Как устроена Вселенная: что знает современная наука об этом

Появление теории относительности и квантовой механики изменило всю картину мира. Оказалось, что физический мир содержит сам в себе масштабы явлений и мы не можем по произволу увеличивать или уменьшать их… В современной физической картине мира мы не можем изменить ни одной постоянной. Наш мир, по-видимому, устроен так, что все его масштабы обусловлены какими-то непонятными пока законами. Другого мира существовать, наверное, не может. Правомерно ли ставить вопрос: почему Вселенная, в которой мы живем, именно такая, а не какая-нибудь иная? Для того чтобы получить на подобный вопрос исчерпывающий ответ, надо выйти за рамки наблюдаемой Вселенной и охватить мир во всем его бесконечном разнообразии. А это, увы, невозможно.

Дверь в одну сторону

В последние годы интенсивно разрабатывается и привлекает всеобщее внимание теория «черных дыр» в космосе.

Как известно, «черная дыра» очень своеобразный объект, куда окружающее вещество бесследно проваливается и откуда наружу не может выбраться ни одна частица, ни один физический сигнал. Так что, если воображаемый наблюдатель окажется затянутым в «черную дыру», вместе с веществом он будет неудержимо падать к ее центру. Но есть одна экзотическая гипотеза. Не исключено, что в какой-то момент сжатие сменится расширением, и наш наблюдатель снова окажется выброшенным во внешнее пространство.

Но это будет уже не то пространство, из которого он попал в «черную дыру»!

«Черная дыра» — это как бы дверь в одну сторону. Это новое пространство по отношению к нашему находится в «абсолютном будущем». Другими словами, как бы долго мы ни жили в нашей Вселенной, в «то» пространство мы никогда не попадем. Проникнуть в него можно только через «черную дыру», а обратного пути вообще нет.

«Черная дыра» — это как бы дверь в одну сторону. Таким образом, в принципе возможно существование смежных пространств или смежных Вселенных, от которых к нам не поступает никакая информация. Разумеется, все в мире в принципе познаваемо. В том смысле, что все явления имеют естественные причины и подчиняются естественным закономерностям.

Но практически мы можем узнать далеко не все. Прежде всего, потому, что сам процесс познания бесконечно разнообразной Вселенной бесконечен во времени, и на любом уровне развития науки в окружающем мире всегда останется для нас нечто неизвестное. Мы никогда не сможем охватить своим знанием всю материю в целом — ее свойства неисчерпаемы.

Великий регулятор

Попробуем, однако, сузить задачу. Ограничим ее в такой мере, чтобы она приобрела реальный физический смысл. Очевидно, речь должна идти только о наблюдаемой Вселенной и тех ее свойствах, которые определяются уже известными нам закономерностями.

Что же касается самого вопроса, на который мы хотим получить ответ, то он теперь будет выглядеть примерно таким образом: случайно ли то, что мир, непосредственно окружающий нас, обладает именно такими свойствами, а не какими-либо иными?

В подобной форме вопрос становится вполне правомерным, поскольку именно тот вариант Вселенной, который мы наблюдаем, казалось бы, как раз далеко не самый вероятный среди всех мыслимых вариантов.

Прежде всего, надо заметить, что определенную картину мира мы наблюдаем благодаря тому, что именно такой мир обеспечивает возможность нашего существования. Как остроумно заметил А. Л. Зельманов, «мы являемся свидетелями процессов определенного типа, потому что процессы иного типа протекают без свидетелей».

В частности, мы совсем не случайно живем именно в расширяющейся Вселенной и наблюдаем именно красное смещение в спектрах галактик. Взаимное удаление галактик и смещение излучения в сторону длинных волн и низких частот ослабляет энергию электромагнитных излучений, пронизывающих космическое пространство. Если бы галактики не разбегались, а сближались, в спектрах звезд наблюдалось бы не красное, а фиолетовое смещение — сдвиг в сторону высоких частот и жестких коротковолновых излучений. Плотность и энергия электромагнитных волн в такой Вселенной были бы столь высоки, что исключали бы возможность существования биологической жизни.

Каковы же наиболее распространенные формы тех космических объектов, которые нас окружают? Это — звезды, пыль, газ. Что касается пыли и газа, то в газовых и пылевых туманностях сосредоточена значительная доля вещества Вселенной. Но это переходные формы.

