Кастрикин Николай Фёдорович - "страж здравого смысла"
теоретической физики. Статья приводится без изменений,
цель публикации научно-популярная.
Н.Ф. Кастрикин.
ЧТО БЫЛО ДО БОЛЬШОГО ВЗРЫВА
Гипотезы
Журнал "Химия и жизнь"
1987 г. № 12 стр. 38
Некоторые физики склонны считать, что ответ на вопрос, вынесенный в заголовок, находится за гранью наших познаний. Во всяком случае, они относят его к числу «неприятных» проблем. В известном смысле они солидарны со святым Августином, который в подобном случае отвечал, что до творения существовал ад для задающих щекотливые вопросы.
Но есть и другая, более оптимистичная точка зрения, согласно которой трудности проблемы имеют не столько привычную для физиков математическую, сколько логическую природу и что сама проблема ничего не имеет против то¬го, чтобы ее пытались решить. Как бы там ни было, ясно одно, что это невозможно сделать, не касаясь современной теории тяготения — общей теории относительности (ОТО), поскольку обще¬признано, что Большой взрыв начался из области с сильным гравитационным полем.
ПРИМЕНИМА ЛИ
ОБЩАЯ ТЕОРИЯ ОТНОСИТЕЛЬНОСТИ В СИЛЬНЫХ ГРАВИТАЦИОННЫХ ПОЛЯХ?
С легкой руки академика Л. Д. Ландау, ОТО часто называют самой красивой (некоторые, правда, добавляют: и наименее доказанной) из физических теорий. Однако, подобно многим красавицам, она имеет некоторый изъян, а именно предсказывает существование в сильных гравитационных полях черных дыр, этого камня преткновения для многих физиков с чуткой логической «совестью».
Дело в том, что, согласно ОТО, для сжимающегося под влиянием тяготения материального тела существует так называемый гравитационный радиус, при котором поле тяготения на поверхности тела становится столь интенсивным, что скорость свободного падения в нем оказывается равной скорости света и никакая частица не может из него вырваться.
Гравитационное сжатие такого тела становится необратимым, и по часам наблюдателя, находящегося на его поверхности, тело за короткое время стягивается в точку с бесконечной плотностью (сингулярность), в которой вместе с уничтожением пространства и времени, собственно говоря, кончаются все законы физики. Не случайно сам автор ОТО сомневался в ее применимости в сильных гравитационных полях.
Подтверждает обоснованность его сомнений и такое обстоятельство: в самой ОТО, точнее, в ее «фундаменте» -- специальной теории относительности — содержится внутреннее ограничение ее применимости. Заключается оно в невозможности световой скорости для частиц с ненулевой массой покоя (масса такой частицы при скорости света становится равной бесконечности, что физически абсурдно). Из этого прямо следует, что световая скорость свободного падения невозможна, а ведь, как мы помним, она именно такова на поверхности сферы гравитационного радиуса, то есть черной дыры.
Значит, внутреннее ограничение ОТО делает черные дыры невозможными. При этом постоянная тяготения, определяющая меру гравитационного взаимодействия, должна уменьшаться в сильных полях так, чтобы световая скорость свободного падения не могла быть достигнута. Действительно, поскольку мы не имеем оснований сомневаться в справедливости исходных положений ОТО, уменьшение гравитационной постоянной в сильных полях представляется единственным способом избежать физически абсурдной световой скорости свободного падения без изменения формул ОТО.
Итак, внутреннее ограничение ОТО запрещает черные дыры и отменяет верхний предел массы нейтронных звезд, равный двум трем массам Солнца, за которым начинались черные дыры. А это означает, что во Вселенной могут быть массивные и сверхмассивные, так называемые кварковые звезды со сверхмощными магнитными полями и колоссальной кинетической энергией вращения. (На ум невольно приходят квазары.)
Что же касается черных дыр, о которых было столько разговоров, то их роль вполне могут выполнять массивные кварковые звезды. Эти объекты трудно отличить от черной дыры, когда у них отсутствует пульсирующее излучение из-за совпадения магнитной и вращательной осей.
ПО ТУ СТОРОНУ БОЛЬШОГО ВЗРЫВА
“Математика, бесспорно, могучая наука. Но автора всегда забавляло наблюдать, как ослепленные могуществом формул физики подчас не замечают вопиющих логических противоречий буквально у себя перед глазами. Так, из всех пишущих о расширении Вселенной после Большого взрыва никто, на моей памяти, не упомянул о том, что, расширяясь за пределы сферы, очерченной гравитационным радиусом, она расширяется против бесконечной силы тяготения, что попросту невозможно.
