Космос

Более поздние разработки в космологии

С 1970-х годов в космологии происходит много интересного. Данная статья представляет собой обсуждение различных космологических идей.

До 1960-х годов многие люди не принимают всерьез космологию. Хотя размышления космологов были захватывающими, они оставались именно такими из-за отсутствия окончательных данных. Ситуация начала меняться с открытием космического фонового излучения (cosmic background radiation, CBR) в 1964 году. После этого открытия стали появляться дополнительные релевантные данные, и было разработано много новых теорий. Одной из наиболее странных идей было осознание того, что физика элементарных частиц может многое рассказать нам о космологии. Особенность заключается в рассмотрении тесной связи между изучением мельчайших вещей (физика элементарных частиц) и самой большой вещью (космология). С 1970-х годов в космологии происходит много интересного.

Далее в этой статье идет обсуждение различных космологических идей, в которых часто может показаться, что автор согласен с этими идеями или с теорией Большого взрыва. Мы должны подчеркнуть, что это только ради обсуждения. В следующей статье мы увидим, как космология Большого Взрыва и связанные с нею идеи, обсуждаемые здесь, вступают в конфликт с описанием творения в книге Бытие. Для обсуждения этих концепций сейчас проще всего рассматривать их как приемлемые, отложив на время вопрос о том, согласуются ли они с библейским мировоззрением. Другими словами, мы просим вас надеть «шляпу Большого взрыва», чтобы участвовать в этой дискуссии. Пожалуйста, не делайте вывода из обсуждения в этой главе, что автор поддерживает модель Большого взрыва или, что у него есть какой-либо энтузиазм по этому поводу.

Скорость расширения и проблема плоскостности

По мере расширения Вселенной скорость расширения замедляется гравитацией материи во Вселенной. Можно провести аналогию с объектом, который проецируется вверх с поверхности Земли. Скорость объекта будет замедляться из-за гравитации Земли. При малых скоростях объект будет быстро менять направление и падать обратно на землю. По мере увеличения начальной скорости объект будет двигаться на более высокие высоты, прежде чем упасть обратно на землю. Существует минимальная скорость, называемая скоростью убегания, при которой объект не вернется на поверхность Земли. На поверхности Земли скорость убегания составляет около 25 000 миль в час. Теоретически, объект, движущийся со скоростью убегания, в конечном итоге достигнет бесконечного расстояния от земли без оставшейся скорости. Объекты, движущиеся быстрее скорости убегания, никогда не вернутся, но они никогда не остановятся. Космические зонды на Луну или другие планеты должны быть ускорены выше скорости убегания. Чем больше их скорость превышает скорость убегания, тем меньше времени займет их путешествие.

Иллюстрация космического корабля, взлетающего с планеты, с текстом, указывающим массу и радиус планеты, скорость выхода корабля и математическую формулу для определения этой скорости

Изображение предоставлено Брайаном Миллером


Вселенная должна вести себя подобным образом. Если расширение будет слишком медленным, гравитация в конечном итоге изменит направление, так что Вселенная снова сократится. Это, по-видимому, приведет к своего рода обратному Большому взрыву, который обычно называют «большим хрустом». Это также привело бы к конечному времени жизни для Вселенной. Если расширение превышает некоторое значение, близкое к скорости убегания, расширение будет замедлено, но недостаточно, чтобы обратить вспять расширение. В этом случае Вселенная будет расширяться вечно, и ее плотность будет постоянно уменьшаться.

Скорость убегания Земли зависит от ее массы и размера. Точно так же вопрос о том, будет ли наша Вселенная расширяться вечно или сжиматься обратно, зависит от размера и массы Вселенной. Более простой способ выразить это в терминах одной переменной (а не двух), такой как плотность, которая зависит как от массы, так и от размера. Существует критическая плотность, выше которой Вселенная будет расширяться вечно и ниже которой она остановит расширение и коллапс на себя. Если Вселенная обладает критической плотностью, то ее расширение асимптотически приближается к нулю и никогда не коллапсирует.

Одним из параметров, используемых для описания Вселенной, является Ω (греческая буква омега), определяемая как отношение полной гравитационной потенциальной энергии к полной кинетической энергии. Гравитационная потенциальная энергия — это энергия, которой обладает объект из-за своей массы и любой присутствующей гравитации. На Земле некоторый объект с возвышением имеет гравитационную потенциальную энергию. Например, автомобиль, припаркованный на холме или воде за плотиной. Чем выше холм или чем выше плотина, тем больше энергии. Более мощные гидроэлектростанции — это те, которые выше и имеют большее количество воды. По мере того как вода упадет со своей первоначальной высоты и пройдет через турбину, гравитационная потенциальная энергия преобразована в электрическую энергию. Кинетическая энергия — это энергия движения. Ускоряющаяся пуля содержит гораздо больше энергии, чем медленно движущаяся пуля.

Поскольку Вселенная имеет массу и, следовательно, гравитацию, она также должна иметь гравитационную потенциальную энергию. Расширение Вселенной представляет собой движение, поэтому Вселенная также должна иметь кинетическую энергию. По мере расширения Вселенной гравитационная потенциальная энергия будет меняться. В то же время гравитация замедлит скорость расширения, так что количество кинетической энергии также изменится. Как правило, две энергии не будут меняться в одном и том же смысле или на одну и ту же величину, так что Ω будет меняться со временем. Значение Ω < 1 означает, что кинетическая энергия больше потенциальной гравитационной энергии. И наоборот, значение Ω > 1 означает, что гравитационная потенциальная энергия превышает кинетическую энергию. Если Вселенная Большого взрыва началась с Ω < 1, то Ω уменьшится в значении. Минимальное значение равно нулю. Если с другой стороны Ω > 1 в начале Вселенной, то Ω должно было увеличиться в значении. Поэтому за миллиарды лет значение Ω должно было резко измениться от своего первоначального значения. В течение нескольких десятилетий все данные предполагали, что хотя Ω действительно меньше 1, это не намного меньше 1. Сумма всей видимой материи во Вселенной дает Ω, равное примерно 0,1. Перспектива темной материи подталкивает значение Ω ближе к 1.

Тот факт, что Ω сегодня очень близко к 1, говорит о том, что Вселенная началась с Ω, почти, если не точно, равной 1. Если бы Ω было всего на несколько процентов меньше 1 изначально, то эволюция Вселенной после Большого взрыва должна была бы произвести Ω значительно меньше (на много порядков), чем 1 сегодня. Насколько близко к 1 значение Ω должно было быть в начале Вселенной, чтобы создать Вселенную, которую мы видим сегодня? Значение зависит от определенных предположений и версии Большого взрыва, который используется, но большинство оценок помещают начальное значение Ω, равное 1, в пределах 15 значимых цифр. То есть исходное значение Ω не могло отклониться от 1 более чем на 15-е место справа от десятичной точки. Почему Вселенная должна иметь Ω так близко к 1? Эта проблема называется проблемой плоскостности. Название происходит от геометрии вселенной, где Ω равен 1. В такой Вселенной пространство не имело бы кривизны и, следовательно, было бы плоским. Существует несколько возможных решений проблемы плоскостности.

Иллюстрация верхней формы и воронкообразной формы с текстом: "Если бы значение Ω было слишком большим, Вселенная давно перестала бы расширяться и сжалась бы сама по себе. Если бы значение Ω было слишком мало, то Вселенная быстро расширилась бы до такой степени, что плотность была бы слишком низкой для образования звезд и галактик.”