Судя по всему, в нынешней Вселенной наиболее устойчивой формой обособленных космических объектов является звездная форма. Случайно ли то, что в самых различных уголках наблюдаемой Вселенной материя концентрируется именно в звезды?

У известного американского писателя-фантаста Роберта Шекли есть остроумный рассказ, в котором описывается, как некая космическая строительная фирма по заданию неких «заказчиков», создавала… Метагалактику. Разумеется, это шутка, и подобный прием понадобился писателю для того, чтобы выявить некоторые закономерности, своеобразные правила игры.

Вот в этих-то «правилах игры» — вся суть дела. Если у нас есть мяч и игроки, это еще далеко не все. С одним и тем же мячом можно играть в самые различные игры. Чтобы игра приобрела определенный характер, необходимо подчинить ее тем или иным правилам.

Поставим себя на место фантастических конструкторов Вселенной. Прежде чем приступить к ее созданию, нам пришлось бы не только установить главные свойства ее основных элементов, но и разработать некий свод законов, определяющих поведение и взаимодействие всех без исключения материальных объектов и регулирующих устройство Вселенной.

Каковы же те законы, благодаря которым в реальной Вселенной преимущественным правом на существование пользуются именно звезды?

В живой природе, как известно, действует естественный отбор. Выживают только те организмы, которые наилучшим образом приспособлены к условиям внешней среды. Похоже, что своеобразный естественный отбор действует и во Вселенной. В процессе движения материи могут возникать самые разнообразные объекты, но большинство из них оказываются неустойчивыми и быстро разрушаются.

И вместе с тем некоторые космические объекты, в основном звезды, почему-то являются достаточно устойчивыми и способны существовать довольно долго. Почему это так? Видимо, дело в том, что во Вселенной действует некий «всеобщий регулятор». Есть подозрение, что этот регулятор — так называемая обратная связь.

В наше время, в эпоху бурного развития кибернетики, электроники и всевозможных автоматических процессов, этот термин широко известен. Обратная связь используется для управления полетом ракет, работой станков и механизмов, без нее не было бы радиоприемников, телевизоров, телефонов, компьютеров и многого другого.

Если говорить просто, обратная связь — это корректировка тех или иных действий в зависимости от того эффекта, который они вызывают.

В кибернетике дается более точное определение. Представьте себе некую систему, скажем, автомобиль или самолет, мозг человека или космический корабль, или, наконец, Солнце. Остановимся, к примеру, на самолете. Управляя самолетом, пилот переводит рычаги, нажимает те или иные кнопки — это входные сигналы. И всякий раз самолет как-то реагирует на подобные действия: увеличивает или, наоборот, уменьшает скорость полета, набирает или теряет высоту, делает вираж или мертвую петлю. Это — выходные сигналы. Обратная связь действует тогда, когда выходные сигналы влияют на входные, изменяя их соответствующим образом. Скажем, самолет чересчур круто теряет высоту, и пилот, заметив это, слегка берет штурвал на себя, уменьшая угол снижения.

Вообще говоря, человек пользовался обратной связью задолго до того, как ученые сформулировали это понятие и стали применять его в различных технических системах. По существу, предпринимая любое действие, мы не только обязательно учитываем его последствия, но и на ходу вносим необходимые поправки.

Нечто подобное происходит и в природе. Именно наличие обратной связи в целом ряде явлений окружающего мира и обеспечивает устойчивый, стабильный характер многих природных процессов. Простой пример: так называемый физический маятник. Всякое его отклонение от положения равновесия вызывает появление силы, которая возвращает маятник к этому положению.

Обратная связь проявляется не только в живой, но и в неживой природе. С саморегулирующимися системами мы встречаемся и в мире звезд, и в химических превращениях, и в электрических процессах — словом, чуть не на каждом шагу. Характерный пример — наше Солнце.

