Як влаштований Всесвіт: що знає сучасна наука про це

Поява теорії відносності і квантової механіки змінила всю картину світу. Виявилося, що фізичний світ містить сам в собі масштаби явищ і ми не можемо по сваволі збільшувати або зменшувати їх… У сучасній фізичній картині світу ми не можемо змінити жодної постійної. Наш світ, мабуть, влаштований так, що всі його масштаби обумовлені якимись незрозумілими поки законами. Іншого світу існувати, напевно, не може. Чи правомірно ставити питання: чому Всесвіт, в якому ми живемо, саме такий, а не який-небудь інший? Для того щоб отримати на подібне питання вичерпну відповідь, треба вийти за рамки спостережуваного Всесвіту і охопити світ у всьому його нескінченному розмаїтті. А це, на жаль, неможливо.

Двері в одну сторону

В останні роки інтенсивно розробляється і привертає загальну увагу теорія «чорних дір» в космосі.

Як відомо «чорна діра» дуже своєрідний об’єкт, куди навколишня речовина безслідно провалюється і звідки назовні не може вибратися жодна частка, жоден фізичний сигнал. Так що, якщо уявний спостерігач виявиться затягнутим в «чорну діру», разом з речовиною він буде нестримно падати до її центру. Але є одна екзотична гіпотеза. Не виключено, що в якийсь момент стиснення зміниться розширенням, і наш спостерігач знову виявиться викинутим у зовнішній простір.

Але це буде вже не той простір, з якого він потрапив в «чорну діру»!

«Чорна діра» – це як би двері в одну сторону. Цей новий простір по відношенню до нашого знаходиться в «абсолютному майбутньому». Іншими словами, як би довго ми не жили в нашому Всесвіті, в «той» простір ми ніколи не потрапимо. Проникнути в нього можна тільки через «чорну діру», а зворотного шляху взагалі немає.

«Чорна діра» – це як би двері в одну сторону. Таким чином, в принципі можливе існування суміжних просторів або суміжних всесвітів, від яких до нас не надходить ніяка інформація. Зрозуміло, все в світі в принципі пізнавано. У тому сенсі, що всі явища мають природні причини і підкоряються природним закономірностям.

Але практично ми можемо дізнатися далеко не все. Перш за все, тому, що сам процес пізнання нескінченно різноманітного Всесвіту нескінченний в часі, і на будь-якому рівні розвитку науки в навколишньому світі завжди залишиться для нас щось невідоме. Ми ніколи не зможемо охопити своїм знанням всю матерію в цілому – її властивості невичерпні.

Великий регулятор

Спробуємо, однак, звузити завдання. Обмежимо його в такій мірі, щоб воно набуло реального фізичного змісту. Очевидно, мова повинна йти тільки про спостережуваний Всесвіт і ті його властивості, які визначаються вже відомими нам закономірностями.

Що ж стосується самого питання, на яке ми хочемо отримати відповідь, то воно тепер буде виглядати приблизно таким чином: чи випадково те, що світ, безпосередньо навколишній нас, володіє саме такими властивостями, а не якими-небудь іншими?

У подібній формі питання стає цілком правомірним, оскільки саме той варіант Всесвіту, який ми спостерігаємо, здавалося б, якраз далеко не найвірогідніший серед усіх мислимих варіантів.

Перш за все, треба зауважити, що певну картину світу ми спостерігаємо завдяки тому, що саме такий світ забезпечує можливість нашого існування. Як дотепно зауважив А. Л. Зельманов, «ми є свідками процесів певного типу, тому що процеси іншого типу протікають без свідків».

Зокрема, ми зовсім не випадково живемо саме у Всесвіті, що розширюється і спостерігаємо саме червоне зміщення в спектрах галактик. Взаємне віддалення галактик і зміщення випромінювання в бік довгих хвиль і низьких частот послаблює енергію електромагнітних випромінювань, що пронизують космічний простір. Якби галактики не розбігалися, а зближувалися, в спектрах зірок спостерігалося б не червоне, а фіолетове зміщення — зрушення в бік високих частот і жорстких короткохвильових випромінювань. Щільність і енергія електромагнітних хвиль в такому Всесвіті були б настільки високі, що виключали б можливість існування біологічного життя.

Які ж найбільш поширені форми тих космічних об’єктів, які нас оточують? Це – зірки, пил, газ. Що стосується пилу і газу, то в газових і пилових туманностях зосереджена значна частка речовини Всесвіту. Але це перехідні форми.

