Об эволюции Вселенной

Вопрос об эволюции Вселенной интересует физиков, астрономов, математиков да и представителей других профессий уже многие десятилетия. Накоплен обширный массив данных, полученных с помощью наблюдений. Построен ряд теоретических моделей, ведущих к тому или иному сценарию эволюции Вселенной. Все теоретические подходы базируются либо на уравнениях гравитации Гильберта-Эйнштейна, либо на его некоторых модификациях. Существенным моментом всех этих уравнений является их обратимость во времени. Это значит, что если на некотором отрезке текущего времени Вселенная вела себя определенным образом, то в прошлом всегда должен найтись соответствующий временной промежуток, на котором Вселенная вела себя зеркально отраженным образом. Например, если, начиная с момента времени ? = 0, Вселенная "расширяется", то при ? < 0 она на соответствующем этапе вплоть до ? = 0 должна была "сжиматься".

Если бы Вселенная, "расширяющаяся" по настоящее время, продолжила "расширение" и далее сколь угодно долго (и при ? ? + ?), то в силу обратимости уравнений она должна была бы все время "сжиматься" на всем интервале -? ? ? ? 0. В такой картине само достижение состояния Вселенной при ? = 0 физически представляется проблематичным; не вызывает удовлетворения и то обстоятельство, что в таком сценарии Вселенная за бесконечное время почему-то один единственный раз оказалась в том особом состоянии, которое она приобрела при ? = 0. Физически приемлемыми могли бы быть два сценария: 1) сценарий стационарной Вселенной с неизменной плотностью вещества в ней и 2) сценарий с периодически меняющейся плотностью вещества. Так как модель стационарной Вселенной не согласуется с наблюдениями, остается единственно возможный вариант периодически пульсирующей Вселенной. Если используемые уравнения гравитации ни при каких физически оправданных уравнениях состояния вещества во Вселенной (они связывают давление вещества с его плотностью) не приводят к периодическим решениям для плотности, то эти уравнения должны быть заменены другими - модифицированными. Если же при некотором, приемлемом с точки зрения физики, уравнении состояния решение для плотности получится периодическим, то как следствие возникнет неограниченная последовательность режимов "сжатия" и "расширения", сменяющих друг друга.

До 2000 года существовало несколько теоретических сценариев эволюции Вселенной: два с неограниченным "расширением" (физически они неприемлемы) и один с периодическим режимом. Во всех используемых при этом моделях Вселенной получалось, что скорость ее "расширения" со временем должна падать. Однако наблюдения последних лет с помощью выведенного на орбиту Земли телескопа "Хаббл", твердо зафиксировали, что последние несколько миллиардов лет "расширение" идет с положительным ускорением. Новые предложенные модели (см., например, [1] - Чернин А.Д., УФН, 2001,171, №11,с.1153), объяснившие этот факт, привели однако к неограниченному во времени процессу "расширения", что, как уже было сказано выше, физически неприемлемо.

Мной был предложен (см. Вестник МГУ, физ.-астр,2003,№6,с.3) иной подход к задаче об эволюции Вселенной, основанный на анализе не геометрических характеристик, как определяющих, а физических характеристик материи (под которой понимается вещество во всех его формах, включая гравитоны, и гравитационное поле в состоянии с нулевым спином), заполняющей Вселенную, и на новом, физически обоснованном, уравнении состояния вещества (гипотеза об однородности и изотропности Вселенной была при этом сохранена). В итоге оказалось, что выбранная постановка ведет к периодически пульсирующей Вселенной между состояниями с минимальной и максимальной плотностью ее вещества. Суммарная плотность вещества и гравитационного поля (в состоянии с нулевым спином) во Вселенной оказалась при этом равной нулю (для всех моментов времени). Период пульсаций определяется минимальной плотностью вещества.

Если в соответствии с наблюдениями принять, что минимальная плотность вещества во Вселенной близка к значению (4 - 5)?10?30 г/см3 , то полный период эволюции (между состояниями с одинаковой, например, максимальной или минимальной плотностью) окажется порядка 30 - 32 миллиардов лет. Максимальная плотность вещества (точнее вещества и антивещества с ничтожно малой примесью вещества ) достигает значения порядка 1066 г/см3 . Современный возраст Вселенной (при отсчете времени от состояния с максимальной плотностью) составит около 14-15 миллиардов лет (если "расширение" еще не сменилось "сжатием"; по крайней мере до конца "расширения "осталось по космологическим масштабам не так много времени). Согласно расчетам последние 5-6 миллиардов лет "расширение" идет с положительным ускорением, что как раз и демонстрируют наблюдения.

