И вновь о Большом взрыве
У теории Большого взрыва много сторонников, но в то же время эта теория имеет и много противников в учёных кругах. Сказать, кто из них прав очень трудно, поскольку приводимые доводы, как с одной стороны, так и с другой, весьма весомы и имеют право на раздельное существование. В этой небольшой статье я не собираюсь утверждать что-то конкретное и принимать сторону кого-то из спорящих в непростом понимании возникновения нашей Вселенной. Скорее это статья-вопрос, как к сторонникам теории Большого Взрыва, так и к их оппонентам.
И так, вначале обратимся к сторонникам Большого взрыва. По их представлениям, наблюдаемая сейчас нами Вселенная возникла 13,77 ± 0,059 млрд лет назад из некоторого начального сингулярного состояния, и с тех пор непрерывно расширяется, и охлаждается. Что такое космологическая сингулярность? По представлению ведущих учёных астрофизиков, космологов, это некая точка, не имеющая объёма, но имеющая бесконечно плотное вещество, с бесконечной массой и бесконечно высокой температурой. В соответствии с теорией относительности Эйнштейна, физические объекты не могут обладать сингулярностью. То есть на практике, никакое вещество или материя не могут иметь массу, плотность или температуру, равную бесконечности. А вот математика слывёт как теоретическая наука, потому в ней есть место функциям с бесконечными значениями. Накладывая одну область знаний на другую, мы получаем примерные расчёты того, что могло происходить в момент Большого взрыва. Это, как уже говорилось, точки с бесконечными физическими величинами. Такое явление получило название физическая или космическая сингулярность. Но её законы несопоставимы с теорией относительности. Объяснить такое явление может только новая теория квантовой гравитации, но такой теории ещё не существует, но имеются определённые расчёты и предпосылки, которые могут стать её основой. Считается, что ответ на вопрос о существовании и происхождении начальной сингулярности даст теория квантовой гравитации. А пока что вопрос: «Как в точке, не имеющей объёма, могло поместиться бесконечная масса вещества, с бесконечной плотностью и бесконечно высокой температурой?», остаётся открытым. Космологическая сингулярность – это чисто математические выкладки, не подтверждённые теорией относительности Эйнштейна. Хотя, многие современные учёные ставят под сомнение выводы самой теории относительности.
Сторонники теории Большого взрыва в своих рассуждениях основываются на два непреложных факта: красное смещение и реликтовое излучение. Изучая красное смещение у далёких галактик, приверженцы теории Большого взрыва утверждают, что это следствие разбегания галактик, или расширение Вселенной. Экстраполяция наблюдаемого расширения Вселенной назад во времени, приводит к тому, что когда-то Вселенная была маленькая, с огромной плотностью и температурой. И вообще, размеры Вселенной тогда равнялись нулю — она была сжата в точку, то есть, состояние Вселенной называлось космологической сингулярностью.
Невозможность избежать сингулярности в космологических моделях общей теории относительности была доказана в числе прочих теорем о сингулярности, Р. Пенроузом и С. Хокингом в конце 1960-х годов. Теория Большого взрыва не даёт никакой возможности говорить о чём-либо, что предшествовало этому моменту (потому что математическая модель пространство-времени в момент Большого взрыва теряет применимость, при этом теория вовсе не отрицает возможность существования чего-либо до Большого взрыва). Это сигнализирует о недостаточности описания Вселенной классической общей теорией относительности.
Согласно теории Большого взрыва, дальнейшая эволюция зависит от экспериментально измеримого параметра — средней плотности вещества в современной Вселенной. Если плотность не превосходит некоторого (известного из теории) критического значения, Вселенная будет расширяться вечно, если же плотность больше критической, то процесс расширения когда-нибудь остановится и начнётся обратная фаза сжатия, возвращающая к исходному сингулярному состоянию. Современные экспериментальные данные относительно величины средней плотности ещё недостаточно надёжны, чтобы сделать однозначный выбор между двумя вариантами будущего Вселенной.
Есть ряд вопросов, на которые теория Большого взрыва ответить пока не может, однако основные её положения обоснованы надёжными экспериментальными данными, а современный уровень теоретической физики позволяет вполне достоверно описать эволюцию такой системы во времени, за исключением самого начального этапа — порядка сотой доли секунды от «начала мира».
Второй непреложный факт – реликтовое излучение. Существование реликтового излучения было предсказано теоретически Г. Гамовым в рамках теории Большого взрыва. Хотя в настоящее время многие аспекты первоначальной теории Большого взрыва пересмотрены, основы, позволившие предсказать эффективную температуру реликтового излучения, остались неизменны. Экспериментально его существование было подтверждено в 1965 году. Наряду с космологическим красным смещением, реликтовое излучение рассматривается как одно из главных подтверждений теории Большого взрыва.
Согласно теории Большого Взрыва, ранняя Вселенная представляла собой горячую плазму, состоящую из электронов, барионов и постоянно излучающихся, поглощающихся и вновь переизлучающихся фотонов. Фотоны постоянно взаимодействовали с остальными частицами плазмы, сталкиваясь с ними и обмениваясь энергией. Таким образом, излучение находилось в состоянии теплового равновесия с веществом, а его спектр соответствовал спектру абсолютно чёрного тела.
