантовая
"временная связь",
которую следует интерпретировать как влияние настоящего на прошлое. Дисскуссия об этих свойствах квантовых объектов
выходит за рамки обсуждаемой темы. Кроме того, эксперименты по квантовой свяности выполнены еще слишком недавно
и должным образом не осмыслены физиками. Как показывает опыт полного изучения классической физики, это осмысление
может затянуться на несколько десятков или даже сотен лет. Результаты этих экспериментов очень кратко
обсуждены здесь для того, чтобы показать, что квантовый взгляд на пространство и время может существенно отличаться
от классического.
Эта "квантовая связь" сама по себе свидетельствуют о важной нерешенной общефизической проблеме, которая
обязана иметь связь с космологией.
С понятием нелокальности тесно связан «принцип Маха». Для того, чтобы пояснить этот принцип,
напомним основную идею общей теории относительности. Она заключалась
в распространении принципа относительности для инерциальных систем отсчета на ускоренные системы отсчета.
Теперь коротко расскажем, как А. Эйнштейн смог описать ускоренные системы отсчета в терминах
принципа относительности, как стало понятно, что это описание приводит к геометрической трактовке
гравитационного поля, необходимости введения неэвклидовой геометрии в физику и идеи искривленного
пространства-времени. Основная идея стала понятной ему в 1907 г., хотя в оригинальном виде она
была опубликована только в 1972 г. Это идея позже получила название релятивистского принципа
эквивалентности. Сам А. Эйнштейн описал то время и мысли в отрывке, который помещен ниже.
Перевод этого отрывка на русский язык слишком красив, чтобы его опустить:
"Я пытался модифицировать теорию гравитации Ньютона таким образом, чтобы
она точно соответствовала специальной теории относительности. Попытки
сделать это показали, что теория гравитации может быть согласована с
принципами специальной теории относительности, но они не удовлетворяли
меня, поскольку требовали введения гипотез, не содержащих физических основ.
В это время ко мне пришла «счастливейшая идея моей жизни» (выделение добавлено при
Переводе) в следующем виде:
Точно также, как электрическое поле создается электромагнитной индукцией, гравитационое поле может существовать только относительно. Следовательно, для наблюдателя, находящегося в свободном падении с крыши дома, гравитационного поля не существует (по крайней мере в бесконечно близкой его окрестности) в течение всего времени падения. Если наблюдатель
выпустит из рук какие-либо предметы они останутся относительно этого наблюдателя в состоянии покоя независимо от их химического состава или
физического состояния. Конечно, в таком рассуждении мы
пренебрегаем сопротивлением воздуха. Наблюдатель в этом случае должен признать, что он находится в состоянии покоя.
Чрезвычайно интересный эмпирический закон, гласящий, что все тела в одном и том же гравитационном поле падают с одним и тем же ускорением, получал в этом случае глубокий физический смысл. Если бы нашелся хотя бы один предмет, который падал бы в гравитационном поле не так как другие, то наблюдатель, сравнивая свое движение с движением этого предмета, смог бы сказать, что он находится в гравитационном поле и что он падает под его
воздействием. Но если такого предмета не существует, а эксперимент подтверждает этот факт с большой степенью точности, наблюдатель теряет всякое объективное основание рассматриваться свое состояние как состояние
падения в гравитационном поле. Скорее он имеет право рассматривать свое состояние как состояние покоя и считать, что в его ближайшем окружении
гравитационное поле отсутствует.
Таким образом, известный экспериментальный факт, что ускорение в гравитационном поле не зависит от химического состава или физического состояния становится могучим аргументом для распространения принципа
относительности на координатные системы, которые движутся неравномерно одна относительно другой."
Итак, основная идея общей теории относительности о равноправии сил возникающих в ускоренных системах отсчета и сил гравитационного поля. Эта идея оказалась очень продуктивной и позволила создать общую теорию относительности.
Однако, когда мы говорим об ускоренных системах отсчета, нужно также указать относительно чего они ускорены.
Рассмотрим простой пример космической станции в далеком космосе. Для комфортного состояния наших
космонавтов станции придано небольшое вращение. Тем самым создано искуственное состояние гравитации.
Командир станции (назовем его Михаил) выглядывает в иллюминатор. Он видит, что далекие звезды двигаются.
Центробежная сила прижимает его к иллюминатору, так что все соответствует рутинному опыту.