Согласно современным физическим представлениям (которые, несмотря на неожиданные результаты нейтринных и некоторых других наблюдений, пока еще не опровергнуты и являются общепринятыми), могучая энергия нашего светила рождается в его глубоких недрах, где бурлит и клокочет термоядерная реакция. Человек, как известно, тоже овладел подобной реакцией и научился извлекать энергию, выделяющуюся при объединении ядер водорода в ядра гелия. Но пока что искусственная термоядерная реакция протекает мгновенно, а вся энергия выделяется в форме взрыва. Солнце же расходует энергию постепенно и неторопливо, поддерживая работу своей ядерной топки на строго определенном уровне.

Но как это — «поддерживая»? Ведь у Солнца нет ни собственного разума, ни «пульта управления», на котором работали бы какие-то разумные существа. Вот здесь-то мы и встречаемся с обратной связью и саморегулированием.

Судя по всему, термоядерный синтез водорода протекает в самой центральной области светила. Эта зона окружена со всех сторон чудовищными массами вещества. Могучее тяготение влечет их к центру Солнца, но этому стремлению препятствует колоссальное давление газов, рожденных в пламени термояда. Тем самым достигается относительное равновесие.

Но вот по какой-то причине интенсивность термоядерной реакции несколько падает. Тогда понижаются температура и давление, и под напором окружающего вещества зона реакции начинает сжиматься. Сжатие повышает давление и температуру, и реакция входит в норму. И наоборот, если почему-либо интенсивность синтеза возрастает, избыток энергии расширяет звезду. Расширение вызывает охлаждение центральной зоны, которое продолжается до тех пор, пока реакция не войдет в свою обычную колею.

Солнце — это, так сказать, частный случай, звезда, одна из конкретных форм существования материи. Но уже давно ученые подметили и некоторые общие закономерности — свидетельство того, что принцип обратной связи является одним из фундаментальных свойств мира.

Одна из таких закономерностей была найдена русским физиком Ленцем в электромагнитных явлениях. В школьных учебниках она излагается в виде «правила Ленца», которое имеет чисто практическое значение — оно позволяет определять направление тока индукции. В действительности же это один из случаев, иллюстрирующих принцип обратной связи. Всякое изменение магнитного поля вызывает возникновение тока индукции, магнитное поле которого, в свою очередь, противодействует изменениям, вызвавшим этот ток.

Подобные законы — некоторые из них, вероятно, предстоит еще открыть — просматриваются во множестве других явлений. Именно обратной связью и естественным саморегулированием и объясняется отсутствие хаоса в природе, стройность мироздания, устойчивый характер многих явлений окружающего нас мира.

Так вот, только тем космическим объектам, где действует обратная связь и осуществляется саморегулирование, обеспечено достаточно длительное существование. Нетрудно сообразить, что именно такие объекты будут встречаться и чаще других. Вот, возможно, и ответ на заинтересовавший нас вопрос, почему так много звезд во Вселенной.

Но можно задать и такой вопрос: почему сами звезды именно такие, а не какие-нибудь другие? В связи с этим армянский астроном академик В. А. Амбарцумян высказал интересную мысль, что многие особенности строения Вселенной, в том числе и многие свойства звезд, как бы «заложены» в свойствах элементарных частиц. И если бы эти свойства были иными, то и космические объекты выглядели бы иначе, чем в действительности.

Так, например, теория внутреннего строения звезд приходит к выводу, что предельная возможная масса звезды прямо пропорциональна массе Солнца и обратно пропорциональна квадрату массы протона. По этой формуле нетрудно рассчитать, что максимальная масса устойчивой звезды не может превосходить примерно 75 солнечных масс. Но это при той массе, которой обладают протоны в нашем мире. А если бы масса протона была иной? Скажем, в сто раз меньшей? В таком мире могли бы существовать вполне устойчивые звезды с массами порядка десятков тысяч масс Солнца.

Но здесь неизбежно возникает следующий вопрос: почему протон имеет именно такую массу, а не какую-нибудь другую? Впрочем, стоп! Оставим этот вопрос до лучших времен…

Три, а не четыре

Пространство, в котором мы живем, имеет три измерения: длину, ширину и высоту. Три — не больше и не меньше. Почему же именно три, а, скажем, не два или четыре?

Хотя исчерпывающего ответа на этот вопрос пока еще нет, по всей вероятности, и это свойство окружающей нас Вселенной также не является простой случайностью. В свое время некоторые ученые пытались ответить на вопрос, почему у наблюдаемой Вселенной именно такая геометрия, а не иная, исходя из общефилософских соображений.

