Научно-популярный реферат, сделанный на основе устоявшихся научных концепций происхождения и дальнейшего развития Вселенной.
Введение
С давних времён человека мучил вопрос, как устроен мир в котором мы живём и откуда он взялся. Придумывались самые невероятные гипотезы. В последнее время человечество очень продвинулось в изучении этого вопроса. Теперь довольно хорошо известно, как устроена Вселенная в очень большой её области. Тем не менее, чем больше мы узнаём о мире, тем больше появляется вопросов. На каждом этапе познания учёные сталкиваются с пределами познавательных возможностей, накладываемых несовершенством инструментов и методов исследования. Эти вопросы, как правило решаются, но в настоящее время наука в познании мира проникла так далеко, что ограничения в познании с помощью эксперимента и наблюдения накладываются уже самими законами природы (принцип неопределённости Гейзенберга в квантовой механике, конечная скорость света в космологии).
Поэтому всё больше науке приходится прибегать к помощи философии. Современная космология не возможна без философских подходов, поскольку, на сегодняшний день не возможно заглянуть ни в далёкое прошлое Вселенной, ни в те области, которые удаляются от нас со скоростями, близкими к скорости света.
В данном реферате будут в общих чертах рассмотрены современные взгляды на происхождение, устройство и эволюцию Вселенной, основанные на философских подходах.
Глава 1
Современное состояние обозримой Вселенной
В этой главе под обозримой Вселенной будем понимать ту область Вселенной, которая на сегодняшний день доступна для изучения.
Рассмотрение проблемы следует начать с ознакомления с современными гипотезами о строении Вселенной, поскольку исходя из современного строения Вселенной можно делать какие-либо выводы о её развитии во времени.
На вопросы о строении обозримой части Вселенной в удовлетворительной степени даёт ответ наука. В основном, вся эта часть Вселенной представляет собой вакуум. Вакуум не следует понимать как пустое пространство, в нём происходят квантовые явления (рождение частиц и античастиц), присутствуют фотоны и отдельные атомы. Большая часть излучающего вещества сосредоточена в звёздах, звёзды вместе с некоторым количеством пыли, газа и некоторых других объектов группируются в галактики. Галактики обычно собраны в небольшие группы. Также присутствуют так называемые чёрные дыры. [[1], см. стр. 183-186]
В 1842 году французский философ Огюст Конт в своём главном труде "Курс позитивной философии" писал: "Возможно, что мы сумеем определить форму, расстояние и величину небесных светил, что мы исследуем их движения. Но никогда и не в коем случае не удастся нам изучить их химический состав или минералогическое строение". Сказано это было всего за несколько лет до открытия спектрального анализа, который позволяет судить о составе звёзд и газов, заполняющих межзвёздное пространство [[2], см. стр. 3].
Никаких принципиально новых химических элементов, которые бы не встречались на Земле во Вселенной не обнаружено, однако, их распределение несколько иное, чем на Земле. Около 90% составляет водород, второй по популярности гелий, и лишь ничтожно малую часть вещества составляют все остальные атомы. [1 см. стр. 187]
Ещё в 1755 году Иммануил Кант писал в своей работе "Универсальная естественная история и теория неба", что некоторые из наблюдаемых в телескопы того времени туманностей - это похожие на нашу галактики. Они эллиптические, потому что наблюдаются под углом, и, конечно, еле видны, потому что далеки от нас. [[3] , см. стр. 24]
Однородность и изотропность следует понимать не только с точки зрения распределения вещества во Вселенной, а так же и с той точки зрения, что во всей Вселенной действуют одинаковые законы. Такая однородность в пространстве наталкивает на мысль, что Вселенная однородна во времени, то есть то состояние, в котором она находится было, есть и будет всегда. [1, см. стр. 189]
Обозримая часть пространства Вселенной действительно изотропна и однородна. Однако, гипотеза об однородности Вселенной во времени сталкивается с рядом затруднений.
Парадокс Ольберса
Генрих Ольберс - немецкий астроном (1758-1840). Кратко этот парадокс можно свести к следующему: С точки зрения термодинамики: если Вселенная существует бесконечно долго, почему она до сих пор находится в термодинамически неравновесном состоянии? (Звёзды и их излучение до сих пор не находятся в тепловом равновесии). С точки зрения оптики: если Вселенная бесконечна в пространстве и неизменна во времени, причём плотность неизменно светящихся звёзд постоянна в пространстве и во времени, то куда бы мы не посмотрели, мы везде должны видеть звёзды, в ночном небе не могло бы быть ни одной тёмной области.
