Что мы знаем о происхождении Вселенной?
Опубликовано: 24.08.2018
Знания-сила .
ВОПРОС № 11-2:
|
ДЖОРДЖ Р. ЭЛЛИС |
Что мы знаем о происхождении Вселенной благодаря современной космологии, и на каком этапе проблема её происхождения переходит из плоскости физики в плоскость метафизики?
Вселенная расширялась до своего нынешнего состояния от момента Большого Взрыва, физические закономерности которого хорошо изучены, начиная с этапа формирования химических элементов (однако то, что происходило до этого, относится скорее к области гипотез). Фоновое излучение Вселенной, недавно изученное спутником СОВЕ, является реликтовым излучением ранней «горячей» фазы эволюции Вселенной .
Мы думали, что знаем, кто МЫ и откуда. КТО ОНИ ПОТОМКИ АРИЕВ.
Изучение этого расширения и эволюционного развития является предметом физической космологии. Первый ряд проблем связан с самим процессом исследования. Это так называемые основные трудности наблюдения, дополнительные проблемы, обусловленные горизонтами наблюдения (см. ниже), а также границы возможной физической проверки.
ОСНОВНЫЕ ТРУДНОСТИ НАБЛЮДЕНИЯ
Наша способность непосредственно определять геометрию и распределение вещества во Вселенной ограничена множеством трудностей, связанных с наблюдением, включая тусклость образов, которые мы пытаемся расшифровать и понять. Мы можем распознать отдалённое вещество лишь с помощью частиц или излучения, которое оно испускает, получая большую часть информации из световых волн. (Здесь следует учесть, что свет является общим термином для любого вида электромагнитного излучения, с помощью которого мы можем видеть отдалённые объекты, — радиоволн, инфракрасного излучения, ультрафиолетового излучения и рентгеновских лучей наряду с обычным светом.)
Таким образом, существуют базовые ограничения той области Вселенной, которую мы можем видеть, поскольку излучение, несущее информацию, движется со скоростью света (а любые массивные частицы движутся ещё медленнее). Вглядываясь во всё более отдалённые участки Вселенной, мы одновременно заглядываем всё дальше в прошлое. К примеру, галактика Андромеды находится примерно в миллионе световых лет от нас; это означает, что мы видим её такой, какой она была миллион лет назад. Мы видим источники излучения на более ранних стадиях их эволюции. Это сильно затрудняет отделение эффектов физической эволюции наблюдаемых источников от геометрической эволюции Вселенной. Собственно говоря, это главная причина, в силу которой мы не можем определить по результатам наблюдений за скоростью изменения красного смещения, ожидает ли Вселенную повторный коллапс, или она будет расширяться вечно.
Расширение Вселенной хорошо засвидетельствовано в спектрах красного смещения отдалённых галактик, но у нас возникают трудности при точном определении размера и возраста Вселенной с помощью постоянной Хаббла. Хотя красное смещение можно измерить с достаточной точностью, довольно трудно измерить расстояние до отдаленных галактик. Мы не можем пользоваться астрономическими объектами как стандартными «свечами», поскольку мы не понимаем их эволюцию — то, как они изменялись со временем. Кроме того, мы испытываем огромные трудности даже при оценке общего количества вещества в наблюдаемой Вселенной из-за так называемой проблемы тёмного вещества: вполне возможно, что большая часть вещества во Вселенной практически не испускает излучения, потому практически неопределима нашими методами наблюдения.
Перечисленные проблемы усугубляются тем фактом, что, когда мы наблюдаем источники света, расположенные на большом расстоянии (и следовательно, с более сильным красным смещением), количество получаемого света резко уменьшается. Это неизбежное следствие эффекта красного смещения: фотоны теряют энергию по мере того, как возрастает длина волны. Поэтому на всё более далёких расстояниях Вселенная как будто тает во мгле. Современные детекторы могут до некоторой степени компенсировать этот эффект, и сейчас мы получаем замечательные по качеству изображения очень отдаленных объектов с космического телескопа Хаббла ; тем не менее, на границах наблюдаемой Вселенной точность наших наблюдений резко падает, а значит, уменьшается и точность наших выводов о её прошлом.