Изображение предоставлено Брайаном Миллером


Один из возможных ответов на проблему плоскостности заключается в том, что именно так и происходит в мире. Хотя это не является физической невозможностью, это вызывает некоторые тревожащие вопросы, по крайней мере, для атеиста. Кажется, что начальное значение Ω могло быть любым числом, но только очень маленький диапазон значений мог привести к Вселенной, в которой мы существуем. Если бы значение Ω было слишком мало, то Вселенная быстро расширилась бы до такой степени, что плотность была бы слишком низкой для образования звезд и галактик. Таким образом, не могло быть ни планет, ни жизни. Следовательно, мы не эволюционировали бы, чтобы наблюдать Вселенную. Если бы, с другой стороны, значение Ω было изначально слишком большим, Вселенная давно бы перестала расширяться и сжалась обратно до «большого хруста». Это не дало бы нам достаточно времени для развития. В любом случае, мы не должны существовать. Поэтому правильные условия, которые позволили бы наше существование, были во Вселенной с самого начала.

Антропный принцип

Значение Ω также не является единственной характеристикой Вселенной, пригодной для нашего существования. Ученые определили ряд других параметров, от которых зависит наше существование. Примеры включают массы и заряды элементарных частиц, а также константы, такие как диэлектрическая проницаемость свободного пространства, которые управляют их взаимодействиями. Если бы некоторые из этих констант имели несколько иные значения, то стабильные атомы, какими мы их знаем, были бы невозможны или не существовали бы уникальные свойства углерода и воды, от которых зависит жизнь. Все эти величины являются фундаментальными, то есть они не зависят от других параметров, а являются числами, которые должны были принимать некоторые значения. Нет никакой причины, почему эти константы имеют значения, которые они имеют, кроме того, что они просто делают. Из всех случайных перестановок констант, которые могли бы произойти, наша Вселенная существует так же, как и с этими конкретными числами. Какова вероятность того, что Вселенная примет параметры, которые будут способствовать жизни или даже требовать, чтобы жизнь существовала? Кому-то кажется, что Вселенная сотворена; с самого начала Вселенная была пригодна для нашего существования. В начале 1970-х годов ученый  Брэндон Картер назвал эту линию рассуждений антропный принцип.1

Для многих христиан это является убедительным доказательством существования Бога и стало частью их апологетики.2 Конечно, использование антропного принципа предполагает, что космогония Большого взрыва правильна. Существует большая трудность в примирении Большого взрыва с верным представлением описания о создании в Бытие, тема которого будет рассмотрена в следующей статье.

Для атеистов и агностиков дело обстоит далеко не так однозначно. Как они решают эту проблему? Они пробуют несколько подходов. Один из них заключается в том, чтобы утверждать, что вопрос о вероятности был неправильно сформулирован. Они утверждают, что следует спросить, какова вероятность существования чего-то только до того, как это что-то действительно наблюдается. Если известно, что данный объект существует, то его вероятность существования с заданными характеристиками равна 1, как бы маловероятно это нам ни казалось.

Я могу использовать себя в качестве примера. Если принять во внимание генетический состав моих родителей, то очевидно, что были буквально миллиарды различных комбинаций детей, которые могли бы иметь мои родители. Каждый потенциальный ребенок имел бы уникальные особенности, такие как пол, рост, телосложение, цвет глаз и волос, чтобы упомянуть только некоторые из них. У моих родителей было только двое детей, поэтому казалось бы, что мое появление в этой семье  маловероятно. Тем не менее, когда люди встречаются со мной в первый раз, они (обычно!) не поражены фактом моего существования. Большинство людей признают, что если я существую, то я должен существовать в каком-то состоянии. Поэтому вероятность того, что я существую так, как я есть, равна 1. Они утверждают, что невероятные шансы против того, что у меня есть черты, которые у меня есть, имеют смысл только в том случае, если вероятность была задана до того, как я был зачат. Подобным же образом существует Вселенная, поэтому вероятность того, что она существует такой, какая она есть, должна быть равна 1. Поэтому, утверждают они, мы не должны быть шокированы тем, что Вселенная существует именно так.

Как можно ответить на этот ответ? Мы увидим дальше, что подобный аргумент используется против работы астронома Халтона Aрпа, поэтому обсуждение будет применяться и здесь. Мы повторим некоторые из них здесь. Мы все время используем вероятностные аргументы, чтобы исключить маловероятные объяснения. ДНК-тестирование сейчас используется во многих уголовных делах. Если есть образец ткани преступника, оставленный на месте преступления, то ДНК часто могут быть извлечены. Образцом может быть кожа или клетки крови, волосы или даже слюна на окурке сигареты. Сравнение ДНК из образца с ДНК, извлеченной из подозреваемого, может показать, насколько хорошо совпадают два образца ДНК. Часто это выражается в том, как маловероятно было бы для двух людей, выбранных случайным образом, чтобы разделить одну и ту же ДНК. Если бы вероятность была всего лишь одна на миллион, то это считалось бы веским доказательством вины для большинства людей. Тем не менее, адвокат защиты может утверждать: так же маловероятно, как совпадение между его невиновным клиентом и действительно виновной стороной, совпадение на самом деле произошло, поэтому вероятность равна 1. Один этот аргумент без каких-либо других доказательств для оправдания обвиняемого, очевидно, сильно хромает и не убедит ни одного компетентного присяжного. Тем не менее, этот ответ на работу Aрпа просит нас поверить в подобный аргумент.

График с вертикальной осью с надписью «Время» и горизонтальной осью с надписью «Размер расширения», содержащий ряд фигур. Фигуры слева от графика имеют закрытые вершины, а фигуры справа от графика имеют вершины, которые открываются все шире и шире.

Слева на иллюстрации находятся те Вселенные, которые рухнули обратно на себя, прежде чем жизнь могла начаться, а справа — те Вселенные, которые расширялись слишком быстро, и будут  расширяться вечно.

Изображение предоставлено Брайаном Миллером


Есть и другие возможные ответы на антропный принцип. Например, некоторые космологи предполагают, что наша Вселенная не может быть уникальной.3 Наша Вселенная может быть только одной из многих или даже бесконечных вселенных. Эта концепция «мультивселенной» будет обсуждаться далее. С этой точки зрения каждая отдельная вселенная имеет свои уникальные свойства, некоторые из которых позволяют жить, но большинство из них стерильны. Мы не можем существовать в большинстве вселенных, поэтому нас не должно удивлять, что мы существуем во Вселенной, благоприятной для жизни. Это объяснение очень близко подходит к сути ответа на антропный принцип, рассмотренный выше. Единственное различие заключается в том, что этот ответ стремится объяснить наше существование, обращаясь к большому размеру выборки. Читатель должен заметить, что такого рода ответ вряд ли является научным (как его можно проверить?), и составляет в лучшем случае довольно плохую философию.

Инфляция

Возвращаясь к проблеме плоскостности, кардинально разные ответы возникали в начале 1980-х годов. Позже в 1979 году Алан Гут предположил, что ранняя Вселенная могла испытать раннее быстрое расширение. Согласно этому сценарию, вскоре после Большого взрыва (где-то между 10-37 и 10-34 секунд после Большого взрыва), когда Вселенная была еще очень мала, Вселенная быстро расширялась в размерах на много порядков (увеличение размеров Вселенной могло быть от размера элементарной частицы до размера грейпфрута). Такое поведение было названо инфляцией. Инфляция произошла бы гораздо быстрее, чем скорость света. Некоторым людям это кажется нарушением специальной теории относительности Эйнштейна, которая говорит нам, что материальные объекты не могут двигаться со скоростью света, не говоря уже о скорости света. Однако в инфляционной модели объекты движутся не быстрее скорости света, а скорее пространство расширяется быстрее света и увлекает за собой объекты. Начальное значение Ω, возможно, не было особенно близко к 1, но в результате инфляции оно было почти идентично равным 1. Поэтому Вселенная не была точно настроена с самого начала, а скорее была вынуждена быть плоской через очень естественный процесс. Инфляция решает проблему плоскостности, не прибегая к антропному принципу в качестве еще одной потенциальной трудности.

