Геометрия, динамика, вселенная - Иосиф Розенталь

1 сферу любой размерности или другие геометрические фигуры.

Возможность объединения обоих направлений (струнной геометрии и геометрии Калуца-Клейна) является весьма соблазнительной. И хотя оба направления развиваются почти параллельно, кажется, что их слияние будет весьма серьезным шагом на пути решения проблемы планковской физики. Сейчас предпринимаются первые попытки в этом направлении.

ГЛАВА 3. В С Е Л Е Н Н А Я

1. КРАТКАЯ ИСТОРИЯ СОВРЕМЕННОЙ КОСМОЛОГИИ

История современной космологии уникальна. Вероятно, в истории точных наук не было ни одной темы, которая на протяжении сравнительно короткого срока (70 лет) подверглась бы столь многочисленным кардинальным переоценкам. Едва ли подобная ситуация — следствие случайных заблуждений и прозрений. На наш взгляд, существовали глубокие причины зигзагов в науке о мироздании. Кратко можно назвать три такие причины. 1. Вера в неизменность Вселенной, господствовавшая в течение многих столетий. 2. Вдохновляющая грандиозность предмета космологии. 3. Скудость наблюдательных данных о мире как целом, обуславливающая отсутствие значительных барьеров для беспочвенных фантазий.

Можно точно назвать год рождения современной космологии. В 1917 г. А.Эйнштейн пытался применить созданную им общую теорию относительности (ОТО) к физической интерпретации структуры мира.

Однако в отличие от всех остальных своих работ в данном случае Эйнштейн не прислушался к голосу своей поразительной, не признающей никаких авторитетов интуиции, а исходил из многовековой догмы о неизменности Вселенной. Поэтому он модифицировал уравнения ОТО, введя λ-член. Из этих модифицированных уравнений следовала статичность Вселенной, что вполне соответствовало существовавшим в то время установившимся догмам. Заметим, что введение λ-члена эквивалентно постулированию новых, постоянных в пространстве сил, компенсирующих влияние гравитации. Взаимовлияние сил гравитации и космологических сил, обусловленных λ-членом, компенсировало друг друга, что и обеспечивало статичность Вселенной. Но вскоре после публикации работ Эйнштейна, посвященных ОТО и космологии, произошел крутой поворот космологии.

В начале 20-х годов в труднейших условиях послереволюционного Петрограда горстка энтузиастов, по существу дилетантов в современной им физике, начала изучать ОТО. В эту группу входил и А.А.Фридман — математик и метеоролог.

А.А.Фридман (столетие со дня рождения будет отмечаться в 1988 г.) решал уравнения ОТО без λ-члена и получил удивительный по тем временам результат: Вселенная должна быть нестационарной. Она должна изменять свои размеры со временем.

Необходимо подчеркнуть два аспекта в работе Фридмана. Первый — математический: решение уравнений ОТО, вошедшее теперь во многие учебники по космологии. Второй принципиальный: Фридман в полном противоречии с установившейся традицией положил начало идее нестационарности Вселенной. Нам представляется, что, несмотря на исключительное изящество решения, полученного Фридманом, именно второй аспект (констатация возможности нестационарной Вселенной) имеет непреходящее значение. Математическое решение могли получить другие математики, в частности, выдающиеся математики Д.Гильберт и Г.Вейль, сделавшие очень много для создания ОТО несомненно могли бы получить эти решения. Однако не им, а Фридману выпала честь сказать первое слово о нестационарности Вселенной.

Признание к работам Фридмана пришло не сразу. Вскоре после их публикации Эйнштейн высказал сомнение в правильности решения Фридмана. Однако через очень короткое время великий физик, человек исключительной принципиальности, написал статью, опровергавшую эти сомнения и признающую правильность выводов Фридмана.

Однако на данном этапе дискуссия велась пока на чисто теоретическом уровне и имела, так сказать, академический интерес. Никаких наблюдательных данных, подтверждающих нестационарность Вселенной, не было.

Кардинальный сдвиг в этом пункте наметился в 1929 г., когда американский астроном Э.Хаббл обнаружил красное смещение в спектрах всех наблюденных им галактик. Именно то обстоятельство, что все спектры были смещены в одну и ту же сторону (покраснение) свидетельствовало, что все галактики уходят, разбегаются от нашей Солнечной системы. А это и было доказательством нестационарности Вселенной. Наступила, правда кратковременная, эра торжества модели Фридмана, которому, однако, не пришлось быть ее свидетелем. А.А.Фридман скончался в 1926 г.

