Цимерманис Л.-Х.

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

Oglavlenie

Ot avtora

Vselennaya yavlyaetsya tem, chto nas soedinyaet so zvёzdami, vidimimi i nevidimimi mirami, zhivoj i nezhivoj prirodoj na nashej malen'koj planete Zemlya. Chem bol'she mi znaem (ili nam kazhetsya, chto znaem) o Vselennoj, tem luchshe predstavlyaem svoё mesto v nej, tem uverennee smotrim v buduschee i voskhischaemsya eё velichestvom i velikolepiem, soznavaya, chto sami yavlyaemsya Eё chastitsej.

Poetomu mi ne perestaёm izuchat' Vselennuyu, instrumental'no i mislenno pronikat' v eё glubini i raskrivat' eё tajni, kotorimi ona neokhotno delitsya s nami. Bol'shaya chast' etikh tajn obuslovlena nalichiem tёmnoj materii, ostavivshej v instrumental'no obozrimom prostranstve vsego lish' 5 % dlya izvestnoj nam materii, iz kotoroj sostoyat zvёzdi, planeti i mi sami. Ob etoj tёmnoj materii, vliyayuschej na vsё, chto proiskhodit vo Vselennoj, nam pochti nichego neizvestno. Esli nam ne udastsya eё raspoznat' i utochnit' eё rol' v vozniknovenii izvestnoj nam barionnoj materii, mi nikogda ne smozhem do kontsa ponyat' ni nashu Vselennuyu, ni samikh sebya. Chem bol'she sblizyatsya vzglyadi na Vselennuyu v religii, iskusstve, literature, filosofii i nauke, tem luchshe lyudi budut ponimat' drug druga i napravyat svoi usiliya ne v razrushitel'noe, a v sozidatel'noe ruslo razvitiya chelovecheskoj kul'turi, kotoraya, esli ne budet dokazano obratnoe, mozhet okazat'sya edinstvennoj vo vsёm prostranstve i vremeni.

Pri otsutstvii vozmozhnosti kakogo-libo instrumental'nogo izucheniya tёmnoj materii na puti eё poznaniya est' neob'yatnij prostor dlya novikh idej i gipotez, no tol'ko pri uslovii, chto oni ne protivorechat uzhe ustanovlennim zakonam prirodi i nakoplennim naukoj faktam.

Posle opublikovaniya knigi "Vselennaya vo Vselennoj" mnogie chitateli mne govorili, chto oni s interesom prochli vvodnuyu i zaklyuchitel'nuyu chasti, napisannie bez uravnenij i formul, v kotorikh razbirat'sya skuchno, malointeresno i dlya ponimaniya kotorikh trebuyutsya nekotorie predvaritel'nie znaniya. Eto eschё raz podtverdilo izvestnuyu istinu, chto dlya vsekh ostal'nikh, krome uzkoj gruppi spetsialistov, rabotayuschikh v odnoj ili blizkikh oblastyakh, gorazdo bol'shij interes predstavlyayut idei i misli uchёnikh, chem ikh uravneniya i formuli. Tem bolee chto vsyakoe puteshestvie v nevedomoe vse mi sperva osuschestvlyaem mislenno, i uchёnie v etom ne sostavlyayut isklyuchenie.

V etoj knige ya priglashayu chitatelya perelistat' neskol'ko stranits istorii evolyutsii tёmnoj materii ot bezmassovikh fundamental'nikh elementarnikh chastits, edinikh dlya vsekh vidov materii, do mikrostruktur iz nikh, imeyuschikh massu, i massivnikh prostranstvennikh struktur, prichastnikh k rozhdeniyu izvestnoj nam materii, nashej Vselennoj i nas samikh, o strele vremeni i zaprete na puteshestviya vo vremeni, a takzhe o tёmnoj energii, razdvigayuschej galaktiki s uvelichivayuschejsya skorost'yu. Pri etom ya popitalsya izlozhit' razvivaemie novie predstavleniya o suschnostyakh i neobkhodimie nauchnie obosnovaniya v dostupnoj shirokomu krugu chitatelej forme.

