Большой Взрыв и рождение Вселенной

Статья написана Павлом Чайкой, главным редактором журнала «Познавайка». С 2013 года, с момента основания журнала Павел Чайка посвятил себя популяризации науки в Украине и мире. Основная цель, как журнала, так и этой статьи – объяснить сложные научные темы простым и доступным языком

В середине 20-х годов прошлого столетия американский астроном Э. Хаббл установил, что расстояния между галактиками в наблюдаемой части Вселенной непрерывно увеличиваются, словно галактики разбегаются друг от друга. У Хаббла и его коллег стало складываться впечатление, что много миллиардов лет назад (в наши дни говорят о 15 — 20 миллиардах) вещество Вселенной было сосредоточено в каком-то очень малом объеме с фантастически большой плотностью, на много порядков превосходящей плотность вещества внутри атомного ядра.

Внезапно — по причинам, о которых строятся самые различные предположения, — произошло то, что сегодня называют Большим Взрывом, и из разлетающихся «осколков» первичного сгустка стали образовываться звезды, галактики и все вещество окружающего нас мира. Взрыв сгустка сопровождался огромными температурами, о чем свидетельствует реликтовое (остаточное) излучение, открытое в 1965 году американскими астрофизиками А. Пензиасом и Р. Вильсоном. Реликтовое излучение — это отблеск того миллиардно градусного жара, который пронизывал Вселенную в первые мгновения ее расширения.

Самое удивительное, что за несколько лет до открытия Хаббла, в 1922 году, контуры расширяющейся Вселенной уже были намечены в расчетах Петербургского математика и физика А. А. Фридмана. Основываясь на общей теории относительности, завершенной А. Эйнштейном в 1916 году, Фридман доказал что в далеком прошлом произошел взрыв самого пространства, после которою мир стал расширяться, «разбухать», как бы «выделяя из себя пространств» в каждой своей точке вместе с расширением пространства разлетается и вещество, что и наблюдал Хаббл по так называемому красному смещению в спектрах галактик.

Этот взрыв пространства и содержащегося в нем сгустка сверхплотного правещества принято иногда называть «началом мира» или «рождением Вселенной», так как то, что было до этого события, имело совершенно иные, трудно вообразимые свойства. Впрочем, теория говорит нам, что применительно к Большому Взрыву понятиями «до» и «после» или «раньше» и «позже» следует пользоваться осторожно: за миг до начала взрыва не было никакого времени в нашем привычном понимании, а сгусток правещества был во столько раз меньше сантиметра, во сколько атом меньше видимой нами части Вселенной. В сущности — безразмерная точка! Наш мир как будто «вынырнул» из какого-то неизвестного нам состояния.

Правда, когда говорят, что все это случилось 15 — 20 миллиардов лет назад, предполагают неизменность свойств времени, его ритма. Это время жизни Вселенной по нашим часам. Но если бы мы могли очутиться в ней в первые мгновения ее расширения, часы наши шли бы иначе, а следовательно, иной была бы и продолжительность измеряемого по ним существования Вселенной. У самого же «начала мира» время, по- видимому, вообще распалось бы на отдельные кванты и вопрос о длительности любых процессов утратил бы всякий смысл. Для описания происходивших там явлений нужны совсем другие понятия.

Картина рождающейся «из точки» и расширяющейся Вселенной была настолько неожиданной и настолько противоречила укоренившимся представлениям, что большинство ученых отнеслось к ней с недоверием.

За свою долгую историю люди придумали много научных и ненаучных (религиозных, сказочных) объяснений природы. Разница между ними та, что все научные идеи, даже самые удивительные и диковинные, можно проверить в эксперименте или в наблюдениях, а ненаучные проверить нельзя. Это не значит, что в науке все строго обосновано и доказано. Далеко не все! В ней всегда присутствует и интуитивный элемент веры — допущения, основанные на обобщении уже проверенного опытом знания. Всякая наука начинается с аксиом и гипотез — первичных, логически недоказуемых положений, получаемых путем прямого обобщения опытных данных. Это особенно заметно в новых, еще не сформировавшихся ее разделах.

