С самого первого мгновения наша Вселенная была рождена под знаком неустойчивости и необратимости.

...Наше знание - всего лишь небольшое оконце в универсум... из-за нестабильности мира нам следует отказаться даже от мечты об исчерпывающем знании. Заглядывая в оконце, мы можем, конечно, экстраполировать имеющиеся знания за границы нашего видения и строить догадки по поводу того, каким мог бы быть механизм, управляющий динамикой универсума. Однако нам не следует забывать, что, хотя мы в принципе и можем знать начальные условия в бесконечном числе точек, будущее, тем не менее, остается принципиально непредсказуемым.

(Илья Пригожин)

В XX столетии Илья Пригожин настойчиво обращал внимание ученых и мыслителей на огромную роль неустойчивостей в развитии многих процессов. По мнению И. Пригожина, необратимые процессы тесно связаны именно с проявлениями неустойчивостей. Более того: "необратимость есть следствие неустойчивости" [Пригожин Илья, Стенгерс Изабелла. Время, хаос, квант. К решению парадокса времени. Пер. с англ. - М.: Эдиториал УРСС, 2000. - 240 с., С.185-210.]. А ведь большинство процессов в природе - необратимы! Обратимые процессы встречаются как идеализация, как исключение. Кроме того, траектории многих материальных систем неустойчивы и проходят через так наз. "точки бифуркаций". В этих точках поведение систем чрезвычайно чувствительно к малейшему внешнему воздействию или внутренней флуктуации (неопределенности). Это вносит неустранимую вероятность в поведение систем, даже на макро- и мега-уровне, а не только в микромире с его квантовой неопределенностью.

Название этой статьи немного провокационное. Сейчас я выражу свою мысль точнее: неустойчивости допускают возможность управления мирозданием. В точках бифуркаций находятся как бы управляющие входы в космический механизм, благодаря чему возможна неожиданная смена сценария развития Вселенной. Почему так? Смотрите ниже.

Илья Пригожин предлагал рассматривать возникновение Вселенной не из точки сингулярности (в классической теории Большого взрыва), и не из поля, ответственного за инфляцию (в теории космологической инфляции), а от некоторой квантовой флуктуации вакуума. Причем, вакуум плоского пространства-времени должен быть неустойчивым. Как только неустойчивый вакуум дал рождение Вселенной, сразу же возникла необратимость времени и большое энтропийное содержание Вселенной (что соответствует большому количеству ~10 в степени 9 фотонов на один барион). Согласно Пригожину, рождение Вселенной должно описываться моделью неустойчивой динамической системы: "С самого первого мгновения наша Вселенная была рождена под знаком неустойчивости и необратимости". В качестве аналогии И. Пригожин приводит пример рождения и роста кристалла в переохлажденной жидкости: здесь рождение кристалла провоцируется флуктуацией в неустойчивом состоянии жидкости, причем это есть необратимый процесс. В такой Вселенной в будущем возможны повторные флуктуации, что приведет к рождению новых вселенных [Пригожин Илья, Стенгерс Изабелла. Время, хаос, квант. К решению парадокса времени. Пер. с англ. - М.: Эдиториал УРСС, 2000. - 240 с., С.185-210.].

В инфляционной теории распад скалярного поля (инфлатона) также связан с его неустойчивостью. Этот распад приводит к появлению огромного количества частиц и высокому энтропийному содержанию Вселенной. После распада инфлатона Вселенная становится очень горячей и наполненной материей, и дальше расширяется по модели Фридмана. Вот как отмечено в [Модель инфляционной Вселенной. В книге Физика космоса: Маленькая энциклопедия / Редкол.: Р.А. Сюняев и др. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Сов. энциклопедия, 1986. - 783 с., С.414.]: инфляционное раздувание Вселенной возможно лишь при отрицательном давлении, создаваемом скалярным полем. Но, "состояние с положительной энергией и отрицательным давлением неустойчиво. В ходе дальнейшей эволюции энергия поля, обусловившего инфляционную стадию расширения Вселенной, превращается в энергию обычных частиц. Вещество и излучение приобретают высокую температуру...".