Судячи з усього, в нинішньому Всесвіті найбільш стійкою формою відокремлених космічних об’єктів є зоряна форма. Чи випадково те, що в самих різних куточках спостережуваного Всесвіту матерія концентрується саме в зірки?

У відомого американського письменника-фантаста Роберта Шеклі є дотепне оповідання, в якому описується, як якась космічна будівельна фірма за завданням якихось «замовників», створювала… Метагалактику. Зрозуміло, це жарт, і подібний прийом знадобився письменнику для того, щоб виявити деякі закономірності, своєрідні правила гри.

Ось в цих-то «правилах гри» – вся суть справи. Якщо у нас є м’яч і гравці, це ще далеко не все. З одним і тим же м’ячем можна грати в самі різні ігри. Щоб гра набула певного характеру, необхідно підпорядкувати її тим чи іншим правилам.

Поставимо себе на місце фантастичних конструкторів Всесвіту. Перш ніж приступити до його створення, нам довелося б не тільки встановити головні властивості її основних елементів, а й розробити якийсь звід законів, що визначають поведінку і взаємодію всіх без винятку матеріальних об’єктів і регулюють устрій Всесвіту.

Які ж ті закони, завдяки яким в реальному Всесвіті переважним правом на існування користуються саме зірки?

У живій природі, як відомо, діє природний відбір. Виживають тільки ті організми, які найкращим чином пристосовані до умов зовнішнього середовища. Схоже, що своєрідний природний відбір діє і у Всесвіті. У процесі руху матерії можуть виникати найрізноманітніші об’єкти, але більшість з них виявляються нестійкими і швидко руйнуються.

І разом з тим деякі космічні об’єкти, в основному зірки, чомусь є досить стійкими і здатні існувати досить довго. Чому це так? Мабуть, справа в тому, що у Всесвіті діє якийсь «загальний регулятор». Є підозра, що цей регулятор — так званий зворотний зв’язок.

У наш час, в епоху бурхливого розвитку кібернетики, електроніки і всіляких автоматичних процесів, цей термін широко відомий. Зворотній зв’язок використовується для управління польотом ракет, роботою верстатів і механізмів, без нього не було б радіоприймачів, телевізорів, телефонів, комп’ютерів і багато чого іншого.

Якщо говорити просто, зворотний зв’язок – це коригування тих чи інших дій в залежності від того ефекту, який вони викликають.

У кібернетиці дається більш точне визначення. Уявіть собі якусь систему, скажімо, автомобіль або літак, мозок людини або космічний корабель, або, нарешті, Сонце. Зупинимося, наприклад, на літаку. Керуючи літаком, пілот переводить важелі, натискає ті чи інші кнопки — це вхідні сигнали. І всякий раз літак якось реагує на подібні дії: збільшує або, навпаки, зменшує швидкість польоту, набирає або втрачає висоту, робить віраж або мертву петлю. Це – вихідні сигнали. Зворотній зв’язок діє тоді, коли вихідні сигнали впливають на вхідні, змінюючи їх відповідним чином. Скажімо, літак занадто круто втрачає висоту, і пілот, помітивши це, злегка бере штурвал на себе, зменшуючи кут зниження.

Взагалі кажучи, людина користувалася зворотним зв’язком задовго до того, як вчені сформулювали це поняття і стали застосовувати його в різних технічних системах. По суті, роблячи будь-яку дію, ми не тільки обов’язково враховуємо її наслідки, але і на ходу вносимо необхідні поправки.

Щось подібне відбувається і в природі. Саме наявність зворотного зв’язку в цілому ряді явищ навколишнього світу і забезпечує стійкий, стабільний характер багатьох природних процесів. Простий приклад: так званий фізичний маятник. Будь-яке його відхилення від положення рівноваги викликає появу сили, яка повертає маятник до цього положення.

Зворотній зв’язок проявляється не тільки в живій, але і в неживій природі. З саморегулюючими системами ми зустрічаємося і в світі зірок, і в хімічних перетвореннях, і в електричних процесах — словом, мало не на кожному кроці. Характерний приклад – наше Сонце.