Один из способов разрешения этого парадокса - это предположение, будто звёзды не разбросаны до бесконечности, а сгруппированы в шар конечных размеров (при этом сама Вселенная продолжает считаться бесконечной). Тогда бы избыток излучения смог бы безвозвратно уходить в окружающий вакуум. Однако, это уже противоречит однородности Вселенной в пространстве. С другой стороны, если Вселенная постоянна во времени, почему энергия звёзд не иссякает?
Более серьёзное возражение против такой модели было высказано ещё Ньютоном. Если звёзды сгруппированы в конечный шар, то в конце концов они должны под действием сил тяготения упасть друг на друга. А раз этого до сих пор не случилось, звёзды должны находиться повсюду, вплоть до бесконечности, тогда гравитационные силы, действующие между ними будут скомпенсированы [1, см. стр. 190-191].
Другое разрешение парадокса Ольберса предложил Больцман с помощью теоремы Пуанкаре, согласно которой всё, что может произойти в полностью изолированной системе произойдёт, и при том бесконечно много раз, или, иначе говоря, чудеса возможны, только они более редки, чем мы это в состоянии себе представить [1, см. стр. 100]. Если рассматривать Вселенную как полностью изолированную систему, то согласно теореме Пуанкаре, современная термодинамически неравновесная Вселенная - это результат гигантской флуктуации, которая должна случаться примерно каждые 1080 лет. Если прождать столько времени, то можно стать свидетелем того, как вся теплота Вселенной сама по себе втечёт в звёзды. Далее последует выравнивание этой флуктуации, которое мы сейчас и наблюдаем.
Однако, такая всеобщая флуктуация гораздо менее вероятна, чем локальная. Если предположить, что мы живём в области локальной флуктуации, то тогда мы не должны были бы видеть звёзды в удалённых областях Вселенной [1, стр. 191-193].
Расширение Вселенной
В 1929 году американский астроном Эдвин Хаббл (1889-1953) обнаружил, что сдвиг излучения галактик в красную сторону спектра (в область более низких частот) возрастает пропорционально возрастанию расстояния до галактики. Известно, что при движении источника волн возникает эффект Доплера. Если источник приближается к наблюдателю, частота испускаемых им волн увеличивается, если удаляется от наблюдателя - уменьшается. Из наблюдений Хаббла стало очевидно, что чем дальше от нас находится галактика, тем быстрее она от нас удаляется. Отсюда был сделан вывод о расширении Вселенной. Сам факт расширения Вселенной свидетельствует о том, что она не может быть неизменной во времени. [1, стр. 193-194]
Глава 2
Гипотезы о строении современной Вселенной
Космологический принцип однородности
В научной литературе принято писать слово Вселенная с прописной буквы, когда речь идёт о реальной Вселенной, и с маленькой буквы, когда речь идёт о модели. Будем придерживаться этого правила.
Ещё Джордано Бруно говорил: "Цент Вселенной везде, и периферии нет". Говоря так, он имел ввиду бесконечную Вселенную. В настоящее время космологический принцип однородности требует, чтобы Вселенная не имела границ, ибо сама граница - это уже неоднородность. Для того, чтобы лучше себе представить возможные топологии трёхмерного пространства удобно воспользоваться двумерными аналогами.
Самым простым двумерным пространством является плоскость (аналог трёхмерного евклидова пространства). Для того, чтобы она не имела границ, плоскость должна быть бесконечной.
Но проблему границ можно решить и с помощью конечного, но замкнутого пространства, двумерным аналогом которого может служить сфера. Сфера - пространство искривлённое, имеющее положительную кривизну. Вселенную, пространство которой замкнуто на себя принято называть закрытой.
Можно также представить себе пространство с отрицательной кривизной (гиперболическое), оно будет иметь форму седловины. Такое пространство не будет замкнутым, поэтому его следует продлить на бесконечность. [[4] ,см. стр. 91-92]
Вселенная, пространство которой не замкнуто на себя, а продлено на бесконечность, называется открытой.
Теория относительности и гравитация
Специальная теория относительности отказалась от универсальности времени и пространственных расстояний, взамен им появилась универсальность инвариантного интервала, который остаётся неизменным для всех инерциальных систем отсчёта: , где x, y, z - координаты, t - время, c - скорость света (2.99792458Ј108м/c).
Спустя три года после появления теории относительности, Герман Минковский (1864-1909), математик, родившийся в России, высказал в 1908 году предположение о том, что время и пространство не следует больше рассматривать как раздельные непрерывные объекты, их следует заменить на единый четырехмерный континуум - пространство-время, в котором инвариантный интервал играет роль аналогичную роли обычного расстояния в трёхмерном мире. [[5], см. стр. 38]
Такое четырёхмерное пространство-время является псевдоевклидовым четырёхмерным пространством Минковского. Однако, модель пространства в специальной теории относительности ничего не говорит о влиянии на свойства пространства-времени материи, движение которой как раз и рассматривается. [[6], см. стр. 33]
Общая теория относительности гласит, что материя искривляет псевдоевклидово пространство-время, и проявление этой искривлённости - это и есть гравитация. Материя создаёт гравитационное поле, которое потом влияет на движение самой материи. [6, см. стр. 35-36]
Чёрные дыры
Говоря о пространстве-времени, следует упомянуть и такие интересные объекты, как чёрные дыры. По современным представлениям чёрная дыра может образоваться в конце эволюции массивной звезды.
