Списки6 альтернатив теории Большого взрыва. Большой взрыв и квантовая механика
Космос: Наука и техника: Lenta.ru
Физики-теоретики Штеффен Гилен (Имперский колледж, Лондон, Великобритания) и Нейл Турок (Окружной институт теоретической физики, провинция Онтарио, Канада) показали, что Вселенная могла возникнуть не в результате Большого взрыва, а Большого отскока. Данные об исследовании опубликованы в журнале Physical Review Letters.
Наблюдения астрономов указывают на плоскую геометрию крупномасштабной Вселенной. Это означает, в частности, что в ней справедливы аксиомы Евклида, согласно которым параллельные прямые никогда не пересекаются. Локальные отклонения, обусловленные искривлением пространства видимой и темной материей, в масштабах всей Вселенной не меняют ее евклидовости. Это, как полагают Гилен и Турок, противоречит инфляционным сценариям рождения нашего мира как одного из многих в рамках концепции мультивселенной.
Материалы по теме
00:43 — 10 декабря 2015
Затруднение разрешается одним из наиболее старых и экономных (с точки зрения необходимости введения в теорию новых сущностей) объяснений возникновения Вселенной — гипотезой Большого отскока, призванной заменить (или, по крайней мере, модифицировать) теорию Большого взрыва, служащую — вместе с представлением об инфляционной стадии развития Вселенной и существованием темных материи и энергии — основанием для принятой научным сообществом стандартной космологической модели.
Гипотеза Большого отскока противоречит общей теории относительности, но допускается квантовой теорией. Эти две физические парадигмы не противоречат друг другу в широком диапазоне масс и энергий. Явления, происходящие с огромными массами в масштабе звезд и галактик, описываются методами общей теории относительности. В масштабе атомов и элементарных частиц, где гравитация слаба, работает квантовая механика. Ситуация меняется на планковском масштабе, когда необходим одновременный учет эффектов общей теории относительности и квантовой механики — их симбиоз, называемый квантовой гравитацией. Такой теории в настоящее время не существует.
Материалы по теме
00:03 — 26 ноября 2015
Между тем возникновению Большого взрыва и рождению Вселенной предшествовала стадия сингулярности, в которой значения плотности и температуры равнялись бесконечности. С математической точки зрения это означает, что теории, описывающие такую физическую ситуацию, дают ультрафиолетово-расходящиеся решения. При высоких энергиях подобные модели являются конформно-инвариантными, то есть уравнения, описывающие физику, имеют один и тот же вид на разных масштабах энергий и расстояний. Вероятно, как полагают авторы, на ранних этапах развития Вселенная была конформно-инвариантной, а сейчас, когда температура и плотность мира малы, симметрия нарушилась.
Анализируемая авторами опубликованной работы теория Большого отскока — мир с конформно-инвариантной материей. Гилен и Турок рассмотрели простейший случай — пространственно-плоскую, однородную и изотропную вселенную, заполненную идеальной жидкостью (излучением без материи). Метрика, описывающая бесконечно малое расстояние между двумя точками в таком пространстве-времени, допускает аналитическое продолжение вокруг сингулярности в комплексной плоскости конформного времени. Такую метрику и аналитическое продолжение изучал еще американский физик Брюс де Витт в 1967 году, однако смысл последнего ему остался неясен. Гилен и Турок выполнили аналитическое продолжение и дали ему физическую интерпретацию.
Эволюция Вселенной после Большого взрыва
Изображение: NASA / WMAP
Полученное решение уравнений движения напоминает известное из классической теории поля отскоковое решение. Именно оно описывает, по мнению авторов, переход мира через точку с конформным временем, равным нулю. Такой метод используется в квантовой механике и известен под названием квазиклассического приближения, определяющего вероятность туннелирования квантовой системы из одного состояния в другое.
Туннелирование — это преодоление частицей потенциального барьера, когда ее энергии для этого недостаточно. Это квантовое явление, невозможное в классической физике. Получается, что рождение мира происходит в результате квантового туннелирования, или скачка — система переходит (перепрыгивает или перескакивает) через сингулярность (конформное время, равное нулю), предшествующую Большому взрыву.
Материалы по теме
00:05 — 10 февраля 2016
Концепция Большого отскока — одна из моделей циклического развития Вселенной, когда периоды ее сжатия и расширения сменяют друг друга. Гипотеза отскока была предложена около ста лет назад, но механизм перехода от состояния сжатия к расширению был неясен. Гилен и Турок преодолели эту трудность, описав не столько рождение новой вселенной, сколько возникновение одного из ее циклов.
Вопрос о том, какой по счету цикл наблюдается у современной Вселенной (если предложенная теория верна), остается открытым. Исследователи отмечают, что им не потребовалось привлекать идеи петлевой квантовой гравитации. Сторонники последней активно работают над теорией Большого отскока, однако их методы часто встречают неоднозначную оценку специалистов по теории струн. В дальнейшем Гилен и Турок планируют рассмотреть более реалистичную версию теории Большого отскока. В частности, физики намерены изучить эволюцию Вселенной с возмущениями, приводящими к формированию в ней крупномасштабных структур — скоплений галактик.
lenta.ru
Квантовая физика. Сериал «Теория Большого взрыва» от А до Я
Квантовая физика
Квантовая физика – один из самых сложных разделов физики, что делает его идеальной областью исследования для «ботаников». Квантовая физика, которую называют также квантовой теорией или квантовой механикой, изучает поведение самых маленьких открытых учеными частиц, из которых состоит Вселенная. Кванты гораздо меньше, чем атомы. Квантовая физика в первую очередь занимается тем, как кванты взаимодействуют с энергией. Квантовый физик Джон Уилер (см. статью Whiteboarding, чтобы обнаружить скрытое упоминание Джона Уилера) однажды произнес ставшую крылатой фразу: «Если вы не пребываете в полном недоумении от квантовой физики, значит, вы в ней ничего не понимаете».
Поскольку два главных персонажа «Теории Большого взрыва» специализируются в различных областях квантовой физики, самой сложной из наук, это позволяет Чаку и Биллу развивать их характеры как двух интеллектуалов, избегая традиционных «нердовских» характеристик. Главное в них то, что они не позеры – они ученые. Героям нет никакого резона пялиться целыми днями в компьютеры – whiteboard ’ы куда важнее для квантовой физики, и это, пожалуй, один из самых выгодных способов показать, как люди работают мозгами. Об этом Билл Прэди рассказал журналу Science. Слава богу, у героев шоу оказалось достаточно мозгов, чтобы не выезжать на том, что они «нерды», и это выгодно отличает их от большинства других нердов на телевидении.
Следующая глава >
biography.wikireading.ru
возникновение Вселенной. Религиозная теория возникновения Вселенной
Величие и многообразие окружающего мира способно поразить любое воображение. Все объекты и предметы, окружающие человека, другие люди, различные виды растений и животных, частицы, которые можно увидеть только с помощью микроскопа, а также непостижимые звездные скопления: все они объединены понятием «Вселенная».
Теории возникновения Вселенной разрабатывались человеком издавна. Несмотря на отсутствие даже начального понятия о религии или науке, в пытливых умах древних людей возникали вопросы о принципах мироустройства и о том, каково положение человека в том пространстве, которое его окружает. Сколько существует теорий возникновения Вселенной сегодня, сложно и сосчитать, некоторые из них изучаются передовыми учеными с мировыми именами, другие – откровенно фантастические.
Космология и ее предмет
Современная космология - наука о структуре и развитии Вселенной - рассматривает вопрос о ее происхождении как одну из интереснейших и до сих пор недостаточно изученных загадок. Природа процессов, способствовавших возникновению звезд, галактик, солнечных систем и планет, их развитие, источник появления Вселенной, а также ее размеры и границы: все это лишь краткий перечень изучаемых современными учеными вопросов.
Поиски ответов на основополагающую загадку об образовании мира привели к тому, что сегодня существуют различные теории возникновения, существования, развития Вселенной. Волнение специалистов, ищущих ответы, строящих и проверяющих гипотезы, оправдано, ведь достоверная теория рождения Вселенной раскроет для всего человечества вероятность существования жизни в других системах и планетах.
Теории возникновения Вселенной имеют характер научных концепций, отдельных гипотез, религиозных учений, философских представлений и мифов. Их все условно разделяют на две основные категории:
- Теории, в соответствии с которыми Вселенная создана творцом. Иначе говоря, их суть в том, что процесс создания Вселенной был осознанным и одухотворенным действием, проявлением воли высшего разума.
