Подробно:

ГИПОТЕЗЫ, ФАКТЫ, РАССУЖДЕНИЯ

Великие мыслители обсуждают «вечные» вопросы.

---

Что мы знаем о происхождении Вселенной?

ДЖОРДЖ Р. ЭЛЛИС

Что мы знаем о происхождении Вселенной благодаря современной космологии, и на каком этапе проблема её происхождения переходит из плоскости физики в плоскость метафизики?

Вселенная расширялась до своего нынешнего состояния от момента Большого Взрыва, физические закономерности которого хорошо изучены, начиная с этапа формирования химических элементов (однако то, что происходило до этого, относится скорее к области гипотез). Фоновое излучение Вселенной, недавно изученное спутником СОВЕ, является реликтовым излучением ранней «горячей» фазы эволюции Вселенной.

Изучение этого расширения и эволюционного развития является предметом физической космологии. Первый ряд проблем связан с самим процессом исследования. Это так называемые основные трудности наблюдения, дополнительные проблемы, обусловленные горизонтами наблюдения (см. ниже), а также границы возможной физической проверки.

ОСНОВНЫЕ ТРУДНОСТИ НАБЛЮДЕНИЯ

Наша способность непосредственно определять геометрию и распределение вещества во Вселенной ограничена множеством трудностей, связанных с наблюдением, включая тусклость образов, которые мы пытаемся расшифровать и понять. Мы можем распознать отдалённое вещество лишь с помощью частиц или излучения, которое оно испускает, получая большую часть информации из световых волн. (Здесь следует учесть, что свет является общим термином для любого вида электромагнитного излучения, с помощью которого мы можем видеть отдалённые объекты, — радиоволн, инфракрасного излучения, ультрафиолетового излучения и рентгеновских лучей наряду с обычным светом.)

Таким образом, существуют базовые ограничения той области Вселенной, которую мы можем видеть, поскольку излучение, несущее информацию, движется со скоростью света (а любые массивные частицы движутся ещё медленнее). Вглядываясь во всё более отдалённые участки Вселенной, мы одновременно заглядываем всё дальше в прошлое. К примеру, галактика Андромеды находится примерно в миллионе световых лет от нас; это означает, что мы видим её такой, какой она была миллион лет назад. Мы видим источники излучения на более ранних стадиях их эволюции. Это сильно затрудняет отделение эффектов физической эволюции наблюдаемых источников от геометрической эволюции Вселенной. Собственно говоря, это главная причина, в силу которой мы не можем определить по результатам наблюдений за скоростью изменения красного смещения, ожидает ли Вселенную повторный коллапс, или она будет расширяться вечно.

Расширение Вселенной хорошо засвидетельствовано в спектрах красного смещения отдалённых галактик, но у нас возникают трудности при точном определении размера и возраста Вселенной с помощью постоянной Хаббла. Хотя красное смещение можно измерить с достаточной точностью, довольно трудно измерить расстояние до отдаленных галактик. Мы не можем пользоваться астрономическими объектами как стандартными «свечами», поскольку мы не понимаем их эволюцию — то, как они изменялись со временем. Кроме того, мы испытываем огромные трудности даже при оценке общего количества вещества в наблюдаемой Вселенной из-за так называемой проблемы тёмного вещества: вполне возможно, что большая часть вещества во Вселенной практически не испускает излучения, потому практически неопределима нашими методами наблюдения.

Перечисленные проблемы усугубляются тем фактом, что, когда мы наблюдаем источники света, расположенные на большом расстоянии (и следовательно, с более сильным красным смещением), количество получаемого света резко уменьшается. Это неизбежное следствие эффекта красного смещения: фотоны теряют энергию по мере того, как возрастает длина волны. Поэтому на всё более далёких расстояниях Вселенная как будто тает во мгле. Современные детекторы могут до некоторой степени компенсировать этот эффект, и сейчас мы получаем замечательные по качеству изображения очень отдаленных объектов с космического телескопа Хаббла; тем не менее, на границах наблюдаемой Вселенной точность наших наблюдений резко падает, а значит, уменьшается и точность наших выводов о её прошлом.

Далее, существует абсолютный предел определения объектов при астрономических наблюдениях на любой длине волны. Это происходит потому, что когда мы вглядываемся в далекое прошлое, температура фонового излучения возрастает, что приводит к ионизации вещества при красном смещении порядка 1000; затем Вселенная становится совершенно «непрозрачной». Мы не можем заглянуть в более раннее время, так как излучение не проникает через горячую, плотную первичную плазму.

Никакой технологический прогресс не изменит это положение вещей. Изображения флуктуации температур микроволнового фонового излучения, полученные со спутника СОВЕ, дают нам некоторое представление о наиболее отдалённом веществе, которое мы когда-либо сможем увидеть с помощью электромагнитных излучений. Нейтринные или гравитационные телескопы теоретически могут проникнуть в ещё более раннее время, но, даже если они будут изобретены и дадут изображения удовлетворительного качества, наблюдения в конце концов упрутся в такую же преграду.

ГОРИЗОНТЫ И ПРЕДЕЛЫ ПОДТВЕРЖДЕНИЯ

Вселенная от начала до наших дней

Однако есть и другие фундаментальные ограничения наших возможностей при наблюдении Вселенной.