Чёрная дыра образуется в результате сильного сжатия тела, при котором поле тяготения возрастает настолько, что не выпускает ни свет, ни частицы. Для образования чёрной дыры необходимо, чтобы тело сжалось по всем направлениям до размеров, меньших так называемого гравитационного радиуса, который определяется массой тела. Для обычных астрофизических объектов гравитационный радиус мал по сравнению с их действительными размерами, так для Земли гравитационный радиус составляет 9 миллиметров, для Солнца - около трёх километров [[7], см. стр. 457].
Чёрные дыры интересны во-первых, тем, что нельзя посмотреть, что у них внутри. Предсказания общей теории относительности, от которой, за неимением другой теории, целиком зависит анализ чёрных дыр, проверены только в гравитационных полях, существующих в Солнечной Системе. Внутри чёрной дыры тяготение в миллиарды раз сильнее. Никто не знает сколь-нибудь уверенно ни границ применимости общей теории относительности, ни того, какие её положения останутся в силе, когда будет создана более совершенная теория.
Кроме того, интересная особенность чёрных дыр состоит в том, что в сильном поле тяготения чёрных дыр (сильно искривлённом пространстве-времени) происходят квантовые процессы рождения из вакуума пар частица-античастица. Эти процессы ведут к уменьшению массы (испарению) чёрной дыры, однако, для чёрных дыр с массами звёзд и даже более, такие процессы крайне медленны, даже по астрофизическим масштабам [7, см. стр. 457]. Однако, такие процессы представляют большой интерес для фундаментальных исследований и могут использоваться как аналог поведения Вселенной на ранних стадиях своего развития. Об этом будет сказано позже.
Вселенная Эйнштейна (статическая вселенная)
Ещё до открытия Хаббла Эйнштейн делал попытку применить свою теорию относительности к космологии. Как ни странно, Эйнштейн боялся, что его теория приведёт к расширяющейся или сжимающейся вселенной. Как и многие учёные своего времени Эйнштейн был сторонником статической Вселенной и пытался построить её модель так, чтобы Вселенная не обрушилась под собственным тяготением и не расширялась. Он даже ради этого пошёл на изменение общей теории относительности и ввёл дополнительную космическую силу отталкивания, которая должна была уравновесить притяжение звёзд. Новшеством в модели Эйнштейна было то, что его вселенная конечна, но тем не менее, всюду одинакова, иначе говоря, имеет конечные размеры, но не имеет границ. Такая модель вселенной возможна, если пространство считать искривлённым. Двумерным аналогом такого пространства может служить сфера. Трёхмерное пространство Эйнштейна также имеет топологию сферы, оно замкнуто само на себя и удовлетворяет принципам однородности пространства, поскольку не имеет ни центра, ни краёв и равномерно заполнено галактиками [1, стр. 195-196].
Вселенная Фридмана (расширяющаяся вселенная)
Первым человеком, который применил общую теорию относительности для построения ряда математических моделей поведения вселенной был русский метеоролог Александр Александрович Фридман (1888-1925), опубликовавший свою работу в 1922 году. Его модели продолжают оставаться главной теоретической базой при анализе почти всех современных космологических проблем. Модели Фридмана основаны на предположении пространственной однородности. Скопления галактик должны быть однородно распределены в пространстве. Для выяснения поведения такой пространственно однородной геометрии во времени, Фридман решил для этого случая уравнения общей теории относительности Эйнштейна. Ввиду однородности пространства - единственное возможное его изменение - это изменение масштабов, то есть расширение или сжатие, одинаковое повсюду.
Ввиду однородности распределения галактик, расширение Вселенной - это расширение самого пространства, а не перемещение галактик в некоторую прежде пустую область. При таком однородном расширении скорость разбегания двух точек пространства пропорциональна расстоянию между ними. Именно такая картина разбегания галактик была предложена Хабблом. [1, см. стр. 196-199]
Говоря о расширяющейся вселенной, следует отметить, что поведение нестационарной вселенной зависит от её топологии. Фридман рассмотрел зависимость масштабного множителя R (характеризующего масштабы расстояний между любыми двумя галактиками) от времени для различных топологий пространств. Кривые, выражающие эту зависимость приведены на рисунке 1.