- Теории возникновения Вселенной, построенные на основе научных факторов. Их постулаты категорически отвергают как существование творца, так и возможность осознанного создания мира. Такие гипотезы зачастую основаны на том, что называется принципом заурядности. Они предполагают вероятность наличия жизни не только на нашей планете, но и на других.
Креационизм – теория создания мира Творцом
Как следует из названия, креационизм (творение) – это религиозная теория возникновения Вселенной. Это мировоззрение основано на концепции создания Вселенной, планеты и человека Богом или Творцом.
Идея длительное время являлась доминирующей, вплоть до конца XIX века, когда ускорился процесс накопления знаний в самых разных сферах науки (биология, астрономия, физика), а также широко распространилась эволюционная теория. Креационизм стал своеобразной реакцией христиан, придерживающихся консервативных взглядов на совершающиеся открытия. Доминирующая в то время идея эволюционного развития только усилила противоречия, существующие между религиозной и другими теориями.
Чем отличаются научные и религиозные теории
Главные отличия между теориями различных категорий заключаются прежде всего в терминах, которые используют их приверженцы. Так, в научных гипотезах вместо творца – природа, а взамен сотворения – происхождение. Наряду с этим существуют вопросы, которые сходным образом освещены разными теориями или даже полностью продублированы.
Теории возникновения Вселенной, относящиеся к противоположным категориям, по-разному датируют само ее появление. Например, по данным самой распространенной гипотезы (теории большого взрыва), Вселенная образовалась около 13 млрд лет назад.
В противовес этому, религиозная теория возникновения Вселенной приводит совершенно другие цифры:
- В соответствии с христианскими источниками, возраст Вселенной, созданной Богом, на момент рождения Иисуса Христа составлял 3483-6984 лет.
- Индуизм предполагает, что нашему миру ориентировочно 155 трлн лет.
Кант и его космологическая модель
Вплоть до XX века большинство ученых придерживались мнения о бесконечности Вселенной. Этим качеством они характеризовали время и пространство. Кроме того, по их мнению, Вселенная обладала статичностью и однородностью.
Идею о безграничности Вселенной в пространстве выдвинул Исаак Ньютон. Развитием этого предположения занимался Эммануил Кант, который разработал теорию об отсутствии также и временных границ. Продвинувшись дальше, в теоретических предположениях, Кант распространил бесконечность Вселенной на число возможных биологических продуктов. Этот постулат значил, что в условиях древнего и огромного мира без конца и начала может существовать неисчислимое количество возможных вариантов, в результате которых реально появление любого биологического вида.
На основании этой теории о возможном возникновении жизненных форм была позднее разработана теория Дарвина. Наблюдения за звездным небом и результаты расчетов астрономов подтвердили космологическую модель Канта.
Размышления Эйнштейна
В начале XX века Альбертом Эйнштейном была опубликована собственная модель Вселенной. Согласно его теории относительности, во Вселенной одновременно происходят два противоположных процесса: расширение и сжимание. Однако он соглашался с мнением большинства ученых о стационарности Вселенной, поэтому им было введено понятие космической силы отталкивания. Ее воздействие призвано уравновешивать притяжение звезд и прекращать процесс движения всех небесных тел для сохранения статичности Вселенной.
Модель Вселенной - по Эйнштейну - имеет определенный размер, но границы при этом отсутствуют. Такое сочетание осуществимо только при искривлении пространства таким образом, как это происходит в сфере.
Характеристиками пространства такой модели становятся:
- Трехмерность.
- Замыкание самого себя.
- Однородность (отсутствие центра и края), в которой равномерно располагаются галактики.
А. А. Фридман: Вселенная расширяется
Создатель революционной расширяющейся модели Вселенной, А. А. Фридман (СССР) построил свою теорию на основании уравнений, характеризующих общую теорию относительности. Правда, общепринятым мнением в научном мире того времени была статичность нашего мира, поэтому на его работы не было обращено должного внимания.
Через несколько лет астрономом Эдвином Хабблом было сделано открытие, давшее подтверждение идеям Фридмана. Было обнаружено удаление галактик от находящегося рядом Млечного пути. Вместе с тем неопровержимым стал факт сохранения пропорциональности скорости их движения расстоянию между ними и нашей галактикой.
Это открытие объясняет постоянное «разбегание» звезд и галактик по отношению друг к другу, что приводит к выводу о расширении мироздания.
В конечном счете выводы Фридмана были признаны Эйнштейном, впоследствии он упоминал о заслугах советского ученого как основателя гипотезы о расширении Вселенной.
Нельзя сказать, что существуют противоречия между этой теорией и общей теорией относительности, однако при расширении Вселенной должен был быть изначальный импульс, спровоцировавший разбегание звезд. По аналогии со взрывом, идея получила название «Большой взрыв».
Стивен Хокинг и антропический принцип
Результатом расчетов и открытий Стивена Хокинга стала антропоцентричная теория возникновения Вселенной. Ее создатель утверждает, что существование планеты, настолько хорошо подготовленной для жизни человека, не может быть случайным.
Теория возникновения Вселенной Стивена Хокинга предусматривает также постепенное испарение черных дыр, потерю ими энергии и испускание излучения Хокинга.
В результате поиска доказательств были выделены и проверены более 40 характеристик, соблюдение которых необходимо для развития цивилизации. Американским астрофизиком Хью Россом была произведена оценка вероятности подобного ненамеренного совпадения. Результатом оказалась цифра 10-53.
Наша Вселенная включает триллион галактик, по 100 миллиардов звезд в каждой. По произведенным учеными расчетам, общее количество планет должно составлять 1020. Эта цифра на 33 порядка меньше рассчитанной ранее. Следовательно, ни одна из планет во всех галактиках не может сочетать условия, которые подошли бы для самопроизвольного возникновения жизни.
Теория большого взрыва: возникновение Вселенной из ничтожно малой частицы
Ученые, поддерживающие теорию большого взрыва, разделяют гипотезу, в соответствии с которой мироздание является последствием грандиозного взрыва. Главным постулатом теории становится утверждение о том, что до этого события все элементы нынешней Вселенной были заключены в частице, имевшей микроскопические размеры. Находясь внутри нее, элементы характеризовались сингулярным состоянием, при котором такие показатели, как температура, плотность и давление не могут быть измерены. Они бесконечны. На материю и энергию в этом состоянии не воздействуют законы физики.
Причиной взрыва, происшедшего 15 миллиардов лет назад, называют возникшую внутри частицы нестабильность. Разлетевшиеся мельчайшие элементы положили начало тому миру, который мы знаем сегодня.
Вначале Вселенная была туманностью, образованной мельчайшими частицами (мельче атома). Затем, соединяясь, они сформировали атомы, которые послужили основой звездных галактик. Ответ на вопросы о том, что было до взрыва, а также, что стало его причиной, являются важнейшими из задач этой теории возникновения Вселенной.
Таблица схематически изображает этапы формирования мироздания после большого взрыва.
| Состояние Вселенной | Временная ось | Предполагаемая температура |
| Расширение (инфляция) | От 10-45до10-37 секунд | Больше 1026К |
| Появляются кварки и электроны | 10-6 с | Больше 1013 К |
| Образованы протоны и нейтроны | 10-5 с | 1012К |
| Возникают ядра гелия, дейтерия и лития | От 10-4 с до 3 мин | От 1011 до 109 К |
| Образованы атомы | 400 тыс. лет | 4000 К |
| Газовое облако продолжает расширяться | 15 млн лет | 300 К |
| Зарождаются первые звезды и галактики | 1 млрд лет | 20 К |
| Взрывы звезд провоцируют формирование тяжелых ядер | 3 млрд лет | 10 К |
| Прекращается процесс рождения звезд | 10-15 млрд лет | 3 К |
| Энергия всех звезд истощается | 1014 лет | 10-2 К |
| Черные дыры истощаются и рождаются элементарные частицы | 1040 лет | -20 К |
| Завершается испарение всех черных дыр | 10100 лет | От 10-60 до 10-40 К |
Как следует из приведенных выше данных, Вселенная продолжает расширяться и охлаждаться.
Постоянное увеличение расстояния между галактиками – основной постулат: то, чем отличается теория большого взрыва. Возникновение Вселенной таким способом может быть подтверждено найденными доказательствами. Также существуют и основания для ее опровержения.