В очень горячей ранней Вселенной происходит генерация барионной асимметрии, и связано это с вероятной нестабильностью протона. В настоящее время фундаментальной космологической константой в является отношение средней концентрации барионов (протонов, нейтронов...) к средней концентрации фотонов реликтового излучения: в ? 10 в степени минус 9. Это означает, в очень горячей ранней Вселенной на один миллиард антибарионов приходится один миллиард плюс один барион. И такая небольшая асимметрия могла возникнуть по причине несохранения барионного заряда. В результате сегодня мы живем во Вселенной, в которой есть вещество, состоящее из барионов (протонов, нейтронов), и практически отсутствует антивещество (антипротоны, антинейтроны). Но в экспериментах на ускорителях барионы и антибарионы рождаются строго парами, и никакой барионной асимметрии не проявляется, и, таким образом, барионный заряд строго сохраняется. Вероятно, это связано с тем, что протон на самом деле не является абсолютно стабильной частицей - протон распадается, хотя и время его жизни очень велико - на много порядков превышает возраст Вселенной [Барионная асимметрия Вселенной. В книге Физика космоса: Маленькая энциклопедия / Редкол.: Р.А. Сюняев и др. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Сов. энциклопедия, 1986. - 783 с., С.134-137.].

Неустойчивости и дальше играют ключевую роль в эволюции Вселенной. В первую очередь нас будут интересовать гравитационные неустойчивости, о которых подробнее и поговорим.

Гравитационная неустойчивость проявляется в нарастании малых отклонений от средних значений плотности и скорости движения вещества под действием сил тяготения. Оказывается, первоначально однородное (или почти однородное) вещество, находящееся в космическом пространстве, склонно к образованию сгустков, т.е. - комкованию. Гравитационная неустойчивость должна приводить к образованию звезд и их скоплений, галактик и их скоплений даже из первоначально однородно распределенного вещества. Идею гравитационной неустойчивости впервые высказал в 1692 г. первооткрыватель закона всемирного тяготения Исаак Ньютон. И только после 1902 г., когда Дж. Джинс опубликовал первую работу с анализом происхождения космических объектов, дав начало новой теории, только после этого началась активная математическая разработка теории гравитационной неустойчивости. Яков Зельдович в работах 1970 г. ввел так наз. "приближение Зельдовича", которое учитывает основные детали динамики невзаимодействующих частиц в ходе роста возмущений плотности и скорости вещества в расширяющейся Вселенной, причем делает это в простой и элегантной математической форме. Полученное в них решение предсказывало существование во Вселенной плоских структур ("блинов Зельдовича") и так наз. "филаментов" (гигантских нитей из галактик). Фактически, оно впервые продемонстрировало, какой является структура Вселенной. Это та структура, которую сегодня называют "космической паутиной". Даже в настоящее время специалисты начинают расчёты на суперкомпьютерах со структуры ранней Вселенной, полученной в приближении Зельдовича, и затем продолжают их в глубоко нелинейную область. Такой подход позволяет заметно сократить требуемое вычислительное время на крупнейших суперкомпьютерах, используемых для расчёта эволюции крупномасштабной структуры Вселенной при доминирующей роли тёмной материи. К 1980-м годам уже была математически разработана теория гравитационной неустойчивости однородной среды применительно к вопросу образования галактик и их скоплений [Гравитационная неустойчивость. В книге Физика космоса: Маленькая энциклопедия / Редкол.: Р.А. Сюняев и др. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Сов. энциклопедия, 1986. - 783 с., С.218-220; Сюняев Р.А., Гребенев С.А. "Эффекты" Зельдовича, запечатлённые на нашем небе
(27.04.2016). Вестник Российской академии наук, 2015, том 85, N 7, с. 643-656 (расширенная версия). Режим доступа: http://www.astronet.ru/db/msg/1390641].