Згідно сучасним фізичним уявленням (яке, незважаючи на несподівані результати нейтринних і деяких інших спостережень, поки ще не спростоване і є загальноприйнятим), могутня енергія нашого світила народжується в його глибоких надрах, де вирує і клекоче термоядерна реакція. Людина, як відомо, теж опанувала подібною реакцією і навчилася витягувати енергію, що виділяється при об’єднанні ядер водню в ядра гелію. Але поки що штучна термоядерна реакція протікає миттєво, а вся енергія виділяється у формі вибуху. Сонце ж витрачає енергію поступово і неквапливо, підтримуючи роботу своєї ядерної топки на строго певному рівні.

Але як це – «підтримуючи»? Адже у Сонця немає ні власного розуму, ні «пульта управління», на якому працювали б якісь розумні істоти. Ось тут-то ми і зустрічаємося зі зворотним зв’язком і саморегулюванням.

Судячи з усього, термоядерний синтез водню протікає в самій центральній області світила. Ця зона оточена з усіх боків жахливими масами речовини. Могутнє тяжіння тягне їх до центру Сонця, але цьому прагненню перешкоджає колосальний тиск газів, народжених в полум’ї термояда. Тим самим досягається відносна рівновага.

Але ось з якоїсь причини інтенсивність термоядерної реакції дещо падає. Тоді знижуються температура і тиск, і під напором навколишньої речовини зона реакції починає стискатися. Стиснення підвищує тиск і температуру, і реакція входить в норму. І навпаки, якщо чому-небудь інтенсивність синтезу зростає, надлишок енергії розширює зірку. Розширення викликає охолодження центральної зони, яке триває до тих пір, поки реакція не увійде в свою звичайну колію.

Сонце – це, так би мовити, окремий випадок, зірка, одна з конкретних форм існування матерії. Але вже давно вчені помітили і деякі загальні закономірності – свідчення того, що принцип зворотного зв’язку є одним з фундаментальних властивостей світу.

Одна з таких закономірностей була знайдена російським фізиком Ленцем в електромагнітних явищах. У шкільних підручниках вона викладається у вигляді «правила Ленца», яке має чисто практичне значення — воно дозволяє визначати напрямок струму індукції. Насправді ж це один з випадків, що ілюструють принцип зворотного зв’язку. Будь-яка зміна магнітного поля викликає виникнення струму індукції, магнітне поле якого, в свою чергу, протидіє змінам, що викликали цей струм.

Подібні закони – деякі з них, ймовірно, належить ще відкрити — проглядаються в безлічі інших явищ. Саме зворотним зв’язком і природним саморегулюванням і пояснюється відсутність хаосу в природі, стрункість світобудови, стійкий характер багатьох явищ навколишнього нас світу.

Так ось, тільки тим космічним об’єктам, де діє зворотний зв’язок і здійснюється саморегулювання, забезпечено досить тривале існування. Неважко збагнути, що саме такі об’єкти будуть зустрічатися і частіше за інших. Ось, можливо, і відповідь на питання, чому так багато зірок у Всесвіті.

Але можна задати і таке питання: чому самі зірки саме такі, а не якісь інші? У зв’язку з цим вірменський астроном академік В. А. Амбарцумян висловив цікаву думку, що багато особливостей будови Всесвіту, в тому числі і багато властивостей зірок, як би «закладені» у властивостях елементарних частинок. І якби ці властивості були іншими, то і космічні об’єкти виглядали б інакше, ніж насправді.

Так, наприклад, теорія внутрішньої будови зірок приходить до висновку, що гранична можлива маса зірки прямо пропорційна масі Сонця і обернено пропорційна квадрату маси протона. За цією формулою неважко розрахувати, що максимальна маса стійкої зірки не може перевершувати приблизно 75 сонячних мас. Але це при тій масі, якою володіють протони в нашому світі. А якби маса протона була іншою? Скажімо, в сто разів меншою? У такому світі могли б існувати цілком стійкі зірки з масами близько десятків тисяч мас Сонця.

Але тут неминуче виникає наступне питання: чому протон має саме таку масу, а не якусь іншу? Втім, стоп! Залишимо це питання до кращих часів…

Три, а не чотири

Простір, в якому ми живемо, має три виміри: довжину, ширину і висоту. Три – не більше і не менше. Чому ж саме три, а, скажімо, не два або чотири?

Хоча вичерпної відповіді на це питання поки ще немає, цілком ймовірно, і ця властивість навколишнього нас Всесвіту також не є простою випадковістю. Свого часу деякі вчені намагалися відповісти на питання, чому у спостережуваному Всесвіті саме така геометрія, а не інша, виходячи з загально-філософських міркувань.