Проблематика теории
Учитывая то, что теория большого взрыва не является доказанной на практике, не вызывает удивления то, что существует несколько вопросов, на которые она не в состоянии дать ответ:
- Сингулярность. Этим словом обозначено состояние Вселенной, сжатой до одной точки. Проблемой теории большого взрыва становится невозможность описания процессов, происходящих в материи и пространстве в таком состоянии. Общий закон относительности здесь неприменим, поэтому составить математическое описание и уравнения для моделирования нельзя.Принципиальная невозможность получения ответа на вопрос об изначальном состоянии Вселенной дискредитирует теорию с самого начала. Ее научно-популярные изложения предпочитают замалчивать или упоминать лишь вскользь эту сложность. Однако для ученых, работающих над тем, чтобы подвести математическую базу под теорию большого взрыва, такое затруднение признано главным препятствием.
- Астрономия. В этой сфере теория большого взрыва сталкивается с тем, что не может описать процесс происхождения галактик. Исходя из современных версий теорий, возможно предсказать то, как появляется однородное облако газа. При этом его плотность к нынешнему времени должна составлять около одного атома на кубический метр. Для получения чего-то большего не обойтись без корректировки исходного состояния Вселенной. Недостаток информации и практического опыта в этой сфере становятся серьезными препятствиями на пути дальнейшего моделирования.
Также существует несоответствие в показателях расчетной массы нашей галактики и теми данными, которые получены при изучении скорости ее притяжения к галактике Андромеды. Судя по всему, вес нашей галактики в десять раз больше, чем предполагали ранее.
Космология и квантовая физика
Сегодня нет космологических теорий, которые не опирались бы на квантовую механику. Ведь она занимается описанием поведения атомных и субатомных частиц. Отличие квантовой физики от классической (излагаемой Ньютоном) в том, что вторая наблюдает и описывает материальные объекты, а первая предполагает исключительно математическое описание самого наблюдения и измерения. Для квантовой физики материальные ценности не представляют предмета исследований, здесь сам наблюдатель выступает частью исследуемой ситуации.
Исходя из этих особенностей, квантовая механика испытывает затруднения с описанием Вселенной, ведь наблюдатель – это часть Вселенной. Однако, говоря о возникновении мироздания, невозможно представить посторонних наблюдателей. Попытки разработать модель без участия постороннего наблюдателя были увенчаны квантовой теорией возникновения Вселенной Дж. Уилера.
Ее суть в том, что в каждый момент времени происходит расщепление Вселенной и образование бесконечного количества копий. В итоге каждая из параллельных Вселенных может быть наблюдаема, а наблюдатели могут видеть все квантовые альтернативы. При этом изначальный и новые миры реальны.
Инфляционная модель
Основной задачей, которую призвана решить теория инфляции, становится поиск ответа на вопросы, оставшиеся неосвещенными теорией большого взрыва и теорией расширения. А именно:
- По какой причине Вселенная расширяется?
- Что представляет собой большой взрыв?
С этой целью инфляционная теория возникновения Вселенной предусматривает экстраполяцию расширения на нулевой момент времени, заключение всей массы Вселенной в одной точке и образование космологической сингулярности, которая часто именуется большим взрывом.
Очевидной становится неактуальность общей теории относительности, которая не может быть применена в этот момент. В результате для разработки более общей теории (или «новой физики») и решения проблемы космологической сингулярности можно применить только теоретические методы, вычисления и выводы.
Новые альтернативные теории
Несмотря на успешность модели космической инфляции, есть ученые, которые выступают против, называя ее несостоятельной. Их основным аргументом становится критика предлагаемых теорией решений. Противники утверждают, что полученные решения оставляют некоторые детали упущенными, иначе говоря, вместо решения проблемы начальных значений, теория лишь искусно их драпирует.
Альтернативой становятся несколько экзотических теорий, идея которых основана на формировании начальных значений до большого взрыва. Новые теории возникновения Вселенной кратко можно описать следующим образом:
- Теория струн. Ее приверженцы предлагают, кроме привычных четырех измерений пространства и времени, ввести дополнительные измерения. Они могли бы играть роль на ранних этапах Вселенной, а в данный момент находиться в компактифицированном состоянии. Отвечая на вопрос о причине их компактификации, ученые предлагают ответ, гласящий, что свойством суперструн является Т-дуальность. Поэтому струны «наматываются» на дополнительные измерения и их размер ограничивается.
- Теория бран. Ее также называют М-теорией. В соответствии с ее постулатами, в начале процесса образования Вселенной существует холодное статичное пятимерное пространство-время. Четыре из них (пространственные) имеют ограничения, или стены – три-браны. Наше пространство выступает одной из стен, а вторая является скрытой. Третья три-брана размещена в четырехмерном пространстве, ее ограничивают две граничные браны. Теория рассматривает столкновение третьей браны с нашей и высвобождение большого количества энергии. Именно эти условия становятся благоприятными для появления большого взрыва.
- Циклические теории отрицают уникальность большого взрыва, утверждая, что Вселенная переходит из одного состояния в другое. Проблемой подобных теорий становится возрастание энтропии, согласно второму закону термодинамики. Следовательно, длительность предыдущих циклов была меньшей, а температура вещества – существенно выше, чем при большом взрыве. Вероятность этого чрезвычайно мала.
Независимо от того, сколько существует теорий возникновения Вселенной, только две из них выдержали проверку временем и преодолели проблему всевозрастающей энтропии. Они были разработаны учеными Стейнхардтом-Тюроком и Баум-Фрэмптоном.
Эти относительно новые теории возникновения Вселенной выдвинуты в 80-х годах прошлого века. Они имеют немало последователей, которые разрабатывают модели на ее основе, занимаются поиском доказательств достоверности и работают над устранением противоречий.
Теория струн
Одна из наиболее популярных среди теории возникновения Вселенной - теория струн. Прежде чем перейти к описанию ее идеи, необходимо разобраться с понятиями одного из ближайших конкурентов, стандартной модели. Она предполагает, что материю и взаимодействия можно описать как определенный набор частиц, делящихся на несколько групп:
- Кварки.
- Лептоны.
- Бозоны.
Эти частицы являются, по сути, кирпичиками мироздания, так как они настолько малы, что их нельзя разделить на составляющие.
Отличительной чертой теории струн становится утверждение о том, что такие кирпичики являются не частицами, а ультрамикроскопическими струнами, совершающими колебания. При этом, колебаясь на различной частоте, струны становятся аналогами различных частиц, описанных в стандартной модели.
Для понимания теории следует осознать, что струны не являются никакой материей, это энергия. Следовательно, теория струн заключает, что все элементы Вселенной состоят из энергии.
Хорошей аналогией может служить огонь. При взгляде на него создается впечатление его материальности, однако его нельзя осязать.
Космология для школьников
Теории возникновения Вселенной коротко изучают в школах на уроках астрономии. Учащимся описывают основные теории о том, как был образован наш мир, что происходит с ним теперь и как он будет развиваться в дальнейшем. 
Целью уроков становится ознакомление детей с природой формирования элементарных частиц, химических элементов и небесных тел. Теории возникновения Вселенной для детей сводят к изложению теории большого взрыва. Преподаватели используют наглядный материал: слайды, таблицы, постеры, иллюстрации. Их основной задачей становится пробуждение у детей интереса к миру, который их окружает.
fb.ru
Квантовая физика двинулась в направлении Большого Взрыва
Современная физика не может описать, что произошло во время Большого Взрыва. Не говоря уж о том, что было до него. Квантовая теория и теория относительности не могут описать, что происходило в этом бесконечно плотном и бесконечно горячем первичном состоянии Вселенной. Только всеобъемлющая теория квантовой гравитации, которая объединяет два этих фундаментальных основания физической теории, может подсказать, с чего все началось.
Ученые из Института гравитационной физики Макса Планка сделали важное открытие в этой области. Согласно их теории, пространство состоит из крошечных «строительных блоков». Взяв это за отправную точку, ученые пришли к одному из самых фундаментальных космологических уравнений — уравнению Фридмана, которое описывает вселенную. Это наводит на мысль, что квантовая механика и теория относительности действительно могут быть объединены.
В течение почти века две крупнейших теории физики сосуществовали, но вступали в противоречие: в то время как общая теория относительности Эйнштейна описывает гравитацию, а значит и мир в целом, квантовая физика описывает мир атомов и элементарных частиц. Обе теории отлично работают в пределах ими самими очерченных границ, но ломаются в экстремальных пунктах, на очень малых дистанциях (длина Планка). Пространство и время, получается, не имеют значения в черных дырах и во время Большого Взрыва в первую очередь.