Vvedenie

Mnogie fiziki uvereni, chto velikoe ob'edinenie teorii otnositel'nosti i kvantovoj mekhaniki vot-vot sostoitsya, zamisel Sozdatelya budet razgadan i uchёnie smogut s matematicheskoj tochnost'yu (naskol'ko eto pozvolyaet printsip neopredelёnnosti) raskrit' proshloe i predskazat' buduschee Vselennoj. V vozdukhe fiziki vitaet chto-to skhozhee s "kontsom istorii" Fukuyami... No "konets istorii" okazalsya illyuziej i ne sostoyalsya... Ne mozhet li sluchit'sya podobnoe s velikim ob'edineniem, esli dazhe emu budet suzhdeno proizojti?..

Ob'ektom issledovaniya na protyazhenii vsej istorii fizicheskoj nauki bila izvestnaya nam barionnaya materiya, prostranstvennie strukturi i tela iz neё. Eschё nedavno Vselennaya schitalas' odnorodnoj, izotropnoj, izolirovannoj sistemoj, rasshiryayuschejsya adiabaticheski, t.e. pri postoyannoj entropii, i determiniruemoj. No okazalos', chto nasha Vselennaya neodnorodna, neizotropna i rasshiryaetsya s vozrastayuschej skorost'yu, i vsya izvestnaya nam barionnaya materiya i eё energiya sostavlyayut v nej ne bolee 5 %, a ostal'naya chast' prikhoditsya na dolyu neizvestnoj tёmnoj materii i eschё bolee zagadochnoj antigravitatsionnoj tёmnoj energii.

V svyazi s novimi otkritiyami astronomov pered naukoj voznikayut vsё novie i novie voprosi. Chto takoe tёmnaya materiya, i chem ona otlichaetsya ot barionnoj materii? Kak i kogda ona poyavilas'? Mozhet li ona obrazovivat' strukturi? Chto predshestvovalo Bol'shomu vzrivu, v rezul'tate kotorogo rodilas' barionnaya materiya i nasha Vselennaya? Kak obrazovalis' prostranstvennie strukturi Vselennoj? Pochemu i kak obrazovalos' stol'ko galaktik? Yavlyaetsya li nasha Vselennaya otkritoj ili zakritoj sistemoj? Chto takoe tёmnaya energiya i otkuda ona vzyalas'? Pochemu nasha Vselennoj rasshiryaetsya? Pochemu galaktiki "razbegayutsya" s neprerivno vozrastayuschej skorost'yu? Eti voprosi volnuyut uchёnikh v nachale XXI veka, i mnogie iz nikh nadeyutsya, chto resheniya budut najdeni uzhe v techenie pervoj polovini etogo stoletiya.

Poskol'ku s resheniem etikh voprosov ne spravlyayutsya obschaya teoriya otnositel'nosti, kvantovaya mekhanika i stavshaya modnoj v poslednie godi teoriya strun, to mnogie vozlagayut nadezhdi na ob'edinyayuschuyu ikh teoriyu superstrun, kotoraya predpolagaet suschestvovanie 11-mernogo prostranstva.

Predstav'te sebe, chto vi imeete 4-etazhnij dom (ejnshtejnovskoe 4-mernoe prostranstvo-vremya) i dlya togo, chtobi zaglyanut' v ego tёmnij podval, nadstraivaete nad etim domom eschё 7 etazhej (izmerenij), chtobi s poslednego etazha luchshe razglyadet', chto zhe v etom podvale nakhoditsya. Vozmozhno, chto i 11 etazhej (izmerenij) okazhetsya malo, i vi budete esche i esche nadstraivat' etazhi, poka ves' dom ne rukhnet i cherez grudu musora i loma v podval ne proniknet luch sveta. Vam pokazhetsya takoj podkhod lishёnnim zdravogo smisla. No teoretiki tak ne dumayut. V opredelёnnoj mere etomu sposobstvuet matematicheskij formalizm. Kogda na ego osnove delaetsya vivod o suschnosti, mi riskuem poluchit' virtual'nuyu suschnost' i prevratit' nash real'nij mir v virtual'nij, v svoego roda komp'yuternuyu igru, ne ostavlyayuschuyu prostranstva dlya poiska dejstvitel'noj suschnosti.