Теперь уберем все звезды из Вселенной. Как Михаил обнаружит, что станция вращается?
Необходимо иметь хотя бы один репер (ориентир): звезду, планету или хотя бы кирпич поблизости.
Если такого репера нет, то сказать вращается ли станция, невозможно. Тогда будет ли
возникать центробежная сила?
Возникает также другой, более простой вопрос: если ускорение равно нулю и система отсчета является
инерциальной, то относительно чего она инерциальна. В классической механике ответ на этот вопрос прост:
система является инерциальной относительно абсолютного пространства. В теории относительности абсолютного
пространства не существует. Поэтому вопрос, как думают подавляющее число физиков, должен решаться иначе.
Ускорение в теории относительности следует понимать как «ускорение относительно усредненного
распределения звезд и вообще вещества, образующего Вселенную». Это, собственно, и есть формулировка
принципа Маха.
Другими словами, инерциальная система отсчета определяется распределением масс во Вселенной, сила инерции, действующая на тело, есть результат воздействия на тело удаленной материи и инертная масса тела также
определяется совокупностью всей материи во Вселенной. Из такой формулировки вытекают два принципа.
Первый можно условно назвать сильным принципом Маха, когда инертная масса тела меняется в зависимости
от присутствия вблизи других масс. Вторую формулировку можно условно назвать слабым принципом Маха,
когда инертная масса зависит от совокупности всей материи во Вселенной, и не зависит от расстояния до
отдельных масс. Как легко видеть, вторая формулировка показывает, что мы имеем дело с нелокальным принципом.
Сильный принцип Маха можно считать опровергнутым экспериментально. Присутствие нашей Галактики приводит
к явлению "анизотропной массы". Другими словами, кинетическая энергия будет иметь слагаемое, которое будет
меняться в зависимости от направления на сильную концентрацию масс. Были проведены эксперименты по
исследованию парамагнитного резонанса на атомах хлора Cl^{35}. В этих экспериментах исследовалась
зависимость частоты соответствующего резонанса от относительной ориентации магнитного поля в резонаторе и
направления на центр Галактики. Измерения показали, что анизотропная составляющая в инертной массе отсутствует
и верхний предел, который ограничивает вариации анизотропной части массы на несколько порядков ниже,
чем можно ожидать исходя из сильного принципа Маха.
Слабый принцип Маха в своей нелокальной формулировке не проверяется экспериментально.
Для проверки слабого принципа Маха необходимо "убрать" всю массу Вселенной и после этого измерить
инерциальную массу пробного тела. Сделать это, очевидно, не представляется возможным. Поэтому, если принцип Маха
справедлив, он относиться к числу нелокальных принципов в физике и космологии.
Следует отметить, что принцип Маха, провозглашенный в девятнадцатом веке, был первой свежей идеей общефизического
уровня после идей Ньютона. Этот принцип оказал большое влияние на физиков и вызвал большую дискуссию не только
в среде физиков, но и в среде философов (см., например, В.И.Ленин, «Материализм и эмпириокритицизм» М.: Мысль, 1969).
Глава V. Антропный принцип в космологии.
В заключительном разделе приступим к обсуждению антропного принципа в космологии. Общая идея применения этого принципа -
подчеркнуть тот факт, как хорошо наша Вселенная "приспособлена" для существования человека и развития
цивилизации. Почему во Вселенной, доступной нашим наблюдениям, есть планеты, звезды, галактики, скопления
галактик? Почему наша Вселенная такая большая, трехмерно плоская, однородная на больших масштабах и изотропная?
Еще древнегреческий философ Протагор, живший в V веке до нашей эры, в своем сочинении "О Природе" сказал:
"Человек есть мера всем вещам - существованию существующих и не существованию несуществующих". Это изречение
Протагора предвосхитило появление так называемого "антропного (или антропологического) принципа", дающего
ответ на вопрос, почему наша Вселенная именно такая, какой мы ее наблюдаем. Знаменитому советскому
космологу А.Л. Зельманову принадлежит крылатая фраза, ёмко характеризующая суть антропного принципа:
"По-видимому, мы являемся свидетелями процессов определенных типов потому, что процессы других типов
протекают без свидетелей", другими словами, мы наблюдаем Вселенную такой, какая она есть, потому что
только в такой Вселенной могут существовать наблюдатели. Антропный принцип ставит глубокие вопросы о
взаимосвязи физических характеристик нашей Вселенной и существования в ней жизни, в частности,
высокоорганизованной белковой жизни.