Очередной зигзаг космология совершила в 30-х годах, когда выяснилось, что наблюдательные данные количественно не согласуются с предсказаниями модели Фридмана при использовании данных Хаббла. В соответствии с ними время существования Вселенной было (2–3)*10**9 лет, в то время как наблюдения старых звезд свидетельствовали, что их время жизни ~10*10**9 лет. Простое сопоставление приведенных цифр приводило к явной нелепости: звезды существовали дольше, чем Вселенная.

К этому физическому нонсенсу добавились случайные обстоятельства: пара неудачных фраз в основополагающих работах Фридмана, принадлежность одного из основоположников теории нестационарной Вселенной — аббата Ж.Леметра к Ватиканской академии, президентом которой он стал впоследствии, и т. д. В результате теория Фридмана частью ученых была объявлена ересью, занятие которой было не только бесперспективно, но и могло иметь некоторые последствия, поскольку на ней лежала печать фидеизма.

Модель Фридмана недолго подвергалась остракизму. Вскоре после войны данные Хаббла уточнились и основное противоречие было устранено. Оказалось, что по новым данным в рамках модели Фридмана Вселенная существует ~10*10**9 лет. Блестяще подтвердились и другие выводы, которые следовали из модели Фридмана.[15]

К таковым следует отнести существование реликтового излучения, предсказанного в рамках фридмановской модели Г.Гамовым в 1948 г. В соответствии с этим предсказанием во Вселенной должно было существовать микроволновое изотропное излучение с температурой 1-10 K. В 1965 г. американские инженеры-радиоастрономы А.Пензиас и Р.Вильсон обнаружили изотропное излучение с температурой 2.7 K, которое и было названо реликтовым.

Большим успехом Фридмановской космологии явилась количественная интерпретация доли гелия во Вселенной (~25 % по массе).

В середине 60-х годов в Советском союзе на базе фридмановской космологии были выдвинуты идеи объяснения барионной асимметрии Вселенной: существования протонов при отсутствии антипротонов. Эти идеи разрабатывались впоследствии в рамках объединенной теории поля и количественно подтвердились наблюдаемыми данными барионной асимметрии.

Успехи фридмановской космологии привели к очередному крену в научном общественном мнении, когда эта модель была «канонизирована» и многими объявлена истиной в конечной инстанции. Но как раз в этот период (конец 70-х годов) начали подробно выяснять самосогласованность фридмановской теории, и оказалось, что наиболее интересная часть эволюции Вселенной, и в частности первые мгновения, прошедшие после начала ее расширения, очень плохо согласуются с духом и буквой фридмановской модели. Возникла, и вполне закономерно, необходимость в ревизии фридмановской концепции описания «возникновения» Вселенной. К этому же выводу с неизбежностью подводит также и прогресс в теории элементарных частиц и особенно в той ее части, которая касается объединения взаимодействий. Описанию синтеза физики элементарных частиц и космологии будут посвящены разд.6–9 этой главы.

Итак, подводя итоги, можно сказать, что фридмановская модель хорошо описывает эволюцию Вселенной на всем ее протяжении, кроме, пожалуй, первых самых интересных мгновений.

В заключение следует сделать еще одно поучительное замечание. Фридман свои основополагающие работы сделал на основе ОТО. Однако в 1934 г. английские астрофизики Е.Милн и В.Маккри продемонстрировали, что основные методы фридмановской космологии можно получить и в рамках ньютоновской теории тяготения.

Нам вообще кажется, что фактором, определяющим закон эволюции Вселенной, является не динамический закон, а ее геометрия. Динамика расширения следует из геометрических особенностей Вселенной. Изложению этой точки зрения будет посвящен разд.3.

2. НЕКОТОРЫЕ ЗАМЕЧАНИЯ О ТЕРМИНОЛОГИИ

Едва ли в какой-либо еще науке существует бо'льшая путаница в терминологии, чем в космологии. Вероятно, это не случайно. Определение понятия — операция подведения его под более широкое понятие. А что может быть шире понятия «Вселенная»? Именно поэтому авторы серьезных монографий и популярных статей вкладывают в это понятие свое содержание, как правило, не давая себе труда пояснить его. Для дальнейшего попытка определения (или по крайней мере пояснения) основных понятий необходима.