Эти модели были получены без учёта давления, создаваемого материей (атомами, излучением, элементарными частицами), распределённой вне галактик. В общей теории относительности это давление так же является источником гравитационного поля. Однако, по современным представлениям это давление достаточно слабо и им можно пренебречь.
Согласно любой из моделей, приведённых на рисунке 1 в некоторый конечный момент в прошлом характерные размеры вселенных, характеризуемые масштабным множетелем R должны были быть равны нулю. [1, см. стр. 200-202]
Глава 3
Гипотезы о происхождении Вселенной
Первоначальная сингулярность (большой взрыв)
Здравый смысл подсказывает, что если Вселенная расширяется, значит, когда-то она должна была быть сжатой. С другой стороны, модели Фридмана дают, что в некий момент времени характерные размеры Вселенной были равны нулю. Значение R = 0 лежит где-то в районе 1020 миллиардов лет назад (время зависит от выбранной топологии). Поскольку R определяет масштаб расстояний между любыми двумя галактиками, то в момент R = 0 все галактики должны были быть собраны в одной точке. Доводя эти рассуждения до крайности, следует считать, что весь теперешний объём пространства был сжат в ничто, а плотность материи была бесконечно большой. Такая точка в общей теории относительности называется сингулярностью. Однако в условиях сингулярности, при бесконечной плотности вещества уравнения общей теории относительности уже не могут адекватно описывать физические процессы. Возможно, даже, в таких условиях теряет силу и пространственно-временное описание.
Если пространство-время при сингулярности не может существовать, то момент времени R = 0 во фридмановских моделях соответствует моменту, когда пространство-время впервые возникает. Поэтому наличие в теории фридмановской сингулярности привело к широко распространённому представлению о том, что начало расширения и представляет собой рождение ("сотворение") Вселенной. На самом деле сингулярность с точки зрения современной науки есть понятие, наиболее близкое к "акту творения". Если сингулярность на самом деле имела место, то мы не в состоянии продолжить ход физических рассуждений на более ранний этап существования Вселенной. Иначе говоря, до начала расширения Вселенной не могло быть ничего, что имело бы физическое отношение (согласно современным представлениям) к наблюдаемой Вселенной.
Если модели Фридмана принимать буквально, то не только пространство-время, но и вся материя во Вселенной должна начать своё существование в момент, соответствующий сингулярности.
Важной чертой такой картины рождения мира является то, что здесь одновременно возникает как материя, так и пространство-время. [1, см. стр. 203-206]
Согласно одной из гипотез, Вселенная начала расширяться хаотически и беспорядочно, а затем, под действием некоторого механизма диссипации (затухания) возникла определённая упорядоченность. Такое предположение о полном первичном хаосе в противовес полной первичной симметрии привлекательно тем, что здесь не требуется "творить" Вселенную в каком-либо строго определённом состоянии. Если учёным удастся подыскать подходящий механизм затухания, то это позволит согласовать с наблюдаемым теперь видом Вселенной весьма обширный круг начальных условий. [1, см. стр. 207-208]
Одна из наиболее распространённых гипотез о механизме диссипации - это гипотеза рождения частиц и античастиц из энергии, которую дают приливные эффекты в гравитационном поле. Частицы и античастицы рождаются искривлённым «пустым» пространством (аналогично случаю пространства, искривлённого чёрной дырой), и пространство реагирует на такое рождение уменьшением кривизны. Чем сильнее искривлено пространство-время, тем интенсивнее происходит рождение частиц и античастиц. В неоднородной Вселенной такие эффекты должны были всё выравнивать, создавая состояние однородности. Возможно, даже, что вся материя во Вселенной возникла именно таким путём, а не из сингулярности. Такой процесс не требует рождения материи без антиматерии, как в первоначальной сингулярности. Трудность этой гипотезы, однако, состоит в том, что пока не удалось найти механизма разделения материи и антиматерии, который не позволял бы большей их части снова аннигилировать. [1, см. стр. 208-209]
С одной стороны, существование неоднородностей могло бы нас избавить от сингулярности, но Джордж Эллис и Стивен Хоукинг при помощи математических моделей показали, что при учёте некоторых весьма правдоподобных положений о поведении материи, при больших давлениях нельзя исключить существование хотя бы одной сингулярности, даже если допустить отклонения от однородности. [1, см. стр. 209]
Поведение анизотропной и неоднородной Вселенной в прошлом вблизи сингулярности могло быть очень сложным, и здесь очень трудно строить какие либо модели. Проще воспользоваться моделями Фридмана, которые предсказывают поведение Вселенной от рождения до гибели (в случае сферической топологии). Хотя отклонения от однородности и не избавляют нашу Вселенную от сингулярности в пространстве-времени, тем не менее, возможно, что большая часть имеющейся на сегодняшний день материи Вселенной не попадала в эту сингулярность. Такого рода взрывы, когда материя, имеющая сверхвысокую, но не бесконечную плотность, появляется по соседству с сингулярностью, были названы "скулёжем". Однако, для выполнения теоремы Хоукина-Эллиса требуется, чтобы энергия и давление оставались положительными. Нет никакой гарантии, что при сверхвысоких плотностях материи эти условия выполняются.[1, см. стр. 210]
Есть предположение, что квантовые эффекты, но уже не в материи, а в пространстве-времени (квантовая гравитация), которые становятся очень существенными при высоких значениях кривизны пространства-времени, могли бы предотвратить исчезновение Вселенной в сингулярности, вызывая, например, "отскок" материи при достаточно большой плотности. Однако, ввиду отсутствия удовлетворительной теории квантовой гравитации, рассуждения не дают чётких выводов.
