29.05.2007. - Как надули мировой пузырь

Как надули мировой пузырь

Александр Механик, Дан Медовников, Тигран Оганесян

Ученые так и не определились с тем, конечна или бесконечна наша Вселенная, вечна она или смертна и вообще — она одна или их много. Мы даем слово известным исследователям, придерживающимся противоположных точек зрения

Земля рождает пузыри, как влага.

Они — такие. Где они? Исчезли.

У. Шекспир

Современная космология основывается на двух фактах: во-первых, на том, что Вселенная ускоренно расширяется, и во-вторых, на том, что она заполнена достаточно однородным электромагнитным излучением (радиационным космическим фоном) в виде реликтовых фотонов.

То, что Вселенная расширяется, было теоретически предсказано еще в начале 20?х годов прошлого века российским ученым Александром Фридманом и вскоре подтверждено результатами наблюдений американского астрофизика Эдвина Хаббла. Экспериментально же обнаружить ускоренное расширение Вселенной астрономам удалось лишь в самом конце ХХ века. Пришлось предположить, что в природе существует не только привычное всемирное тяготение Ньютона (гравитационное притяжение), но еще и гравитационное отталкивание.

Объяснение этого неожиданного процесса, по мысли ученых, заключалось в том, что гравитационное отталкивание создается космическим вакуумом. Пионером этой реинкарнации эфира в ХХ веке считается советский физик-теоретик Эраст Глинер (в 1980 году он эмигрировал в США), начиная с 1965 года опубликовавший цикл работ, в которых делалась попытка придать физическому вакууму статус материальной среды со свойствами, принципиально отличающими его от известных видов материи.

Впрочем, еще в начале 80?х в работе «Элементарные частицы и структура Вселенной» известный советский астрофизик Иосиф Розенталь высказался на сей счет честнее: «То, что в соответствии с современными представлениями заполняет пространство, называется более благопристойно — “физический вакуум”, хотя, возможно, более адекватным термином был бы “релятивистский эфир”».

Современные квантовые представления также подразумевают наличие некоей базовой субстанции, «вакуумоподобного состояния», либо на начальной, либо на заключительной стадии эволюции Вселенной.

Долгое время идеи Глинера воспринимались научным сообществом как маргинальные. Но впоследствии оказалось, что развитие этих идей чрезвычайно плодотворно. И после недавнего экспериментального обнаружения «всемирного антитяготения» космологи практически единодушно признали, что именно гравитационное отталкивание послужило причиной чрезвычайно мощного первотолчка.

Теория Большого взрыва, или теория рождения Вселенной из сингулярности, до сих пор считается космологическим мейнстримом. Однако сингулярность в классической космологии означает бесконечно большие значения плотности, температуры и давления, и большинство современных космологов признает, что классическое описание этой начальной стадии лишено физического смысла. Так, по мнению крупнейшего американского физика-теоретика Джона Арчибальда Уилера, появление сингулярностей пространства-времени в Общей теории относительности (ОТО) Альберта Эйнштейна «стало величайшим кризисом в истории физики».

Другую теорию развития Вселенной, так называемую релятивистскую теорию гравитации (РТГ), в конце 70?х годов ХХ века предложил академик Анатолий Логунов, в зените своей карьеры переключившийся на новое осмысление эволюции Вселенной и роли гравитации в этом процессе.

Основная идея РТГ заключается в особенном характере гравитационного поля, которое является реальным физическим полем, обладающим плотностью энергии и импульса. Логунов также пришел к выводу, что сама Вселенная стационарна, тогда как гравитационные поля в ней постоянно изменяются.

Соавтор многих работ Логунова академик Семен Герштейн считает, что «реликтовое излучение в релятивистской теории гравитации имеет то же самое объяснение, что и в ОТО. Оно возникло во время горячей стадии развития Вселенной на первых этапах ее развития. Но если в теории Большого взрыва в начале была сингулярность, то в теории Логунова — очень сильное гравитационное поле, которое постепенно уменьшается».