Формальное начало научной дискуссии о месте человека во Вселенной дало обсуждение проблемы численной взаимосвязи
параметров микромира и глобальных характеристик видимой части нашей Вселенной. П.А. Дирак заметил, что возраст
нашей Вселенной равен величине, обратной массе протона в третьей степени. Обе величины измерялись в широко
используемых в космологии планковских единицах (получаемых комбинированием основных фундаментальных
постоянных - планковского кванта действия, ньютоновской гравитационной постоянной и скорости света).
Было показано, что такое совпадение может быть объяснено просто самим фактом существования человека.
Другими словами, если бы эти константы были бы существенно другими, человечества не существовало бы вообще.
Возникли вопросы о том, на сколько случайны физические характеристики нашей Вселенной, насколько они
взаимосвязаны между собой, и что может произойти при их незначительном изменении. Анализ возможного
варьирования основных таких характеристик показал, что даже незначительное их изменение приводит к
невозможности существования нашей Вселенной в наблюдаемой форме и уж тем более не совместимо с появлением
в ней жизни.
Были введены понятия слабого и сильного антропного принципа. Слабый анторопный принцип говорит о том,
что если в достаточно удаленных друг от друга частях Вселенной физические свойства различны, то мы живем
именно в той ее части, где есть условия для нашей жизни: "Наше положение во Вселенной с необходимостью является
привилегированным в том смысле, что оно должно быть совместимо с нашим существованием как наблюдателей".
Сильный антропный принцип утверждает, что Вселенная должна быть создана таким образом, чтобы в ней было
обеспечено наше существование: "Вселенная должна быть такой, чтобы в ней на некотором этапе эволюции
допускалось существование наблюдателей".
Отметим различия двух принципов.
Сильный антропный принцип говорит о том, что наличие жизни есть необходимый этап в эволюции Вселенной. В качестве аналогии рассмотрим широко распространенное в биологии явление мимикрии у насекомых. Можно оценить, с какой вероятностью, например, палочник окажется похожим на высохший древесный сучок и выдвинуть гипотезу множественности ареалов обитания палочника, в каждом из которых его окрас случайный. Однако, окрас палочника есть просто результат развития вида в условиях данной местности.
Несмотря на интуитивно кажущуюся простоту определения антропного принципа, он открывает новые возможности в
постановке и, возможно, решении серьезных проблем науки, в частности, космологии, порождая в то же время
многочисленные споры о том, можно ли считать научно достоверными результаты, полученные с его помощью.
Основными предсказаниями, полученными в космологии с помощью антропного принципа и позже проверенными
наблюдениями, можно считать следующие: оценка возраста нашей Вселенной (слабый антропный принцип),
оценка величины космологической постоянной (или плотности энергии вакуума, называемой также
"темной энергией", "квинтэссенцией" и "лямбда-членом"), оценка верхнего предела на массы космологических
нейтрино.
В настоящее время существует много вариантов формулировки антропного принципа. Версия научно сформулированного и
широко используемого в настоящее время в космологии и теории суперструн антропного принципа базируется на двух
основных предпосылках:
1. Существует "мультивселенная" - множество вселенных (или удаленных изолированных областей одной и той же
Вселенной), представляющих собой причинно несвязанные области пространства-времени, в которых параметры
стандартных физических моделей различны.
2. Количественные значения параметров стандартных физических моделей в каждой из областей "мультивселенной" случайны, но в нашей Вселенной они оказались подобранными специальным образом.
Поясним эти два утверждения.
"Существование" таких областей понимается в том же смысле, что и "существование", например, стола или стула в
нашей комнате. Антропный принцип постулирует существование "мультивселенной".
Причинная несвязность означает, что наблюдатели в любой из таких вселенных никакими наблюдательными средствами
никогда не узнают о существовании других вселенных, что происходит не из-за несовершенства их технологий,
а обуславливается тем, что сигналы или лучи света, испущенные в одной вселенной никогда не дойдут до других
вселенных. Информационный обмен между изолированными частями "мультивселенной" невозможен, откуда с очевидностью
следует, что непосредственными наблюдательными методами доказать существование такой "мультивселенной" невозможно.
