Загадки и парадоксы

Идея Фридмана об ограниченной в пространстве и времени расширяющейся Вселенной вошла в учебники, о ней сегодня пишут в газетах, говорит радио, показывает телевидение. Она стала частью мировоззрения каждого образованного человека. Однако в этой грандиозной, поражающей воображение картине мироздания есть темные пятна, а часть удерживающих ее теоретических «гвоздей» готова вот-вот сломаться.

Прежде всего удивляет однородность Вселенной. Как уже говорилось выше, на небольших (в космических масштабах, конечно!) участках она явно неоднородна: безвоздушное пространство, плотные планеты и звезды. Но на больших расстояниях, сравнимых с размерами скоплений галактик, распределение вещества напоминает орнамент волокон со случайными, но близкими по величине размерами деталей. Какие-то процессы сделали Вселенную равновесной. И этот экспериментальный факт трудно согласовать с гипотезой первичного взрыва. Распределение взорвавшегося вещества (инфраструктура взрыва, по терминологии специалистов) определяется игрой случайных факторов и, как правило, весьма неоднородно. Поэтому если Вселенная действительно родилась в катаклизме огненной вспышки «Биг Бэнга» с огромными перепадами плотностей и давлений, ее отдельные области-осколки должны были значительно различаться по своей массе.

Еще более удивляет необычайно высокая однородность реликтового теплового излучения — остаточного жара первичной вспышки. Температура излучения, приходящего к нам с разных направлений, в том числе и прямо противоположных, различается менее чем на сотую долю процента.

Наблюдаемая однородность Вселенной выглядит особенно загадочной, если учесть, что к нам приходят сигналы из областей, которые на протяжении всей своей истории были удалены друг от друга на такие большие расстояния, что они не успели провзаимодействовать даже с помощью самых быстрых, то есть световых, сигналов. Каким же образом они могли прийти в равновесие? По теории Фридмана это просто невозможно.

Еще один удивительный факт связан с величиной средней плотности вещества Вселенной. Из теории Фридмана следует, что если бы в первые мгновения после первичного взрыва она всего лишь на 10^-53% (десятичная дробь с 54 нулями после запятой!) превосходила критическую, при которой мир становится полностью замкнутым, то силы тяготения превозмогли бы инерцию первичного взрыва и расширение Вселенной давным-давно сменилось бы ее сжатием, и теперь наблюдалось бы не разбегание галактик, а их быстрое сближение. С другой стороны, если бы плотность взорвавшейся материи на 10^-53% была бы меньше критической, расширение пространства происходило бы значительно быстрее, и современная средняя плотность материи в нашем мире была бы во много-много раз меньше наблюдаемой. Другими словами, наша Вселенная родилась с плотностью, которая почему-то фантастически близка к критической. Почему так произошло? В теории Фридмана нет объяснения и этой загадке. Чтобы ее объяснить, нужны какие-то совершенно новые физические идеи.

Загадку начальной плотности иногда называют также «проблемой абсолютно плоского мира». Если плотность больше критической, мир, образно говоря, вогнутый, если меньше — он выпуклый (как говорят дети, «впуклый» и «выпуклый»!). В промежуточном случае — мир плоский. Наша Вселенная почему-то предпочла родиться плоской (с точностью 10^-53%!), хотя это только одна из бесчисленного количества возможностей. Трудно думать, что это — случайность. Этому есть какая-то важная причина.

Не находят никакого объяснения в теории Фридмана или объясняются ею с трудом, ценой дополнительных, плохо обоснованных гипотез, и некоторые другие экспериментальные факты. Например, не понятно, почему не удается поймать ни одного магнитного монополя, хотя, как это следует из расчетов, они должны были бы в большом количестве родиться в раскаленном веществе юной Вселенной.

Все это говорит о том, что теория Фридмана нуждается в дальнейшем усовершенствовании. А поскольку трудности этой теории, как правило, связаны с начальным периодом жизни Вселенной, можно думать, что прежде всего следует уточнить описание свойств мира в окрестностях «особой точки» в первые доли секунды после его рождения.

Теория Фридмана и лежащая в ее основе общая теория относительности Эйнштейна имеют дело лишь с геометрическими свойствами природы. Никаких сведений о заполняющей пространство материи они не используют. Достаточно знать ее плотность, а что это за материя, каковы ее конкретные свойства — это для теории Эйнштейна-Фридмана не существенно. Такой подход оправдан на больших расстояниях, где гравитационные силы, определяющие кривизну и другие геометрические свойства нашего мира, можно рассматривать отдельно от электромагнитных и ядерных взаимодействий. Но в микромире, где силы становятся величинами одного порядка, такое приближение уже не верно. Там само пустое пространство зависит от свойств физических процессов. В нем постоянно рождаются и исчезают частицы. Вспомним испарение черных дыр вследствие «кипения» окружающего их вакуума. Такое «кипение» происходит во всем бесконечном пространстве, и его интенсивность (густота рождающихся пар частиц и античастиц) определяет основной, нулевой уровень мира — вакуум. Только что родившаяся Вселенная имела ультрамалые размеры, и ее вакуум был совсем не таким, как в современном мире. Влияло это и на ритм времени. В первые мгновения после рождения Вселенной пространство и время нельзя было рассматривать отдельно от вещества. Вот в этом направлении и следует совершенствовать теорию Фридмана.

Сама по себе идея о тесной связи свойств пространства и времени со свойствами физических процессов далеко не нова. Немецкий математик Бернгард Риман, которому мы обязаны созданием математической теории искривленных и многомерных пространств, высказал ее еще более ста лет назад.