Иными словами, расширение Вселенной в этом случае происходит из гигантской черной дыры, из которой возможно лишь медленное квантовое испарение частиц, тем более медленное, чем больше масса черной дыры.
Внутреннее ограничение ОТО, запрещающее черные дыры, снимает это противоречие. Кроме того, устраняя неизбежность сингулярности, внутренне ограничение ОТО открывает возможность начала расширения Вселенной из конечного объема с конечной плотностью, то есть позволяет сохранить законы физики до нулевого момента расширения Вселенной.
Но что же было до ее расширения? Здесь все зависит от средней плотности вещества во Вселенной. Если она превышает некоторую критическую величину, то Вселенная замкнута в том смысле, что инерция ее расширения со временем погашается тяготением, после чего начинается ее гравитационное сжатие (Большое сжатие). Если же эта плотность меньше критической, то Все¬ленная открыта и будет расширяться неограниченно. В этом случае она должна возникнуть из ничего, сколь ни мало¬симпатична эта мысль. В замкнутой Вселенной, как мы увидим, этой проблемы нет.
Но какова она на самом деле, эта средняя плотность вещества, от которой зависит судьба Вселенной? Хотя вычисления показали, что она меньше критической плотности, накапливается все больше данных в пользу того, что эти результаты значительно занижены. Здесь следует упомянуть полученные нашими физиками (и неоднократно подтвержденные) данные о ненулевой массе покоя нейтрино, частицы, весьма распространенной во Вселенной. До этого считалось, что масса покоя нейтрино, как и фотона, равна нулю, и поэтому она, естественно, не учитывалась при вычислении плотности Вселенной. Хотя уточнение действительной величины не¬нулевой массы нейтрино потребует времени, уже сейчас можно утверждать, что этот факт наряду с другими данными в пользу существования так называемой скрытой массы резко повышает шансы замкнутой Вселенной, для существования которой достаточно даже весьма малого превышения критической плотности.
Если же Вселенная замкнута, то «до Большого взрыва происходило Большое сжатие, результатом которого явился сверхплотный сгусток частиц.
А до Большого сжатия? Очевидно, расширение — результат предыдущего большого взрыва. А до него? Очевидно, предыдущий сверхплотный сгусток. И так вечно? Заманчиво ответить: да.
Но существует закон природы — второе начало термодинамики, который противоречит модели вечной Вселенной. Этот закон гласит, что энтропия, (мера беспорядка) может "только расти, но не уменьшаться. Если бы Вселенная была вечной, то ее удельная энтропия к на¬стоящему моменту времени должна была бы равняться бесконечности, а она конечна. Однако Л. Д. Ландау показал, что второе начало термодинамики не¬применимо ко Вселенной в целом.
Итак, если средняя плотность вещества хоть на ничтожную малость выше критической, наша прекрасная Вселенная когда-то неминуемо погибнет в огненном «котле» сверхплотного сгустка, а из него столь же неминуемо начнет стремительно расширяться новая, молодая и не менее прекрасная Вселенная.
На этом можно поставить точку для читателей, любящих пьесы с благополучным концом.
«БЕЛЫЕ НОЧИ»
ГИБНУЩЕЙ ВСЕЛЕННОЙ
Для остальных читателей набросаем несколькими штрихами апокалиптический портрет Большого сжатия, которое предшествовало нашему Большому взрыву и, пусть в весьма отдаленном (даже в космических масштабах) будущем, ожидает нашу Вселенную.
Начало кажется вполне безобидным. Сначала будут «белые ночи». Правда, еще ранее ученые обнаружат уменьшение знаменитого красного смещения в спектре разбегающихся галактик, означающее замедление расширения Вселенной. Затем красное смещение вовсе исчезнет, что будет соответствовать прекращению расширения Вселенной, и сменится фиолетовым смещением, знаменующим начало ее сжатия.
Видимые лучи при этом будут превращаться в ультрафиолетовые, а инфракрасные — в видимые. Начнут светиться даже холодные отдаленные космические тела, дающие сейчас лишь инфракрасное излучение: остывшие звезды, планеты, пылевые туманности. Блеск далеких звезд усилится настолько, что все ночи станут «белыми». Свечение ночного неба постепенно усилится и достигнет яркости Солнца — так, что его диск в дневное время будет неразличим на фоне нестерпимо сияющего неба. Впрочем, к этому времени его практически некому будет различать, так как, спасаясь от смертоносного ультрафиолетового излучения, человечество укроется глубоко под землей. Все животные и растения, не попавшие в подземный мир, погибнут.