Инфляция может объяснить несколько трудностей, кроме проблемы плоскостности. Одним из них является однородность Вселенной. Похоже, что CBR имеет одинаковую температуру во всех направлениях. Если два объекта, которые имеют разные температуры, соединены вместе, чтобы они могли обмениваться теплом, мы говорим, что они находятся в тепловом контакте. Как только два объекта больше не обмениваются теплом, все еще находясь в тепловом контакте, они должны иметь одинаковую температуру, и мы говорим, что они пришли в тепловое равновесие. Области Вселенной, которые диаметрально противоположны нашему положению и из которых мы сейчас получаем CBR, еще не вступили в тепловой контакт, но эти области имеют одинаковую температуру. Как такое может быть, если они не были в тепловом контакте раньше? Эту проблему часто называют проблемой горизонта, потому что части Вселенной, которые еще не должны были соприкасаться, находились бы за горизонтом друг друга. В инфляционной Вселенной очень маленькие области Вселенной могли прийти в тепловое равновесие до того, как произошла инфляция. После инфляции регионы могли быть удалены из теплового контакта до тех пор, пока тепловой контакт не был восстановлен намного позже. При такой возможности широко рассеянные области ранее находились в тепловом равновесии, поэтому неудивительно, что они все еще находятся в тепловом равновесии.

Иллюстрации трех полей: гравитационного, магнитного и электрического

Изображение предоставлено Брайаном Миллером

Примеры полей


Какой механизм движет инфляцией? Было предложено два класса решений. Одна из возможностей — это энергетическое поле, называемое «инфлатон», которое заполняет вселенную. Поля используются в физике для описания ряда явлений. Примерами полей являются гравитационные поля, окружающие массы, электрические поля вокруг зарядов и магнитные поля вокруг магнитов. Поля можно рассматривать как пронизывающее и изменяющее пространство. Высвобождение энергии инфлатона привело бы к инфляции.

Альтернативное предположение состоит в том, что инфляция была вызвана процессом, который иногда называют «нарушением симметрии». Существует четыре признанных фундаментальных силы природы: гравитационная сила, электромагнитная сила и слабые и сильные ядерные силы. Все наблюдаемые силы можно описать как проявления одной из этих фундаментальных сил. История физики — это история постепенного объединения различных, казалось бы, разрозненных сил. Например, в начале и середине 19-го века ряд экспериментальных результатов показал, что электрические и магнитные явления были связаны между собой. Набор из четырех уравнений, сформулированных Джеймсом Клерком Максвеллом, объединил электричество и магнетизм в единую теорию электромагнетизма. В 1970-х годах была создана теория, которая объединила электромагнитные силы со слабым ядерным взаимодействием. Фактически, Стивен Вайнберг, чья очень известная популярная книга о Большом взрыве, «Первые три минуты», разделила Нобелевскую премию по физике 1978 года за его вклад в это объединение. В то время как электромагнитные и слабые ядерные силы сегодня имеют различные проявления, объединение этих двух сил в единую теорию означает, что они были бы единым явлением при гораздо более высоких температурах, присутствующих в ранней Вселенной Большого взрыва. С помощью этого объединения мы можем сказать, что в настоящее время существуют три фундаментальные силы природы.

Большинство физиков считают, что все силы природы можно объединить в единую теорию. Идет работа над теорией, которая объединит все фундаментальные силы, кроме гравитации. Считается, что гравитацию трудно объединить с другими силами, потому что гравитация намного слабее, чем другие силы. Если и когда такая теория будет найдена, она будет называться теорией великого объединения(grand unified theory, GUT). Физики надеются, что однажды гравитация может быть объединена с GUT, чтобы создать теорию всего (theory of everything, TOE). Много исследований посвящено поиску GUT, и есть несколько различных подходов к поиску. Почти все участники согласны с тем, что объединение сил произойдет только при очень высоких энергиях и температурах. Вот почему попытки развития GUT требуют использования огромных ускорителей частиц — большие ускорители производят более высокие энергии. Космологи полагают, что температура очень ранней Вселенной была бы достаточно высокой для объединения всех сил природы. Это единство сил представляет собой своего рода симметрию. По мере того как Вселенная расширялась и охлаждалась, силы разделялись одна за другой. Будучи самой слабой на сегодняшний день, гравитация сначала разделилась бы, а затем последовали бы другие. Каждое отделение было бы отходом от первоначально более простого состояния, вводя форму асимметрии в силы природы. Поэтому отделение каждой силы от единственной начальной силы называется нарушением симметрии.

Нарушение симметрии подобно фазовому переходу в веществе. Когда лед тает, он требует поглощения энергии, которая охлаждает окружающую среду льда. Точно так же, когда вода замерзает, она высвобождает энергию в окружающую среду. Когда происходит нарушение симметрии, энергия высвобождается во Вселенную. Эта энергия питает инфляцию. Многие космологи считают, что  Вселенная может пройти еще один эпизод нарушения симметрии с потенциально катастрофическими результатами для человечества. Конечно, без знания соответствующей физики невозможно предсказать, когда или даже если такая вещь вероятна.

Были написаны тысячи работ об инфляционной Вселенной, и было предложено более 50 вариантов инфляционных теорий. Поскольку инфляция смогла объяснить несколько сложных проблем, она, вероятно, останется главным игроком в космологии Большого взрыва в течение некоторого времени. Почти никто не заметил, что нет прямых наблюдательных тестов для инфляции, ее привлекательность является прямым результатом ее способности решать некоторые космологические проблемы. Модель инфляции играет важную роль в сценариях возникновения Большого Взрыва, как мы вскоре увидим.

Теория струн

Еще одной новой и важной идеей в космологии является теория струн. Теория струн утверждает, что вся материя состоит из очень маленьких объектов, которые ведут себя как крошечные вибрирующие струны. В дополнение к знакомым трем измерениям пространства теория струн требует, чтобы было, по крайней мере, еще шесть пространственных измерений. Это приводит общее число измерений к десяти, девяти пространственным и одному временному измерению. Почему мы не заметили эти дополнительные измерения? Со времен ранней Вселенной эти измерения были «свернуты» в невероятно малые размеры, так что мы не можем их видеть. Тем не менее, эти измерения сыграли бы важную роль в поведении материи и Вселенной на ранних этапах ее истории. Это вводит связь между космологией и физикой элементарных частиц. Объединение физических законов предположительно существовало в высокой энергии ранней Вселенной. Поскольку взаимодействия фундаментальных частиц были бы очень сильными в ранней Вселенной, правильная теория этих взаимодействий должна быть включена в космологические модели.

Многие популярные книги были написаны по теории струн. Даже христианский астроном (и прогрессивный креационист) Хью Росс настойчив в трактате4, в котором он обращается к теории струн, чтобы объяснить ряд теологических вопросов. Что легко упустить во всех этих работах, так это то, что теория струн является очень спекулятивной теорией, для которой пока нет доказательств. Возможно, пройдет некоторое время, прежде чем эта ситуация изменится. Среди космологов признается предварительная природа теории струн, а также существуют другие возможные теории элементарных частиц.