– Світ повинен володіти досконалістю, — стверджував Аристотель, – і тільки три виміри здатні цю досконалість забезпечити.

Однак конкретні фізичні проблеми навряд чи можуть бути вирішені шляхом настільки абстрактних міркувань.

Наступний крок зробив Галілей, відзначивши той факт, що в нашому світі можуть існувати найбільше три взаємоперпендикулярних напрямки. Але з’ясувати причину подібного стану речей Галілей не намагався. Таку спробу згодом зробив Лейбніц. Але і він відповідь шукав за допомогою чисто умоглядних геометричних міркувань, абсолютно не пов’язаних з реальною дійсністю.

Тим часом те чи інше число вимірювань — це абсолютно конкретна фізична властивість реального простору. І вона повинна мати цілком певну фізичну причину, бути наслідком якихось більш загальних фізичних закономірностей.

Спробуємо уявити собі, як змінився б звичний світ, якщо б він придбав ще один, четвертий вимір (перпендикулярний до довжини, ширини і висоти).

Перш за все, додавання четвертого виміру змінило б деякі чисто геометричні властивості простору. Одним з важливих розділів геометрії, цікавих не тільки теоретично, але і практично, є так звана теорія перетворень. У ній мова йде про те, як змінюються різні геометричні фігури при переході від однієї системи координат до іншої. Один з типів таких геометричних перетворень носить найменування конформних – так називаються перетворення, що зберігають незмінними кути.

Конкретно справа йде наступним чином. Уявімо собі якусь просту геометричну фігуру, скажімо, квадрат або багатокутник. Накладемо на неї довільну сітку ліній, своєрідний «скелет». Тоді конформними можна назвати такі перетворення системи координат, при яких наш квадрат або багатокутник перейде в будь-яку фігуру, але так, що кути між лініями «скелета» при цьому збережуться. Наочним прикладом конформного перетворення може служити розгортка поверхні глобуса на площину — саме так будуються географічні карти.

Ще в минулому позаминулому столітті відомий математик Б. Ріман показав, що будь-яка плоска суцільна (тобто без «дірок», або, як кажуть математики, однозв’язкова) фігура може бути конформно перетворена в коло.

Незабаром сучасник Рімана Ж. Ліувіль довів ще одну важливу теорему – про те, що не всяке тривимірне тіло можна конформно перетворити в кулю. Це означає, що в тривимірному просторі можливості конформних перетворень вже не такі широкі, як у площині.

Таким чином, додавання всього лише однієї осі координат накладає на геометричні властивості простору досить жорсткі додаткові обмеження. Якщо двовимірний простір занадто «вільний», то геометрія чотиривимірного світу, навпаки, може бути надто жорстка? І це обмежило б якийсь, необхідний для розвитку матерії «простір»?

Разом з тим, як показують спеціальні дослідження, у міру збільшення числа вимірювань простору зменшується стійкість руху. Якщо будь-яке тіло рухається в двовимірному просторі по замкнутій орбіті навколо іншого тіла, то ніяке обурення не може видалити його в нескінченність. У просторі трьох вимірювань обмеження вже значно слабкіше. Але все ж і тут траєкторія рухомого тіла не йде в нескінченність, якщо тільки сила, що обурює не надто велика. У чотиривимірному ж просторі всі кругові траєкторії стають нестійкими. Зокрема, в такому просторі планети не могли б обертатися навколо Сонця – вони дуже швидко впали б на нього, або полетіли в нескінченність.

Не міг би існувати в чотиривимірному просторі як стійке утворення і атом водню. Електрон, як випливає з вправи квантової механіки, в цьому випадку неминуче падав би на ядро.

І може бути, аж ніяк не випадково, а за тим же принципом природного відбору, відповідно до якого з усіх можливих утворень в процесі розвитку матерії формуються найбільш стійкі, на одній з ранніх стадій розвитку Всесвіту сформувалася і його геометрія — саме той її варіант з усіх можливих, який забезпечує оптимальну стійкість руху матерії.

Дуже можливо, що саме ця, на перший погляд непримітна властивість – властивість стійкості і є тим вирішальним фактором, який сприяв формуванню «лику» навколишнього нас Всесвіту.

І все-таки, чому він саме такий, як є?

Автор: В.Комаров.