Каждая вселенная характеризуется своим набором параметров стандартных физических моделей. Количественные значения
таких параметров случайны. Такими параметрами являются, например, массы основных устойчивых к распаду элементарных
частиц, космологическая постоянная (или плотность энергии вакуума), количество наблюдаемых
пространственно-временных измерений и другие. Так, наша Вселенная характеризуется примерно
сотней таких параметров, величины которых и делают нашу Вселенную такой, какой мы ее наблюдаем.
Эти параметры также дают возможность получать в различного рода физических экспериментах вполне
определенные результаты. Так, например, измеряемая величина силы гравитационного притяжения тел
зависит от числа пространственных измерений. Первая предпосылка антропного принципа говорит о том,
что в разных вселенных из-за разных значений параметров результаты одних и тех же физических
экспериментов или наблюдения по одной и той же методике могут быть различны. Так, в пространстве четырех
пространственных и одного временного измерений не существует законов Кеплера и, следовательно,
не существует планетных систем. Ничтожные различия параметров формируют абсолютно непохожие друг на друга
вселенные. Могут существовать вселенные, где нейтрон тяжелее всего на 1% по сравнению с нейтроном
в нашей Вселенной, протон легче на 1%, электрон в два раза массивнее и его электрический заряд на
20% сильнее, и нейтрино такое же массивное как электрон. В такой вселенной не существует
ни устойчивых ядер тяжелее водородного ядра, ни звезд, ни планет, ни жизни, и вся она заполнена водородным газом.
Вторая предпосылка антропного принципа говорит о том, что в нашей Вселенной все параметры "подобрались"
таким образом, что обеспечили существование не только устойчивых ядер и химических соединений,
не только существование звезд и планет, но и существование высокоорганизованной жизни. Стоит задуматься, какому уникальному стечению обстоятельств мы обязаны своим существованием.
Возможность применения антропного принципа к реальности, его использование как строгого научного
метода в биологии, физике (прежде всего, в космологии и теории суперструн) порождает много споров,
несмотря на то, что к настоящему моменту уже создана теория (конечно, только теория), подтверждающая существование "мультивселенной"
и позволяющая дать количественное описание параметров ее частей - это теория хаотической инфляции,
введенной А. Линде.
Теория инфляции - теория экспоненциального "раздувания" пространства-времени на самых ранних стадиях развития
нашей Вселенной. Отличительной особенностью теории хаотической инфляции является то, что она никогда не
завершается полностью. Окончание хаотической инфляции есть случайный процесс, который происходит в различные
моменты времени в различных частях "мультивселенной", порождая причинно несвязанные области, в частности, и
нашу Вселенную. Согласно теории хаотической инфляции, величины параметров стандартных физических моделей
в каждой изолированной вселенной являются случайными за счет квантовых флуктуаций. Инфляционная космология
естественно реализует требуемую антропным принципом "мультивселенную".
Основная критика антропного принципа как метода научного познания фокусируется на том, что этот принцип
не дает проверяемых количественных предсказаний и, следовательно, не удовлетворяет так называемому условию
фальсифицируемости, что, согласно К. Попперу, говорит о неспособности теории адекватно описывать реальность.
При создании новых теорий всегда закономерно возникает вопрос, можно ли применять к реальности такую теорию.
Для этих целей разными направлениями методологии науки было сформулировано несколько принципов. Наиболее
важный из них - принцип верификации. Согласно этому принципу, какое-либо понятие или суждение имеет значение, если оно сводимо к непосредственному опыту или высказываниям об этом опыте, т.е. эмпирически проверяемо.
Принцип верификации позволяет в первом приближении ограничить научное знание от ненаучного знания. Этот метод перестает быть эффективным, если система идей построена таким образом, что может объяснить все возможные эмпирические факты. В таких случаях прибегают ещё к одному принципу, предложенному К. Поппером, принципу фальсификации: "Критерием научного статуса теории является её фальсифицируемость
(или опровержимость)". Так, наблюдение любого сколь угодно большого числа черных ворон не может обосновать
или верифицировать утверждение, что все вороны черные; наблюдение же всего одной белой вороны доказывает,
что обобщение "Все вороны - черные" ложно. Поппер заключил, что именно фальсифицируемость, а не верифицируемость отличает эмпирическую науку от метафизики.
