UNIVERSE 1.1

Р.Ровинский

Развивающаяся Вселенная


Universe 1.32 Universe 2.2 Contents Home Page

 

2. САМООРГАНИЗАЦИЯ ВЕЩЕСТВ В РАННЕЙ ВСЕЛЕННОЙ

2.1 Начало - самое простое состояние?

Одним из фундаментальных следствий модели горячей Вселенной представляется вывод, к которому пришли космологи: в ходе выявившегося расширения и остывания вещества протекает процесс поэтапного его усложнения и образования структур с нарастающей степенью упорядоченности. Логично допустить, что исходное состояние Вселенной, из которого началось ее расширение, было самым простым и наименее упорядоченным из всех последующих состояний вплоть до нашего времени. Что же современная наука может сказать об этом "самом простом" состоянии? Нестационарное решение уравнений ОТО, позволяющее обернуть для нашей Вселенной время назад, к началу ее расширения, дает в исходном состоянии сингулярность. Формально это означает, что расширение началось из состояния, в котором вещество было стянуто в безразмерную точку, где его плотность была бесконечно большой. Известные законы физики в сингулярности не работают. Более того, нет уверенности, что наука когда-либо познает и объяснит состояние вещества в сингулярности. Так что если сингулярность на самом деле является "самым простым" состоянием расширяющейся Вселенной, то наука не располагает о нем никакой информацией.

Сингулярность как исходное состояние расширяющейся Вселенной порождает комплекс нерешаемых проблем.

"Сингулярности, - пишет английский физик С.Хокинг, один из тех, кто успешно развивает новую космологию [10], - это такие точки, где кривизна пространства и времени становится бесконечной и сами понятия пространства и времени теряют всякий смысл".
Таким образом, помимо проблемы бесконечной плотности вещества (или эквивалентной ему энергии) в сингулярности возникает еще одна проблема – необходимость определения свойств пространства-времени в экстремальных состояниях. Современная физика окончательно определилась в понимании того, что пространство и время неотделимы друг от друга, они образуют единый континуум, свойства которого рассматриваются в Специальной теории относительности. А Общая теория относительности прочно связывает пространственно-временной континуум, его геометрию, с плотностью вещества. Чем больше плотность массы, тем сильнее искривляется пространство-время и при достаточно больших плотностях возникает ситуация, когда искривление завершается его замыканием. Тогда ни одно тело, ни один вид излучения не могут выйти за пределы образовавшегося замкнутого мира.

В сингулярности бесконечно большая плотность вещества порождает не просто замыкание, а полное разрушение пространственно-временного континуума. Именно так следует понимать приведенное выше высказывание Хокинга. А это означает, что до рождения Вселенной не было ни пространства, ни времени в нашем сегодняшнем понимании этих терминов. Такое нам трудно представить, но это не единственная трудность, которую мы встречаем при попытке познать таинственную развивающуюся Вселенную.
Однако вернемся к проблеме сингулярности. Уместно задать себе вопрос: допустимо ли трактовать сингулярность, появляющуюся как предельный случай классической теории (ОТО – классическая теория, поскольку она не пользуется представлениями квантовой физики), в качестве физической реальности? Не порождена ли на самом деле сингулярность необоснованным распространением результатов классической теории на область, в которой неприемлемы ее исходные предпосылки?

В самом деле, начальная стадия расширения Вселенной является зоной, в которой господствуют квантовые процессы. В таких ситуациях следует принимать во внимание не только состояние вещества, но и состояние "фона", каковым является физический вакуум. В экстремальных положениях он очень плотно взаимодействует с вещественным микромиром. Согласно квантовым представлениям, вещество невозможно стянуть в безразмерную точку, это противоречит принципу неопределенности Гейзенберга. Этот принцип прямо вытекает из дуализма корпускулярных и волновых свойств вещества. Волна обязана быть размерной субстанцией, иначе она перестает существовать. Это же обстоятельство приводит к заключению, что в Природе обнаруживается предельно допустимая плотность вещества, превысить, а тем более сделать бесконечной которую физически невозможно. Макс Планк вычислил эту плотность, она равна очень большой, но конечной величине, а именно 1094 г/см3 (планковская плотность). В этой связи уместно привести еще одно высказывание Хокинга:

"Однако, принимая во внимание квантовую механику, можно надеяться на то, что сингулярность "размажется", а пространство и время образуют вместе четырехмерную поверхность без границ и краев <...> Вселенная полностью замкнута и, стало быть, для ее описания не нужны граничные условия. Нет необходимости тогда определять состояние Вселенной в бесконечно отдаленном прошлом, и не возникает никаких сингулярностей, в которых неприменимы законы физики".
Таким образом, мысль об отсутствии у Вселенной предыстории, так как в "самом простом" состоянии пространственно-временной континуум был разрушен, при современном уровне наших знаний освобождает нас от желания фантазировать на тему о том, что было "до того". Конкретизация же представлений о "самом простом" состоянии с опорой на квантовую физику позволяет избежать нерешаемых проблем сингулярности. Что же касается состояния пространства-времени в экстремальных условиях начала, то наши представления об этом пока далеки от полноты. Остается открытым принципиальный вопрос о существовании структур пространства-времени (его квантуемости). Так, теоретики полагают, что пространство-время дискретно, существует минимальный пространственный размер и минимальный временной интервал. Согласно этим предположениям, минимальный линейный размер (квант пространства) равен ~10-33 см, а минимальный временной интервал (квант времени) составляет ~10-43 c Для сравнения: размер атомного ядра равен ~10-13 cм, что на 20 порядков больше кванта пространства, а свет проходит расстояние, равное поперечному размеру ядра атома водорода, за время ~10-23 c, что выглядит вечностью по сравнению с квантом времени. Если квантовый характер пространства-времени реален, то при всей малости указанных величин невозможно сблизить частицы вещества на дистанцию, меньшую кванта пространства, и невозможно приблизиться к началу расширения Вселенной ближе, чем на 10-43 с.

Итак, исходное состояние перед "началом" не является точкой в математическом смысле, оно обладает своеобразными свойствами, понимание которых выходит за рамки научных представлений сегодняшнего дня. Это состояние отличала крайняя неустойчивость, породившая некий "взрыв", скачкообразный переход в состояние расширяющейся Вселенной. Для понимания проблемы "начала" требуется разработка пока неизвестных законов физики, проявляющихся в экстремальной ситуации. Один из возможных путей решения проблемы – объединение квантовой теории и теории гравитации. С таким направлением дальнейшего поиска согласны многие ученые-космологи.

Отметим следующее обстоятельство, важное для темы данной книги. При всех допускаемых вариантах, исходное состояние рождающейся Вселенной действительно предстает как самое простое из последующих, реализовывавшихся в ходе ее развития вплоть до наших дней. В этом состоянии было нарушено все, что нам привычно: формы материи, законы, управляющие их поведением, пространственно-временной континуум. Такое состояние можно назвать хаосом, из которого затем, в последующем развитии системы, шаг за шагом формировался порядок. Созидательный процесс господствовал, хотя и протекал в противоборстве с разрушительной тенденцией.

Universe 1.32 Universe 2.2 Contents Home Page


Ваши отзывы, мнения и предложения могут быть отправлены автору по адресу:
remrovinsky@yahoo.com