Крупномасштабная структура Вселенной в инфракрасных лучах с длиной волны 2,2 мкм. На изображении 1600000 галактик, зарегистрированных в Extended Source Catalog как результат Two Micron All-Sky Survey. Яркость галактик показана условным цветом: от синего (самые яркие) до красного (самые тусклые). Расположение Млечного Пути, пыль которого мешает наблюдениям, соответствует тёмной полосе по диагонали и краям картины [Взято с Википедии]

Рассмотрим суть эффекта гравитационной неустойчивости, которая прямо вытекает из закона всемирного тяготения. Итак. Силы тяготения стремятся скомковать изначально однородное вещество, т.е. произвести распад его на сгустки. Но, силам тяготения могут противодействовать др. силы: упругость вещества (градиенты давления); центробежные силы (при наличии вращения); электромагнитные силы; давление излучения и пр. Соотношение между противоборствующими силами зависит от размеров возникающего сгустка, и вот здесь проявляется закон всемирного тяготения. Дело в том, что в объемном сгустке размером l заключена масса ~l в степени 3. Сила тяготения на границе сгустка F ~ G l в степени 3 поделить на l в степени 2. Т.е., F ~ G l. Противодействующая сила упругости, вызванная градиентами давления, F1 ~ l в степени минус один, поскольку градиент давления обратно пропорционален размеру сгустка. Теперь очевидно, что равновесие F = F1 наступает при некоторой l, равной критерию Джинса или длине волны Джинса. Ведь, если размер сгустка меньше длины волны Джинса, то силы тяготения слабее сил упругости, и случайное сжатие сгустка будет вновь растянуто упругими силами. А если размер сгустка превышает длину волны Джинса, то силы тяготения превысят силы упругости, и сгусток начнет еще больше сжиматься, сгущаться. Поскольку упругие силы приводят к образованию звуковых волн в сгустке материи, поэтому говорят о некоей длине волны Джинса, которая и отделяет область устойчивости однородно распределенного вещества от области гравитационной его неустойчивости. Значение длины волны Джинса довольно просто выражается через гравитационную постоянную G, плотность вещества с и скорость звука азв в данном веществе [Гравитационная неустойчивость. В книге Физика космоса: Маленькая энциклопедия / Редкол.: Р.А. Сюняев и др. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Сов. энциклопедия, 1986. - 783 с., С.218-220.]:

При l больше, чем длина волны Джинса, вещество будет гравитационно неустойчиво и начнет распадаться на сгустки. Оказывается, аналогичные формулы могут быть получены и при учете др. сил, противодействующих силам тяготения. Наличие др. сил лишь повышает гравитационную устойчивость вещества, увеличивая значение длины волны Джинса. Скорость роста возмущений плотности, вызванная силами тяготения, оказывается тем больше, чем больше масштаб возмущений l. Теоретически установлен характер роста возмущений плотности вещества от гравитационной неустойчивости в расширяющейся Вселенной (в модели Фридмана). Здесь теоретический результат хорошо описывает общие черты возникновения галактик и их скоплений [Гравитационная неустойчивость. В книге Физика космоса: Маленькая энциклопедия / Редкол.: Р.А. Сюняев и др. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Сов. энциклопедия, 1986. - 783 с., С.218-220.].

На суперкомпьютере "Плеяды", установленном в исследовательском центре НАСА (NASA Ames) было проведено моделирование (в 2011 г.) образования галактик и их скоплений по механизму гравитационной неустойчивости с привлечением участия темной материи. Результат моделирования - "Большой" - хорошо соответствует реально наблюдаемому распределению галактик [Варфоломеева А. Суперкомпьютер построил модель Вселенной (01.10.2011 г.). Режим доступа: https://www.epochtimes.com.ua/ru/science/theory-and-research/superkompyuter-postroyl-model-vselennoy-99296.html; В глубинах Млечного пути (Inside the Milky Way). Режим доступа: www.youtube.com.].

Ниже показаны некоторые результаты моделирования распределения материи во Вселенной.

Результаты моделирования распределения вещества в проекте "Большой". Взято с сайта: http://hipacc.ucsc.edu/Bolshoi/images/Images/gascenter_clus007_large.jpg и http://hipacc.ucsc.edu/Bolshoi/images/Images/MD_cluster01_gas_sn320.png.

