Цимерманис Л.-Х. Вселенная до и после Большого взрыва:
Краткая история материи, пространства, времени. Изд. 2, испр. и доп.

Оглавление

От автора

Вселенная является тем, что нас соединяет со звёздами, видимыми и невидимыми мирами, живой и неживой природой на нашей маленькой планете Земля. Чем больше мы знаем (или нам кажется, что знаем) о Вселенной, тем лучше представляем своё место в ней, тем увереннее смотрим в будущее и восхищаемся её величеством и великолепием, сознавая, что сами являемся Её частицей.

Поэтому мы не перестаём изучать Вселенную, инструментально и мысленно проникать в её глубины и раскрывать её тайны, которыми она неохотно делится с нами. Большая часть этих тайн обусловлена наличием тёмной материи, оставившей в инструментально обозримом пространстве всего лишь 5 % для известной нам материи, из которой состоят звёзды, планеты и мы сами. Об этой тёмной материи, влияющей на всё, что происходит во Вселенной, нам почти ничего неизвестно. Если нам не удастся её распознать и уточнить её роль в возникновении известной нам барионной материи, мы никогда не сможем до конца понять ни нашу Вселенную, ни самих себя. Чем больше сблизятся взгляды на Вселенную в религии, искусстве, литературе, философии и науке, тем лучше люди будут понимать друг друга и направят свои усилия не в разрушительное, а в созидательное русло развития человеческой культуры, которая, если не будет доказано обратное, может оказаться единственной во всём пространстве и времени.

При отсутствии возможности какого-либо инструментального изучения тёмной материи на пути её познания есть необъятный простор для новых идей и гипотез, но только при условии, что они не противоречат уже установленным законам природы и накопленным наукой фактам.

После опубликования книги "Вселенная во Вселенной" многие читатели мне говорили, что они с интересом прочли вводную и заключительную части, написанные без уравнений и формул, в которых разбираться скучно, малоинтересно и для понимания которых требуются некоторые предварительные знания. Это ещё раз подтвердило известную истину, что для всех остальных, кроме узкой группы специалистов, работающих в одной или близких областях, гораздо больший интерес представляют идеи и мысли учёных, чем их уравнения и формулы. Тем более что всякое путешествие в неведомое все мы сперва осуществляем мысленно, и учёные в этом не составляют исключение.

В этой книге я приглашаю читателя перелистать несколько страниц истории эволюции тёмной материи от безмассовых фундаментальных элементарных частиц, единых для всех видов материи, до микроструктур из них, имеющих массу, и массивных пространственных структур, причастных к рождению известной нам материи, нашей Вселенной и нас самих, о стреле времени и запрете на путешествия во времени, а также о тёмной энергии, раздвигающей галактики с увеличивающейся скоростью. При этом я попытался изложить развиваемые новые представления о сущностях и необходимые научные обоснования в доступной широкому кругу читателей форме.

Введение

Многие физики уверены, что великое объединение теории относительности и квантовой механики вот-вот состоится, замысел Создателя будет разгадан и учёные смогут с математической точностью (насколько это позволяет принцип неопределённости) раскрыть прошлое и предсказать будущее Вселенной. В воздухе физики витает что-то схожее с "концом истории" Фукуямы... Но "конец истории" оказался иллюзией и не состоялся... Не может ли случиться подобное с великим объединением, если даже ему будет суждено произойти?..

Объектом исследования на протяжении всей истории физической науки была известная нам барионная материя, пространственные структуры и тела из неё. Ещё недавно Вселенная считалась однородной, изотропной, изолированной системой, расширяющейся адиабатически, т.е. при постоянной энтропии, и детерминируемой. Но оказалось, что наша Вселенная неоднородна, неизотропна и расширяется с возрастающей скоростью, и вся известная нам барионная материя и её энергия составляют в ней не более 5 %, а остальная часть приходится на долю неизвестной тёмной материи и ещё более загадочной антигравитационной тёмной энергии.