Далее, существует абсолютный предел определения объектов при астрономических наблюдениях на любой длине волны. Это происходит потому, что когда мы вглядываемся в далекое прошлое, температура фонового излучения возрастает, что приводит к ионизации вещества при красном смещении порядка 1000; затем Вселенная становится совершенно «непрозрачной». Мы не можем заглянуть в более раннее время, так как излучение не проникает через горячую, плотную первичную плазму.
Никакой технологический прогресс не изменит это положение вещей. Изображения флуктуации температур микроволнового фонового излучения, полученные со спутника СОВЕ, дают нам некоторое представление о наиболее отдалённом веществе, которое мы когда-либо сможем увидеть с помощью электромагнитных излучений. Нейтринные или гравитационные телескопы теоретически могут проникнуть в ещё более раннее время, но, даже если они будут изобретены и дадут изображения удовлетворительного качества, наблюдения в конце концов упрутся в такую же преграду.
ГОРИЗОНТЫ И ПРЕДЕЛЫ ПОДТВЕРЖДЕНИЯ
Однако есть и другие фундаментальные ограничения наших возможностей при наблюдении Вселенной.
1. Горизонт частиц. Поскольку Вселенная имеет конечный возраст, свет мог пройти лишь ограниченное расстояние с момента её происхождения. Это подразумевает, что мы теоретически можем наблюдать только те частицы, нынешнее расстояние до которых соответствует возрасту Вселенной; возможные частицы за пределами этой сферы остаются невидимыми для нас, независимо от того, какими средствами мы пользуемся. Этот эффект похож на эффект горизонта, который мы видим, когда смотрим на отдалённые объекты на поверхности Земли: есть множество других, более далеких объектов, но мы их не видим просто потому, что они находятся за горизонтом. В случае расширяющейся Вселенной мы называем горизонт, отделяющий доступные для наблюдения частицы (которые впоследствии станут галактиками) от других возможных частиц, недоступных для наблюдения и какого-либо причинного контакта, горизонтом частиц. Фактически, мы даже не можем увидеть сам горизонт частиц из-за уже упомянутого высокого фонового горизонта у границ наблюдаемой Вселенной. Мы можем видеть лишь визуальный горизонт, соответствующий тому месту, где Вселенная становится «непрозрачной» для наших методов наблюдения. Он находится ближе, чем горизонт частиц, и соответствует веществу, которое начало испускать фоновое излучение в первые секунды после Большого Взрыва. Чтобы полностью осознать эти ограничения, следует внимательно ознакомиться с соответствующими диаграммами пространства-времени.
В силу этих ограничений мы очень мало можем сказать о Вселенной в большем масштабе, чем размер Хаббла (расстояние до наиболее отдаленных частиц вещества с момента расширения нашей Вселенной, приблизительно десять миллиардов световых лет). Таким образом, на основе наблюдений мы не можем провести различие между моделями Вселенной, строго гомогенными в большом масштабе (что подразумевает одинаковые условия на расстоянии в пределах одного миллиона размеров Хаббла), и гетерогенными моделями. Если Вселенная имеет конечное пространственное разделение, то вовне существует по меньшей мере столько же галактик, сколько мы можем видеть внутри; если Вселенная имеет бесконечное пространственное разделение, то теоретически мы можем увидеть бесконечное число галактик, но в действительности видим лишь бесконечно малую долю того, что есть. Любые наши предположения о структуре Вселенной в действительно большом масштабе (то есть многократно превышающем визуальный горизонт) совершенно недоказуемы.
2. Малая Вселенная. В этой, казалось бы, пессимистической ситуации есть одно исключение. Возможно (даже если Вселенная обладает малой плотностью), что связность пространства в крупных масштабах отличается от ожидаемой, поэтому Вселенная фактически имеет малые размеры и пространственно замкнута в масштабе, меньшем, чем размер Хаббла. Тогда, если мы отправимся в условном пространственном направлении при постоянном времени, то в конце концов подойдём очень близко к тому месту, откуда мы начинали (как в случае со сферой, тором, или лентой Мёбиуса). В таком случае, мы можем «видеть вокруг Вселенной» несколько раз; иными словами, мы можем многократно видеть каждую галактику (включая и нашу собственную), благодаря множеству образов в различных направлениях. Сравнительно малое число галактик создает очень большое количество образов. * (* Речь идёт об эффектах специальной теории относительности) .