Впрочем, некоторые аспекты гравитационной неустойчивости вещества недоработаны до сих пор, например, вопрос о происхождении вращения галактик и др. небесных объектов. Так, совсем недавно, в ноябре 2016 г. вышла публикация в журнале "Астрофизика", посвященная этому вопросу [Кригель А.М. О возникновении вращения во Вселенной. Астрофизика, том 59, вып.4, 2016. - С. 575-581.].

Еще К. Вейцзекер и Г. Гамов в 1951-52 гг. выдвинули гипотезу, что вращение материи существовало еще в изначальном состоянии Вселенной, а сегодня такое вращение передалось галактикам [Кригель А.М. О возникновении вращения во Вселенной. Астрофизика, том 59, вып.4, 2016. - С. 575-581.].

Ф. Хойл в 1949 г. и позднее др. авторы пытались объяснить возникновение вращения в протогалактиках действием приливных эффектов. А. Д. Чернин (1970, 1977-78 гг.) развивал "ударную теорию", согласно которой вращение галактик возникло по причине взаимодействия асимметричных протогалактик с ударной волной, возникшей в момент отделения излучения от вещества в остывающей Вселенной [Кригель А.М. О возникновении вращения во Вселенной. Астрофизика, том 59, вып.4, 2016. - С. 575-581.].

По мнению, А.М. Кригеля, хотя все эти подходы допустимы, но в них использованы довольно искусственные предпосылки. Поэтому Кригелем предложена своя гипотеза возникновения вращения галактик, исходя из гравитационной неустойчивости турбулентного газа. В этой гипотезе рассмотрен такой механизм: турбулентный поток вещества (изначальные вихревые флуктуации) передает энергию и угловой момент от мелкомасштабных возмущений к упорядоченному вращению, раскручивая галактики [Кригель А.М. О возникновении вращения во Вселенной. Астрофизика, том 59, вып.4, 2016. - С. 575-581.]. Поскольку эта гипотеза математически формализована, то было бы любопытно увидеть ее подтверждение моделированием на суперкомпьютере.

А теперь поговорим о возможной неустойчивости физического вакуума, о том, что мы можем жить в так наз. "ложном вакууме", который в любой момент угрожает переходом в вакуум истинный с далеко идущими для нас последствиями...

С точки зрения квантовой теории поля и теории элементарных частиц возможно существование нескольких вакуумов. Вакуум - это энергетически выгодное состояние всех полей, и таких состояний может быть несколько: одно из них самое устойчивое, а вот остальные - устойчивы только для не слишком больших воздействий и в течение ограниченного времени, т.е. метастабильны. Если Вселенная находится в состоянии с ложным вакуумом, т.е. метастабильным, то она может в нем пребывать какое-то время, как переохлажденная вода может какое-то время не замерзать. Поле Хиггса в принципе может иметь хотя бы два минимума: наименьший - для истинного вакуума и тот, который повыше - для ложного вакуума [Иванов И. Распад нестабильного вакуума (17.03.2013). Режим доступа: https://elementy.ru/problems/546/Raspad_nestabilnogo_vakuuma; Зораб Р. Как распад вакуума может уничтожить Вселенную (28.03.2019). Режим доступа: https://naked-science.ru/article/nakedscience/kak-raspad-vakuuma-mozhet; Слухи и смерти Вселенной сильно преувеличены (23.02.2013). Режим доступа: https://elementy.ru/LHC/novosti_BAK/431980].

На графике условно показаны энергетические состояния гипотетического квантового поля. Нахождение в ложном вакууме соответствует частице, застрявшей в верхней впадине, откуда частица может протуннелировать вниз в состояние истинного вакуума (см. [Зораб Р. Как распад вакуума может уничтожить Вселенную (28.03.2019). Режим доступа: https://naked-science.ru/article/nakedscience/kak-raspad-vakuuma-mozhet]).