Если принять гипотезу "скулёжа" или квантового "отскока", то это означает, что пространство и время существовали и до этих событий.
В настоящее время большинство учёных принимают первоначальную сингулярность, как физическое выражение "акта творения Вселенной". Отчасти верно сравнение первоначальной сингулярности с сингулярностью внутри чёрной дыры, но материя не коллапсирует в сингулярность, а выбрасывается из неё.
Практически невозможно заглянуть в прошлое дальше, чем на 105 лет, поскольку до этого момента космологическое вещество было не прозрачно для излучения. [1, см. стр. 209-212]
Глава 4
Проблемы выбора модели для описания реальной Вселенной
Большой взрыв
В настоящее время для большинства космологов фридмановские модели остаются основными рабочими моделями вселенных. Если в качестве рождения вселенной принять первичную сингулярность, то можно достаточно хорошо разобраться в процессах, которые, согласно этой гипотезе, должны были происходить во вселенной Фридмана на ранних этапах расширения. Некоторые последствия этих процессов доступны наблюдению и сегодня, так что правдоподобие модели Фридмана можно проверить путём её сравнения с данными наблюдений. Как оказалось, вселенная Фридмана при всей своей простоте хорошо выдерживает подобную проверку. Хотя, действие известных ныне физических законов невозможно экстраполировать в прошлое до самого начального момента, а лишь до области, где перестаёт действовать квантовая теория гравитации (10-43 с после взрыва первичной сингулярности), тем не менее, можно построить модель Вселенной, начиная почти с первой секунды её существования. [1, стр. 212-213]
Перспективы развития Вселенной
Так же, как людей интересует прошлое Вселенной, интересно знать, что ждёт Вселенную в будущем. Будущее Вселенной можно предсказать по всё тем же фридмановским моделям, однако, если не зависимо от топологии пространства, фридмановские модели предсказывают более-менее одинаковое прошлое, то будущее у всех таких Вселенных разное.
По мере расширения, Вселенная остывает. Если расширение не прекратится (как в случае открытой Вселенной), то будущее Вселенной весьма не привлекательно. Звёздам в такой Вселенной суждено погаснуть, галактики и их скопления сколлапсируют в чёрные дыры, вещество станет абсолютно холодным. Как показывают расчёты, гравитационные силы не смогут противостоять расширению. В конечном итоге наступает состояние абсолютного покоя и неизменности. [4, см. стр. 311]
В случае закрытой вселенной, гравитационные силы будут играть важную роль. В конечном итоге самопритяжение вещества преодолеет расширение и вселенная начнёт сжиматься. Как любая физическая система, вселенная при расширении остывает, а при сжатии нагревается. В конце концов, такая вселенная опять придёт к сингулярности. О том, что последует за этой сингулярностью определённо сказать нельзя. Если предположить, что вместо сингулярности происходит отскок материи, то должно сохраняться излучение с предыдущих фаз сжатия-расширения. Кроме того, как и в любой замкнутой системе, предоставленной самой себе должна возрастать энтропия. Напрашивается вывод, что даже вселенная, испытывающая периодические отскоки не способна существовать в неизменном состоянии бесконечно долго. [4, см. стр. 311-312]
Какой же модели (открытой или закрытой) отдать предпочтение? Если современная плотность Вселенной ниже некой расчётной критической величины, то Вселенная открыта, в противном случае, закрыта. Современные исследования обнаруживают меньшую плотность вещества, чем необходимо для того, чтобы Вселенная была закрыта. Однако, мы можем обнаружить лишь нижний предел плотности вещества. В основном, это вещество, находящееся в галактиках. Если существует вещество, равномерно распределённое по пространству, то гравитация, создаваемая им не должна была бы влиять на динамику галактик и скоплений галактик. [4, см. стр. 299-301]
Если бы удалось измерить кривизну пространства, то можно было бы сделать вывод в пользу закрытой или открытой модели. Однако, в настоящее время эксперименты по измерению кривизны пространства связаны с различными трудностями и не могут быть однозначно интерпретированы. [4, см. стр. 302-306]
Глава 5
Принцип симметрии
Принцип симметрии как метод научного познания
Между геометрической симметрией и тем, что в физике называется законами сохранения существует тесная связь. Законы сохранения говорят нам, что какая-либо величина не изменяется со временем. Из геометрической симметрии пространства-времени Минковского следуют закон сохранения энергии, импульса и момента импульса. Симметрия между электрическим и магнитным полем позволила создать единую теорию электромагнитного поля, которая в последствии привела учёных к выводу, что электромагнитное поле может распространятся в пространстве, а свет - это тоже электромагнитная волна. Из этой же симметрии, при помощи уравнений Максвелла, описывающих электромагнитное поле, Лоренц и Пуанкаре вывели некую симметрию между пространством и временем, что привело к созданию пространства-времени Минковского и теории относительности Эйнштейна. Симметрии пространства-времени можно расширить, включив в них более абстрактные понятия.