Даниэль Орити из Института Альберта Эйнштейна использует жидкость, чтобы проиллюстрировать эту ситуацию:
«Мы можем описать поведение текущей воды старой проверенной теорией гидродинамики. Но если мы будем сужаться до атомарных размеров, она перестанет работать. Нам понадобится квантовая физика», — подобно тому, как жидкость состоит из атомов, Орити считает, что и пространство должно быть построено из крошечных атомов пространства, а новая теория, которая должна описать их — квантовая гравитация.
Не удивительно — ранее мы писали, что термодинамика не работает на квантовых масштабах.
Непрерывное пространство разбивается на элементарные ячейки
Согласно эйнштейновской теории относительности, пространство представляет собой континуум. Орити разбивает это пространство на ячейки и применяет принципы квантовой физики к ним, к пространству и к теории относительности, описывающей его. Идея унификации именно в этом.
Фундаментальная проблема всех подходов к квантовой гравитации состоит в преодолении огромных масштабов от атомов пространства до измерений вселенной. Но здесь Орити и его коллеги Лоренцо Синдони и Стивен Жиден справились. Их подход заключается в так называемой теории группового поля. Он тесно связан с петлевой квантовой гравитацией, теорией которой занимались ученые.
Теперь перед ними лежит задача описать пространство вселенной в элементарных ячейках. Но как гидродинамику текущей воды можно применить к теории атомов?
Эта крайне сложная математическая задача привела к неожиданному успеху.
«Исходя из особых предположений, пространство состоит из строительных блоков и эволюционирует, как расширяющаяся вселенная», — объясняет Орити. — «Впервые нам удалось вывести уравнение Фридмана непосредственно из нашей полной теории структуры пространства».
Это фундаментальное уравнение, описывающее расширяющуюся вселенную, было разработано русским математиком Александром Фридманом в 1920-х годах на базе общей теории относительности. Ученые преуспели в сокращении разрыва между микромиром и макромиром, а значит и между квантмехом и ОТО: они показали, что пространство возникает как конденсат этих элементарных ячеек и эволюционирует во вселенную, которая чрезвычайно похожа на нашу.
Квантовая гравитация сможет ответить на вопросы относительно Большого Взрыва
Орити и его коллеги видят себя в начале трудного, но перспективного пути. В настоящее время их решение справедливо только для однородной Вселенной, но наш реальный мир является куда более сложным. Он содержит неоднородности, такие как планеты, звезды и галактики. Физики в настоящее время работают над включением их в свою теорию.
И они нацелились на очень серьезные вещи. С одной стороны, они хотят исследовать вопрос возможности описания пространства во время Большого Взрыва. Несколько лет назад Мартин Боховальд обнаружил, что в рамках упрощенной версии петлевой квантовой гравитации возможно проследить эволюцию пространства и времени обратно до Большого Взрыва. Эту теорию взяли на вооружение Орити и коллеги ученого.
Если все будет успешно, исследователи попытаются объяснить предполагаемое инфляционное расширение Вселенной сразу после Большого Взрыва, а также природу таинственной темной энергии, которая заставляет Вселенную расширяться с возрастающей скоростью.
Все ученые сходятся в одном: понять эволюцию Вселенной станет по-настоящему возможным только когда будет разработана теория квантовой гравитации. Но ее ищут более ста лет.
hi-news.ru
6 альтернатив теории Большого взрыва — Look At Me
Теория Большого взрыва стала почти такой же общепринятой космологической моделью, как и вращение Земли вокруг Солнца. Согласно теории, около 14 млрд лет назад спонтанные колебания в абсолютной пустоте привели к появлению Вселенной. Нечто, сравнимое по размеру с субатомной частицей, расширилось до невообразимых размеров за доли секунды. Но в этой теории существует много проблем, над которыми бьются физики, выдвигая всё новые и новые гипотезы.
Что не так с теорией Большого взрыва
Из теории следует, что все планеты и звёзды образовались из пыли, размётанной по космосу в результате взрыва. Но что предшествовало ему, неясно: здесь наша математическая модель пространства-времени перестаёт работать. Вселенная возникла из начального сингулярного состояния, к которому не применить современную физику. Теория также не рассматривает причины возникновения сингулярности или материи и энергии для её возникновения. Считается, что ответ на вопрос о существовании и происхождении начальной сингулярности даст теория квантовой гравитации.
Большинство космологических моделей предсказывают, что полная Вселенная имеет размер намного больший, чем наблюдаемая часть — сферическая область с диаметром примерно 90 млрд световых лет. Мы видим только ту часть Вселенной, свет от которой успел достичь Земли за 13,8 млрд лет. Но телескопы становятся всё лучше, мы обнаруживаем всё более дальние объекты, и пока нет оснований считать, что этот процесс остановится.
С момента Большого взрыва Вселенная расширяется с ускорением. Сложнейшая загадка современной физики — вопрос о том, что вызывает ускорение. Согласно рабочей гипотезе, во Вселенной содержится невидимая составляющая, называемая «тёмной энергией». Теория Большого взрыва не объясняет, будет ли Вселенная расширяться бесконечно, и если да, то к чему это приведёт — к её исчезновению или чему-то ещё.
Хотя ньютоновскую механику потеснила релятивистская физика, её нельзя назвать ошибочной. Тем не менее восприятие мира и модели для описания Вселенной полностью изменились. Теория Большого взрыва предсказала ряд вещей, которые не были известны до того. Таким образом, если на её место придёт другая теория, то она должна быть похожей и расширить понимание мира.
Мы остановимся на самых интересных теориях, описывающих альтернативные модели Большого взрыва.
Вселенная как мираж чёрной дыры
Вселенная возникла благодаря коллапсу звезды в четырёхмерной Вселенной, считают учёные из Института теоретической физики «Периметр». Результаты их исследования опубликовал журнал Scientific American. Ниайеш Афшорди, Роберт Манн и Рази Пурхасан говорят, что наша трёхмерная Вселенная стала подобием «голографического миража» при схлопывании четырёхмерной звезды. В отличие от теории Большого взрыва, согласно которой Вселенная возникла из чрезвычайно горячего и плотного пространства-времени, где не применяются стандартные законы физики, новая гипотеза о четырёхмерной вселенной объясняет как причины зарождения, так и её стремительного расширения
Согласно сценарию, сформулированному Афшорди и его коллегами, наша трёхмерная Вселенная — это своеобразная мембрана, которая плывёт сквозь ещё более объёмную вселенную, существующую уже в четырёх измерениях. Если бы в этом четырёхмерном космосе существовали свои четырёхмерные звёзды, они бы тоже взрывались, как и трёхмерные в нашей Вселенной. Внутренний слой становился бы чёрной дырой, а внешний выбрасывался бы в пространство.
В нашей Вселенной чёрные дыры окружены сферой, называемой горизонтом событий. И если в трёхмерном пространстве эта граница двухмерная (как мембрана), то в четырёхмерной вселенной горизонт событий будет ограничен сферой, существующей в трёх измерениях. Компьютерное моделирование коллапса четырёхмерной звезды показало, что её трёхмерный горизонт событий будет постепенно расширяться. Именно это мы и наблюдаем, называя рост 3D-мембраны расширением Вселенной, полагают астрофизики.
Большая заморозка
Альтернативой Большому взрыву может быть Большая заморозка. Команда физиков из Мельбурнского университета во главе с Джеймсом Кватчем представила модель рождения Вселенной, которая больше напоминает постепенный процесс заморозки аморфной энергии, чем её выплеск и расширение в трёх направлениях пространства.
Бесформенная энергия, по мнению учёных, подобно воде охладилась до кристаллизации, создав привычные три пространственных и одно временное измерение.
Теория Большой заморозки ставит под сомнение принятое в настоящее время утверждение Альберта Эйнштейна о непрерывности и плавности пространства и времени. Не исключено, что пространство имеет составные части — неделимые стандартные блоки наподобие крошечных атомов или пикселей в компьютерной графике. Эти блоки настолько малы, что их невозможно наблюдать, однако, следуя новой теории, можно обнаружить дефекты, которые должны преломлять потоки других частиц. Учёные вычислили такие эффекты с помощью математического аппарата, а теперь попытаются обнаружить их экспериментально.
Вселенная без начала и конца
Ахмед Фараг Али из Университета Бенха в Египте и Саурия Дас из Университета Летбриджа в Канаде предложили новое решение проблему сингулярности, отказавшись от Большого взрыва. Они привнесли в уравнение Фридмана, описывающее расширение Вселенной и Большой взрыв, идеи известного физика Дэвида Бома. «Удивительно, что небольшие поправки потенциально могут решить так много вопросов», — говорит Дас.