В связи с новыми открытиями астрономов перед наукой возникают всё новые и новые вопросы. Что такое тёмная материя, и чем она отличается от барионной материи? Как и когда она появилась? Может ли она образовывать структуры? Что предшествовало Большому взрыву, в результате которого родилась барионная материя и наша Вселенная? Как образовались пространственные структуры Вселенной? Почему и как образовалось столько галактик? Является ли наша Вселенная открытой или закрытой системой? Что такое тёмная энергия и откуда она взялась? Почему наша Вселенной расширяется? Почему галактики "разбегаются" с непрерывно возрастающей скоростью? Эти вопросы волнуют учёных в начале XXI века, и многие из них надеются, что решения будут найдены уже в течение первой половины этого столетия.

Поскольку с решением этих вопросов не справляются общая теория относительности, квантовая механика и ставшая модной в последние годы теория струн, то многие возлагают надежды на объединяющую их теорию суперструн, которая предполагает существование 11-мерного пространства.

Представьте себе, что вы имеете 4-этажный дом (эйнштейновское 4-мерное пространство-время) и для того, чтобы заглянуть в его тёмный подвал, надстраиваете над этим домом ещё 7 этажей (измерений), чтобы с последнего этажа лучше разглядеть, что же в этом подвале находится. Возможно, что и 11 этажей (измерений) окажется мало, и вы будете еще и еще надстраивать этажи, пока весь дом не рухнет и через груду мусора и лома в подвал не проникнет луч света. Вам покажется такой подход лишённым здравого смысла. Но теоретики так не думают. В определённой мере этому способствует математический формализм. Когда на его основе делается вывод о сущности, мы рискуем получить виртуальную сущность и превратить наш реальный мир в виртуальный, в своего рода компьютерную игру, не оставляющую пространства для поиска действительной сущности.

Нам кажется, что значительная часть из пока оставшихся безответными вопросов просто выходит за рамки "компетенции" теории относительности и квантовой механики, являющихся великими и завершёнными теориями, но ограниченными в том смысле, что ни одна сколь угодно совершенная теория не может ответить на все вопросы, встающие перед наукой. Любые их объединяющие теории, если их даже удастся создать, также будут неминуемо ограниченными в упомянутом смысле. Поэтому, может быть, с объединением теории относительности и квантовой механики стоит немного повременить, пока не появится некоторая ясность о сущностях тёмной материи и тёмной энергии. Вполне возможно, что подходы к раскрытию этих сущностей находятся в "компетенции" термодинамики, которая в прошедшем столетии весьма успешно раскрыла закономерности структурообразования и процессов переноса энергии и материи в открытых системах, стала учитывать неоднородность, неизотропность, недетерминируемость и случайность. Эта часть общей физической науки каким-то непонятным образом не нашла соответствующего применения при решении фундаментальных вопросов сущности материи, пространства и времени. Кажется, что этот пробел необходимо устранить, ибо термодинамика необратимых процессов может оказаться тем недостающим инструментом познания, который совместно с теорией относительности и квантовой механикой, ничего не достраивая и не перестраивая в них, но разделяя сферы "компетентности" между собой и ими, сможет приблизить нас к более глубокому пониманию основ мироздания.

Сколь обоснованными не казались бы наши представления о Вселенной, прежде всего они не должны противоречить второму началу термодинамики, о котором Артур Эдингтон писал: "...Но если окажется, что ваша теория противоречит второму началу термодинамики, то у вас не останется ни малейшей надежды: ваша теория обречена на бесславный конец". Примечательным является и высказывание Ильи Пригожина: "Чтобы согласовать наши рассуждения с опытными данными, мы должны придумать Вселенную, совместимую с термодинамикой".

Последуем этому совету и начнём с рассмотрения модели пространства и времени, совместимой с термодинамикой (гл.1), затем попытаемся разобраться в том, что представляет собой тёмная материя и как она эволюционирует до пространственных структур, и что такое тёмная энергия (гл.2), проследим за преобразованием тёмной материи в барионную и рождением нашей Вселенной (гл.3), рассмотрим образование галактик и их "разбегание" (гл.4) и завершим рассмотрением структурообразования звёзд и планет (гл.5).

Вполне вероятно, что ни одной из существующих и новых теорий в одиночку и всем вместе так никогда и не удастся полностью разгадать замысел Создателя. Поэтому сегодня о тех или иных сущностях мы можем высказать лишь предположения и гипотезы с их надлежащими обоснованиями, которым в данной работе отводится значительное место.

Об авторе