Когда плотность излучения станет столь высокой, что приток энергии к Солнцу превысит ее отток, наше светило (как и другие звезды) взорвется. Но эту грандиозную катастрофу вряд ли уже кто будет наблюдать...
Постепенно все вещество Вселенной превратится в диффузную материю. Затем настанет черед атомов, которые распадутся на электроны и атомные ядра; потом разрушатся тяжелые ядра, и останутся лишь частицы, образующие сверхплотный сгусток.
От всех этих событий нас отделяют еще многие миллиарды лет, развертываться они будут на протяжении жизни бесчисленных поколений. И все же если картина Большого сжатия кажется кому-то слишком безотрадной, то можно сказать лишь одно: как смерть отдельного индивидуума есть необходимое условие для выживания человечества, так и нашей Вселенной не было бы, если бы не погибло необозримое множество других.
ЧТО ВЫЗВАЛО БОЛЬШОЙ ВЗРЫВ?
У читателя, видимо, уже не один раз напрашивался вопрос: а что же произойдет со сверхплотным сгустком? До сих пор обсуждение проблемы замкнутой Вселенной шло в рамках классической теории Большого взрыва, которая не может дать ответа на этот (и не только этот) вопрос. Но в последние годы появилась основанная на теориях Великого объединения модель открытой раздувающейся Вселенной (большой вклад в разработку этой модели внес доктор физико-математических наук А. Д. Линде). Она позволяет как бы вплотную подойти к нулевому моменту Большого взрыва. Но у нас сейчас речь пойдет о модели замкнутой раздувающейся Вселенной.
Итак, согласно теориям Великого объединения, когда температура сжимающегося под влиянием гравитации сверхплотного сгустка достигнет 1028 градусов Кельвина, происходит переход в состояние так называемой ненарушенной симметрии взаимодействий. Три из четырех основных взаимодействий в природе — сильное, электромагнитное и слабое — сливаются в одно, а все частицы как бы растворяются в особом вакууме. Это состояние с весьма необычными, можно даже сказать причудливыми, свойствами однозначно предсказывается теорией.
При таком переходе поглощается громадное количество тепла (в частности, тепловое реликтовое излучение), то есть снижается энтропия (в простом понимании - стремление мира к беспорядку, мера беспорядка, прим. Е.Н), нарушая второе начало термодинамики. Образовавшийся особый вакуум резко охлажден, давление излучения в нем отсутствует, уступив место так называемому отрицательному (меньшему, чем в обычном вакууме) давлению — это, может быть, самое экзотическое свойство данного состояния. Гравитация при этом превращается в антигравитацию, то есть в силы отталкивания.
Затем инерция Большого сжатия вызывает весьма быстрое (за 10 в минус 32 ст. сек) уменьшение объема особого вакуума в 10 в 50 ст. раз, то есть Вселенная стягивается до микроскопических размеров. Когда эта инерция сжатия полностью погасится антигравитацией, стягивание прекращается, и под действием той же антигравитации Вселенная раздувается в 10 в 50 ст. раз за 10 в минус 32 ст. секунды.
Далее следует обратный переход особого вакуума в знакомое нам состояние с нарушенной симметрией, при котором единое взаимодействие распадается на сильное, электромагнитное и слабое. Энергия отрицательного давления «кристаллизуется» в частицы с бурным выделением тепла, а Вселенная разогревается до температур, близких к 10 в 28 степени градусов Кельвина. Тут-то и генерируется реликтовое излучение. Возникает гравитация, которая начинает замедлять расширение Вселенной, описываемое классической моделью Большого взрыва.
Итак, в модели замкнутой раздувающейся Вселенной особый вакуум возникает как естественное следствие Большого сжатия. Это наиболее привлекательная черта модели. Именно инерция расширения особого вакуума есть подлинная движущая сила Большого взрыва.
Таким образом, если Вселенная замкнута, то второе начало термодинамики, неприменимое в микромире, неприменимо и при экстремальных температурах поздней фазы Большого сжатия. Зато благодаря этому (а также внутреннему ограничению ОТО) замкнутая Вселенная должна «пульсировать» вечно.
Рекомендуем почитать:
Силк Дж. Большой взрыв. М: Мир, 1982.
Линде А. Раздувающаяся Вселенная. Наука и жизнь, 1985, № 8.