Этот эффект похож на комнату с полностью зеркальными стенами, полом и потолком: вы можете видеть огромное количество своих отражений, исчезающих на расстоянии во всех направлениях. Сходным образом, в малой Вселенной, несмотря на её размеры, мы видим огромное количество «отражений» каждой галактики, исчезающих на расстоянии в якобы бесконечной Вселенной. В этом, и только в этом случае визуального горизонта не существует, и мы в принципе можем определить геометрию Вселенной методами непосредственного наблюдения, так как все вещество в ней доступно для наблюдения (по контрасту с обычно рассматриваемой ситуацией, при которой мы можем видеть лишь малую часть всего имеющегося вещества). Далее, в этом случае мы можем изучить историю собственной галактики с помощью оптических наблюдений, исследуя «временные срезы» в разные моменты её существования.
Итак, есть возможность, что мы живем в малой Вселенной, но доказать реальность этой ситуации на основе астрономических наблюдений будет крайне трудно, и пока у нас нет убедительных доказательств в пользу этой гипотезы. Однако нам следует иметь в виду такую возможность.
3. Пределы проверки и подтверждения. Степень уверенности наших космологических рассуждений строго определяется границами наблюдения. В принципе, мы можем сказать (а) очень много о структуре наблюдаемой области, расположенной в пределах визуального горизонта; (б) очень мало о том, что находится за пределами визуального горизонта, но внутри горизонта частиц (возможно, когда-нибудь мы сможем узнать больше с помощью нейтринных или гравитационных телескопов, но до развития подобной технологии остается, по меньшей мере, ещё несколько десятков лет); (с) ничего о том, что находится за пределами горизонта частиц — эта область недоступна никакому наблюдению. В малой Вселенной нет визуального горизонта, но реальная Вселенная, вероятно, устроена иначе. Отсюда следует вывод, что, когда наши модели дают предсказания о природе Вселенной в более крупном масштабе, чем радиус Хаббла, они являются недоказуемыми в строгом смысле слова, как бы привлекательно они ни выглядели.
ПРЕДЕЛЫ ФИЗИЧЕСКОГО ПОДТВЕРЖДЕНИЯ
Пытаясь понять ранние этапы развития Вселенной, мы также сталкиваемся с фундаментальным ограничением нашей способности опробовать предсказания, изложенные в наших гипотезах о действии физических законов. Даже если бы мы могли построить ускоритель элементарных частиц размером с Солнечную систему, то не достигли бы тех энергий, которые вступили в игру на самом раннем этапе развития Вселенной. Поэтому мы не можем определить поведение вещества в соответствующих условиях. Это резко ограничивает возможность проверки достоверности наших теорий. К примеру, хотя принято считать, что «раздувание» — период очень быстрого расширения — имело место в начале существования Вселенной, мы до сих пор не можем экспериментально определить на Земле следы той силы, которая была причиной взрывного расширения, и не в состоянии подтвердить достоверность основного теоретического механизма. Сходным образом, мы пока что не можем определить, как происходил синтез протонов из кварков в древней Вселенной, поскольку ещё не видели соответствующие частицы, а измерение скорости полураспада протона противоречит простейшему теоретическому объяснению предложенного механизма; мы не знаем, какая из ряда более сложных альтернативных теорий может оказаться правильной (если правильная теория вообще существует).
Некоторые законы физики проявлялись в полной мере лишь на самой ранней стадии эволюции Вселенной (если не считать того, что происходит с веществом на финальных стадиях коллапса чёрной дыры — но эти области тоже совершенно недоступны для наблюдения). Однако ситуацию можно изменить на противоположную: вместо того, чтобы брать известные законы и пользоваться ими для определения того, что происходило вскоре после Большого Взрыва, мы можем выбрать другой путь, рассматривая раннюю Вселенную как единственную лабораторию, где эти законы в принципе можно опробовать и проверить. Это привело к важному открытию; сравнение результатов исследований по распределению химических элементов с исследованиями по ядерному синтезу в ранней Вселенной показало, что существует лишь три типа нейтрино вместо четырех — причём ещё прежде, чем этот вывод был подтверждён в экспериментальных условиях на Земле (на ускорителе элементарных частиц в Церне).