Например, существует закон сохранения заряда. Значит, должна быть некая симметрия, которая с ним связана, и вряд ли это геометрическая симметрия. Оказывается, это симметрия между разностью потенциалов точек, между которыми перемещается заряд, и затрачиваемой на это перемещение энегией. Аналогична симметрия между работой, затраченной на подъём тела в гравитационном поле и высотой, на которую поднято тело. Это так называемые, калибровочные симметрии.
Когда при описании полей вводится некая абстрактная симметрия этот подход обретает элегантность и открывает широкие возможности. Находятся соответствующие законы сохранения, получаются удовлетворительные результаты в теории, согласующиеся с экспериментом. [[8], см. стр. 129-254]
Поиск единой теории знания
Сегодня науке известно 4 фундаментальных взаимодействия: гравитационное, электромагнитное, сильное и слабое. Согласно современным теориям, взаимодействие осуществляется посредством виртуальных частиц, которые возникают между взаимодействующими телами на короткое время. Во время существования виртуальной частицы нарушаются закон сохранения энергии. Энергия как бы берётся "взаймы", а импульс забирается у испускающего виртуальную частицу тела. Такие частицы обязательно должны либо вернуться на испустивший их объект, либо поглотится другим объектом с передачей ему импульса, чтобы вернуть взятую "взаймы" энергию. [[9], см. стр. 57-61].
В настоящее время активно ищется теория, которая могла бы объединить все известные взаимодействия в одно ("суперсилу"), подобно тому, как объединились электрическое и магнитное взаимодействие. Сегодня удалось разработать теорию для объединения электромагнитного, слабого и сильного взаимодействий. Осталось обособленным только гравитационное взаимодействие, которое основано на искривлении пространства-времени Минковского.
На протяжении десятилетий общая теория относительности Эйнштейна не поддавалась квантовой формулировке. Несмотря на то что гравитации соответствует калибровочное поле, ее описание на языке обмена гравитонами приводит к трудностям. Сам по себе гравитон (как искривление пространства-времени) может взаимодействовать с другим гравитоном посредством неких виртуальных гравитонов, которые, в свою очередь, могут взаимодействовать друг с другом, и так далее. В результате таких бесконечных процессов возникают серьёзные математические трудности, для устранения которых пришлось вводить новые элементарные частицы, связанные с гравитационным взаимодействием. Однако, пока математический аппарат для описания квантовой теории гравитации всё ещё не разработан.
На протяжении всей жизни Эйнштейн мечтал о создании единой теории поля, в которой все силы природы сливались бы воедино на основе чистой геометрии. Однако по иронии судьбы ближе всех к реализации мечты Эйнштейна подошел малоизвестный польский физик Теодор Калуца, который еще в 1921 году задался целью обобщить теорию Эйнштейна, включив электромагнетизм в геометрическую формулировку теории поля (подобно тому, как геометрия пространства-времени описывает гравитацию). Это следовало сделать так, чтобы уравнения теории электромагнетизма Максвелла продолжали выполняться. Калуца понимал, что теорию Максвелла невозможно сформулировать на языке чистой геометрии (в том смысле, как мы ее обычно понимаем), даже допуская наличие искривленного пространства. Калуца сделал следующий шаг за Эйнштейном, добавил к четырёхмерному пространству-времени пятое (не наблюдаемое) изменение в которой электромагнетизм является своего рода "гравитацией" (о слабом и сильном взаимодействии тогда было не известно). Встаёт вопрос: почему же мы никак не ощущаем этого пятого измерения (в отличии от первых четырёх)? В 1926 г. шведский физик Оскар Клейн предположил, что мы не замечаем дополнительного измерения потому, что оно в некотором смысле "свернулось" до очень малых размеров. Из каждой точки пространства в пятое измерение выходит небольшая петелька. Мы не замечаем всех этих петель из-за малости их размеров. Клейн вычислил периметр петель вокруг пятого измерения, используя известное значение элементарного электрического заряда электрона и других частиц, а также величину гравитационного взаимодействия между частицами. Он оказался равным 10-32 см, т.е. в 1020 раз меньше размера атомного ядра. Поэтому неудивительно, что мы не замечаем пятого измерения: оно скручено в масштабах, которые значительно меньше размеров любой из известных нам структур, даже в физике субъядерных частиц. Очевидно, в таком случае не возникает вопроса о движении, скажем, атома в пятом измерении. Скорее это измерение следует представлять себе как нечто находящееся внутри атома.