Увы, ни ранняя Вселенная, ни скрытая масса (темные материя и энергия) не могут наблюдаться напрямую астрономическими средствами. И уж совсем бесперспективны любые попытки инструментального выявления того, что было до рождения Вселенной. Поэтому по наиболее принципиальным спорным позициям (был ли Большой взрыв, циклична ли, вечна ли Вселенная, какова истинная физическая природа гравитации и т. д.) сторонников РТГ и современного космологического мейнстрима едва ли удастся рассудить в ближайшей исторической перспективе. Не завершили этот спор и попытки обнаружения черных дыр — обе теории объясняют наблюдаемые эффекты в системах двойных звезд, одна из которых, по мейнстримовской теории, должна быть черной дырой, а по логуновской — просто очень сильно сжатой материей.

Член-корреспондент РАН Игорь Новиков: «Таких пузырей может быть много»

Новиков Игорь Дмитриевич (р. 1935), российский астроном, доктор физико-математических наук. Член-корреспондент РАН c 26 мая 2000 года. Заместитель директора Астрокосмического центра ФИАН РАН. Директор Института теоретической астрофизики в Копенгагене. Создал теорию внутреннего строения черных дыр. Совместно с А. Г. Дорошкевичем указал (1964) на возможность обнаружения реликтового излучения. Совместно с Я. Б. Зельдовичем предсказал (1966), что черные дыры могут быть рентгеновскими источниками в двойных системах. :: Фото: Александр Забрин

Фото: Александр Забрин

— Когда я учился в школе и даже в университете, нас убеждали, что с точки зрения диалектического материализма есть вечная материя, которая движется в бесконечном пространстве, в бесконечном времени. Такие представления безнадежно устарели. Физика доказала и экспериментально подтвердила, что свойства пространства зависят от материи, которая там движется, от условий этого движения. В частности, от сил тяготения. При наличии тяготения пространство становится неэвклидовым, искривленным. Топология пространства может меняться, и она может быть очень сложной. Так и со временем. Мы привыкли, что время, как река, течет непрерывно, везде совершенно одинаково, все события вовлечены в течение этой реки, и, конечно, нельзя как-то влиять на это течение, нельзя его остановить. Нельзя повернуть течение времени вспять. Все это тоже неверно.

— А что значит сложная топология пространства?

— Говорить о топологии трехмерного пространства трудно, а вот аналогии в двумерном пространстве мы легко можем себе представить. Самое простое представление о двумерном пространстве — это бесконечная плоскость. Но если двумерное пространство замкнуть на себя, как, например, поверхность шара, то это будет конечное пространство. Двумерное, но конечное. Если же вот этот листок бумаги свернуть как цилиндр, а цилиндр замкнуть сам на себя, то получится тор (бублик). И это тоже будет двумерное пространство. И таких сложных структур может быть очень много. Аналогичные формы, более того, значительно более сложные, возможны и в трехмерном пространстве. Форма пространства и называется топологией. И конечно, только с помощью экспериментов или астрофизических наблюдений можно определить топологию пространства, в котором мы существуем.

То, что космология наконец стала экспериментальной, наблюдательной наукой, безусловно, можно считать самым большим достижением естествознания новейшего времени. Один из наиболее амбициозных современных проектов — «Планк». Это проект Европейского космического агентства, в котором также участвуют представители США, России и других стран. Я, в частности, являюсь одним из его координаторов. «Планк» — это новый космический телескоп, который будет измерять реликтовое излучение Вселенной. Это излучение возникло практически вместе с рождением всей Вселенной и поэтому несет информацию о далеком прошлом, о первой эпохе существования Вселенной, и информацию об очень далеких областях пространства, а значит, о структуре и топологии космического пространства. Наблюдаются флуктуации этого излучения на уровне чуть более одной миллионной от уровня средней интенсивности. Такие слабые пятнышки.

— Каковы возможные результаты этих наблюдений?

— Во-первых, то, что реликтовое излучение существует, свидетельствует, что начало Вселенной было горячим. Поэтому модель, которая ее представляет, называют теорией горячей Вселенной. Сейчас это излучение стало холодным, потому что Вселенная расширяется, и следовательно, вещество охлаждалось, и излучение, которое заполняет всю Вселенную, тоже охлаждалось. А в горячем веществе происходили удивительные процессы, которые приводили к возникновению материи, из которой сейчас состоит Вселенная, и слабых неоднородностей в распределении материи. Впоследствии из этих неоднородностей возникали галактики и галактические скопления, то, что мы называем крупномасштабными структурами Вселенной. Те же «пятнышки» реликтового излучения, которые мы наблюдаем, как раз и свидетельствуют о наличии этих неоднородностей и о том, какими они были в далеком прошлом. Зная об этом, мы сможем судить о процессах, которые привели к их образованию.