Полученная модель объединила в себе общую теорию относительности и квантовую теорию. Она не только отрицает сингулярность, предшествовавшую Большому взрыву, но и не допускает того, что Вселенная со временем сожмётся обратно в первоначальное состояние. Согласно полученным данным, Вселенная имеет конечный размер и бесконечное время жизни. В физическом выражении модель описывает Вселенную, наполненную гипотетической квантовой жидкостью, которая состоит из гравитонов — частиц, обеспечивающих гравитационное взаимодействие.
Учёные также утверждают, что их выводы соотносятся с последними результатами измерения плотности Вселенной.
Бесконечная хаотическая инфляция
Термин «инфляция» обозначает стремительное расширение Вселенной, происходившее по экспоненте в первые мгновения после Большого взрыва. Сама по себе теория инфляции не опровергает теорию Большого взрыва, а лишь по-другому интерпретирует её. Эта теория решает несколько фундаментальных проблем физики.
Согласно инфляционной модели, вскоре после зарождения Вселенная очень короткое время расширялась по экспоненте: её размер многократно удваивался. Учёные полагают, что за 10 в -36 степени секунд Вселенная увеличилась в размерах как минимум в 10 в 30–50 степени раз, а возможно, и больше. В конце инфляционной фазы Вселенная заполнилась сверхгорячей плазмой из свободных кварков, глюонов, лептонов и высокоэнергетичных квантов.
Концепция подразумевает, что в мире существует множество изолированных друг от друга вселенных с разным устройством
Физики пришли к выводу, что логика инфляционной модели не противоречит идее постоянного множественного рождения новых вселенных. Квантовые флуктуации — такие же, как те, из-за которых появился наш мир — могут возникать в любом количестве, если для этого есть подходящие условия. Вполне возможно, что наше мироздание вышло из флуктуационной зоны, сформировавшейся в мире-предшественнике. Можно также допустить, что когда-нибудь и где-нибудь в нашей Вселенной образуется флуктуация, которая «выдует» юную вселенную совершенно другого рода. По такой модели дочерние вселенные могут отпочковываться непрерывно. При этом вовсе не обязательно, что в новых мирах устанавливаются одни и те же физические законы. Концепция подразумевает, что в мире существует множество изолированных друг от друга вселенных с разным устройством.
Циклическая теория
Пол Стейнхардт, один из физиков, заложивших основы инфляционной космологии, решил развить эту теорию и дальше. Учёный, который возглавляет Центр теоретической физики в Принстоне, совместно с Нэйлом Тьюроком из Института теоретической физики «Периметр» изложил альтернативную теорию в книге Endless Universe: Beyond the Big Bang («Бесконечная Вселенная: За гранью Большого взрыва»). Их модель основана на обобщении теории квантовых суперструн, известной как М-теория. Согласно ей, физический мир имеет 11 измерений — десять пространственных и одно временное. В нём «плавают» пространства меньших размерностей, так называемые браны (сокращение от «мембраны»). Наша Вселенная — просто одна из таких бран.
Модель Стейнхардта и Тьюрока утверждает, что Большой взрыв произошёл в результате столкновения нашей браны с другой браной — неизвестной нам вселенной. По этому сценарию столкновения происходят бесконечно. Согласно гипотезе Стейнхардта и Тьюрока, рядом с нашей браной «плавает» ещё одна трёхмерная брана, отделённая крошечным расстоянием. Она также расширяется, уплощается и пустеет, но через триллион лет браны начнут сближаться и в конце концов столкнутся. При этом выделится огромное количество энергии, частиц и излучения. Этот катаклизм запустит очередной цикл расширения и охлаждения Вселенной. Из модели Стейнхардта и Тьюрока следует, что эти циклы были и в прошлом и обязательно повторятся в будущем. С чего эти циклы начались, теория умалчивает.
Вселенная как компьютер
Ещё одна гипотеза об устройстве мироздания гласит, что весь наш мир — это не более чем матрица или компьютерная программа. Идею о том, что Вселенная представляет собой цифровой компьютер, впервые выдвинул немецкий инженер и пионер компьютеростроения Конрад Цузе в книге Calculating Space («Вычислительное пространство»). Среди тех, кто также рассматривал Вселенную как гигантский компьютер, значатся физики Стивен Вольфрам и Герард 'т Хоофт.
Теоретики цифровой физики предполагают, что Вселенная — по сути информация, и, следовательно, она вычислима. Из этих предположений следует, что Вселенную можно рассматривать как результат работы компьютерной программы или цифрового вычислительного устройства. Этот компьютер может быть, например, гигантским клеточным автоматом или универсальной машиной Тьюринга.
Косвенным доказательством виртуальной природы Вселенной называют принцип неопределённости в квантовой механике
Согласно теории, всякий предмет и событие физического мира происходит из постановки вопросов и регистрации ответов «да» или «нет». То есть за всем, что нас окружает, скрывается некий код, аналогичный бинарному коду компьютерной программы. А мы — своего рода интерфейс, с помощью которого появляется доступ к данным «вселенского интернета». Косвенным доказательством виртуальной природы Вселенной называют принцип неопределённости в квантовой механике: частицы материи могут существовать в неустойчивой форме, а «закрепляются» в конкретном состоянии только при наблюдении за ними.
Последователь цифровой физики Джон Арчибальд Уилер писал: «Не было бы неразумным представить, что информация находится в ядре физики так же, как в ядре компьютера. Всё из бита. Иными словами, всё сущее — каждая частица, каждое силовое поле, даже сам пространственно-временной континуум — получает свою функцию, свой смысл и, в конечном счёте, само своё существование».
фотографии via NASA's Marshall Space Flight Center, Øyvind Tufto
www.lookatme.ru
Большой Взрыв. Квантовый ум [Грань между физикой и психологией]
Большой Взрыв
Открытие расширяющейся Вселенной породило вопросы о том, что заставляет Вселенную расширяться. Сегодня ответом на вопрос о причинах расширения Вселенной служит теория Большого Взрыва. Наблюдения Хаббла позволяли предполагать, что Вселенная начиналась со взрыва и будет расширяться до тех пор, пока тяготение не заставит ее снова сжиматься. Когда будет израсходована энергия Большого Взрыва, вся материя, из которой состоит Вселенная, перестанет расширяться и начнет возвращаться в первоначальное состояние. Затем сила тяготения начнет сживать Вселенную, пока она не станет очень плотной. Это скопление материи будет таким плотным и массивным, что его сила тяготения будет всасывать в него все, включая фотоны света. Если фотоны света не могут излучаться или испускаться из сжатой массивной Вселенной, то такая плотная материя станет невидимой. Она станет тем, что называют «черной дырой».
Рис. 29.4.Свет, проходящий вблизи черной дыры, втягивается в нее и не может вырваться
Черные дыры невозможно видеть, поскольку для того, чтобы видеть объект, нам нужно, чтобы он светился сам или отражал свет. Если тяготение настолько сильно, что свет не может покидать объект, свет оказывается запертым там, и объект становится невидимым.
Звезды расширяются из-за взрывной атомной энергии в их массивных ядрах, но когда эта энергия выгорает вследствие исчерпания сжатого топлива, тяготение частей звезды начинает их стягивать, и звезда начинает коллапсировать. Наше солнце в конце концов выгорит и сожмется в шар радиусом около двух миль. Согласно теории Большого Взрыва, вся Вселенная, известная нам сейчас, тоже сожмется и будет занимать объем, примерно равный размеру Земли.
В настоящее время наша Вселенная все еще расширяется из первоначальной плотной, сжатой массы. Когда материя звезды коллапсирует и становится черной дырой, ее ядро становится плотнее и горячее. Когда оно становится сверхплотным, его притяжение огромно, и от звезды не может исходить свет. Затем она должна остыть, прежде чем свет сможет снова испускаться. Когда это происходит, звезды, ставшие черными дырами, снова начинают расширяться. Такова, вкратце, теория Большого Взрыва и расширяющейся Вселенной4.
С момента введения этой теории вокруг нее было множество споров. Сегодня подавляющее большинство физиков соглашаются с теорией Большого Взрыва, а именно с тем, что Вселенная начиналась как черная дыра сжатой материи, в которой произошел гигантский взрыв, создавший известную нам сегодня расширяющуюся Вселенную[29].