1. Горизонт частиц. Поскольку Вселенная имеет конечный возраст, свет мог пройти лишь ограниченное расстояние с момента её происхождения. Это подразумевает, что мы теоретически можем наблюдать только те частицы, нынешнее расстояние до которых соответствует возрасту Вселенной; возможные частицы за пределами этой сферы остаются невидимыми для нас, независимо от того, какими средствами мы пользуемся. Этот эффект похож на эффект горизонта, который мы видим, когда смотрим на отдалённые объекты на поверхности Земли: есть множество других, более далеких объектов, но мы их не видим просто потому, что они находятся за горизонтом. В случае расширяющейся Вселенной мы называем горизонт, отделяющий доступные для наблюдения частицы (которые впоследствии станут галактиками) от других возможных частиц, недоступных для наблюдения и какого-либо причинного контакта, горизонтом частиц. Фактически, мы даже не можем увидеть сам горизонт частиц из-за уже упомянутого высокого фонового горизонта у границ наблюдаемой Вселенной. Мы можем видеть лишь визуальный горизонт, соответствующий тому месту, где Вселенная становится «непрозрачной» для наших методов наблюдения. Он находится ближе, чем горизонт частиц, и соответствует веществу, которое начало испускать фоновое излучение в первые секунды после Большого Взрыва. Чтобы полностью осознать эти ограничения, следует внимательно ознакомиться с соответствующими диаграммами пространства-времени.

В силу этих ограничений мы очень мало можем сказать о Вселенной в большем масштабе, чем размер Хаббла (расстояние до наиболее отдаленных частиц вещества с момента расширения нашей Вселенной, приблизительно десять миллиардов световых лет). Таким образом, на основе наблюдений мы не можем провести различие между моделями Вселенной, строго гомогенными в большом масштабе (что подразумевает одинаковые условия на расстоянии в пределах одного миллиона размеров Хаббла), и гетерогенными моделями. Если Вселенная имеет конечное пространственное разделение, то вовне существует по меньшей мере столько же галактик, сколько мы можем видеть внутри; если Вселенная имеет бесконечное пространственное разделение, то теоретически мы можем увидеть бесконечное число галактик, но в действительности видим лишь бесконечно малую долю того, что есть. Любые наши предположения о структуре Вселенной в действительно большом масштабе (то есть многократно превышающем визуальный горизонт) совершенно недоказуемы.

2. Малая Вселенная. В этой, казалось бы, пессимистической ситуации есть одно исключение. Возможно (даже если Вселенная обладает малой плотностью), что связность пространства в крупных масштабах отличается от ожидаемой, поэтому Вселенная фактически имеет малые размеры и пространственно замкнута в масштабе, меньшем, чем размер Хаббла. Тогда, если мы отправимся в условном пространственном направлении при постоянном времени, то в конце концов подойдём очень близко к тому месту, откуда мы начинали (как в случае со сферой, тором, или лентой Мёбиуса). В таком случае, мы можем «видеть вокруг Вселенной» несколько раз; иными словами, мы можем многократно видеть каждую галактику (включая и нашу собственную), благодаря множеству образов в различных направлениях. Сравнительно малое число галактик создает очень большое количество образов.* (* Речь идёт об эффектах специальной теории относительности).

Этот эффект похож на комнату с полностью зеркальными стенами, полом и потолком: вы можете видеть огромное количество своих отражений, исчезающих на расстоянии во всех направлениях. Сходным образом, в малой Вселенной, несмотря на её размеры, мы видим огромное количество «отражений» каждой галактики, исчезающих на расстоянии в якобы бесконечной Вселенной. В этом, и только в этом случае визуального горизонта не существует, и мы в принципе можем определить геометрию Вселенной методами непосредственного наблюдения, так как все вещество в ней доступно для наблюдения (по контрасту с обычно рассматриваемой ситуацией, при которой мы можем видеть лишь малую часть всего имеющегося вещества). Далее, в этом случае мы можем изучить историю собственной галактики с помощью оптических наблюдений, исследуя «временные срезы» в разные моменты её существования.

Итак, есть возможность, что мы живем в малой Вселенной, но доказать реальность этой ситуации на основе астрономических наблюдений будет крайне трудно, и пока у нас нет убедительных доказательств в пользу этой гипотезы. Однако нам следует иметь в виду такую возможность.

3. Пределы проверки и подтверждения. Степень уверенности наших космологических рассуждений строго определяется границами наблюдения. В принципе, мы можем сказать (а) очень много о структуре наблюдаемой области, расположенной в пределах визуального горизонта; (б) очень мало о том, что находится за пределами визуального горизонта, но внутри горизонта частиц (возможно, когда-нибудь мы сможем узнать больше с помощью нейтринных или гравитационных телескопов, но до развития подобной технологии остается, по меньшей мере, ещё несколько десятков лет); (с) ничего о том, что находится за пределами горизонта частиц — эта область недоступна никакому наблюдению. В малой Вселенной нет визуального горизонта, но реальная Вселенная, вероятно, устроена иначе. Отсюда следует вывод, что, когда наши модели дают предсказания о природе Вселенной в более крупном масштабе, чем радиус Хаббла, они являются недоказуемыми в строгом смысле слова, как бы привлекательно они ни выглядели.