— А есть ли представление об этих процессах?

— Да, безусловно. Эти процессы квантовые по своей природе. Когда Вселенная родилась, она родилась из вакуума. Точнее сказать, из вакуумоподобного состояния. И благодаря так называемой квантовой неопределенности, которая неизбежна в квантовом мире, возникли маленькие флуктуации плотности вещества. Поэтому, когда мы изучаем эти пятна, мы как бы ретроспективно изучаем физику этого процесса происхождения Вселенной. Кроме того, это излучение идет с огромных расстояний, поэтому оно несет информацию о свойствах пространства, в котором оно распространяется, в частности о кривизне пространства, о скорости расширения Вселенной, сейчас и в прошлом, наконец, о количестве материи во Вселенной. Причем разных видов материи. Так, из тех экспериментов, которые уже проведены, мы знаем, что Вселенная главным образом состоит не из той материи, из которой сделаны мы, звезды, межзвездный газ. Этот вид материи, называемой барионной, составляет менее 10 процентов, а в основном, на 70 процентов, Вселенная состоит из темной энергии (существует еще и темная материя — 20 процентов). Темная энергия — это особый вид материи, отличающийся тем, что давление в этой материи гигантское по сравнению с плотностью энергии. Плотность энергии сейчас уже не очень велика, потому что Вселенная сильно расширилась. Но давление по сравнению с плотностью огромное, причем отрицательное.

— Объясните, пожалуйста, это поподробнее.

— Формально давление определяется как плотность потока импульса через единичную площадь. Градиент давления приводит к силе, которая приводит к расширению. Взрыв бомбы, например. Но это давление положительное. А вот отрицательное давление возникает, например, когда мы растягиваем резинку и возникает сила, которая стремится ее сжать. Иначе говоря, отрицательным давлением называется натяжение. Но когда мы говорим, что натяжение возникало в каком-то газе или в поле, это звучит, конечно, несколько непривычно. А поскольку наша Вселенная состоит на семьдесят с лишним процентов из темной энергии с гигантским отрицательным давлением, то расширение Вселенной происходит ускоренно, а не замедляется, как полагали раньше.

Гравитация или антигравитация создают искривление пространства и времени. Большое тяготение создает положительное искривление пространства. В этом случае Вселенная должна быть замкнута. Но даже плоское пространство может иметь сложную топологию, как поверхность тора. Вот почему важно установить кривизну пространства.

— Будет ли ускоренное расширение Вселенной вечным или оно когда-нибудь прекратится?

— Однозначно ответить на ваш вопрос сегодня невозможно. Мы знаем, что сейчас происходит ускоренное расширение Вселенной благодаря наличию темной энергии и антигравитации. И если не произойдет специфического перехода темной энергии в другое состояние, то есть она не превратится во что-то другое, расширение Вселенной будет продолжаться вечно. В противном же случае расширение может смениться на сжатие. Тогда все будет определяться тем, выше или ниже некоторой критической величины плотность вещества во Вселенной.

Впрочем, сегодня рассматриваются разные возможности эволюции Вселенной. Например, мы не знаем, что происходит с материей звезды, которая превращается в черную дыру. Оттуда никакая информация не выходит, но есть гипотеза, что происходит ее расширение в другое пространство, то есть возникновение другой вселенной. Это не мешает существованию нашей Вселенной, потому что это происходит в гиперпространстве.

— А что, существование черных дыр уже экспериментально доказано?