Согласно физической теории, сейчас Вселенная, по-видимому, находится в фазе расширения, но на другом этапе она будет коллапсировать. Ученые утверждают, что у нас есть еще пять миллиардов лет до того, как это случится. После коллапса наша Вселенная будет снова расширяться.
Альтернативой теории Большого Взрыва является теория Непрерывного Творения. Проблема этой теории состоит в том, что для того, чтобы удерживать Вселенную в устойчивом состоянии, во многих ее местах должно непрерывно происходить творение. Теоретически, это непрерывное творение обеспечивало бы постоянство плотности материи на огромных расстояниях. До сих пор никому не удалось показать, что это так, и потому большинство космологов думают о гигантском изначальном огненном шаре – большом взрыве, который сейчас расширяется, но со временем будет коллапсировать[30].
Поделитесь на страничкеСледующая глава >
fil.wikireading.ru
большой взрыв - Стр 2
Итак, теория большого взрыва сталкивается с непреодолимыми проблемами буквально с самого начала. В научно-популярных изложениях теории большого взрыва сложности, связанные с исходной сингулярностью, либо замалчиваются, либо упоминаются вскользь, но в специальных статьях ученые, делающие попытки подвести математическую базу под эту теорию, признают их главным препятствием. Профессора математики С. Хоукинг из Кембриджа и Г. Эллис из Кейптауна отмечают в своей монографии «Крупномасштабная структура пространства-времени»: «На наш взгляд, вполне оправданно считать физическую теорию, которая предсказывает сингулярность, несостоявшейся». И далее: «результаты наших наблюдений подтверждают предположение о том, что Вселенная возникла в определенный момент времени. Однако сам момент начала творения, сингулярность, не подчиняется ни одному из известных законов физики».
Понятно, что любая гипотеза о происхождении Вселенной, которая постулирует, что исходное состояние Вселенной не поддается физическому описанию, выглядит довольно подозрительно. Но это еще полбеды. Следующий вопрос: откуда взялась сама сингулярность? И ученые вынуждены объявить математически неописуемую точку бесконечной плотности и бесконечно малых размеров, существующую вне пространства и времени, безначальной причиной всех причин.
Не желая мириться с подобной перспективой, теоретики разработали несколько вариантов теории большого взрыва, в которых пытаются обойти проблему сингулярности. Один из возможных подходов - постулировать, что сингулярность при зарождении Вселенной была не совершенной. Б. Лоувел утверждает, что сингулярность в теории большого взрыва «часто представлялась как математическая проблема, возникшая из постулата об однородности Вселенной». Все классические модели Вселенной, появившейся в результате большого взрыва, обладают идеальной математической симметрией, и некоторые физики сочли это причиной появления сингулярных корней уравнений, описывающих исходное состояние Вселенной. Чтобы скорректировать это, теоретики стали вводить в свои модели асимметрию, аналогичную той, которую можно видеть в наблюдаемой Вселенной. Таким образом, они надеялись внести в исходное состояние Вселенной достаточную неупорядоченность, необходимую для того, чтобы оно не сводилось к точке. Однако все их надежды были разрушены Хоукингом и Эллисом, которые утверждают, что, согласно их расчетам, модель большого взрыва с асимметричным распределением материи в любом случае должна иметь сингулярность в исходной точке."
Проблема сингулярности является лишь частью более общей проблемы, проблемы возникновения Вселенной (независимо от того, каким было ее начальное состояние). Если какая-либо модель Вселенной постулирует сингулярность, это, несомненно, создает очень большие теоретические трудности. Но даже если сингулярности можно избежать, то основной вопрос по-прежнему остается без ответа: откуда, собственно, появилась Вселенная? Надеясь уклониться от ответа на этот вопрос, некоторые ученые предложили теорию так называемой «бесконечно пульсирующей Вселенной». В соответствии с этой теорией, Вселенная расширяется, а затем сжимается до сингулярности, затем вновь расширяется и снова сжимается. У нее нет ни начала, ни конца. Это снимает вопрос о происхождении Вселенной - она ниоткуда не возникает, а существует вечно.
Но и эта модель не лишена серьезных недостатков. Прежде всего, до сих пор никто не смог удовлетворительно объяснить механизм пульсирования. Далее, в своей работе «Первые три минуты» С. Вайнберг утверждает, что каждый цикл расширения и сжатия должен приводить к определенным прогрессирующим изменениям во Вселенной, а это значит, что у Вселенной должно быть начало, иначе вся история Вселенной будет регрессом, растянувшимся на вечностью. Таким образом, перед нами вновь встает вопрос о происхождении Вселенной.
Другой попыткой уйти от вопроса о происхождении Вселенной была предложенная английским астрофизиком П. Дэвисом модель «пульсирующей Вселенной с обращением хода времени». Согласно этой теории, Вселенная сначала расширяется, а затем сжимается до сингулярности, причем в начале каждого следующего цикла расширения-сжатия время поворачивает вспять, приводя, в конце концов, к сингулярности, с которой начинался предыдущий цикл. Согласно этой модели, прошлое становится будущим, а будущее - прошлым, так что понятие «начало Вселенной» лишается смысла. Этот сценарий дает некоторое представление о том, на какие ухищрения вынуждены пускаться ученые-космологи, чтобы как-то объяснить происхождение Вселенной.
Помимо вопроса о происхождении Вселенной, современные космологи сталкиваются с рядом других проблем. Чтобы стандартная теория большого взрыва могла предсказать то распределение материи, которое мы наблюдаем, ее исходное состояние должно характеризоваться очень высокой степенью организованности. Сразу же возникает вопрос: каким образом такая структура могла образоваться? Физик А. Гут из Массачусетского технологического института предложил свою версию теории большого взрыва, которая объясняет спонтанное возникновение этой организации, устраняя необходимость искусственно вводить точные параметры в уравнения, описывающие исходное состояние Вселенной. Его модель была названа «инфляционной Вселенной». Суть ее в том, что внутри быстро расширяющейся, пере гретой Вселенной небольшой участок пространства охлаждается и начинает расширяться сильнее, подобно тому, как переохлажденная вода стремительно замерзает, расширяясь при этом. Эта фаза быстрого расширения позволяет устранить некоторые проблемы, присущие стандартным теориям большого взрыва.
Однако модель Гута тоже не лишена недостатков. Чтобы уравнения Гута правильно описывали инфляционную Вселенную, ему пришлось очень точно задавать исходные параметры для своих уравнений. Таким образом, он столкнулся с той же проблемой, что и создатели других теорий. Он надеялся избавиться от необходимости задавать точные параметры условий большого взрыва, но для этого ему пришлось вводить собственную параметризацию, оставшуюся необъясненной. Гут и его соавтор П. Штайнгарт признают, что в их модели «расчеты приводят к приемлемым предсказаниям только в том случае, если заданные исходные параметры уравнений варьируют в очень узком диапазоне. Большинство теоретиков (включая и нас самих) считают подобные исходные условия маловероятными». Далее авторы говорят о своих надеждах на то, что когда-нибудь будут разработаны новые математические теории, которые позволят им сделать свою модель более правдоподобной.
Эта зависимость от еще не открытых теорий - другой недостаток модели Гута. Теория единого поля, на которой основывается модель инфляционной Вселенной, полностью гипотетична и «плохо поддается экспериментальной проверке, так как большую часть ее предсказаний невозможно количественно проверить в лабораторных условиях». (Теория единого поля - это достаточно сомнительная попытка ученых связать воедино некоторые основные силы Вселенной.)
Другой недостаток теории Гута - это то, что в ней ничего не говорится о происхождении перегретой и расширяющейся материи. Гут проверил совместимость своей инфляционной теории с тремя гипотезами происхождения Вселенной. Сначала он рассмотрел стандартную теорию большого взрыва. В этом случае, по мнению Гута, инфляционный эпизод должен был произойти на одной из ранних стадий эволюции Вселенной. Однако эта модель ставит перед нами неразрешимую проблему сингулярности. Вторая гипотеза постулирует, что Вселенная возникла из хаоса. Некоторые ее участки были горячими, другие - холодными, одни расширялись, а другие сжимались. В этом случае инфляция должна была начаться в перегретой и расширяющейся области Вселенной. Правда, Гут признает, что эта модель не может объяснить происхождение первичного хаоса.