Впрочем, этот вид рассуждений работает лишь в тех случаях, когда есть несколько четко обозначенных альтернатив, дающих недвусмысленные прогнозы. Он зависит от того, насколько верными являются предполагаемые космологические условия. Когда мы рассматриваем действительно фундаментальные вопросы, понимание которых является Святым Граалем теоретической физики, то даже при самом широком подходе ситуация остается неясной. Здесь исследователи сталкиваются с задачей унификации нашего понимания всех известных сил во Вселенной в единую теорию — так называемую теорию всего сущего, сочетающую элементы гравитации, электромагнетизма, слабых и сильных взаимодействий таким образом, который был бы совместим с теорией относительности и квантовой теорией.
Выдвигались разные предположения, наиболее популярным из которых в настоящее время является «теория суперструн», представляющая элементарные частицы скорее как струны, чем как точечные объекты. Однако это предположение ещё не было сформулировано достаточно удовлетворительным образом. Мы можем рассматривать и отвергать некоторые теории на основе их космологических предсказаний, но у нас нет способа выбрать одну из них как безусловно достоверную, а эксперименты, проведенные на Земле, не дают возможности выбирать между ними. Таким образом, экспериментальный предел проверки физических законов — в частности, проверки природы фундаментальных взаимодействий — накладывает жесткие ограничения на нашу способность определить, что же на самом деле происходило в первые мгновения жизни Вселенной (доли секунды после Большого Взрыва).
1. Физическое происхождение. Эта проблема возникает a fortiori (с тем большим основанием — лат.) при размышлении о происхождении Вселенной, когда образовались условия, определившие то, что существует и по сей день. Согласно уже упомянутой теории Большого Взрыва, на самом раннем этапе существовал промежуток, когда законы классической физики просто не действовали: в то время доминирующим фактором была квантовая гравитация (теория квантовой гравитации должна объединить общую теорию относительности и квантовую теорию). Существует ряд различных теоретических подходов к этому предмету, ни один из которых нельзя считать полностью удовлетворительным, поэтому мы даже не знаем, какой основной подход можно считать правильным, и нет способа проверить теоретические выкладки в земных условиях. Однако именно эти теории составляют основу того, что нам действительно хотелось бы знать о природе и происхождении Вселенной.
Несмотря на неопределённость, мы можем утверждать, что основные элементы квантовой механики, такие как базовая волновая структура вещества, справедливы для любых условий. На этой основе мы можем создавать модели квантовой космологии, более или менее адекватно представляющие результаты еще неизвестной теории квантовой гравитации, по отношению к самому происхождению Вселенной.
Было выдвинуто несколько теорий, объясняющих происхождение Вселенной в свете квантового развития из некого предыдущего состояния (фазы прошлого коллапса, региона плоского пространства-времени, финальной стадии чёрной дыры и т. д.). Эти теории предлагают целую серию альтернативных объяснений Большого Взрыва, который привёл к возникновению Вселенной, но разумеется, они оставляют в стороне основную проблему, поскольку тогда можно спросить: «А каково происхождение предыдущей фазы?» Этот вопрос остаётся без ответа.
С упомянутыми проблемами связано и отсутствие уверенности в некоторых фундаментальных принципах физики — в частности, речь идёт о проблеме «стрелы времени», а также о природе и следствиях принципа Маха. Из-за недостатка места и времени мы не будем вдаваться в подробности.
2. Идея «отсутствия границ». Одно весьма своеобразное и любопытное предположение позволяет обойти эту проблему. Речь идёт о гипотезе Хартла — Хоукинга, согласно которой Вселенная в первоначальном состоянии была областью, где время не существовало: вместо трех пространственных и одного временного там было четыре пространственных измерения. Это даёт огромное преимущество. Мы можем представить себе Вселенную без начала, поскольку (точно так же, как нет границы поверхности Земли в районе Северного полюса) эта первичная область Вселенной не имела границ; она была единообразной и гладкой во всех направлениях. Это предположение получило развитие в книге Хоукинга «Краткая история времени» ( см. Библиотеку сайта , прим. В.К.), где описана Вселенная, не имеющая начала в обычном смысле слова, хотя время в ней действительно имеет начало в точке перехода от этого странного «евклидова» состояния к обычной структуре пространства-времени. Несмотря на всю привлекательность этой гипотезы, её основные положения таят в себе некоторые противоречия.