Темная материя

Галактики, как правило, находятся в группах, называемых кластерами. Большие скопления галактик могут содержать более тысячи членов. Астрономы предполагают, что эти скопления гравитационно связаны; то есть, что члены скопления следуют стабильным орбитам вокруг общего центра масс. В 1930-х годах астроном Фриц Цвикки измерил скорости галактик в нескольких скоплениях. Он обнаружил, что отдельные галактики двигались слишком быстро, чтобы быть гравитационно связанными, факт, подтвержденный для многих других скоплений. Это означает, что члены галактики разлетаются, и со временем скопления перестанут существовать. Время распада типичного кластера составляет порядка миллиарда лет или около того, что намного меньше предполагаемого возраста кластеров. Некоторые креационисты приводят это как доказательство того, что Вселенная может быть намного моложе, чем обычно думают. Другими словами, верхний предел возраста этих структур, наложенный динамическими соображениями, может быть свидетельством, оставленным нашим Создателем.

Чтобы сохранить древний возраст скоплений галактик, астрономы предположили, что скопления содержат гораздо больше материи, чем мы думаем. Существует два способа измерения массы скопления галактик. Один из них — измерить, сколько света излучают галактики в скоплении (светящаяся масса). Подсчет числа вовлеченных галактик и измерение их яркости дают нам оценку массы скопления. Исследования масс и общего света звезд в Солнечной окрестности дают нам представление о том, сколько массы соответствует заданному количеству света. Второй способ оценки массы — вычислить, сколько массы требуется для гравитационного связывания членов кластера с учетом движения этих членов (динамическая масса). Сравнение этих двух методов показывает, что почти в каждом случае динамическая масса намного больше, чем светящаяся масса. В некоторых случаях светящаяся масса составляет менее 10% от динамической массы.

Фотография звезд за круговой диаграммой, показывающей 73% темной энергии, 23% темной материи, 3,6% межгалактического газа и 0,4% звезд и т. д.

Изображение предоставлено НАСА


Если расчеты динамической массы являются истинной мерой масс скоплений галактик, то это говорит о том, что подавляющее большинство масс во Вселенной невидимо. Это явление было названо темной материей. Если бы это были единственные данные, подтверждающие существование темной материи, то подозрение в реальности темной материи было бы вполне обоснованным. Однако в 1970 году появились и другие доказательства существования темной материи. В том же году астроном обнаружил, что объекты во внешних областях Галактики Андромеды вращаются быстрее, чем должны. Это было неожиданно. Теория гравитации предполагает, что в пределах массивной центральной части галактики, из которой исходит большая часть ее света, скорости вращающихся объектов должны линейно увеличиваться с расстоянием от центра. Это подтверждается наблюдениями. Однако теория также предполагает, что дальше от центральной части галактики (за пределами того места, где находится большая часть массы) орбитальные скорости должны быть кеплеровскими. Говорят, что орбитальные тела следуют кеплеровскому движению, если они следуют трем законам движения планет, открытым Кеплером четыре столетия назад. Альтернативное утверждение третьего закона Кеплера состоит в том, что орбитальные скорости обратно пропорциональны квадратному корню расстояния от центра. Вместо этого было обнаружено, что скорости объектов, находящихся очень далеко от центра, не зависят от расстояния или даже немного увеличиваются с расстоянием. Подобное поведение было обнаружено и в других галактиках, включая Млечный Путь.

Это странное поведение для объектов, вращающихся вокруг галактик на больших расстояниях, является независимым свидетельством темной материи, но оно также говорит о том, где находится темная материя. Если эти объекты действительно вращаются, то фундаментальная физика требует, чтобы большая часть материи существовала внутри орбит этих тел, но за пределами внутренних галактических областей, куда поступает большая часть света. Эти внешние области называются ореолами галактик. Поскольку от галактических ореолов исходит мало света, эта материя должна быть темной. Оценки количества гало темной материи, необходимого для получения наблюдаемых орбит, согласуются с оценками скоплений галактик. Предполагается, что, как и у айсберга, то, что мы видим, составляет только около 10% массы.

Что такое идентичность темной материи? Было много предложенных теорий. «Нормальная» материя состоит из атомов, состоящих из протонов, нейтронов и электронов. Массы нейтрона и протона очень похожи, но масса электрона примерно в 1800 раз меньше массы протона или нейтрона. Протоны и нейтроны принадлежат к классу частиц, называемых барионами. Поскольку большая часть массы атомов приходится на барионы, «нормальная» материя считается барионной. Нам были бы наиболее удобны барионные решения вопроса о темной материи, но барионную материю трудно сделать невидимой. В то время как слабые звезды являются наиболее распространенным типом звезд и, следовательно, составляют большую часть звездной массы, звезды с низкой массой настолько слабы, что в свете галактик преобладают более яркие, более массивные звезды. Однако даже если бы темная материя состояла полностью из чрезвычайно слабых звезд, их объединенный свет был бы легко виден. Если бы вещество находилось в гораздо меньших частицах, таких как пыль, инфракрасное излучение от пыли было бы легко обнаружено. Некоторые предположили, что темная материя содержится во многих объектах размером с планету. Это решение, получившее название MACHO (MAssive Compact Halo Object), позволяет избежать обнаруживаемого излучения больших и меньших объектов, только что упомянутых. Там был обширный поиск MACHO, и есть некоторые данные, чтобы поддержать эту идентификацию, хотя это все еще спорно.

Более экзотических кандидатов для темной материи предостаточно. Некоторые предполагают, что темная материя состоит из многих черных дыр, которые не взаимодействуют со своим окружением достаточно, чтобы быть обнаруженными излучением. Другая идея заключается в том, что если нейтрино имеют массу, то большие облака нейтрино в галактическом гало может работать. Летом 2001 года были найдены убедительные доказательства того, что нейтрино действительно имеют массу. В качестве альтернативы были предложены ранее неизвестные частицы. Один из них называется WIMPS (Weakly Interacting Massive ParticleS)/слабо взаимодействующие массивные частицы. Очевидно, MACHO был так назван из-за прямой конкуренции со «слабаками». Идентичность темной материи — еще один пример того, как космология и физика элементарных частиц могут быть тесно связаны.

Связь темной материи с космологией должна быть очевидна. Судьба Вселенной связана со значением Ω, а Ω зависит от количества материи во Вселенной. Если 90% материи во Вселенной является темной, то Ω может быть очень близко к 1, и темная материя будет иметь огромное влияние на эволюцию Вселенной за миллиарды лет. Присутствие темной материи было бы жизненно важно для развития структуры в ранней Вселенной. Вселенная, как правило, считается очень ровной сразу после Большого взрыва. Это предположение частично основано на простоте расчета, но также и на неустойчивой природе неоднородностей в массе. Если бы материя во Вселенной заметно сгустилась, то эти сгустки действовали бы как гравитационные семена для привлечения дополнительной материи и, следовательно, росли бы в массе. Если бы эти гравитационные семена изначально были слишком велики, то почти вся материя во Вселенной была бы втянута в массивные черные дыры, оставляя небольшую массу для формирования галактик, звезд, планет и людей. Если бы, с другой стороны, масса в ранней Вселенной была слишком ровной, не было бы никаких эффективных гравитационных семян, и никакие структуры, такие как галактики, звезды, планеты и люди, не могли бы возникнуть. Диапазон однородности, в котором исходные условия Большого взрыва существовали и породили вселенную, которую мы теперь видим, должно быть, был довольно мал. Это еще один пример тонкой настройки, которую, по-видимому, претерпела Вселенная, что для некоторых предполагает антропный принцип.