Третья возможность, которой Гут отдает предпочтение, заключается в том, что перегретый расширяющийся сгусток материи возникает квантово-механическим путем из пустоты. В статье, появившейся в журнале «Сайентифик Америкэн» в 1984 году, Гут и Штайнгарт утверждают: «Инфляционная модель Вселенной дает нам представление о возможном механизме, при помощи которого наблюдаемая Вселенная могла появиться из бесконечно малого участка пространства. Зная это, трудно удержаться от соблазна сделать еще один шаг и прийти к выводу, что Вселенная возникла буквально из ничего».
Однако какой бы привлекательной ни была эта идея для ученых, готовых ополчиться на любое упоминание о возможности существования высшего сознания, создавшего Вселенную, при внимательном рассмотрении она не выдерживает критики. «Ничто», о котором говорит Гут, - это гипотетический квантово-механический вакуум, описываемый еще не разработанной теорией единого поля, которая должна объединить уравнения квантовой механики и общей теории относительности. Другими словами, в данный момент этот вакуум невозможно описать даже теоретически.
Надо отметить, что физики описали более простой тип квантово-механического вакуума, который представляет собой море так называемых «виртуальных частиц», фрагментов атомов, которые «почти существуют». Время от времени некоторые из этих субатомных частиц переходят из вакуума в мир материальной реальности. Это явление получило название вакуумных флуктуаций. Вакуумные флуктуации невозможно наблюдать непосредственно, однако теории, постулирующие их существование, были подтверждены экспериментально. Согласно этим теориям, частицы и античастицы без всякой причины возникают из вакуума и практически сразу исчезают, аннигилируя друг друга. Гут и его коллеги допустили, что в какой-то момент вместо крошечной частицы из вакуума появилась целая Вселенная, и вместо того, чтобы сразу исчезнуть, эта Вселенная каким-то образом просуществовала миллиарды лет. Авторы этой модели решили проблему сингулярности, постулировав, что состояние, в котором Вселенная появляется из вакуума, несколько отличается от состояния сингулярности.
Однако у этого сценария есть два основных недостатка. Во-первых, можно только удивляться смелости фантазии ученых, распространивших достаточно ограниченный опыт с субатомными частицами на целую Вселенную. С. Хоукинг и Г. Эллис мудро предостерегают своих излишне увлекающихся коллег: «Предположение о том, что законы физики, открытые и изученные в лаборатории, будут справедливы в других точках пространственно-временного континуума, безусловно, очень смелая экстраполяция». Во-вторых, строго говоря, квантово-механический вакуум нельзя называть «ничто». Описание квантово-механического вакуума даже в самой простой из существующих теорий занимает множество страниц в высшей степени абстрактных математических выкладок. Такая система, несомненно, представляет собой «нечто», и сразу же встает все тот же упрямый вопрос: «Как возник столь сложно организованный "вакуум"?»
Вернемся к изначальной проблеме, для решения которой Гут создал инфляционную модель: проблеме точной параметризации исходного состояния Вселенной. Без такой параметризации невозможно получить наблюдаемое распределение материи во Вселенной. Как мы убедились, решить эту проблему Гуту не удалось. Более того, сомнительной представляется сама возможность того, что какая-нибудь версия теории большого взрыва, включая версию Гута, может предсказать наблюдаемое распределение материи во Вселенной. Высокоорганизованное исходное состояние в модели Гута, по его же словам, в конце концов, превращается во «Вселенную» диаметром 10 сантиметров, наполненную однородным сверхплотным, перегретым газом. Она будет расширяться и остывать, но нет никаких оснований предполагать, что она когда-нибудь превратится в нечто большее, чем однородное облако газа. По сути дела, к этому результату приводят все теории большого взрыва. Если Гуту пришлось пускаться на многие ухищрения и делать сомнительные допущения, чтобы в конце концов получить Вселенную в виде облака однородного газа, то можно представить себе, каким должен быть математический аппарат теории, приводящей ко Вселенной в том виде, в каком мы ее знаем! Хорошая научная теория дает возможность предсказывать многие сложные природные явления, исходя из простой теоретической схемы. Но в теории Гута (и любой другой версии теории большого взрыва) все наоборот: в результате сложных математических выкладок мы получаем расширяющийся пузырь однородного газа. Несмотря на это, научные журналы печатают восторженные статьи об инфляционной теории, сопровождающиеся многочисленными красочными иллюстрациями, которые должны создать у читателя впечатление, что Гут наконец достиг заветной цели - нашел объяснение происхождения Вселенной. Мы бы не стали торопиться с такими заявлениями. Честнее было бы просто открыть постоянную рубрику в научных журналах, чтобы публиковать в ней теорию происхождения Вселенной, модную в этом месяце.
Трудно даже представить себе всю сложность исходного состояния и условий, необходимых для возникновения нашей Вселенной со всем многообразием ее структур и организмов. В случае нашей Вселенной степень этой сложности такова, что ее едва ли можно объяснить с помощью одних физических законов.
Теоретики прибегают к помощи так называемого «антропического принципа».
По их гипотезе, квантово-механический вакуум производит вселенные миллионами. Но в большинстве из них нет условий, необходимых для возникновения жизни, поэтому никто не может исследовать эти миры. В то же время в других вселенных, включая нашу собственную, сложились подходящие условия для появления исследователей, поэтому нет ничего удивительного в том, что в этих вселенных царит такой неправдоподобный порядок. Иначе говоря, сторонники антропического принципа принимают сам факт существования человека за объяснение упорядоченной структуры Вселенной, которая создала условия для возникновения человека. Однако подобные логические увертки ничего не объясняют.
Другой формой псевдонаучной казуистики является утверждение о том, что Вселенная появилась по воле слепого случая. Эти слова тоже ровным счетом ничего не объясняют. Сказать, что нечто, появившееся один раз, появилось случайно - значит просто сказать, что оно появилось. Такого рода утверждения нельзя считать научным объяснением, так как они не содержат в себе никакой новой информации. Другими словами, эти «объяснения» ни на шаг не приблизили ученых к решению проблемы происхождения Вселенной.
Да простят нас теоретики, но мы осмелимся предположить, что методы, которыми они пользуются, неадекватны поставленной задаче. Два основных интеллектуальных инструмента, используемых космологами для описания эволюции Вселенной, - это общая теория относительности и квантовая механика. Однако, вдобавок ко всем трудностям, уже описанным нами, обе эти теории сами не без изъянов. Спору нет, эти теории достаточно хорошо описывают некоторые физические явления, однако это еще не доказывает, что они совершенны во всех отношениях.
Общая теория относительности описывает искривленное пространство время и является неотъемлемой частью любой современной теории происхождения Вселенной. Поэтому если общая теория относительности нуждается в пересмотре, то любая космологическая теория, основанная на ней, тоже нуждается в поправках.
Применение общей теории относительности, так же как и более ранней теории Эйнштейна, частной теории относительности, сопряжено с одной трудностью: в обеих понятие времени переосмыслено. В ньютоновой физике время рассматривается как переменная, независимая от пространства. Благодаря этому мы можем описать траекторию движения объекта в пространстве и времени: в данный момент времени объект находится в определенной точке пространства, а со временем его положение меняется. Но теория относительности Эйнштейна объединяет пространство и время в четырехмерный континуум, так что про объект уже нельзя сказать, что в определенный момент времени он занимает определенное положение в пространстве. Релятивистское описание объекта показывает его положение в пространстве и времени как единое целое, от начала и до конца существования объекта. Например, человек, с точки зрения теории относительности, представляет собой пространственно-временное единство, от зародыша во чреве матери до трупа (так называемый «пространственно-временной червь»). Этот «червь» не может сказать: «Сейчас я взрослый, а раньше был ребенком». Течения времени не существует. Вся жизнь человека представляет собой единое целое. Такой взгляд на человека обесценивает наше личное восприятие прошлого, настоящего и будущего, вынуждая нас поставить под сомнение саму реальность этого восприятия.
В своем письме к М. Бессо Эйнштейн писал: «Ты должен согласиться с тем, что субъективное время с его акцентом на настоящем не имеет объективного смысла»." После смерти Бессо, Эйнштейн выразил свое соболезнование его вдове следующим образом: «Майкл немного опередил меня, покинув этот странный мир. Однако это не имеет значения. Для нас, убежденных физиков, различие между прошлым, настоящими будущим - хоть и навязчивая, но всего лишь иллюзия». « По сути дела, эти представления отрицают сознание, которое подчеркивает реальность переживаемого момента. Наше нынешнее тело мы ощущаем как реальное, тогда как наше детское тело сохранилось только в памяти. Для нас нет никаких сомнений в том, что мы занимаем определенное место в пространстве в данный момент времени. Теория относительности превращает серии событий в единые пространственно-временные структуры, но мы ощущаем их как последовательность определенных этапов во времени. Следовательно, любая модель происхождения Вселенной, построенная на основе теории относительности, не способна объяснить наше восприятие времени, и потому все эти модели в их современном виде несовершенны и неприемлемы.