В целом картина эволюции в предложенной модели выглядит следующим образом. В моменты начала и конца процессов "расширения" и "сжатия" абсолютная температура во Вселенной оказывается строго равной нулю. Примерно через 5?10? 30 секунд после начала "расширения" температура повысится до величины порядка 1025 K0 и плотность излучения на много превысит плотность массивного вещества. Процессы аннигиляции электронов и позитронов завершатся (на этапе "расширения") к моменту времени порядка 10?7 секунд (температура к этому моменту упадет до примерно 1010 градусов). Спустя десять тысяч лет температура опустится до значения около двадцати тысяч градусов и начнутся процессы рекомбинации (образования) атомов водорода. В принципе, пользуясь всем арсеналом физики, можно оценить процентное содержание во Вселенной образующихся водорода, гелия, углерода и пр. на текущий момент времени (об этом можно прочесть, например, в книге С. Вайнберга "Гравитация и космология", М.1975). Как ни удивительно, но получаемые теоретические оценки вполне удовлетворительно согласуются с наблюдениями.

В предложенном мной подходе эффект космологического красного смещения (сдвига спектральных линий изучения удаленных объектов в красную сторону, "покраснение" источника) объясняется иначе, чем в общей теории относительности. В моей интерпретации Вселенная заполнена лишь веществом и гравитационным полем. Гравитационное поле влияет (факт известный) как на ход часов, так и на расстояния между двумя фиксированными точками (при анализе эволюции Вселенной во всех моделях значения пространственных координат элементов вещества считаются фиксированными для всех моментов времени). В одних полях это физическое расстояние одно, в других - другое.

В более сильном поле расстояние между фиксированными точками меньше расстояния в поле более слабом. На этапе падения плотности вещества во Вселенной гравитационное поле становится с течением времени все слабее и слабее. Значит расстояние между фиксированными в пространстве объектами будет со временем расти. Это на языке римановой геометрии трактуется как "расширение " Вселенной (хотя сами объекты остаются в положениях с фиксированными пространственными координатами). Расчеты показывают, что если перейти к физическим длинам и объемам (они, как отмечалось выше, со временем изменяются), то число массивных частиц в любом физическом объеме окажется величиной постоянной, не меняющейся со временем. Стало быть, число частиц, приходящихся на единичный физический объем, т.е. их физическая плотность на этапе "расширения" будет падать, а на этапе "сжатия" - расти. Эта плотность является составной частью той плотности вещества, о которой речь шла выше. Зависимость суммарной плотности от физических длин определяется уравнениями, положенными в основу расчетов.

В общей теории относительности космологическое красное смещение объясняется "разбеганием" вещества. Против этого ничего нельзя возразить, если слово "разбегание" понимать не буквально, а в смысле, изложенном выше. В моем подходе эффект космологического красного смещения объясняется влиянием гравитационного поля. Если решить задачу об излучении атомом, расположенным в гравитационном поле, то обнаружится зависимость энергии испущенных фотонов от того гравитационного поля, в котором атом находится: в более сильном поле эта энергия оказывается меньшей, чем в поле более слабом. Излучение, приходящее к наблюдателю от удаленных объектов, формировалось на более ранней стадии эволюции по сравнению с той, в которой оказался наблюдатель. Но на более ранней стадии космологическое гравитационное поле было более сильным. Поэтому частота излучения удаленного источника по сравнению с частотой излучения такого же источника, но расположенного вблизи наблюдателя, будет меньшей. Если учесть еще то изменение частоты, которое произойдет на пути фотона от источника к наблюдателю, то в итоге получится хорошо известное выражение для космологического красного сдвига частоты. Именно этот сдвиг и наблюдается в экспериментах. Приписывать же этим наблюдениям нечто большее (как это сделано, например, в [1] - см. выше) - физически не корректно, ибо интерпретация и данные опыта далеко не одно и то же. При согласии теоретических данных с наблюдениями не корректно говорить об экспериментальном подтверждении тех модельных представлений, которые привели к какому-то итоговому результату, пусть даже хорошо согласующемуся с наблюдениями. Эти представления должны подвергнуться еще прямой экспериментальной проверке. Вот если бы эксперименты с "Хабблом" обнаружили непосредственно ту среду (квинтэссенцию или сверхплотный космологический вакуум и антигравитацию), которая вводится во Вселенную авторами для объяснения наблюдаемого космологического красного смещения, то тогда все было бы корректным. Но наблюдения дают лишь сдвиг частоты и ничего другого. Вообще неаккуратность, некорректность утверждений стали частыми гостями в публикациях, чего в прежние годы практически не было: всегда скромно говорили, что теоретические результаты согласуются (если согласуются) с экспериментальными данными, но не заявляли безапелляционно, что эксперимент подтвердил предложенную модель и построенную на ней теорию; эксперимент может подтвердить лишь предсказанный теоретически конкретный физический эффект, например - тот же сдвиг частоты. Приведу пример, на мой взгляд хорошо иллюстрирующий сказанное. В рамках квантовой теории и квантовых представлений о структуре атомов, можно теоретически найти спектр излучения атомов. Этот спектр можно изучить также экспериментально. Сравнение теоретических и экспериментальных данных покажет их прекрасное согласие друг с другом. Но это согласие не дает никаких оснований для утверждения, что эксперимент по спектральному анализу излучения атомов подтвердил квантовые представления о структуре атома - его "планетарную" модель. Чтобы исследовать его структуру, нужны другие эксперименты.