Если темная материя существует, то ее роль во Вселенной Большого взрыва должна быть оценена. Большинство соображений включают в себя, сколько темной материи существует и в какой форме. Темная материя может быть горячей или холодной, в зависимости от того, как быстро она двигалась. Если темная материя двигалась быстро, то ее называют горячей. Если медленно — холодной. Скорость зависит от массы и идентичности темной материи. Очевидно, что в настоящее время темная материя является довольно свободным параметром в космологии.

Эксперименты COBE и WMAP

Ранняя Вселенная должна была иметь некоторую незначительную неоднородность, чтобы произвести структуру, которую мы видим сегодня. Если бы не было гравитационных семян для сбора материи, то мы не были бы здесь, чтобы наблюдать Вселенную. Космологам удалось вычислить, сколько неоднородностей должно было существовать в Большом взрыве. Эта неоднородность присутствовала бы в возрасте рекомбинации, когда излучение в CBR якобы испускалось. CBR должен быть очень однородным, но неоднородность была бы отпечатана на CBR как локализованные регионы, которые немного теплее или холоднее, чем в среднем. Предсказания того, насколько большие неоднородности должны быть приведены к конструкции спутника COBE (COsmic Background Explorer, произносится COB-EE). COBE был разработан для точного измерения CBR по всему небу и измерения прогнозируемых колебаний температуры.

Двухлетний эксперимент COBE закончился в начале 1990-х с совершенно гладким CBR. Это означает, что флуктуации температуры, предсказанные моделями тока, не были найдены. В конечном счете, группа исследователей использовала очень сложный статистический анализ, чтобы найти тонкие колебания температуры в гладких данных. Были заявлены вариации одной части из 105. Последующие эксперименты, которые были более ограничены по объему, были заявлены для проверки этого результата. Они были восприняты как подтверждение стандартной космологии.

Однако есть некоторые нерешенные вопросы. Например, в то время как эксперимент COBE был разработан для измерения изменений температуры, якобы найденные изменения были на порядок меньше, чем предсказанные. Тем не менее, это приветствуется как отличное подтверждение модели Большого взрыва. Некоторые писали, что результаты COBE идеально соответствуют предсказаниям, но это не так. Начиная с результатов COBE, некоторые теоретики пересчитали модели Большого взрыва, чтобы произвести измерения COBE, но это вряд ли представляет собой идеальное совпадение. Вместо этого данные управляли теорией, а не теория — данными.

Другой факт, который был потерян многими учеными, заключается в том, что предполагаемые колебания температуры были ниже чувствительности детекторов COBE. Как эксперимент может измерить что-то ниже чувствительности устройства? Изменения стали заметны только после большой обработки данных COBE с мощной статистикой. Один из исследователей COBE признал, что он не мог указать на какое-либо направление в небе, где команда четко определила более жаркую или холодную область. Это очень странный результат. Никто не знает, где находятся более горячие или более холодные регионы, но исследователи были убеждены статистикой, что такие регионы действительно существуют. К сожалению, именно так все чаще ведется наука.

WMAP, с несколькими обозначенными частями

Изображение предоставлено НАСА

WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe)


Чтобы подтвердить колебания температуры, якобы обнаруженные COBE, спутник WMAP был разработан, а затем запущен в начале 21-го века. WMAP расшифровывается как Wilkinson Microwave Anisotropy Probe, и первоначально был обозначен как MAP, но был переименован после того, как Дэвид Уилкинсон, один из главных дизайнеров миссии, умер во время выполнения миссии. WMAP был построен для обнаружения слабых колебаний температуры, указанных COBE, и он действительно подтвердил эти колебания. В начале 2003 года исследовательская группа использовала первые результаты WMAP наряду с другими данными для установления некоторых из последних измерений Вселенной. Это исследование показало возраст Вселенной в 13,7 миллиарда лет, плюс или минус 1%. Он также определил, что видимая материя составляет лишь немногим более 4% от массы Вселенной. Из остальной массы, около 23% — в форме темной материи, а остальные 73% — в экзотической новой форме, получившей название «темная энергия». Темная энергия будет описана вкратце.

Постоянная/Константа Хаббла

Мы знаем, что первоначальное измерение Хабблом H0 было больше, чем 500 км/сек Мпк, но это значение H0 упало до 50 км/сек Мпк к 1960 году. Значение H0 оставалось таким более трех десятилетий. В начале 1990-х годов новые исследования предположили, что H0 должен быть ближе к 80 км/с. Астрономы, которые в течение многих лет поддерживали старое значение H0, сильно противились новому значению, и поэтому в течение нескольких лет было много конфликтов по этому вопросу.

Диаграмма с расстоянием в качестве горизонтальной оси, скоростью в качестве вертикальной оси и количеством точек и трех линий в области диаграммы

Постоянная Хаббла описывает, как быстро объекты удаляются от нашей галактики в зависимости от расстояния. Если вы построите график кажущейся скорости рецессии против расстояния, как на рисунке выше, константа Хаббла — это просто наклон прямой линии через данные.


Кроме профессиональной гордости, что еще было поставлено на карту? Константа Хаббла не только может дать нам расстояние до галактик, она может быть использована для определения приблизительного возраста Вселенной. Обратная константа Хаббла, TН, называется временем Хаббла, и она говорит нам, как давно был большой взрыв, предполагая, что Λ равно нулю и пренебрегая любым уменьшением расширения из-за самогравитации материи во Вселенной. Поскольку Вселенная должна была подвергнуться некоторому гравитационному замедлению, время Хаббла является верхним пределом возраста Вселенной Большого взрыва. Если вы изучите единицы измерения H0, вы увидите, что они имеют размеры расстояния во времени и расстояния, так что расстояния отменяются, и вы остаетесь с обратным временем. Поэтому TН имеет единицы времени, но Мпк должен быть преобразован в километры, а секунды должны быть преобразованы в годы.

Например, постоянная Хаббла 50 км/сек Мпк дает TН 1/50 Mpc сек/км. Парсек содержит 3x1013 км, поэтому Мпк равен 3x1019 км. Год имеет приблизительно 3x107 секунд. Собирая это вместе, мы получаем

TН = (1/50 км/сек Мпк Mpc)( 3x1019 км/Мпк)(год/3x107 сек) = 2x1010 лет.

Поэтому постоянная Хаббла 50 км/сек Mпк дает время Хаббла 20 миллиардов лет. Факторинг в разумном гравитационном замедлении дает часто цитируемый возраст с момента Большого взрыва от 16 до 18 миллиардов лет.

Космические струны

Следует вкратце упомянуть космические струны, которые не следует путать с теорией струн частиц. Исследования галактик и скоплений галактик показывают, что они распределены неравномерно. Скопления галактик, как правило, лежат вдоль длинных, взаимосвязанных нитей. Если галактики и другие структуры Вселенной конденсировались вокруг точек, которые имели большую, чем средняя масса, и таким образом действовали как гравитационные семена, то почему галактики теперь находятся вдоль длинных дуг? Один из возможных ответов: космические струны. Космические струны — это гипотетические структуры, которые простираются на огромные расстояния во Вселенной. Струны чрезвычайно тонкие, но очень длинные, и они содержат невероятные массовые плотности вдоль их протяженности. Очевидно, что космические струны не состоят из «нормальной» материи. Космические струны должны были действовать как гравитационные семена, вокруг которых образовались галактики и скопления. Пока нет никаких доказательств существования космических струн, и поэтому эта идея остается спорной.