— Безусловно. Правда, некоторые космологи осторожно называют их «кандидатами в черные дыры». Однако, по-моему, никаких сомнений в этом нет. Во-первых, мы видим черные дыры в некоторых двойных звездных системах. Если в такой двойной системе одна из звезд — черная дыра, а другая — достаточно раздутая звезда, то газ из нее может перетекать к черной дыре, вращаться вокруг нее и перед тем, как окончательно упасть в нее, формировать специфический горячий диск. Этот диск светится в рентгеновских лучах, потому что в нем очень высокая температура, свыше десяти миллионов градусов. И наблюдая это рентгеновское излучение, мы можем утверждать, что имеем дело с черной дырой. Кроме того, существуют сверхмассивные черные дыры в центрах галактик. В том числе Млечный Путь в нашей галактике. Кстати, когда я еще учился в институте, почти никто не верил в существование черных дыр. Не верили в них и многие известные ученые. Например, знаменитый англичанин Эддингтон. А недавно, между прочим, я получил медаль от английского Королевского общества имени Эддингтона.

— Известно, что вы являетесь одним из разработчиков новой теории так называемых кротовых нор…

— Черная дыра — это объект, который обладает колоссальным полем тяготения, поэтому он не выпускает излучение. Он создает гигантское искривление пространства, буквально дыру в пространстве. Туда можно только упасть. А «кротовая нора» — это почти та же черная дыра, тоже сильно искривленное пространство, но в отличие от черной дыры ее поле не настолько сильное, чтобы оттуда нельзя было выйти. В топологии такие объекты называют «топологическими ручками». Они могут соединять отдаленные области пространства. Но эти «ручки» находятся вне нашего пространства, в неком суперпространстве. В двумерном пространстве это можно проиллюстрировать следующим образом. Если в плоскости сделать две дырки и соединить их ручкой, то она будет уже вне плоскости. Причем длина этой ручки будет определяться не только расстоянием между дырками на плоскости, но и внешней кривизной пространства. Ручка может быть длиной в несколько метров или километров, а расстояние между дырками может составлять, скажем, несколько миллионов световых лет.

Правда, далеко не все верят, даже специалисты, в существование таких объектов. Но физических запретов на их существование нет. И если такие объекты существуют, то мы сможем их обнаружить. Дело в том, что оттуда должны выходить сильные магнитные поля, которые реально зафиксировать с помощью радионаблюдений. Есть даже предположения, что эти «норы» могут соединять нас с другими вселенными.

— Так что, другие вселенные, кроме нашей, могут существовать?

— Как я уже сказал, в теории возникло представление, что наша Вселенная образовалась из квантового кипения вакуума. Я, конечно, говорю, предельно упрощенно. Вакуум в данном случае — это физическая пустота. Потому что пустоты как «отсутствия всего» согласно законам физики не может быть в принципе. В любой пустоте существуют так называемые квантовые флуктуации, то есть рождение и аннигиляция квантовых пар. Результаты возникновения этих пар наблюдаются в эксперименте. Согласно теории вечных и множественных вселенных, существует кипящий вакуум, и время от времени в этом вакууме появляются «пузыри» — мини-вселенные. Периодически эти мини-вселенные благодаря квантовым флуктуациям становятся достаточно большими, и тогда тенденция их дальнейшего расширения начинает преобладать над стремлением к аннигиляции: такой пузырь экспоненциально расширяется и становится «нормальной» вселенной, подобной нашей. И таких пузырей может быть много.

Это все, конечно, кажется фантазией. Но это проверяется, как и любая другая физическая теория. Хотя надо понимать, что в момент возникновения вселенной в ней на квантовом уровне происходят физические процессы, которые практически нереально воспроизвести в лабораторных условиях: там были такие большие энергии, которые нельзя получить ни на одном ускорителе.

— Тем не менее в одном из своих выступлений вы говорили о возможности создания вселенной что называется на лабораторном столе.

— Я говорил о принципиальной возможности. Ладно вселенную, даже для того, чтобы создать черную дыру, скажем, с массой нашей Земли, надо сжать Землю до размера меньше сантиметра. Никакая технология не позволит сейчас нам это сделать.

— Может быть, оно и к лучшему?

— Не знаю. Черные дыры — самые мощные источники энергии во Вселенной. Потому что газ, падая, выделяет несколько процентов так называемой энергии покоя, а это гораздо больший источник энергии, чем любые ядерные реакции. И, скажем, если бы мы смогли создать черную дыру маленькой массы на орбите вокруг Земли, это был бы очень мощный источник энергии. Более того, вовсе не обязательно ее создавать. Можно и приволочь ее откуда-нибудь издалека.