Упомянутая неаккуратность проявляется часто и в высказываниях относительно "черных дыр". Если астрономы наблюдают какое-то явление (например, захват вещества каким-то невидимым объектом), то и надо говорить о том, что наблюдается, а не спешить с объявлением об экспериментальном открытии "черных дыр". Совсем не факт, что соответствующий объект - "черная дыра", это может быть очень компактный (но с очень большой массой) объект со специфическими свойствами. Даже если большинство научной общественности склоняется к интерпретации некоторых наблюдаемых явлений, как результата проявлений "черных дыр", то, относясь к этому мнению максимально внимательно, надо все же помнить, что научная истина не устанавливается голосованием. Иначе говоря, всегда следует проявлять скрупулезную точность в высказываниях о том, что дает эксперимент, и не добавлять того, чего в нем нет.

В заключение давайте вместе пофантазируем о вещах совсем не фантастичных. Так как пульсации Вселенной всегда были в прошлом и продолжатся неограниченно в будущем, то биологическая жизнь в ней (в том числе и в ее высших формах) воспроизводилась и будет воспроизводится бесконечно и на бесконечном числе планет. В сегодняшней Вселенной мы тоже не являемся единственными ее обитателями. Но поскольку вероятность возникновения жизни чрезвычайно мала, так как для ее зарождения нужна реализация громадного числа специфических условий, то расстояния между обитаемыми планетами должны быть чрезвычайно большими. Обитатели планет, достигшие уровня человеческого развития на Земле (или превзошедшие этот уровень), скорее всего имеют облик, схожий с нашим, поскольку этот облик явился следствием естественного отбора, руководящим принципом которого является принцип наивысшей целесообразности, необходимости и достаточности. Нетрудно понять, почему человеку даны две руки и две ноги, два глаза и два уха, а его голова расположена выше остальных частей тела. Уровень развития обитателей планет может быть разным, в том числе и из-за несовпадения времен возникновения на них жизни, хотя это несовпадение, судя по эволюционной картине Вселенной, не может быть слишком большим. Вполне возможно, что на некоторых планетах "человечество" уже успело уничтожить и себя и все окружающее (к чему, похоже, идем пока и мы). Но может быть это закон природы - она должна уничтожить то, что по флуктуационной случайности возникло на ее беду? На других планетах "человечество" могло оказаться разумнее и продолжает благоденствовать.

Вот такая картина возникает в воображении, если принять сценарий пульсирующей Вселенной. Эта картина бесконечное число раз всплывала в умах в прошлом и будет всплывать в будущем. Однако никаких уроков из нее наш род человеческий, погрязший в религиозных, этнических, социальных и др. распрях, к сожалению, не извлекает, хотя отпущено на жизнь не так много, а природа и все живое (более благоразумное, чем люди) вопиют о безрассудстве творимого над ними людьми насилия.

Заслуженный профессор МГУ,
Лауреат Ломоносовской премии
Ю.М.ЛОСКУТОВ