Тайны квантового мира. О парадоксальности пространства и времени - Олег Фейгин

Простой астрономический факт — расширение нашей Вселенной — привел к полному пересмотру всех космогонических концепций и разработке новой физики — физики возникающих и исчезающих миров.

Как же можно представить себе мир Фридмана? Давайте возьмем глобус и населим его ползающими по поверхности «плоскунами», ничего не подозревающими о существовании третьего измерения. Поверхность сферы образует особый двумерный мир. Он замкнут и в то же время безграничен, ведь по поверхности шара можно двигаться в любом направлении, не опасаясь наткнуться на какую-то неодолимую преграду.

Представим теперь, что Академия наук плоскунов решила опытным путем проверить, безгранична или же ограниченна их Вселенная. Приступив к измерению длины окружности сферы своего мира, академики плоскунов вскоре пришли бы в большое удивление, ведь длина окружности, все возрастая по мере удаления от того места, где находились плоскуны-экспериментаторы, достигла бы максимума, а затем начала бы неуклонно уменьшаться, вплоть до нуля.

Это однозначно продемонстрировало бы плоскунам, что их мир замкнут. Удивительные вещи должны происходить в таком замкнутом мире. В таком мире действовали бы иные физические законы и сила взаимодействия между двумя зарядами изменялась бы в другой пропорции от расстояния.

Двумерные существа могли бы никогда не узнать, что находится внутри искривленной поверхности сферы, центр которой недоступен для наблюдений их двумерными приборами. Они могли бы построить модель Вселенной как целого, безграничную, но конечную, содержащую конечное количество квадратных километров. Модель охватывала бы все, доступное их чувствам и физическим приборам, но с точки зрения внешнего наблюдателя мир плоскунов составлял бы лишь незначительную часть чего-то более обширного.

Очевидно, вопрос, интересующий двумерных аборигенов, состоит в том, можно ли считать внутренность сферы с центром и охватывающее сферу внешнее пространство реально существующими, если до сих пор они себя никак не проявляли в сферическом мире и, может быть, так никогда и не проявят?

Некоторое время после создания модель Фридмана нестационарной расширяющейся Вселенной казалась многим ученым нереальной. Однако соответствующие решения Фридмана были не только признаны автором теории относительности Эйнштейном, но и получили практическое подтверждение в наблюдениях знаменитого американского астронома Э. Хаббла. В двадцатых годах прошлого века, после внушительной серии астрономических исследований дальних галактик, он пришел к выводу, что галактические объекты удаляются от нас со скоростью, пропорциональной этой удаленности. Следовательно, чем дальше от нас галактика, тем выше ее скорость удаления.

Соответствующий коэффициент пропорциональности является важнейшей космологической величиной, получившей название постоянной Хаббла. Этот вывод Хаббл сделал на основе исследования физического эффекта Доплера — смещения длин волн в спектре излучения источника в сторону красной части диапазона для далеких галактик (рис. 9 цв. вкл.) Открытие Хабблом эффекта красного смещения, разбегания галактик лежит в основе концепции расширяющейся Вселенной. В соответствии с современными космологическими концепциями, Вселенная расширяется, но центр расширения отсутствует: из любой точки Вселенной картина расширения будет представляться той же самой, а именно, все галактики будут иметь свое красное смещение, пропорциональное расстоянию до них. Само пространство как бы раздувается (рис. 10 цв. вкл.).

Оставалось понять, какие физические превращения происходили и происходят на различных стадиях расширения нашего мира. Одним из первых к исследованию данной интереснейшей проблемы рождения вещества нашего мира приступил знаменитый американский физик русского происхождения Георгий Гамов. Именно он в сороковых годах прошлого века заложил основы фундамента современной космологии и космогонии — модели «горячей Вселенной».

Согласно модели горячей Вселенной, плазма и электромагнитное излучение на ранних стадиях расширения Вселенной обладали очень высокой плотностью и энергией. В ходе расширения Вселенной эта температура неуклонно падала. Затем равновесие образовавшегося водорода и гелия с излучением нарушилось — кванты излучения уже не обладали необходимой для ионизации вещества энергией и проходили через него как через прозрачную среду. Температура обособившегося излучения продолжала снижаться и к нашей эпохе составила всего несколько градусов Кельвина. Это излучение сохранилось до наших дней как эхо эпохи бурного рождения Вселенной в катаклизме Большого взрыва.

Новорожденная Вселенная прошла стадию чрезвычайно быстрого расширения (космологической инфляции), которая полностью изменила пейзаж младенческого космоса. До возраста приблизительно 300 тысяч лет Вселенная была кипящим котлом из электронов, протонов, нейтрино и излучения, которые взаимодействовали между собой и составляли единую среду, равномерно заполняющую всю раннюю Вселенную. Общее расширение Вселенной постепенно охлаждало эту среду, и, когда температура упала до значения нескольких тысяч градусов, наступило время для формирования стабильных атомов.

Астрономы предполагают, что важную роль на начальной стадии формирования галактик могли также играть черные дыры, собирая материю вместе посредством своей мощной гравитации. Новые открытия сверхмассивных черных дыр в центрах галактик только прибавляют в этом уверенности. Такая связь, естественно, вызывает вопрос и о том, что появилось сначала — галактика или черная дыра, хотя последние данные в большей степени указывают на то, что именно черные дыры формируют вокруг себя галактики.

Расширение пространства после Большого взрыва

Долгое время Вселенная, остыв после Большого взрыва, оставалась темной и холодной — ничто ее не освещало. Этот период, названный астрономами «темными веками», закончился, когда сформировались первые звезды. Здесь ученые столкнулись с одной из главных проблем современного естествознания — загадкой таинственной «темной материи» и «темной энергии». Очень ранний возраст Вселенной, к которому относят начало формирования первого поколения звезд, привел к идее о том, что таинственный тип невидимой материи гравитационно сконцентрировал вещество Вселенной вскоре после ее рождения, позволив сформироваться первым звездам и галактикам.===

Модели развития нашей Вселенной

Что ожидает наш мир в невообразимо далеком будущем? Ученые — физики, космологи и астрономы исходят в своих прогнозах из кривизны окружающего нас пространства. Так, если кривизна трехмерного пространства отрицательна или (в пределе) равна нулю (мир Ньютона, Лагранжа и Лапласа), то Вселенная бесконечна и мы имеем так называемую «открытую модель». В такой модели расстояния между скоплениями галактик со временем неограниченно возрастают, а в некотором экстремальном варианте ткань пространства начинает «растягиваться» так быстро (экспоненциально), что может произойти некий Большой «разрыв». Что это такое и тем более как выглядит, не знает никто, но вполне возможно, что по своему масштабу этот вселенский катаклизм может сравниться с началом Большого взрыва. В замкнутой модели кривизна пространства положительна, Вселенная конечна (но так же безгранична, как и в открытой модели); в такой модели расширение со временем сменяется сжатием до состояния Большого «хруста», являющегося полной противоположностью Большому взрыву.