Соотношение между этими минимумами и вероятность туннелирования из ложного вакуума в истинный зависят от масс бозона Хиггса и топ-кварка. Но их точные значения сегодня еще не совсем известны, а те величины, которые уже измерены, говорят в пользу такого прогноза. В пределах экспериментальных погрешностей известных экспериментов по оценке масс указанных частиц получается, что наша Вселенная находится либо в полностью стабильном истинном вакууме, либо Вселенная находится в "чуть-чуть нестабильном ложном вакууме". Последнее означает, что вакуум будет стабилен вплоть до высоких энергий 1010 Гэв, что на много порядков превосходят возможности коллайдеров. Если же случится распад ложного вакуума, то это произойдет не ранее, чем через десяток миллиардов лет и даже более. Но даже такая возможность не реализуется, если окажется, что работает другая физика на более высоких масштабах энергии (а не известная сегодня Стандартная модель в физике) [Иванов И. Распад нестабильного вакуума (17.03.2013). Режим доступа: https://elementy.ru/problems/546/Raspad_nestabilnogo_vakuuma; Зораб Р. Как распад вакуума может уничтожить Вселенную (28.03.2019). Режим доступа: https://naked-science.ru/article/nakedscience/kak-raspad-vakuuma-mozhet; Слухи и смерти Вселенной сильно преувеличены (23.02.2013). Режим доступа: https://elementy.ru/LHC/novosti_BAK/431980].

А как в принципе будет происходить распад ложного вакуума?

Пузырь истинного вакуума во Вселенной, находящейся в состоянии ложного вакуума. Предполагается, что квантовый распад ложного вакуума будет происходить через зарождение и расширение такого пузыря [Иванов И. Распад нестабильного вакуума (17.03.2013). Режим доступа: https://elementy.ru/problems/546/Raspad_nestabilnogo_vakuuma].

До поры до времени ложный вакуум выглядит как стабильный, и в такой вселенной будут происходить все известные нам процессы, которые в нашей Вселенной происходят. Но, некоторые события могут спровоцировать туннелирование в состояние истинного вакуума. Полагают, что при этом появится пузырь истинного вакуума в том месте, где хиггсовское поле протуннелировало. Появится тонкая промежуточная стенка между истинным и ложным вакуумами. Этот пузырь начнет сначала медленно расширяться, а затем расширение разгонится до скорости света. В новом истинном вакууме свойства элементарных частиц резко изменятся, и выделится очень много дополнительной энергии, которая была запасена в ложном вакууме. Поменяется вся физика и химия. И вообще, последствия будут весьма катастрофическими для любых материальных структур (и живых организмов), населявших старую вселенную с ложным вакуумом [Иванов И. Распад нестабильного вакуума (17.03.2013). Режим доступа: https://elementy.ru/problems/546/Raspad_nestabilnogo_vakuuma; Зораб Р. Как распад вакуума может уничтожить Вселенную (28.03.2019). Режим доступа: https://naked-science.ru/article/nakedscience/kak-raspad-vakuuma-mozhet; Слухи и смерти Вселенной сильно преувеличены (23.02.2013). Режим доступа: https://elementy.ru/LHC/novosti_BAK/431980].

Подобный сценарий распада ложного вакуума лично мне очень напоминает сценарий конца мироздания из совсем другой сферы - из христианства. А именно, в библейской книге "Второе соборное послание св. ап. Петра" рассказывается об огненной кончине старой Вселенной и ее преображении в новую Вселенную.

Но главной интригой, которую хранит в себе феномен неустойчивости, по всей видимости, является необратимость большинства процессов во Вселенной. Это именно то, о чем так настойчиво говорил Илья Пригожин. Возможно, что разгадку необратимости времени удастся получить на пути изучения феномена неустойчивости. А пока в физике используется такой параметр, как обратимое время, почти ничем не отличающееся от пространственной координаты, едва ли мы сможем проникнуть глубже в сущность происхождения и эволюции Вселенной.

А теперь нужно подчеркнуть роль неустойчивости, нестабильности с точки зрения теории познания. Законы природы, включающие в себя неустойчивости, не позволяют нам строить достоверные прогнозы протекания сложных процессов в отдаленной перспективе. Это усугубляется принципиальной неопределенностью на квантовом уровне, знаменитым принципом неопределенностей Гейзенберга. На практике мы все хорошо знаем, что невозможно получить достоверный прогноз погоды более чем на 3-4 дня вперед. Поведение атмосферы и гидросферы оказывается неустойчивым. Все это означает, что наше будущее, как и будущее Вселенной в целом не предопределено! Какой-нибудь распад поля, ответственного за ускоренное расширение Вселенной (темной энергии), или распад ложного вакуума, и все прогнозы на перспективу окажутся жалким наукообразным пустозвоном...