«Эмпирические понятия, на которых основывается установление пространственных метрических отношений, — говорил он в своих лекциях в Геттингенском университете, — понятия твердого тела и светового луча, по-видимому, теряют всякую определенность в бесконечно малом, поэтому метрические отношения там не отвечают нашим геометрическим допущениям».

Эти убеждения разделял и Эйнштейн. Последние сорок лет своей жизни, большую ее часть, он целиком посвятил созданию единой теории электромагнетизма и тяготения. Экспериментальных данных, которые могли бы подсказать ему ведущую идею, в то время было еще недостаточно, а на основании одних только теоретических соображений построить новую теорию не удалось. К созданию единой теории всех сил природы, объединяющей ее геометрические и материальные свойства, физики смогли приступить лишь совсем недавно, после того, как лучше разобрались в свойствах элементарных частиц.

В поисках новой «теории мира»

Первый существенный шаг в усовершенствовании теорий Фридмана сделал американский физик Алан Гут. Он обратил внимание на то, что если Вселенная будет расширяться таким образом, что плотность ее массы все время останется постоянной, то формулы общей теории относительности приводят к выводу: скорость расширения будет расти пропорционально размеру Вселенной. Чем больше Вселенная, тем быстрее она «распухает». Такой процесс происходит настолько быстро, что Вселенная почти мгновенно, всего лишь за 10^-32 секунд, раздувается от микроскопического зернышка до чудовищного «пузыря» с радиусом на много-много порядков больше видимой части Вселенной.

Представьте себе арбуз, который мгновенно распухнет до размеров Галактики. Раздувание «пузыря» Вселенной еще грандиознее!

Можно предположить, что подобно тому как это происходит с расширяющимся газом, температура расширяющейся Вселенной резко упадет, и из первичной материи начнут выделяться кварки, глюоны и другие частицы «обычного» вещества с известными нам свойствами. Расширение Вселенной замедлится, и дальнейшая эволюция каждого ее участка будет совершаться уже по стандартному сценарию Фридмана. Вселенная Гута оказывается практически бесконечной, а видимая нами часть пространства (то, что до сих пор считалось почти всей Вселенной) — лишь ничтожно малая ее доля. Настолько малая, что геометрический квант занимает в ней несравненно больше места, чем она сама в раздувшейся Вселенной.

Предложенный Гутом сценарий развития Вселенной, хотя и выглядит весьма «сумасшедшим» (разве может быть вещество, которое не уменьшает своей плотности?!), позволял, однако, устранить практически все трудности теории Фридмана. В начале «эры быстрого раздувания» — этот термин сегодня используют все астрономы и физики — Вселенная могла быть такой маленькой, что в результате перемешивания и многочисленных взаимодействий ее частей в ней успело установиться равновесие — однородное распределение температуры, плотности и других свойств, как это и наблюдается сегодня. Этого не могло бы произойти, если бы на всех этапах своего развития Вселенная описывалась теорией Фридмана. Обратный пересчет с помощью ее формул приводит к выводу, что радиус Вселенной всегда был слишком большим и взаимодействия не успевали передаваться с одного ее края на другой, — край отодвигался раньше, чем до него доходила волна взаимодействия. Как будто вы бежите по платформе, которая движется быстрее вас, и вы никогда не добежите до ее края — она все время уходит из-под ваших ног. Другое дело — модель Гута. Там видимая нами часть Вселенной образуется путем фридманского распухания крошечного участка уже раздувшейся Вселенной, и о ее начальных размерах можно делать различные предположения, в том числе считать их очень маленькими.

Понятным становится и то, почему наш мир плоский. Он лишь исчезающее малая точка в масштабах всей Вселенной, а на малых расстояниях кривизна не заметна. Это подобно тому, как мы не ощущаем кривизну земного шара в нашей повседневной жизни.

Магнитные частицы-монополи, рождение которых предсказывается теорией на очень ранних этапах «Биг Бэнга», значительно раньше рождения протонов, нейтронов и электронов, разбросаны по огромному объему раздувшейся Вселенной, и вероятность найти их в ее видимой части неизмеримо мала.

Как видим, концы с концами теперь сходятся. Космологическая картина мира заметно прояснилась. Если бы вот только не гипотеза о расширяющемся веществе с постоянной плотностью… Как совместить ее с законами физики? Ведь ничего подобного нигде и никогда не наблюдалось. Когда тело увеличивает свои размеры, его масса распределяется по большему объему, расстояния между его частями увеличиваются, а плотность всегда уменьшается. Даже дерзким на выдумки писателям-фантастам не приходило такое в голову — расширяться, не изменяя своей плотности! Пожалуй, только пустое пространство — вакуум — обладает необходимым свойством.

Стоп… Вот тут-то, по-видимому, и скрыт ответ. Мы уже знаем, что вакуум — это не просто мертвая пустота. Это — пространство, заполненное массой рождающихся и быстро исчезающих, аннигилирующих, частиц, то есть определенное состояние материи. Не похожее на газ, жидкость или твердое тело, но тем не менее это нечто физически ощутимое, изменяющее свои свойства в зависимости от условий. Пространство только издали выглядит пустым и безжизненным, вблизи же, при большом увеличении, оно оказывается заполненным бурлящими «воронками» мгновенных микровзрывов, в которых беззвучно рождаются и исчезают частицы. Пространство как бы «дышит» всеми своими «порами», испуская и поглощая «смог» микрочастиц. Можно сказать, что вакуум — это непустая пустота, хотя это и звучит парадоксально.