На некоторое время теория Клауца-Клейна была забыта, но когда сильное, слабое и электромагнитное взаимодействие были объединены в единую теорию, и оставалось найти общую теорию для них и для гравитации, теорию Клауца-Клейна снова вспомнили. Для того, чтобы выполнялись все необходимые операции симметрий, пришлось присоединить ещё 7 измерений (всё пространство в целом получилось 11-мерным). А чтобы эти дополнительные измерения не ощущались, они должны быть свёрнуты в очень малых масштабах. Однако, теперь встаёт вопрос: если одно измерение можно свернуть только в окружность, то семь измерений можно свернуть в фигуру различных топологий (либо в 7-мерный тор, либо в 7-мерную сферу, либо в какую-либо другую фигуру). Наиболее простой моделью, к которой склоняются большинство учёных может служить 7-мерная сфера (7-сфера). Как предполагается, четыре наблюдаемых сейчас измерений пространства-времени не свернулись, поскольку такое состояние соответствует наименьшей энергии (к которому стремятся все физические системы). Существует гипотеза, согласно которой на ранних стадиях жизни Вселенной все эти измерения были развёрнуты. К настоящему моменту единая теория описания взаимодействий ещё не разработана до конца. [8, см. стр. 193-232]
Философские проблемы возникновения Вселенной
Часто возникает вопрос: что было причиной возникновения Вселенной? Что было до возникновения вселенной? Современная наука не может однозначно ответить на этот вопрос.
Само отождествление причинно-следственной связи с порядком во времени (когда причина всегда предшествует следствию) оказывается в данном случае сомнительным, поэтому требовать причину, которая предшествовала бы "творению" нет необходимости. Более того, представление о предшествующем причинном влиянии здесь явно бессмысленно, поскольку временное рассмотрение не может быть продолжено за сингулярность. [1, см. стр. 206]
Многие теологи и философы пытаются найти причину вне мира, современные космологи ищут эту причину в самом мире. Они пытаются обратиться к принципу причинности как к принципу объяснения. Если обратиться к истории знания, то можно наблюдать постепенный отход от принципа причинности, как от принципа объяснения. Ответ на вопрос о происхождении космоса надо попытаться получить с помощью принципа симметрии. Современная космология ищет и находит глубинные симметрии, инварианты, позволяющие объяснять и в какой-то мере понимать космологические процессы. Обычно, если нарушается одна из форм симметрии, следует искать появление какой-либо другой формы симметрии. [[10]]
Миры, не знающие конца
Говоря о симметрии и космологическом принципе однородности, следует рассмотреть ещё несколько точек зрения на эволюцию и устройство Вселенной.
Уже после открытия расширения Вселенной, в 1946 году британские астрофизики Герман Бонди и Томас Голд предположили что всё же, раз Вселенная однородна в пространстве, она должна быть однородна и во времени. В таком случае, расширяться она должна с постоянной скоростью, а чтобы не происходило уменьшения плотности вещества, должны непрерывно образовываться новые галактики, которые заполнят промежутки, образовавшиеся от разбегания уже существующих галактик. Вещество для построения новых галактик непрерывно появляется по мере расширения Вселенной. Такая вселенная не статична, а стационарна: отдельные звёзды и галактики проходят свои жизненные циклы, но в целом Вселенная не имеет ни начала, ни конца. Для объяснения, как появляется вещество без нарушения закона сохранения энергии, Фред Хойл придумал поле нового типа - создающее поле с отрицательной энергией. При образовании вещества, отрицательная энергия этого поля усиливается, и общая энергия сохраняется.