Поскольку время Хаббла обратно пропорционально постоянной Хаббла, удвоение H0 будет вдвое меньше TН. Предположение о том, что H0 следует увеличить до 80 км/сек Мпк уменьшило время Хаббла примерно до 12,5 млрд лет. Гравитационное замедление уменьшило бы фактический возраст Вселенной до 8 миллиардов лет. Обычно это можно было бы принять, за исключением того, что астрономы были убеждены, что шаровые звездные скопления, которые содержат то, что считается одним из самых старых звезд в нашей галактике, были близки к 15 миллиардам лет. Таким образом, более высокая постоянная Хаббла поставила бы астрономов в неловкое положение, когда звезды старше Вселенной.

Существовало несколько возможных путей решения этой дилеммы, и астрономы, в конце концов, остановились на комбинации двух. Во-первых, команды астрономов, которые отстаивали различные значения для H0, нашли некоторую общую почву и смогли достичь консенсуса между их двумя значениями. На момент написания этой статьи (2003) установленное значение для H0 составляло 72 км/сек Мпк. Это дает возраст Вселенной от 12 до 15 миллиардов лет, с предпочтительным значением на момент написания этой статьи в 13,7 миллиардов лет. Во-вторых, были переоценены возрасты шаровых звездных скоплений. Мы не будем подробно обсуждать, как это было сделано, но это включает в себя правильную калибровку диаграмм цветовых величин шаровых кластеров. Калибровка требует знания расстояния, и космический телескоп Хаббла предоставил новые данные, которые позволили нам более точно знать расстояния шаровых скоплений. Повторная калибровка уменьшила возраст шаровых скоплений до диапазона, лишь немного меньшего, чем новый возраст Вселенной. По оценкам большинства космологов, неопределенность в обоих возрастах дает достаточно времени для образования самых ранних звезд через некоторое время после Большого взрыва.

Этот эпизод действительно иллюстрирует изменяющуюся природу науки и необоснованную уверенность. До этого кризиса в эпоху вселенной и эпох шаровых скоплений большинство астрономов были полностью убеждены, что оба эти возраста были правильными. Любой, кто предположил бы, что шаровым скоплениям меньше 15 миллиардов лет, был бы довольно быстро отвергнут. Однако когда другие данные потребовали изменения, возникла необходимость, и был найден способ уменьшить возраст шаровых скоплений. Абсолютная истина более молодых возрастов теперь заменила абсолютную истину более старых. Большинство ученых упускают из виду, что, кроме кризисов, новая истина никогда бы не была открыта. Мы бы беспечно продолжали совершенно не осознавать, что наш «объективный подход» к возрастам шаровых скоплений долгое время не давал нам «правильного» значения.

Возвращение космологической постоянной

Как обсуждалось ранее, Эйнштейн дал ненулевое значение космологической постоянной, чтобы сохранить статическую вселенную, о чем он позже пожалел. В течение некоторого времени Λ, равное нулю, вошло в моду, и многие космологи неодобрительно относились к любому предположению об обратном. На самом деле идея ненулевого Λ никогда не уходила. Например, к 1950-м годам многие геологи настаивали на том, что возраст Земли близок к принятому в настоящее время значению в 4,6 миллиарда лет, но постоянная Хаббла была слишком большой, чтобы позволить Вселенной быть такой старой. Некоторые космологи предположили, что большое Λ увеличило скорость расширения в прошлом так, что соответствующее время Хаббла дало ложное указание на истинный возраст Вселенной. Точно так же, как гравитационное замедление может привести к тому, что фактический возраст Вселенной будет намного меньше времени Хаббла, ускорение, приведенное в действие Λ, может привести к тому, что фактический возраст Вселенной будет больше времени Хаббла. В середине 1950-х годов космологическая шкала расстояний была пересмотрена таким образом, что константа Хаббла была уменьшена почти до того, что она есть сегодня с соответствующим увеличением времени Хаббла, чтобы создать Вселенную намного старше 4,6 миллиарда лет. Поэтому нет  необходимости в ненулевом Λ.

После четырех десятилетий самодовольства Λ вернулась. В 1998 году некоторые космологические исследования, использующие расстояния от сверхновых типа Ia и связывающие несколько параметров Вселенной, предположили, что наилучшим соответствием данным является то, что Λ имеет небольшое ненулевое значение. С момента возрождения астрономы стали называть космологическую постоянную «темной энергией». Космологическая постоянная соответствует энергии, потому что она представляет собой силу отталкивания, и такие силы всегда могут быть записаны как потенциальная энергия. Эйнштейн показал, что энергия и масса эквивалентны, поэтому космическое отталкивание можно рассматривать аналогично массе. Поскольку ни космическое отталкивание, ни темная материя не могут быть замечены, и поскольку оба они критически влияют на структуру Вселенной, целесообразно рассматривать их одинаково. Как бы неудобно это ни было для некоторых ученых, космологи были вынуждены пересмотреть космологическую постоянную. К чему это приведет, на момент написания данной статьи неизвестно.

Значение Λ имеет разветвления в будущем Вселенной. В большинстве дискуссий по космологии будущее Вселенной связано с геометрией Вселенной. Эти переговоры основаны на модели, разработанной русским математиком Александром Фридманом в 1922 году, модели, которая называется Вселенной Фридмана. Вселенная Фридмана предполагает, что значение Λ равно нулю. В модели Фридмана, если средняя плотность Вселенной ниже критической плотности, то Вселенная пространственно бесконечна и будет расширяться вечно. Это соответствует отрицательной кривизне, где через точку проходит бесконечное число линий, параллельных любой другой линии. Если средняя плотность Вселенной выше критической плотности, то Вселенная пространственно конечна, хотя она не связана. Эта Вселенная, в конечном счете, прекратит расширяться и обратится в сжатие. Геометрия этой Вселенной имеет положительную кривизну, так что параллельных линий нет. Критическая плотность зависит от постоянной Хаббла. Принятое в настоящее время значение постоянной Хаббла приводит к критической плотности, которая выше плотности освещенной материи во Вселенной. Темная материя и темная энергия приближают общую плотность Вселенной к критической плотности, хотя никто не ожидает, что она превысит критическую плотность.

Вселенная, которая будет вечно расширяться, называется открытой, в то время как Вселенная, которая перестанет расширяться, называется закрытой. Технически термины «открытый» и «закрытый» фактически относятся к геометрии Вселенной, но со Вселенной Фридмана они также могут относиться к конечной судьбе Вселенной. Однако, когда Λ не равно нулю, это отношение изменяется. В такой вселенной открытый или закрытый статус вселенной непосредственно относится к геометрии через плотность. Например, замкнутая вселенная может расширяться вечно. Это тонкий момент, по которому многие книги по космологии ошибаются, потому что они рассматривают только модели Фридмана. В течение многих лет всерьез рассматривались только модели Фридмана. С 1998 года в космологическом мышлении доминируют нефридмановские модели, и со временем эта точка зрения, вероятно, войдет во многие книги по космологии.