Академик РАН Анатолий Логунов: «Эйнштейн меня бы понял»

Логунов Анатолий Алексеевич (р. 1926), российский физик-теоретик, академик РАН (1991; академик АН СССР с 1972-го), вице-президент (1974–1991) АН СССР, Герой социалистического труда (1980). Основные труды по квантовой теории поля и физике элементарных частиц. Указал на важность изучения инклюзивных процессов и установил на основе квантовой теории поля предельные законы возрастания их сечения с ростом энергии. Ректор МГУ (1977–1992); первый директор (с 1963-го; с 1974-го — научный руководитель) Института физики высоких энергий. Ректор МГУ (1977–1991). Лауреат Ленинской премии (1970) и Государственной премии СССР (1973, 1984). :: Фото: Александр Забрин

Логунов Анатолий Алексеевич (р. 1926), российский физик-теоретик, академик РАН (1991; академик АН СССР с 1972?го), вице-президент (1974–1991) АН СССР, Герой социалистического труда (1980). Основные труды по квантовой теории поля и физике элементарных частиц. Указал на важность изучения инклюзивных процессов и установил на основе квантовой теории поля предельные законы возрастания их сечения с ростом энергии. Ректор МГУ (1977–1992); первый директор (с 1963?го; с 1974?го — научный руководитель) Института физики высоких энергий. Ректор МГУ (1977–1991). Лауреат Ленинской премии (1970) и Государственной премии СССР (1973, 1984).

Фото: Александр Забрин

— Анатолий Алексеевич, вы были директором института, получили серьезные результаты в физике элементарных частиц, курировали большой проект — строительство суперускорителя. Тем не менее сейчас ваши основные научные интересы в основном лежат в области теории гравитации. Что подвигло вас на такую смену научной ориентации?

— Когда мне было пятьдесят лет, или где-то около того, я решил, что надо заняться одним из тех разделов физики, который я не очень хорошо знаю: теорией гравитации. Когда я учился, я некоторые вещи не понимал в ОТО. Математическую сторону знал всю. Но когда говорилось о принципе эквивалентности гравитационной и инерционной массы, я так и не мог понять, для чего он нужен. И я решил более внимательно изучить эту проблему.

— В чем суть вашего взгляда на гравитацию? И в чем ваши «разногласия» с Эйнштейном?

— При разработке нашей релятивистской теории гравитации (РТГ) мы с коллегами исходили из того, что гравитационное поле является физическим полем в духе Фарадея?Максвелла, то есть возможна локализация гравитационной энергии. В ОТО же это невозможно, потому что ОТО описывает тяготение не как результат действия гравитационного поля, а как результат воздействия масс на свойства пространства и времени. При этом РТГ так же однозначно, как и ОТО, объясняет результаты всех известных гравитационных эффектов в Солнечной системе — таких, как смещение перигелия Меркурия и отклонение луча света, проходящего вблизи Солнца. Разница в основном возникает только при больших величинах сил тяготения. Так, в РТГ уже нет черных дыр. И Большого взрыва тоже не было. Согласно РТГ, в прошлом во Вселенной было однородное состояние вещества с большой плотностью и высокой температурой. Вещество покоилось в инерциальной системе отсчета. С развитием же Вселенной происходило уменьшение плотности вещества и уменьшение гравитационного поля. Однако это уменьшение идет лишь до некоторой минимальной величины. А затем плотность и гравитационное поле снова начинают увеличиваться. Можно сказать, что в нашей модели эволюция Вселенной носит осциллирующий характер.

— Означает ли это, что, согласно вашей теории, Вселенная вечна?

— Да, она вечна и бесконечна. В нашей модели не происходит расширения Вселенной, связанного с движением вещества. Видимость эффекта расширения связана с изменением гравитационного поля. Именно изменение гравитационного поля, согласно РТГ, и приводит к так называемому красному смещению.