Антропный принцип, основанный на приведенных выше двух предпосылках, не является фальсифицируемой теорией.
Чтобы это показать, проводятся следующие рассуждения. Если антропный принцип применим к реальности, то наша
Вселенная с необходимостью является частью рассматриваемой "мультивселенной". Следовательно, каким бы набором параметров ни обладала наша Вселенная, всегда хотя бы одна из частей "мультивселенной" будет обладает этими же свойствами. Таким образом, не существует наблюдения, опровергающего указанные две предпосылки и, таким образом, теория не является фальсифицируемой.
В настоящее время антропный принцип критикуется по нескольким основным пунктам:
1. Антропный принцип постулирует существование "мультивселенной", что не представляется возможным проверить
наблюдательными методами;
2. Антропный принцип не дает проверяемых наблюдениями предсказаний;
3. Существует множество сколь угодно количественно различных наборов параметров стандартных физических моделей,
при которых реализуются необходимые условия образования жизни.
Рассмотрим первый пункт. Создание теории хаотической инфляции позволило показать, что модель "мультивселенной"
по крайней мере, имеет право на существование.
Рассмотрим второй пункт. С помощью слабого антропного принципа можно приближенно предсказать современный возраст
Вселенной до измерений параметра Хаббла, если учесть, что существование жизни на Земле связано с притоком
энергии от Солнца, и принять, что время жизни типичной звезды на главной последовательности (Солнца)
около «10 в степени 10» лет.
Нужно отметить, что применение антропного принципа должно быть аккуратным. Рассмотрим это на примере
резонансного состояния ядер углерода. В упомянутом примере предсказание существования такого состояния
было получено с помощью антропного принципа до проведения эксперимента. Последущий анализ показал, что
в рамках классической логики Аристотеля (где любое высказывание может быть только
либо истинным, либо ложным) вывод подтвержденного наблюдениями эффекта резонанса ядер
углерода из антропного принципа содержит логическое противоречие.
Рассмотрим эти доказательство. Для существования белковой жизни необходим углерод. Следовательно,
во Вселенной должен быть углерод и должен существовать его источник. Единственный источник углерода
(и других тяжелых элементов) - звезды. Но углерод не может формироваться в звездах без наличия определенного
резонансного состояния ядер углерода. Группой экспериментаторов было обнаружено это резонансное состояние.
Таким образом, казалось, исходя из антропного принципа предсказан экспериментально проверяемый результат.
Проанализируем логическую схему приведенных рассуждений:
1. X необходимо для существования жизни;
2. X верно для нашей Вселенной;
3. Используя законы физики совместно с имеющимся наблюдением Y заключаем, что если X верно, то верно и Z;
4. Мы предсказываем, что Z верно.
Здесь X - "во Вселенной есть углерод", Y - "углерод формируется только в звездах", Z - "существование
определенного резонансного состояния ядер углерода". Но из такой схемы очевидно, что истинность или
ложность Z не зависит от высказывания пункта 1. Таким образом, условие наличия белковой жизни во Вселенной
не входит в логическую цепочку приведенного утверждения, и существование определенного резонансного
состояния ядер углерода не выводится из антропного принципа.
Однако, подчеркнем, что в данных рассуждениях применялась булева логика исчисления предикатов, в то время
как в реальности некоторые высказывания может быть истинно только лишь с некоторой степенью достоверности.
С использованием вероятностного подхода, с помощью антропного принципа были даны оценки на массу
космологических нейтрино, а также предсказано ненулевое значение космологической постоянной до того,
как это было подтверждено наблюдениями (наблюдение квинтэссенции). Рассуждения были основаны на том,
что вероятность реализации
определенного значения космологической постоянной пропорциональна числу наблюдателей, присутствующих
в различных областях нашей Вселенной с таким значением этого параметра.
Важно напомнить, что ненулевая космологическая постоянная, называемая также "темной энергией" или
"квинтэссенцией" ответственна за ускоренное расширение нашей Вселенной. Открытие ускоренного расширения
Вселенной является важнейшим достижением космологии последних лет.