С течением времени, под воздействием эксперимента и теоретического анализа, многие из основанных на интуитивной вере гипотез и допущений отмирают, остаются лишь самые важные, не сводимые друг к другу. Но совсем избавиться от интуитивного элемента нельзя. Да и не нужно. Как это ни парадоксально, но без веры наука развиваться не может, одной логики для нее недостаточно. Однако в отличие от религиозной эта вера подвергается испытанию экспериментом и с течением времени либо отбрасывается как ложная, либо прочно входит в структуру науки.

Именно эксперимент и наблюдения постепенно убедили ученых: теория расширяющейся Вселенной точнее всего описывает пространственно-временную структуру нашего мира. Прежняя, стационарная модель мироздания с неизменным, инертным пространством, в которое, как в ящик, вложено все материальное содержание мира, оказалась применимой лишь для сравнительно небольших и не слишком от нас удаленных временных интервалов. В масштабе же миллиардов лет нельзя не учитывать эволюцию мира. И уж совсем непригодна стационарная модель у самого «начала мира», когда за ничтожные доли секунды Вселенная менялась основательнее, чем за миллиарды лет последующего развития.

Сегодня фридмановская модель расширения Вселенной стала общепринятой. Но это не означает, что нам все в этом расширении понятно. По-прежнему остается загадкой сам «механизм» рождения мира. Почему произошел «первичный взрыв»? Что послужило причиной? Об этом не знали во времена Фридмана, не знают точно и сейчас. Можно лишь утверждать, что материя не могла возникнуть «из ничего» и рождению «нашего мира» предшествовали какие-то другие его состояния. Утверждать, памятуя о том (подчеркнем еще раз), что понятия «предшествовать» или «следовать» для таких особых состояний материи не имеют того смысла, который в них обычно вкладывают. Мы пользуемся терминами, которые возникли внутри сформировавшегося мира для объяснения событий, происходящих именно в данном мире, а не за его пределами.

Область «начала мира» — предмет нового научного направления квантовой космологии. Направление это еще только создается, пока можно строить лишь грубые модели. Вот, например, теория относительности предсказывает существование в космосе «черных дыр» — объектов с такой огромной силой тяжести, что она удерживает даже испускаемый ими свет. Эти дыры засасывают окружающее вещество; в принципе в них может провалиться даже целая вселенная. Можно предположить, что в природе существуют объекты с противоположными свойствами — «белые дыры», извергающие из себя вещество, так сказать, «черные дыры» наизнанку. Тогда рождение нашей Вселенной можно рассматривать как образование «белой дыры».

Другая модель основана на идее, что свойства пространства и времени в ультрамалом масштабе совсем не такие, как в масштабе обычном. Мы привыкли к тому, что мир имеет четыре измерения — длину, ширину, высоту и время. Глубоко же в микромире пространство-время может иметь гораздо больше измерений, причем тех, к которым мы привыкли, среди них может и не оказаться. Ведь нет же, например, на плоскости третьего измерения — высоты… Можно сказать, что материя находится там вне времени и пространства, а точнее — в пространственно-временных измерениях, которых в окружающем нас мире нет. По каким-то причинам, допустим по причине случайных флуктуаций (колебаний) физических процессов, происходивших в праматерии, появились известные нам сегодня пространственно-временные измерения. Иначе говоря, материя «вынырнула» в «нашем пространстве», быстро раздвигая его границы. Можно ли говорить в этом случае о рождении или о начале мира (а тем более о его сотворении)? Мир перешел из одного состояния в другое, вот и все.

Повторяем, это грубые модели. У них пока нет экспериментальных оснований, они содержат еще немало загадок и белых пятен. Но именно из таких моделей и рождаются в конце концов хорошо обоснованные теории.

Продолжение следует.

Автор: В. Барашенков.