По мере расширения Вселенной космологическое красное смещение вызывало остывание плазмы, и на определённом этапе замедлившиеся электроны получили возможность соединяться с замедлившимися протонами (ядрами водорода) и альфа-частицами (ядрами гелия), образуя атомы. В результате дальнейшего расширения Вселенной, эффективная температура этого излучения снизилась почти до абсолютного нуля, и сейчас составляет всего 2,725 К.
А теперь несколько вопросов к сторонникам теории Большого взрыва, хотя Большим взрывом это можно назвать с огромной натяжкой. Представьте себе некую точку, не имеющую объёма, меньше размера протона. Могла ли Вселенная, размером меньше протона, взорваться чудовищным взрывом? Скорее всего это был хлопок, совершенно незаметный постороннему наблюдателю. Потом, когда Вселенная стала расширяться, посторонний наблюдатель мог бы увидеть это фантастическое явление, но сам момент взрыва, практически, был бы незаметен.
Другой вопрос. Если существовала Вселенная до Большого взрыва в виде космологической сингулярности, то где эта сингулярность находилась? Сторонники теории Большого взрыва утверждают, что пространство и время появилось только после Большого взрыва. В каком таком гипотетическом месте находилась космологическая сингулярность, если не было никакого пространства? Даже для точки меньше протона, необходимо какое-то пространство. Естественно, что теория Большого взрыва не может объяснить, что было со Вселенной до её космологической сингулярности.
Несмотря на значительные успехи, теория горячей Вселенной сталкивается с рядом трудностей. Если бы Большой взрыв вызвал расширение Вселенной, то в общем случае могло бы возникнуть сильное неоднородное распределение вещества, чего не наблюдается. Теория Большого Взрыва также не объясняет расширение Вселенной. Она принимает его как факт.
К сторонникам стационарной Вселенной, вроде бы, вопросов меньше. Однако, вопросы красного смещения и реликтового излучения ставят сторонников стационарной Вселенной в тупик. Хотя, по моему глубокому убеждению, красное смещение далёких объектов глубокого космоса можно легко объяснить существованием «тёмной материи» и «тёмной энергии».
Тёмная материя в астрономии и космологии, а также в теоретической физике — гипотетическая форма материи, которая не испускает электромагнитного излучения и напрямую не взаимодействует с ним. Это свойство данной формы вещества делает невозможным её прямое наблюдение. С «тёмной энергией» обстоятельства ещё более загадочны. Сущность тёмной энергии является предметом споров. Известно, что она очень равномерно распределена, имеет низкую плотность, и не взаимодействует сколько-нибудь заметно с обычной материей посредством известных фундаментальных типов взаимодействия — за исключением гравитации. Поскольку гипотетическая плотность тёмной энергии невелика (порядка 10−29 г/см³), её вряд ли удастся обнаружить лабораторным экспериментом. Тёмная энергия может оказывать такое глубокое влияние на Вселенную (составляя 70% всей энергии) только потому, что она однородно наполняет пустое (в иных отношениях) пространство.
Как может возникнуть «красное смещение» в стационарной Вселенной? Вот тут, сторонники стационарной Вселенной, могут возразить своим оппонентам, сторонникам теории Большого взрыва. Так как природа «тёмной материи» и «тёмной энергии», составляющие основную массу Вселенной, неизвестна, то неизвестно, как сквозь эту гипотетическую массу добираются фотоны из глубин космоса до нашей Земли и до тех приборов, которые фиксируют это «красное смещение». Ведь скорость света в различных средах разная. А не замедляется ли скорость света при прохождении фотонов через «тёмную материю»?
Сейчас, с помощью знаменитого телескопа «Хаблл», обнаружили галактику, удалённую от нашей Солнечной системы на 13 миллиардов световых лет. На основании измеренного «красного смещения» определили, что этот удалённый объект «убегает» от нас со скоростью около 28 000 километров в секунду, то есть, почти 10% от скорости света! А может этот объект не «убегает» от нас, а скорость света уменьшилась на 10%, проходя сквозь «тёмную материю»? Чем дальше объект, тем через большее количество «тёмной материи» приходится пробираться фотонам к нам? Вот и получается картина, что свет от галактик (скопления галактик) находящиеся недалеко от нашей родной галактики «Млечный путь», замедляется, но не так сильно, и потому ближайшие скопления галактик «убегают» от нас не так быстро.
В этом случае сторонники стационарной Вселенной аплодируют себе стоя, убеждаясь, что Вселенная была всегда, и в своих размерах – бесконечна! А реликтовое излучение, которое равномерно распределено по Вселенной? А что непонятного? Оно (реликтовое излучение) было, есть и будет, как и сама Вселенная – всегда! Сколько частиц носится в космических просторах? А может, эта та самая «тёмная материя» не желает остывать до абсолютного нуля? Вот тебе и реликтовое излучение. А может, эта самая «тёмная материя», в купе с «тёмной энергией» и есть главный мозг нашей Вселенной, который следит за всем, что происходит в огромной, бесконечной Вселенной? Такой вселенский компьютер, расставляющий всё находящееся во Вселенной по своим местам.
Апрель 2016 год