Кстати, многие не очень правильно понимают, что такое Большой взрыв в ОТО. Думают, что все происходит в одной точке. Это не так. На самом деле, согласно ОТО, одновременно во всех точках бесконечного пространства происходит рост плотности вещества до бесконечности, который и рассматривается как взрыв.

А согласно РТГ, в прошлом во Вселенной было однородное состояние вещества с большой плотностью и высокой температурой. Вещество покоилось в инерциальной системе отсчета. И дальше Вселенная начинает развиваться. Она развивается циклически, от большой плотности к минимальной, затем начинается обратный процесс и так далее.

В ОТО считается, что гравитация обладает только свойством притяжения. И если масса тела больше нескольких масс Солнца, то силы гравитации оказываются настолько могучими, что подавляют всякое внутреннее сопротивление сжатию. Значит, будет бесконечное сжатие. Такой гравитационный коллапс, согласно ОТО, приводит к возникновению черной дыры. Однако еще в начале прошлого века Артур Эддингтон говорил, что бесконечного сжатия тела не может быть. Наверняка должен существовать такой закон природы, который рано или поздно останавливает это сжатие. И в нашей РТГ гравитационное поле само себя останавливает, возникает самоограничение на величину гравитационного поля. То есть в РТГ тело под воздействием гравитации не может сжиматься бесконечно, а только до определенной величины. В РТГ гравитационная сила может быть не только силой притяжения, но при определенных условиях (в сильных полях) она проявляется как эффективная сила торможения. Отсюда также следует, что в отличие от ОТО гравитационное поле, по нашей теории, в принципе не может остановить течение времени физического процесса. То, что мы сделали, можно было сделать еще лет тридцать назад, для этого все уже было подготовлено, но из этого тогда следовало бы, что нет черных дыр, Большого взрыва, что Вселенная плоская и так далее.

Кстати, Эйнштейн как физик черные дыры никак не принимал. Но Оппенгеймер и Снайдер рассмотрели сжатие тела и впервые сделали вывод, что оно будет идти беспрепятственно. Получилось противоречие: общая идеология Эйнштейна запрещает сингулярности, а решения определенных уравнений, вытекающих из ОТО, наоборот, разрешают. От чего следовало отказаться? От общей идеологии или от полученных решений? Мы в своих работах исходим из идеологии.

— Возможны ли какие-то критические эксперименты, которые могут подтвердить или опровергнуть вашу теорию?

— Во-первых, это обнаружение тел большой массы, находящихся на заключительной стадии своей эволюции (когда ядерные ресурсы исчерпаны). Если такой объект является черной дырой, то при падении на него вещества излучения не должно быть — все уходит в черную дыру. Все исчезает там. А если верна наша теория, то при падении вещества на такой объект будет излучение. Во-вторых, критическим тестом для нашей теории могли бы стать более точные наблюдательные данные о полной относительной плотности материи во Вселенной. Если она превосходит некоторое критическое значение, то будет верна наша теория. Согласно ей, Вселенная не замкнута и является плоской. Наши исследования показали, что полная масса вещества должна быть несколько больше критической. Осталось только определить ее величину.

В нашей теории однородная и изотропная Вселенная возможна только одна: она плоская, и это означает, что ее трехмерная геометрия пространства — Евклидова. То есть параллельные прямые в нашей Вселенной не пересекаются.

РТГ обеспечивает возвращение в физику всех понятий, которые имеют место в классической механике Ньютона и в специальной теории относительности и от которых пришлось отказаться Эйнштейну при построении ОТО: инерциальная система координат, закон инерции, законы сохранения энергии-импульса и момента количества движения для всех физических процессов, в том числе для гравитационных. В ОТО же нет интегрального закона сохранения вещества и гравитационного поля.

— Тем не менее научное сообщество выбрало эйнштейновскую парадигму, а ваша теория пока не воспринимается большинством ваших коллег.

Я думаю, что с Эйнштейном мне было бы проще договориться. Вообще, Эйнштейн во многом руководствовался физической интуицией. Поэтому он не принимал шварцильдовскую сингулярность, а другие больше верят формулам. Я вам скажу, что работы Эйнштейна вообще мало кто читал.

http://www.expert.ru/printissues/expert/2007/20/kak_naduli_mirovoy_puzyr/ 28.05.2007