Загадки и парадоксы
Идея Фридмана об ограниченной в пространстве и времени расширяющейся Вселенной вошла в учебники, о ней сегодня пишут в газетах, говорит радио, показывает телевидение. Она стала частью мировоззрения каждого образованного человека. Однако в этой грандиозной, поражающей воображение картине мироздания есть темные пятна, а часть удерживающих ее теоретических «гвоздей» готова вот-вот сломаться.
Прежде всего удивляет однородность Вселенной. Как уже говорилось выше, на небольших (в космических масштабах, конечно!) участках она явно неоднородна: безвоздушное пространство, плотные планеты и звезды. Но на больших расстояниях, сравнимых с размерами скоплений галактик, распределение вещества напоминает орнамент волокон со случайными, но близкими по величине размерами деталей. Какие-то процессы сделали Вселенную равновесной. И этот экспериментальный факт трудно согласовать с гипотезой первичного взрыва. Распределение взорвавшегося вещества (инфраструктура взрыва, по терминологии специалистов) определяется игрой случайных факторов и, как правило, весьма неоднородно. Поэтому если Вселенная действительно родилась в катаклизме огненной вспышки «Биг Бэнга» с огромными перепадами плотностей и давлений, ее отдельные области-осколки должны были значительно различаться по своей массе.
Еще более удивляет необычайно высокая однородность реликтового теплового излучения — остаточного жара первичной вспышки. Температура излучения, приходящего к нам с разных направлений, в том числе и прямо противоположных, различается менее чем на сотую долю процента.
Наблюдаемая однородность Вселенной выглядит особенно загадочной, если учесть, что к нам приходят сигналы из областей, которые на протяжении всей своей истории были удалены друг от друга на такие большие расстояния, что они не успели провзаимодействовать даже с помощью самых быстрых, то есть световых, сигналов. Каким же образом они могли прийти в равновесие? По теории Фридмана это просто невозможно.
Еще один удивительный факт связан с величиной средней плотности вещества Вселенной. Из теории Фридмана следует, что если бы в первые мгновения после первичного взрыва она всего лишь на 10-53% (десятичная дробь с 54 нулями после запятой!) превосходила критическую, при которой мир становится полностью замкнутым, то силы тяготения превозмогли бы инерцию первичного взрыва и расширение Вселенной давным-давно сменилось бы ее сжатием, и теперь наблюдалось бы не разбегание галактик, а их быстрое сближение. С другой стороны, если бы плотность взорвавшейся материи на 10-53% была бы меньше критической, расширение пространства происходило бы значительно быстрее, и современная средняя плотность материи в нашем мире была бы во много-много раз меньше наблюдаемой. Другими словами, наша Вселенная родилась с плотностью, которая почему-то фантастически близка к критической. Почему так произошло? В теории Фридмана нет объяснения и этой загадке. Чтобы ее объяснить, нужны какие-то совершенно новые физические идеи.
Загадку начальной плотности иногда называют также «проблемой абсолютно плоского мира». Если плотность больше критической, мир, образно говоря, вогнутый, если меньше — он выпуклый (как говорят дети, «впуклый» и «выпуклый»!). В промежуточном случае — мир плоский. Наша Вселенная почему-то предпочла родиться плоской (с точностью 10-53%!), хотя это только одна из бесчисленного количества возможностей. Трудно думать, что это — случайность. Этому есть какая-то важная причина.
Не находят никакого объяснения в теории Фридмана или объясняются ею с трудом, ценой дополнительных, плохо обоснованных гипотез, и некоторые другие экспериментальные факты. Например, не понятно, почему не удается поймать ни одного магнитного монополя, хотя, как это следует из расчетов, они должны были бы в большом количестве родиться в раскаленном веществе юной Вселенной.
Все это говорит о том, что теория Фридмана нуждается в дальнейшем усовершенствовании. А поскольку трудности этой теории, как правило, связаны с начальным периодом жизни Вселенной, можно думать, что прежде всего следует уточнить описание свойств мира в окрестностях «особой точки» в первые доли секунды после его рождения.
Теория Фридмана и лежащая в ее основе общая теория относительности Эйнштейна имеют дело лишь с геометрическими свойствами природы. Никаких сведений о заполняющей пространство материи они не используют. Достаточно знать ее плотность, а что это за материя, каковы ее конкретные свойства — это для теории Эйнштейна-Фридмана не существенно. Такой подход оправдан на больших расстояниях, где гравитационные силы, определяющие кривизну и другие геометрические свойства нашего мира, можно рассматривать отдельно от электромагнитных и ядерных взаимодействий. Но в микромире, где силы становятся величинами одного порядка, такое приближение уже не верно. Там само пустое пространство зависит от свойств физических процессов. В нем постоянно рождаются и исчезают частицы. Вспомним испарение черных дыр вследствие «кипения» окружающего их вакуума. Такое «кипение» происходит во всем бесконечном пространстве, и его интенсивность (густота рождающихся пар частиц и античастиц) определяет основной, нулевой уровень мира — вакуум. Только что родившаяся Вселенная имела ультрамалые размеры, и ее вакуум был совсем не таким, как в современном мире. Влияло это и на ритм времени. В первые мгновения после рождения Вселенной пространство и время нельзя было рассматривать отдельно от вещества. Вот в этом направлении и следует совершенствовать теорию Фридмана.
Сама по себе идея о тесной связи свойств пространства и времени со свойствами физических процессов далеко не нова. Немецкий математик Бернгард Риман, которому мы обязаны созданием математической теории искривленных и многомерных пространств, высказал ее еще более ста лет назад.
«Эмпирические понятия, на которых основывается установление пространственных метрических отношений, — говорил он в своих лекциях в Геттингенском университете, — понятия твердого тела и светового луча, по-видимому, теряют всякую определенность в бесконечно малом, поэтому метрические отношения там не отвечают нашим геометрическим допущениям».
Эти убеждения разделял и Эйнштейн. Последние сорок лет своей жизни, большую ее часть, он целиком посвятил созданию единой теории электромагнетизма и тяготения. Экспериментальных данных, которые могли бы подсказать ему ведущую идею, в то время было еще недостаточно, а на основании одних только теоретических соображений построить новую теорию не удалось. К созданию единой теории всех сил природы, объединяющей ее геометрические и материальные свойства, физики смогли приступить лишь совсем недавно, после того, как лучше разобрались в свойствах элементарных частиц.