Во-первых, в гипотезе Хоукинга предлагается своеобразная интерпретация некоторых головоломок квантовой теории, ещё не получивших достаточно удовлетворительного объяснения (имеется в виду вопрос о роли наблюдателя в квантовой теории и об условии коллапса волновой функции, которое является необходимым элементом измерения в квантовой теории). Эти проблемы не кажутся очень значительными в контексте лабораторных экспериментов, но в контексте применения квантовой теории ко Вселенной в целом (обычно она применяется для субатомных систем) возникают значительные сложности.
Во-вторых, мы определённо не можем проверить на практике уравнение Уилера — Де Витта, лежащее в основе квантовой космологии. Нам приходится принимать его, как громадную экстраполяцию существующих физических условий, правдоподобную благодаря тому, что она покоится на установленных научных законах, но не поддающуюся экспериментальной проверке. Даже некоторые основные понятия (такие как «волновая функция Вселенной») приобретают сомнительный статус в данном контексте, поскольку они связаны с вероятностной интерпретацией, которая может не иметь смысла применительно к уникальному и единичному объекту — а именно, Вселенной в целом.
3. Проблема первичных условий. В-третьих, независимо от нашей уверенности в предыдущих вопросах, мы сталкиваемся с проблемой первичных условий во Вселенной. Мы пытаемся применять физическую теорию для описания чего-то, что произошло один и только один раз (по крайней мере, если такие условия существуют где-то ещё, то они недоступны для нашего наблюдения). Само понятие «закон физики» для описания подобной ситуации сталкивается со значительными трудностями. Если «закон» лишь однажды применяется к физическому объекту, то неясно, существует ли различие между физическим законом и специфическими начальными условиями. Этот «закон» явно не может быть подвергнут эмпирической проверке так, как другие законы физики.
Какой бы «закон» мы ни изобрели для описания этой ситуации, есть только один способ проверки: мы можем наблюдать существующую Вселенную и убеждаться в том, соответствует ли она предсказаниям «закона». Но даже если тест будет пройден, это не станет окончательным подтверждением, поскольку возможно существование нескольких законов или основных подходов, дающих такой же результат; их невозможно отличить друг от друга любой экспериментальной проверкой. Мы можем склоняться в пользу одной конкретной теории (например, гипотезы Хартла — Хоукинга), лишь пользуясь метафизическими критериями для определения хороших теорий.
Независимо от нашего объяснения, в начале Вселенной существовали уникальные первичные условия. Эти условия определили как первоначальную структуру пространства-времени, так и его вещественное содержание.
Вещество, которое мы видим сегодня, представляет собой останки этого первичного состояния после того, как оно прошло через ряд неравновесных процессов в ранней Вселенной, и образовалась первая генерация звёзд. Так мы понимаем роль первичных условий, однако наш анализ не отвечает на основной вопрос о происхождении и существовании Вселенной, а именно — почему первичные условия были именно такими. (Например, если гипотеза Хартла — Хоукинга является верной, то почему существовали эти конкретные условия, а не какие-то другие, и почему это описание соответствует реальной Вселенной?)
Мы очень много, даже удивительно много знаем о структуре и эволюции Вселенной в целом. Но существуют фундаментальные ограничения научного познания этих вопросов, в смысле экспериментального подтверждения, когда мы подходим к границе наблюдаемой Вселенной. Одним из основных является вопрос уникальности первичного состояния (было ли это состояние сингулярности, или нет). Этот и некоторые другие вопросы не решаются с помощью физики: они неизбежно приводят к метафизическим вопросам и проблемам.
В последние годы было много публикаций, посвященных антропному принципу: удивительному совпадению действующих сил и условий во Вселенной, свойств элементарных частиц и т. д., обусловивших возможность возникновения человеческой жизни. Какое отношение имеет эта «тонкая настройка» к метафизическому вопросу о происхождении жизни?
В данном случае, основной вопрос звучит так: какова роль жизни во Вселенной? Конечно, во вселенском масштабе жизнь совершенно незначительна по сравнению с огромными межгалактическими пространствами, но физический размер не обязательно является критерием важности.
Суть в том, что для возникновения жизни действительно понадобилась очень тонкая настройка; в частности, значение различных фундаментальных констант должно быть жестко фиксированным для того, чтобы жизнь (в том виде, как мы её знаем) вообще могла существовать. В физических законах присутствуют многочисленные взаимосвязи, не объясняемые физикой, но необходимые для возникновения жизни.
Как могло случиться, что Вселенная допускает возможность эволюции и возникновения разумных существ в любом данном времени или месте?