Фред Хойл и Джейент Нарликар внесли большой вклад в эту теорию. Частота рождения атомов при такой модели настолько мала, что не может быть обнаружена экспериментально. К середине 60-х годов были сделаны открытия, свидетельствующие о том, что Вселенная эволюционирует. Затем было открыто фоновое тепловое излучение, свидетельствующее о том, что Вселенная несколько миллиардов лет назад находилась в горячем плотном состоянии, и поэтому не может быть стационарной. [1, см. стр. 239-240]
Тем не менее, с философской точки зрения концепция не рождающейся и не умирающей вселенной очень привлекательна. Соединить философские достоинства стационарной вселенной с теорией большого взрыва можно в моделях осциллирующей вселенной. Такая космологическая модель исходит из фридмановской модели со сжатием, дополненной предположением о том, что вселенная не гибнет при возникновении сингулярностей на обоих временных "концах", а проходит сверхплотное состояние и совершает "скачок" в следующий цикл расширения и сжатия. Такой процесс может продолжаться бесконечно. Однако, для того, чтобы не накапливались энтропия и фоновое излучение от предыдущих циклов расширения-сжатия, придётся принять, что на стадии большой плотности нарушаются все термодинамические законы (потому и энтропия не накапливается), однако предпологается сохранение законов теории относительности. В своём крайнем выражении такая точка зрения допускает, что все законы и мировые константы в каждом цикле будут новыми, а поскольку от цикла к циклу ничего не сохраняется, то можно говорить о физически не связанных друг с другом вселенных. С таким же успехом можно предположить одновременное существование бесконечного ансамбля вселенных, некоторые из них могут быть похожи и на нашу. Эти умозаключения носят чисто философский характер и не могут быть опровергнуты ни экспериментом, ни наблюдением [1, см. стр. 240-244].
Заключение
Вопрос о происхождении, эволюции и строении Вселенной остаётся открытым. Скорее всего, он никогда в полной мере не будет решён, поскольку с одной стороны, процесс познания идёт, появляются новые факты, которые не согласуются с текущими теориями, а с другой стороны, для объяснения новых фактов появляются такие гипотезы, которые невозможно проверить.
Однако, не смотря на свою неясность, и сомнительную ценность для прикладной науки, этот вопрос по прежнему продолжает привлекать человека. Мир для человека значит очень многое, от его свойств зависит наше благополучие и дальнейшие перспективы. Как предсказывает современная наука, пока можно не волноваться, Вселенная ещё долго будет пригодна для жизни. Однако, человек до сих пор не может смириться с конечностью своего существования в частности, и конечностью существования всего живого в общем. Это вносит определённую долю субъективности в решение вопроса об устройстве Вселенной, познающему субъекту хочется, чтобы возможности для жизни существовали бы всегда (пусть даже с небольшими перерывами), поэтому при первой же удобной возможности возникают гипотезы о статических либо стационарных вселенных.
Однако, такие гипотезы не стоит и отвергать, поскольку некоторые из них выглядят весьма привлекательно с точки зрения аналогий с другими явлениями природы. По аналогии с тем, что существует очень много одинаковых элементарных частиц, звёзд, галактик, можно предположить и существование ансамбля вселенных (то есть продлить принцип однородности за пространственно-временные пределы нашей Вселенной).
Список использованной литературы
[1] Девис. П. Пространство и время в современной картине Вселенной. Пер. с англ. Н. В. Мицкевича. Предисл. Н. В. Мицкевича, В. В. Столярова. - М.: Мир, 1979. 288 с. ил.
[2] Зигель Ф. Ю. Вещество Вселенной. - М.: Химия, 1982. - 176 с., ил.
[3] Вайнберг С. Первые три минуты: Современный взгляд на происхождение Вселенной/ Пер. с англ. Под ред. с пред. И доп. акад. Я. Б. Зельдовича. - М.: Энергоиздат, 1981. 208 с.
[4] Силк Дж. Большой взрыв: Пер. с англ./ Перевод Полнарева А. Г.; Под. ред. и с предисл. И. Д. Новикова. - М.: Мир, 1982. - 391 с., ил.
[5] П. Бергман. Загадка гравитации. - М., 1969 г., 216 стр. с илл.
[6] Брагинский В. Б., Полнарев А. Г. Удивительная гравитация (или как измеряют кривизну мира). - М.: Наука. Главная редакция физико-математической литературы, 1985. - 160 с. - (Библиотечка "Квант". Вып. 39.)-25 к.
[7] Физика микромира. Маленькая энциклопедия. [Гл. ред. Д. В. Ширков]. - М.: "Советская энциклопедия", 1980. - 528 с., ил.
[8] Девис П. Суперсила: Пер. с англ./Под ред. и с предисл. Е. М. Лейкина. - М.: Мир, 1989. - 272 с., ил. (zip 500 kb)
[9] Окунь Л. Б. αβγ...Z (Элементарное введение в физику элементарных частиц). - М.: Наука. Главная редакция физико-математической литературы, 1985.-112 с. - (Библиотечка "Квант". Вып. 45.)
[10] Философские проблемы классической и неклассической физики: современная интерпретация. Сборник статей. Н. Ф. Овчинников. Частицы и космос (к проблеме начала) - М., 1998. - 179 с.
, где x, y, z - координаты, t - время, c - скорость света (2.99792458Ј108м/c).