Илья Пригожин писал, что поскольку "траектории многих систем нестабильны, ...это значит, что мы можем делать достоверные предсказания лишь на коротких временных интервалах. Краткость же этих интервалов (называемых также темпоральным горизонтом или экспонентой Ляпунова) означает, что по прошествии определенного периода времени траектория неизбежно ускользает от нас, т.е. мы лишаемся информации о ней". И далее, что очень важно! - Пригожин отметил: "Это, кстати, служит еще одним напоминанием, что наше знание - всего лишь небольшое оконце в универсум и что из-за нестабильности мира нам следует отказаться даже от мечты об исчерпывающем знании. Заглядывая в оконце, мы можем, конечно, экстраполировать имеющиеся знания за границы нашего видения и строить догадки по поводу того, каким мог бы быть механизм, управляющий динамикой универсума. Однако нам не следует забывать, что, хотя мы в принципе и можем знать начальные условия в бесконечном числе точек, будущее, тем не менее, остается принципиально непредсказуемым" [Пригожин И. Философия нестабильности. Вопросы философии, N6, 1991. с.46-57. Режим доступа: http://www.twirpx.com/file/348322.].

Для примера рассмотрим диаграмму, где показано сложное поведение материальной системы, делающей выбор между двумя решениями, затем четырьмя решениями и т.д. В итоге система переходит из простого колебательного режима в хаотический турбулентный режим. Предсказать наперед какой период колебаний выберет система в тот или иной момент становится невозможным.

Каскад бифуркаций. На диаграмме система через каскад удвоений периода простого периодического режима переходит к сложному апериодическому режиму. Каждая бифуркация есть появление выбора между двумя решениями уравнений поведения системы. (Взято с Википедии)

Но есть в неустойчивости и позитивные моменты. Как отмечал тот же Пригожин, неустойчивости не дают Вселенной стать скучным, детерминированным часовым механизмом. Благодаря неустойчивостям возникают новации и уникальные события, в такой Вселенной человек может проявить свободу, пойти на риск и нести за это этическую ответственность [Пригожин И. Философия нестабильности. Вопросы философии, N6, 1991. с.46-57. Режим доступа: http://www.twirpx.com/file/348322.].

Огромное значение неустойчивостей и необратимости времени во Вселенной до сих пор недооценено. Даже такие великие физики, как Альберт Эйнштейн и Стивен Хокинг придерживались позиции, что время можно рассматривать подобно пространственной координате, игнорируя принципиальную необратимость времени. Эйнштейн, кроме того, был убежденным сторонником полного детерминизма в мироздании, что не позволило ему до самого конца жизни принять вероятностную трактовку квантовой физики, как завершенную теорию и метод осмысления реальности.

А теперь я поставлю еще один очень важный вопрос. Если законы природы не задают полный детерминизм поведения материальных систем, оставляю некоторую вероятностную свободу в конструировании будущего, то как мы можем быть точно и абсолютно уверены, что все происходящие события были вызваны всего лишь естественным течением природных процессов? Как мы можем уверенно исключить незаметное, но определяющее воздействие извне на ход природных процессов? Ведь в точках бифуркаций достаточно микроскопического воздействия извне на материальную систему, и система выберет совершенно другую траекторию поведения, которую при отсутствии внешнего воздействия она бы, может быть, и не выбрала. И здесь возникает прелюбопытнейшая ситуация: законы природы полностью выполнены и никак не нарушены, но человек или Бог тихонько вмешался извне, направив процесс в нужное русло! В сложном мире, где все процессы взаимосвязаны, никто из нас и не поймет, где произошло незаметное внешнее вмешательство. В этом Космосе, под этими звездами Вы, может быть, никогда бы не встретили своего любимого человека, свою половинку. Но тонкое сплетение счастливых обстоятельств вас подтолкнуло друг к другу. Ну не чудо ли?

Подумайте над этим хорошенько...

(В.Ю. Скосарь, октябрь 2019 г.)