Nam kazhetsya, chto znachitel'naya chast' iz poka ostavshikhsya bezotvetnimi voprosov prosto vikhodit za ramki "kompetentsii" teorii otnositel'nosti i kvantovoj mekhaniki, yavlyayuschikhsya velikimi i zavershёnnimi teoriyami, no ogranichennimi v tom smisle, chto ni odna skol' ugodno sovershennaya teoriya ne mozhet otvetit' na vse voprosi, vstayuschie pered naukoj. Lyubie ikh ob'edinyayuschie teorii, esli ikh dazhe udastsya sozdat', takzhe budut neminuemo ogranichennimi v upomyanutom smisle. Poetomu, mozhet bit', s ob'edineniem teorii otnositel'nosti i kvantovoj mekhaniki stoit nemnogo povremenit', poka ne poyavitsya nekotoraya yasnost' o suschnostyakh tёmnoj materii i tёmnoj energii. Vpolne vozmozhno, chto podkhodi k raskritiyu etikh suschnostej nakhodyatsya v "kompetentsii" termodinamiki, kotoraya v proshedshem stoletii ves'ma uspeshno raskrila zakonomernosti strukturoobrazovaniya i protsessov perenosa energii i materii v otkritikh sistemakh, stala uchitivat' neodnorodnost', neizotropnost', nedeterminiruemost' i sluchajnost'. Eta chast' obschej fizicheskoj nauki kakim-to neponyatnim obrazom ne nashla sootvetstvuyuschego primeneniya pri reshenii fundamental'nikh voprosov suschnosti materii, prostranstva i vremeni. Kazhetsya, chto etot probel neobkhodimo ustranit', ibo termodinamika neobratimikh protsessov mozhet okazat'sya tem nedostayuschim instrumentom poznaniya, kotorij sovmestno s teoriej otnositel'nosti i kvantovoj mekhanikoj, nichego ne dostraivaya i ne perestraivaya v nikh, no razdelyaya sferi "kompetentnosti" mezhdu soboj i imi, smozhet priblizit' nas k bolee glubokomu ponimaniyu osnov mirozdaniya.

Skol' obosnovannimi ne kazalis' bi nashi predstavleniya o Vselennoj, prezhde vsego oni ne dolzhni protivorechit' vtoromu nachalu termodinamiki, o kotorom Artur Edington pisal: "...No esli okazhetsya, chto vasha teoriya protivorechit vtoromu nachalu termodinamiki, to u vas ne ostanetsya ni malejshej nadezhdi: vasha teoriya obrechena na besslavnij konets". Primechatel'nim yavlyaetsya i viskazivanie Il'i Prigozhina: "Chtobi soglasovat' nashi rassuzhdeniya s opitnimi dannimi, mi dolzhni pridumat' Vselennuyu, sovmestimuyu s termodinamikoj".

Posleduem etomu sovetu i nachnёm s rassmotreniya modeli prostranstva i vremeni, sovmestimoj s termodinamikoj (gl.1), zatem popitaemsya razobrat'sya v tom, chto predstavlyaet soboj tёmnaya materiya i kak ona evolyutsioniruet do prostranstvennikh struktur, i chto takoe tёmnaya energiya (gl.2), prosledim za preobrazovaniem tёmnoj materii v barionnuyu i rozhdeniem nashej Vselennoj (gl.3), rassmotrim obrazovanie galaktik i ikh "razbeganie" (gl.4) i zavershim rassmotreniem strukturoobrazovaniya zvёzd i planet (gl.5).

Vpolne veroyatno, chto ni odnoj iz suschestvuyuschikh i novikh teorij v odinochku i vsem vmeste tak nikogda i ne udastsya polnost'yu razgadat' zamisel Sozdatelya. Poetomu segodnya o tekh ili inikh suschnostyakh mi mozhem viskazat' lish' predpolozheniya i gipotezi s ikh nadlezhaschimi obosnovaniyami, kotorim v dannoj rabote otvoditsya znachitel'noe mesto.

Ob avtore

Khabilitirovannij doktor inzhenernikh nauk, doktor tekhnicheskikh nauk, professor. V 1959 g. okonchil Moskovskij inzhenerno-stroitel'nij institut i nachal nauchnuyu deyatel'nost' v Chelyabinske. S 1979 g. vedet issledovatel'skuyu i pedagogicheskuyu rabotu v Rige. Osnovnie nauchnie raboti posvyascheni termodinamike sorbtsii, strukturoobrazovaniya, massoperenosa.

V poslednee vremya L.-Kh. Tsimermanis udelyaet bol'shoe vnimanie voprosam termodinamiki otkritikh sistem, k kotorim otnosit i nashu Vselennuyu. Avtor bolee 170 izobretenij i 230 nauchnikh publikatsij, sredi kotorikh i fundamental'nij nauchnij trud "Vvedenie v termodinamiku aktivnoj materii" (M.: URSS, 2012).