Все современные космологические теории также опираются на квантовую механику, которая описывает поведение атомных и субатомных частиц. Квантовая физика принципиально отличается от классической, ньютоновой физики. Классическая физика занимается описанием поведения материальных объектов, в то время как квантовая физика сосредоточена только на математическом описании процессов наблюдения и измерения. Вещественная материальная реальность исчезает из поля ее зрения. Нобелевский лауреат В. Гейзенберг говорит: «Оказалось, что мы больше не способны отделить поведение частицы от процесса наблюдения. В результате нам приходится мириться с тем, что законы природы, которые квантовая механика формулирует в математическом виде, имеют отношение не к поведению элементарных частиц как таковых, а только к нашему знанию об этих частицах». В квантовой механике наряду с объектом исследования и инструментами исследования элементом анализируемой картины становится наблюдатель.
Однако применение квантовой механики для описания Вселенной сопряжено с серьезными трудностями. По определению, все наблюдатели являются частью Вселенной. В случае Вселенной мы лишены возможности представить себе постороннего наблюдателя. В попытке сформулировать версию квантовой механики, которая не нуждается в постороннем наблюдателе, известный физик Дж. Уилер предложил модель, в соответствии с которой Вселенная постоянно расщепляется на бесконечное количество копий. Каждая параллельная Вселенная имеет своих наблюдателей, которые видят данный конкретный набор квантовых альтернатив, и все эти Вселенные реальны.
В. Вит пишет о своей реакции на эту теорию в журнале «Физикс тудэй»: «Я до сих пор помню потрясение, которое испытал, впервые ознакомившись с теорией множественности миров. Идея о том, что каждое мгновение из меня появляется 10 в 100-ой степени слегка отличающихся друг от друга двойников, и каждый из них продолжает беспрестанно делиться, пока не изменится до неузнаваемости, не укладывается в рамки здравого смысла. Вот уж поистине картина бесконечно прогрессирующей шизофрении». Это всего лишь один пример фантастических гипотез, которые приходится выдвигать ученым, чтобы согласовать теорию большого взрыва с квантовой механикой.
Однако на этом беды ученых, избравших путь материалистического редукционизма, не кончаются. Мало того, что теория относительности и квантовая механика сами по себе в применении к космологии приводят к нелепым и фантастическим моделям. Чтобы по-настоящему оценить всю шаткость надежд ученых когда-либо найти разгадку происхождения Вселенной, нужно знать, что они возлагают их главным образом на еще не созданную теорию единого поля (ТЕП), которая должна будет объединить в себе теорию относительности и квантовую механику. Они надеются, что эта теория опишет все силы, действующие во Вселенной, с помощью одного компактного математического выражения. При этом теория относительности необходима для описания общей структуры пространства-времени, а квантовая механика - для объяснения поведения субатомных частиц. К сожалению, обе теории явно противоречат друг другу.
Первым шагом на пути к математической интеграции обеих теорий является теория квантового поля. Эта теория пытается описать поведение электронов, объединяя квантовую механику и частную теорию относительности Эйнштейна. Такое объединение идей оказалось довольно успешным, но в то же время английский физик, лауреат Нобелевской премии П. Дирак, автор теории квантового поля, признался: «Похоже, что поставить эту теорию на солидную математическую основу практически невозможно». Вторым и гораздо более сложным шагом должна быть интеграция общей теории относительности и квантовой механики, но пока никто не имеет ни малейшего представления о том, как это сделать. Даже такие признанные авторитеты, как Нобелевский лауреат С. Вайнберг, признают, что только для создания математического аппарата новой теории понадобится столетие или два.
Со времен Ньютона и Галилея физики ставят перед собой задачу дать математическое описание исследуемого явления. Это математическое описание должно быть подтверждено наблюдениями и затем проверено экспериментально. Мы уже убедились, что теории большого взрыва не отвечают этим требованиям. Одним из основных требований, предъявляемых к физическим теориям, являлась простота, но, как мы видим, теории большого взрыва не отвечают и этому критерию. С каждой новой формулировкой они принимают все более и более причудливые формы. Эти теории представляют собой как раз то, что так претило Ньютону и Галилею - досужие вымыслы, призванные заполнить зияющий пробел в наших знаниях.
Таким образом, теории большого взрыва не могут претендовать на роль научного объяснения происхождения Вселенной. Однако в научно-популярных журналах, телевизионных передачах и в учебниках ученые сознательно пытаются создать впечатление, что им удалось объяснить происхождение Вселенной. Как говорится, не обманешь - не продашь. Трудно представить себе что-либо более далекое от истины.
Мы уже убедились, что все попытки космологов втиснуть Вселенную в узкие рамки своих материалистических представлений ни к чему не привели. Более того, их теории не соответствуют даже их собственным представлениям о строении Вселенной. Например, теория большого взрыва не может объяснить существование галактик. Представьте себе гениального ученого, который досконально знает все современные космологические теории, но не имеет понятия об астрономии. Сможет ли он предсказать существование галактик? Нет. Современные версии космологических теорий предсказывают только появление однородного облака газа. Плотность этого облака к настоящему времени должна быть не больше одного атома на кубометр - немногим лучше, чем вакуум. Чтобы получить нечто большее, требуется корректировка исходного состояния Вселенной, которую очень трудно научно обосновать. По традиции физическая теория считается приемлемой, только если она обладает предсказательной силой. Ценность теории, которую нужно долго подгонять, чтобы выжать из нее какие-то предсказания, очень сомнительна.
С. Вайнберг в своей книге «Первые три минуты» пишет: «Теория возникновения галактик представляет собой одну из самых трудных проблем астрофизики, проблем, еще очень далеких от разрешения». « Но затем он сразу оговаривается: «Однако это совсем другая история». Почему же другая? Это как раз та самая история! Если теория большого взрыва не может объяснить происхождение не только самой Вселенной, но и одного из основных компонентов Вселенной - галактик, то что же она вообще объясняет? Судя по всему, не слишком много.
Одна из неразгаданных тайн Вселенной: ученые предполагают, что галактики могут быть окружены ореолом невидимой материи, масса которой в девять раз превышает их собственную.
Теория «большого взрыва» должна, по идее, объяснять строение Вселенной, но беда в том, что многие характеристики Вселенной еще недостаточно изучены, чтобы их можно было объяснять. Одной из интригующих загадок является проблема «недостающей массы». «Измеряя световую энергию, излучаемую Млечным Путем, можно приблизительно определить массу нашей галактики. Она равняется массе ста миллиардов Солнц. Однако, изучая закономерности взаимодействия того же Млечного Пути с близлежащей галактикой Андромеды, мы обнаружим, что наша галактика притягивается к ней так, как будто весит в десять раз больше», объясняет Давид Шрамм, профессор Чикагского университета. Таким образом, разница в массе, определенной двумя методами, составляет 90%. Чтобы объяснить это, ученые решили списать недостаток массы на призрачные субатомные частицы, называемые «нейтрино». Первоначально нейтрино считались невесомыми, но, когда потребовалось, им приписали массу, чтобы «обнаружить» недостающую массу галактики. Очень удобно.
Даже если отложить вопрос о происхождении Вселенной и обратиться к ее строению, мы увидим, что и тут далеко не все обстоит благополучно. Ученые уверенно заявляют, что Вселенная простирается на Х световых лет и что ее возраст - У миллиардов лет. Они утверждают, что знают природу всех основных космических объектов: звезд, галактик, туманностей, квазаров и т.д. В то же время мы не имеем ясного представления даже о галактике Млечного Пути, к которой мы принадлежим.
Например, в журнале «Сайентифик Америкэн» известный астроном Б. Дж. Бок пишет: «Я вспоминаю середину семидесятых годов, когда я и мои коллеги, исследователи Млечного Пути, были абсолютно уверены в себе... В то время никому не могло прийти в голову, что очень скоро нам придется пересмотреть свои представления о размерах Млечного Пути, увеличив его диаметр втрое, а массу вдесятеро». Если даже такие параметры были столь кардинально изменены после десятков лет наблюдений и исследований, то что можно ожидать от будущего?! Не придется ли нам еще более кардинально менять свои взгляды?
studfiles.net