Происхождение Вселенной

Происхождение Вселенной — загадочная тема. Например, внезапное появление материи и энергии нарушает закон сохранения энергии (первый закон термодинамики) и материи. Наука основана на том, что мы можем наблюдать. Независимо от того, как и когда возникла Вселенная, это было событие, которое произошло только один раз во времени (как мы понимаем время). Ни один человек не присутствовал в начале Вселенной, поэтому можно было бы ожидать, что происхождение Вселенной вообще не является научным вопросом, но это не помешало ученым спросить, откуда произошел Большой взрыв. Как обсуждается далее, некоторые христианские апологеты видят в Большом взрыве доказательство существования Бога. Их рассуждение состоит в том, что нечто не может произойти из ничего, и поэтому должен быть Творец. Космологи хорошо осведомлены об этой дилемме, и они предложили несколько теоретических сценариев, согласно которым Вселенная могла бы возникнуть без внешнего агента.

Одно из предположений, первоначально высказанное Эдвардом Трионом в 1973 году, состоит в том, что Вселенная возникла благодаря тому, что называется квантовой флуктуацией. Как обсуждалось в начале, квантовая механика говорит нам, что частицы имеют волновую природу, и поэтому существует фундаментальная неопределенность, которая является значительной в микроскопическом мире. По самой своей природе волна распространяется так, что нельзя точно определить ее местоположение. Обычно этот принцип называют принципом неопределенности Гейзенберга, названным в честь немецкого физика, который первым вывел его. Принцип неопределенности можно сформулировать несколькими разными способами. Одно утверждение включает неопределенность положения частицы и неопределенность ее импульса. Импульс — это произведение массы и скорости частицы. Всякий раз, когда мы что-то измеряем, в измерении присутствует неопределенность. Принцип неопределенности Гейзенберга гласит, что произведение неопределенности положения частицы и неопределенности ее импульса должно быть не менее некоторой фундаментальной постоянной. В математической форме эта формулировка принципа неопределенности выглядит следующим образом:

Δx Δp ħ/2

где Δx — неопределенность в положении частицы, а Δp — неопределенность в импульсе частицы. Фундаментальная константа ħ, называемая h-баром, равна 1,055 х 10-34 Дж/сек.

Принцип неопределенности означает, что чем точнее мы знаем одну величину (чем меньше ее неопределенность), тем менее точно мы знаем другую величину (чем больше ее неопределенность). Если мы измеряем положение маленькой частицы, такой как электрон, очень точно, то мы очень мало знаем об импульсе частицы. Поскольку мы знаем массу электрона довольно хорошо, неопределенность в импульсе в основном связана с нашим незнанием скорости электрона. Если с другой стороны мы знаем скорость частицы с высокой степенью точности, мы не очень хорошо знаем положение частицы. Вспомните из обсуждения, что это фундаментальная неопределенность, а не просто ограничение, налагаемое нашими методами измерения. То есть, даже если бы у нас была бесконечная точность в наших методах измерения, мы все равно имели бы ограничение принципа неопределенности.

Такое поведение кажется довольно странным, потому что оно не встречается в повседневном опыте. Причина в том, что длины волн больших объектов настолько малы, что мы не можем видеть волновую природу макроскопических объектов. Другой способ взглянуть на это заключается в том, что ħ очень мал, настолько мал, что неопределенности в положении и импульсе макроскопических систем полностью затмеваются макроскопическими ошибками в измерениях, совершенно не связанными с принципом неопределенности. Поэтому, хотя принцип неопределенности применим ко всем системам, его эффекты заметны только в очень малых системах, где значение ħ сопоставимо со свойствами задействованных объектов. Каким бы странным ни казался принцип неопределенности, он был подтвержден в ряде экспериментов.

Другое утверждение принципа неопределенности включает неопределенность в измерении энергии частицы и неопределенность во времени, необходимом для проведения эксперимента. В математической форме это утверждение

ΔE Δt ħ/2

где ΔE — неопределенность в энергии и Δt— неопределенность во времени. В основном это утверждение означает, что мы можем измерить энергию микроскопической системы с некоторой точностью или мы можем измерить время измерения с некоторой точностью, но мы не можем измерить оба с большой точностью одновременно.

Одним из применений утверждения этого принципа неопределенности является процесс, посредством которого может быть получена пара виртуальных частиц. Сохранение массы и энергии (они связаны через знаменитое уравнение Эйнштейна E = mc2), по-видимому, предотвращает спонтанное появление частиц из ничего. Однако ничто другое не мешает этому случиться, и принцип неопределенности предлагает способ обойти это возражение, хотя бы на короткий период времени. Например, в пустом пространстве может спонтанно образоваться электрон и его античастица-позитрон. Это приведет к нарушению сохранения энергии ΔE. Будучи анти-частицами, электрон и позитрон имеют противоположные заряды, так что они притягивают друг друга. Когда две частицы вступают в контакт, они аннигилируют и высвобождают такое же количество энергии, которое было необходимо для их создания. Нарушение сохранения энергии, которое произошло, когда образовалась пара частиц, точно отменяется энергией, высвобождаемой при аннигиляции частиц. То есть, нет никакого чистого изменения в энергии Вселенной. До тех пор, пока пара частиц существует в течение достаточно короткого периода времени Δt, так что произведение ΔE и Δt не нарушает принцип неопределенности, то это короткое незначительное нарушение сохранения энергии/массы может произойти. Такие материи называются квантовыми флуктуациями. Ряд квантово-механических эффектов были интерпретированы как проявления квантовых флуктуаций.

Большие нарушения сохранения энергии не могут существовать так долго, как меньшие нарушения. Например, поскольку протоны имеют почти в 2000 раз большую массу (и, следовательно, энергию), чем электроны, пары протон/антипротон, полученные таким образом, могут длиться не более 1/2 000. Макроскопическое нарушение сохранения энергии продолжалось бы в течение такого короткого промежутка времени, что его нельзя было бы наблюдать. Однако что произойдет, если макроскопическое явление будет иметь ровно нулевую энергию? Чтобы быть более конкретным, предположим, что Вселенная имеет полную энергию, равную нулю? Тогда Вселенная могла бы возникнуть и просуществовать очень долго, потому что если ΔE равно нулю, то Δt может иметь любое конечное значение и при этом удовлетворять принципу неопределенности. Поэтому Вселенная могла бы возникнуть, не нарушая сохранения энергии. Если бы это было так, то Вселенная была бы не более чем квантовой флуктуацией.

Хитрость заключается в том, чтобы найти способ сделать общую сумму энергии во Вселенной равной нулю. Вселенная, очевидно, содержит много энергии в виде материи (E = mc2) и лучистой энергии (фотоны всех длин волн), а также более экзотические частицы, такие как нейтрино. Есть формы отрицательной энергии, которые, по мнению многих космологов, могут уравновесить всю эту положительную энергию. Наиболее очевидным выбором для этой отрицательной энергии является гравитационная потенциальная энергия. Гравитационная потенциальная энергия для частицы вблизи большой массы имеет вид

E = - GmM/r

где G — универсальная гравитационная постоянная, m — масса частицы, M — масса большой массы, а r — расстояние частицы от большой массы. Это уравнение может быть суммировано по всей массе Вселенной, чтобы получить полную гравитационную потенциальную энергию Вселенной. Поскольку гравитационная потенциальная энергия имеет отрицательный знак, все члены будут отрицательными, и сумма также должна быть отрицательной. Поэтому считается, что гравитационная потенциальная энергия может точно равняться полной положительной энергии, так что полная энергия Вселенной равна нулю.

