Файл: Концепции современного естествознания.doc

2.2. Кризис современной космологии

Представляется, что в понятии космологической сингулярности скрыты, по меньшей мере, три проблемы, решение которых потребует изменения научной картины мира в целом.

Г.В.Гивишвили

Во‑первых, при обсуждении свойств сингулярности упор делают, главным образом, на то, что материя была в сверхплотном и сверхгорячем состоянии. При этом часто упускают из виду полное отсутствие пространства‑времени, что фактически равнозначно принципиальному отрицанию всего сущего, абсолютному (безотносительно чего бы то ни было) ничто. Но ведь все физические теории объединяет одно, не знающее исключений правило: они предназначены для описания различного рода взаимодействий между частицами и излучением в сопутствующем им пространстве‑времени. ТБВ обязывает нас рассматривать возникновение материи‑пространства‑времени из абсолютного ничто, причем этот процесс единичен, уникален, а значит, никакое его описание не может считаться строго доказательным: теория в принципе непроверяема, поскольку результат ее предсказания невоспроизводим.

Во‑вторых, густым туманом окутано происхождение космологической сингулярности. Кажется очевидным, что, коль скоро современное состояние Вселенной преходяще, то и прошлое ее должно быть преходящим, то есть, если фазе расширения предшествовало состояние сингулярности, то оно, в свою очередь, предварялось фазой образования этой сингулярности.

В‑третьих, ТБВ не дает ответа на вопрос о причине Большого Взрыва. Она описывает события, происходящие в процессе уже расширяющейся Вселенной, но проблема нарушения сингулярности («первотолчка») повисает в воздухе, она попросту не рассматривается. Трудность здесь в том, что ни одно из известных фундаментальных взаимодействий не в состоянии преодолеть силы гравитационного сжатия, возникающие при бесконечно большой плотности вещества‑излучения.

Важно, что в теории сингулярность возникает не из‑за неадекватности математических уравнений или некорректности задания граничных условий. Она представляет собой неотъемлемое свойство любой физической модели конечной нестационарной Вселенной. А между тем, вопреки выводам теории, мы существуем.

Как увязать очевидность бытия Вселенной с отрицанием возможности этого бытия, следующим из теории? По‑видимому, нельзя переносить представления о видимой части Вселенной на всю Вселенную. Иначе говоря, нужно признать, что наша конечная, нестационарная вселенная (тогда уже маленькой буквы) представляет собой лишь один из элементов Большой бесконечной Вселенной (с заглавной буквы).

Еще в начале века С.Шарлье предложил модель иерархической Большой Вселенной, в которой малые вселенные распределены как изюминки в пудинге. Трудности современной космологии дают основание вернуться к ней, разумеется, с позиций нового знания. Суть в том, чтобы рассматривать нестационарные отдельные малые вселенные как преходящие элементы вечной и неизменной Большой Вселенной. Но при бесконечно большом объеме Вселенной движение ее как единой системы невозможно. Поэтому бесконечность ее бытия достигается через несвязанные между собой движения локальных масс в составляющих ее вселенных, и вся наша видимая вселенная – лишь одна из них.

Нестационарность вселенных обрекает их на «смертность». Понятие «жизнь» по отношению к ним означает динамическое развитие по определенной программе как целого, а «смерть» – их распад. (Отношения между Большой и малыми вселенными в известном смысле подобны взаимоотношениям сообществ организмов и отдельных особей: бессмертие первых реализуется через смертность вторых.)

Модель Большого Взрыва в первом приближении достаточна для описания эволюции «типичной» вселенной в фазе ее расширения. Но для изучения процессов на масштабах, намного превышающих размеры и время жизни одной такой вселенной, видимо, нужна новая теория. Она должна была бы учитывать тот факт, что отдельная вселенная проявляется как локальная флуктуация кривизны пространства, «евклидовой лишь в среднем».

2.3. Время и пространство

В начале XX века выяснилось, что на время «можно влиять»! Очень быстрое движение, например, замедляет бег времени. Затем выяснилось, что поток времени зависит и от поля тяготения. Обнаружилась также тесная связь времени со свойствами пространства. Так возникла и бурно развивается сейчас наука, которую можно назвать физикой времени и пространства.

Современный этап развития физики характеризуется новым мощным прорывом в нашем понимании строения материи. Если в первые десятилетия XX века было понятно устройство атома и выяснены основные особенности взаимодействия атомных частиц, то теперь физика изучает кварки – субъядерные частицы и проникает глубже в микромир. Все эти исследования теснейшим образом связаны с пониманием природы времени.

Важное значение для науки и будущей технологии имеют такие свойства времени, как его замедление вблизи нейтронных звезд, остановка в черных дырах и «выплескивание» в белых, возможность «превращения» времени в пространство и наоборот.

Каждый знает, что пространство Вселенной трехмерно. Это значит, что у него есть длина, ширина и высота. То же и у всех тел. Или еще: положение точки может быть задано тремя числами – координатами. Если в пространстве проводить прямые линии или плоскости или чертить сложные кривые, то их свойства будут описываться законами геометрии. Эти законы были известны давным‑давно, суммированы еще в III веке до нашей эры Евклидом. Именно евклидова геометрия изучается в школе как стройный ряд аксиом и теорем, описывающих все свойства фигур, линий, поверхностей.

Если мы захотим изучать не только местонахождение, но и процессы, происходящие в трехмерном пространстве, то должны включить еще время. Событие, совершающееся в какой‑либо точке, характеризуется положением точки, то есть заданием трех ее координат и еще четвертым числом – моментом времени, когда это событие произошло. Момент времени для события есть его четвертая координата. Вот в этом смысле и говорят, что наш мир четырехмерен.