Поясним, каким образом с антропный принцип связан с космологической постоянной. На ранних этапах развития
Вселенная обладала высокой температурой и плотностью. При расширении плотность материи, очевидно, уменьшалась,
в то время как плотность энергии вакуума, которая с точностью до постоянной величины равна космологической
постоянной, не менялась. Таким образом, в эволюции Вселенной наступает момент, когда плотность материи становится
меньше плотности энергии вакуума, гравитационные силы становятся меньше сил отталкивания и Вселенная начинает
расширяться ускоренно. Начиная с этого момента рост неоднородностей плотности останавливается, и
во Вселенной уже не образуются новые крупномасштабные структуры ( (сверх)скопления галактик,
"войды" - области пустого пространства между (сверх)скоплениями галактик).
Существование наблюдателей подразумевает наличие крупных звездных образований - галактик. Галактики
обладают сильным гравитационным полем, достаточным для формирования сверхновых звезд - источников
тяжелых элементов, служащих основой планетных систем и самих наблюдателей.
Из современных наблюдательных данных известен возраст самых старых галактик. Таким образом, для того,
чтобы к настоящему моменту времени существовали мы, наблюдатели, плотность энергии вакуума не должна
превышать плотность материи в то время, когда формировались самые старые галактики.
Таким образом, с помощью антропного принципа можно оценить величину космологической постоянной, которая
оказывается ненулевой. Аналогично можно получить и ограничение на массу космологических нейтрино, так как
если суммарная масса трех типов нейтрино будет превышать 1-3 электрон-вольт, то не образуется наблюдаемая
крупномасштабная структура нашей Вселенной.
Рассмотрим третий пункт. Критикуя антропный принцип, было показано, что условия для образования жизни
достигаются при совершенно различных наборах параметров стандартных физических моделей.
Подчеркнем, что здесь под термином "жизнь" понимается не только биологическая жизнь, основанная на углероде
и обладающая двумя важнейшими характеристиками - гомеостазом и воспроизводством, но также и другие,
небиологические формы жизни, сейчас нам неизвестные. Однако этот факт
означает всего лишь незначительное увеличение вероятности появления жизни в разных частях "мультивселенной",
так как число всех возможных значений таких параметров очень велико. Таким образом, в нашей Вселенной
образование жизни может оказаться случайным и не быть обязанным только антропному принципу.
В заключение скажем несколько слов о теологическом подходе к определению понятия антропного принципа.
Несмотря на то, что основная цель теологии - это раскрыть человеку религиозно-нравственные истины
(теология не пытается научить людей астрономии, космологии, зоологии или каким-либо другим наукам),
существуют немногие вопросы, находящиеся на грани физического и духовного, например, вопросы о
возникновении мира и появления жизни на Земле, интересующие одновременно науку и религию. И здесь,
при попытке согласования идей теологии с научными открытиями требуется всестороннее образование,
глубокое понимание границ компетенции обоих источников, а также осторожность в суждениях.
Некоторые подробности в теологическом описании мира хорошо согласуются с новейшими научными открытиями,
например:
1. Мир не вечен, а возник внезапно около 15 миллиардов лет назад;
2. Мир возник из ничего;
3. После своего возникновения мир развился не хаотично, а по определенному плану, приведшему к
появлению человека.
Последнее утверждение может служить формулировкой антропного принципа в теологическом подходе. Достаточен
"творческий" толчок (или, фомулирая с точки зрения науки, точная "настройка" физических параметров Вселенной),
и органические молекулы организуются в клетки, микроорганизмы, вирусы, бактерии, морские водоросли и т.д.
Принцип "творческой" эволюции прослеживается в Библии на всех ступенях развития жизни: "И сказал Бог:
да произрастит земля зелень, траву, сеющую семя [по роду и по подобию ее, и] дерево плодовитое, приносящее
по роду своему плод, в котором семя его на земле. И стало так" (Быт. 1:11-13, БИБЛИЯ, Книги священного писания
ВЕТХОГО И НОВОГО ЗАВЕТА Москва, UBS 1990).
).
И далее, "пришло время увенчать природу ее "царем", который стал бы представителем Творца для низших тварей".
"Создадим человека по образу Нашему и по подобию Нашему, и да владычествуют они [люди] над рыбами морскими,
и над птицами небесными, [и над зверями,] и над скотом, и над всею землею" (Быт. 1:26-27, БИБЛИЯ, Книги священного писания ВЕТХОГО И НОВОГО ЗАВЕТА Москва, UBS 1990).
Версия для печати
Послано - 13 Июля 2005 : 14:02:58
. Вообще говоря, гироскопы в "принципе Маха" ни при чем. 