Однако есть, по крайней мере, несколько проблем с этим. Во-первых, мы недостаточно хорошо знаем соответствующие переменные, чтобы правильно оценить энергии и определить, действительно ли энергия Вселенной равна нулю. Поэтому это скорее дело веры в то, что сумма энергии Вселенной равна нулю. Вторая, более сложная, проблема связана с отрицательным знаком в уравнении гравитационной потенциальной энергии. Знак появляется потому, что точка отсчета берется на бесконечности. Все потенциальные энергии требуют выбора произвольной точки отсчета, где потенциальная энергия равна нулю. Точка отсчета для гравитации берется на бесконечности для математической простоты. Это заставляет все гравитационные потенциальные энергии на конечных расстояниях быть отрицательными. Любая другая нулевая точка может быть выбрана, хотя это сделает математику более сложной. Любая другая точка отсчета сделала бы, по крайней мере, некоторые из гравитационных потенциальных энергий положительными. С другой стороны, можно было бы добавить произвольную константу к термину потенциальной энергии, потому что нулевая точка произвольна. Это верно для всех потенциальных энергий. Другими словами, нельзя честно утверждать, что гравитационная потенциальная энергия Вселенной имеет какую-то особую ценность для баланса других форм энергии.

В своей оригинальной статье 1973 года о квантовой флуктуационной теории происхождения Большого взрыва Эдвард Трайон заявил: «Я предлагаю скромное предположение, что наша Вселенная — это просто одна из тех вещей, которые происходят время от времени». Алан Гут ему поддакивает, заметив, что вся Вселенная может быть «бесплатным обедом». Действительно, инфляционная модель Гута зависит от квантовой флуктуации как источника большого взрыва. В инфляционной модели Вселенная возникла из квантовой флуктуации, которая была «ложным вакуумом», сущностью, предсказанной некоторыми физиками, но никогда не наблюдаемой. В то время как истинный вакуум якобы пуст, он может дать начало призрачным частицам через производство пар. С другой стороны, ложный вакуум может сделать это и многое другое. Ложный вакуум будет иметь сильное отталкивающее гравитационное поле, которое будет взрывно расширять раннюю Вселенную. Другая особенность ложного вакуума заключается в том, что он будет поддерживать постоянную плотность энергии при расширении, создавая огромное количество энергии из ничего.

Квантовая флуктуационная теория происхождения Вселенной была расширена, чтобы учесть многие другие вселенные. С этой точки зрения Вселенная возникла не как квантовая флуктуация ex nihilo/из ничего, а как квантовая флуктуация в какой-то другой вселенной. Небольшая квантовая флуктуация в этой вселенной немедленно отделилась от нее, чтобы стать нашей. Предположительно, эта вселенная также возникла из квантовой флуктуации в предыдущей Вселенной. Возможно, наша Вселенная часто рождает новые вселенные подобным образом. Эта длинная цепь бесконечного числа вселенных является своего рода возвращением к вечной Вселенной, хотя любая конкретная Вселенная, такая как наша, может иметь конечную продолжительность жизни. Эта идея представляет собой упомянутый выше многострочный текст, который был использован для объяснения антропного принципа. В каждой вселенной можно было бы ожидать, что физические константы будут разные. Только во вселенной, где константы благоприятны для жизни, существовали бы сознательные существа, способные замечать такие вещи. Таким образом, выбор вселенных, в которых мы могли бы существовать, может быть ограничен.

Некоторые космологи предложили колеблющуюся вселенную, чтобы объяснить происхождение Вселенной. С этой точки зрения, массовая плотность Вселенной достаточно замедляется, а затем обращает вспять расширение Вселенной. Это привело бы к «большому хрусту», упомянутому ранее. После большого хруста Вселенная «подпрыгнет» и возродится как еще один большой взрыв. За этим большим взрывом последует еще один большой хруст, который повторится в бесконечном цикле. Таким образом, наша конечная Вселенная была бы просто одним эпизодом вечной колеблющейся Вселенной. Некоторые ученые фантазировали, что законами физики можно жонглировать между каждым новым рождением.

Есть несколько неправильных вещей с колеблющейся Вселенной. Во-первых, лучшие доказательства сегодня говорят о том, что Ω слишком мал, чтобы остановить расширение Вселенной. Во-вторых, даже если бы Вселенной было суждено когда-нибудь сжаться, нет никакого известного механизма, который заставил бы ее «подскочить». Мы ожидали бы, что после того, как Вселенная взорвется сама по себе, она останется в виде какой-то черной дыры (кстати, если Большой взрыв начался в таком состоянии, то это было бы проблемой и для одной модели Большого взрыва). В-третьих, мы никак не можем проверить это, так что это вряд ли научная концепция.

Следует упомянуть еще об одной последней попытке объяснить начало (или не начало) Вселенной. Если Вселенная бесконечна по размеру, то она всегда была и всегда будет бесконечна по размеру. По мере расширения Вселенная становится больше и холоднее, а ее плотность уменьшается. Что, если Вселенная расширялась вечно? Одна из возможностей заключается в том, что физические законы, управляющие Вселенной, изменяются по мере изменения средней температуры. В этом и заключается суть квинтэссенции, описанной ранее. Большинство физиков считают, что фундаментальные силы, которые мы наблюдаем сегодня, являются различными проявлениями одной силы, симметрия которой нарушена. Возможно, в гораздо более ранние времена, когда Вселенная была намного горячее и плотнее, действовали другие законы физики, совершенно непознаваемые для нас. Если бы это было так, то то, что мы называем Большим взрывом, было просто переходом из гораздо более высокого состояния плотности и температуры. Большой взрыв был бы своего рода стеной, за которой мы не можем проникнуть в более ранние времена с нашей физикой. До Большого взрыва Вселенная содержала невероятную плотность и температуру, и физические законы были бы совершенно чужды нам. Таким образом, Вселенная всегда расширялась через различные переходы, и нет никакого окончательного начала для объяснения. Это также представляет собой возвращение к вечной Вселенной, которую, как долгое время считалось, устранил Большой взрыв.

Исследования Большого взрыва последних лет были направлены на объяснение происхождения Вселенной полностью физическим, естественным образом, без обращения к Создателю. Любое чисто физическое объяснение происхождения без Творца сводится к нетеистической эволюции, натурализму и светскому гуманизму. Все эти идеи противоположны библейскому христианству. Те христианские апологеты, которые не видят этого, просто не понимают направления, которое космология приняла в последние годы.


Автор: д-р Дэнни Р. Фолкнер

Дата публикации: 14 мая 2013 года

Источник: Answers In Genesis


Перевод: Недоступ А.

Редактор: Недоступ А.


Ссылки:

1. Окончательная работа над антропным принципом — это работа Барроу и Типлера, «Космологический антропный принцип» (Оксфорд, Англия: издательство Оксфордского университета, 1988). Интересно, что Барроу и Типлер полностью обсуждают доказательства антропного принципа, прежде чем окончательно заключить, что Вселенная просто кажется спроектированной.

2. См., например, Х. Росс, Отпечаток Бога (Orange, CA: Promise Publishing, 1989); или Х. Росс, Создатель и космос (Colorado Springs, CO: Navpress, 1995). Критический анализ апологетики Хью Росса см. В Фолкнер «Сомнительная апологетика Хью Росса», Creation Ex Nihilo Technical Journal 13(2): 52-60 (1999).

3. См., например, M. Rees, Before the Beginning: Our Universe and Others (Reading, MA: Helix Books: 1997).

4. Росс, За пределами космоса (Колорадо-Спрингс, CO: Navpress, 1996). Отзывы по этой книге, см. Л. У. Крейг, Журнал евангелистского теологического общества 24(2): 293-304 (1999), или Р. Д. Фолкнер, Создание научно-исследовательского общества ежеквартально 34:242-243 (1998).


Написать коментарий