Эти факты, конечно, известны давно. Но почему же раньше, до создания теории относительности, такая формулировка о четырехмерии не рассматривалась как серьезная и несущая новые знания? Все дело в том, что уж очень разными выглядели свойства пространства и времени. Когда мы говорим только о пространстве, то представляем себе застывшую картину, на которой тела или геометрические фигуры как бы зафиксированы в определенный момент. Время же неудержимо бежит (и всегда от прошлого к будущему), и тела для этого представления могут «менять места».

В отличие от пространства, в котором три измерения, время одномерно. И хотя еще древние сравнивали время с прямой линией, это казалось всего лишь наглядным образом, не имеющим глубокого смысла. Картина резко изменилась после открытия теории относительности.

В 1908 году немецкий математик Г.Минковский, развивая идеи этой теории, заявил: «Отныне пространство само по себе и время само по себе должны обратиться в фикции и лишь некоторый вид соединения обоих должен еще сохранить самостоятельность». Что имел в виду Г.Минковский, высказываясь столь решительно и категорично?

Он хотел подчеркнуть два обстоятельства. Первое – это относительность промежутков времени и пространственных длин, их зависимость от выбора системы отсчета. Второе, оно и является главным в его высказывании, это то, что пространство и время тесно связаны между собой. Они, по существу, проявляются как разные стороны некоторой единой сущности – четырехмерного пространства‑времени. Вот этого тесного единения, неразрывности и не знала доэйнштейновская физика. В чем оно проявляется?

Прежде всего, пространственные расстояния можно определять, измеряя время, необходимое свету или вообще любым электромагнитным волнам для прохождения измеряемого расстояния. Это известный метод радиолокации. Очень важно при этом, что скорость любых электромагнитных волн совсем не зависит ни от движения их источника, ни от движения тела, отражавшего эти волны, и всегда равна c (c – скорость света в вакууме, приблизительно равная 300000 км/сек). Поэтому расстояние получается просто умножением постоянной скорости c на время прохождения электромагнитного сигнала. До теории Эйнштейна не знали, что скорость света постоянна, и думали, что так просто поступать при измерении расстояний нельзя.

Конечно, можно поступить и наоборот, то есть измерять время световым сигналом, пробегающим известное расстояние. Если, например, заставить световой сигнал бегать, отражаясь между двумя зеркалами, разнесенными на три метра друг от друга, то каждый пробег будет длиться одну стомиллионную долю секунды. Сколько раз пробежал этот своеобразный световой маятник меду зеркалами, столько стомиллионных долей секунды прошло.

Важное проявление единства пространства и времени состоит в том, что с ростом скорости тела течение времени на нем замедляется в точном соответствии с уменьшением его продольных (по направлению движения) размеров. Благодаря такому точному соответствию из двух величии – расстояния в пространстве между какими‑либо двумя событиями и промежутка времени, их разделяющего, простым расчетом можно получить величину, которая постоянна для всех наблюдателей, как бы они не двигались, и никак не зависит от скорости любых «лабораторий». Эта величина играет роль расстояния в четырехмерном пространстве‑времени. Пространство‑время и есть то «объединение» пространства и времени, о котором говорил Г.Минковский.

Вообразить такое формальное присоединение времени к пространству, пожалуй, нетрудно. Гораздо сложнее наглядно представить себе четырехмерный мир. Удивляться трудности не приходится. Когда мы в школе рисуем плоские геометрические фигуры на листе бумаги, то обычно не испытываем никаких затруднений в изображении этих фигур; они двумерны (имеют только длину и ширину).

Гораздо труднее воображать трехмерные фигуры в пространстве – пирамиды, конусы, секущие их плоскости и т. д. Что касается воображения четырехмерных фигур, то иногда это очень трудно даже для специалистов, всю жизнь работающих с теорией относительности.

Так, известный английский физик‑теоретик, крупнейший специалист в теории относительности Стивен Хокинг говорит: «Невозможно вообразить четырехмерное пространство. Я сам с трудом представляю фигуры в трехмерном пространстве!». Поэтому человеку, испытывающему трудность с представлением четырехмерия, огорчаться не надо. Но специалисты с успехом используют понятие пространства‑времени. Так в пространстве‑времени можно линией изображать движение какого‑либо тела. Если по горизонтальной оси (оси абсцисс) изобразить расстояние в пространстве по одному направлению, а по вертикальной (оси ординат) – отложить время. Для каждого момента времени отмечаем положение тела. Если оно покоится в нашей «лаборатории», то есть его расположение не меняется, то это на нашем графике изобразится вертикальной линией. Если тело движется с постоянной скоростью – мы получим наклонную прямую. При произвольных движениях получается кривая линия. Такая линия получила название мировой линии. В общем случае надо вообразить, что тело может двигаться не только по одному направлению, но и по другим двум в пространстве тоже. Его мировая линия будет изображать эволюцию тела в четырехмерном пространстве‑времени.

Осуществлена попытка показать, что пространство и время выступают как бы совершенно равноправно. Их значения просто отложены по разным осям. Но все же между пространством и временем есть существенная разница: в пространстве можно находится неподвижным, во времени – нельзя. Мировая линия покоящегося тела изображается вертикально. Тело как бы увлекается потоком времени вверх, даже если оно не движется в пространстве. И так обстоит дело со всеми телами; их мировые линии не могут остановиться, оборваться в какой‑то момент времени, ведь время не останавливается. Пока тело существует, непрерывно продолжается и его мировая линия.