— Мир должен обладать совершенством, — утверждал Аристотель, — и только три измерения способны это совершенство обеспечить.

Однако конкретные физические проблемы вряд ли могут быть решены путем столь отвлеченных рассуждений.

Следующий шаг сделал Галилей, отметив тот факт, что в нашем мире могут существовать самое большее три взаимоперпендикулярных направления. Но выяснить причину подобного положения вещей Галилей не пытался. Такую попытку впоследствии предпринял Лейбниц. Но и он ответ искал с помощью чисто умозрительных геометрических рассуждений, совершенно не связанных с реальной действительностью.

Между тем то или иное число измерений — это совершенно конкретное физическое свойство реального пространства. И оно должно иметь вполне определенную физическую причину, быть следствием каких-то более общих физических закономерностей.

Попробуем представить себе, как изменился бы привычный мир, если б он приобрел еще одно, четвертое измерение (перпендикулярное к длине, ширине и высоте).

Прежде всего, добавление четвертого измерения изменило бы некоторые чисто геометрические свойства пространства. Одним из важных разделов геометрии, интересных не только теоретически, но и практически, является так называемая теория преобразований. В ней речь идет о том, как изменяются различные геометрические фигуры при переходе от одной системы координат к другой. Один из типов таких геометрических преобразований носит наименование конформных — так называются преобразования, сохраняющие неизменными углы.

Конкретно дело обстоит следующим образом. Представим себе какую-нибудь простую геометрическую фигуру, скажем, квадрат или многоугольник. Наложим на него произвольную сетку линий, своеобразный «скелет». Тогда конформными можно назвать такие преобразования системы координат, при которых наш квадрат или многоугольник перейдет в любую фигуру, но так, что углы между линиями «скелета» при этом сохранятся. Наглядным примером конформного преобразования может служить развертка поверхности глобуса на плоскость — именно так строятся географические карты.

Еще в прошлом позапрошлом столетии известный математик Б. Риман показал, что любая плоская сплошная (то есть без «дыр», или, как говорят математики, односвязная) фигура может быть конформно преобразована в круг.

Вскоре современник Римана Ж. Лиувиль доказал еще одну важную теорему — о том, что не всякое трехмерное тело можно конформно преобразовать в шар. Это означает, что в трехмерном пространстве возможности конформных преобразований уже не так широки, как в плоскости.

Таким образом, добавление всего лишь одной оси координат накладывает на геометрические свойства пространства весьма жесткие дополнительные ограничения. Если двумерное пространство слишком «свободно», то геометрия четырехмерного мира, наоборот, может быть чересчур жестка? И это ограничило бы некий, необходимый для развития материи «простор»?

Вместе с тем, как показывают специальные исследования, по мере увеличения числа измерений пространства уменьшается устойчивость движения. Если какое-либо тело движется в двумерном пространстве по замкнутой орбите вокруг другого тела, то никакое возмущение не может удалить его в бесконечность. В пространстве трех измерений ограничения уже значительно слабее. Но все же и здесь траектория движущегося тела не уходит в бесконечность, если только возмущающая сила не слишком велика. В четырехмерном же пространстве все круговые траектории становятся неустойчивыми. В частности, в таком пространстве планеты не могли бы обращаться вокруг Солнца — они очень быстро упали бы на него, либо улетели в бесконечность.

Не мог бы существовать в четырехмерном пространстве как устойчивое образование и атом водорода. Электрон, как следует из упражнения квантовой механики, в этом случае неизбежно падал бы на ядро.

И может быть, отнюдь не случайно, а по тому же принципу естественного отбора, в соответствии с которым из всех возможных образований в процессе развития материи формируются наиболее устойчивые, на одной из ранних стадий развития Вселенной сформировалась и ее геометрия — именно тот ее вариант из всех возможных, который обеспечивает оптимальную устойчивость движения материи.

Очень возможно, что именно это, на первый взгляд неприметное свойство — свойство устойчивости и является тем решающим фактором, который способствовал формированию «лика» окружающей нас Вселенной.

И все-таки, почему она именно такая, какая есть?

Автор: В. Комаров.