Согласно доминирующей сегодня модели происхождения Вселенной, она появилась около 14 млрд лет назад в результате Большого взрыва. Но есть и сценарии, по которым наша Вселенная представляется вечной, то есть момента рождения у неё просто не было. Другие утверждают, что Вселенная когда-то образовалась, но было это не миллиарды, а триллионы или даже квадриллионы лет назад.
Профессор , директор Института космологии при (США), проанализировал существующие сценарии вечной Вселенной и доказал, что все они противоречивы.
| В любых моделях бесконечной Вселенной как минимум одна геодезическая линия не может быть продолжена бесконечно далеко назад в прошлое. Значит, Вселенная не может быть вечной. (Иллюстрация ФИАН-информ.) |
В последнее десятилетие из-за ряда трудностей в существующей теории развития Вселенной часто появляются альтернативные сценарии развития, с которыми мы стараемся знакомить вас по мере сил и возможностей. Подпитывает их многое. Одним из самых сложных моментов общепринятой модели является то, что Вселенная в момент Большого взрыва должна была представлять собой не комок вещества определённых размеров, а лишённую каких бы то ни было размеров нульмерную точку, так называемую точку . Соответственно, в этой точке плотность материи и энергии должна была достигать бесконечности, равно как и температура, что в физическом смысле очень и очень сложно представить. Плотность и температура не могут быть одновременно бесконечными, так как при бесконечной плотности мера хаоса стремится к нулю, что никак не совместимо с бесконечной температурой.
Ещё сложнее понять причины . Попытки списания их на квантовые флуктуации и прочее тоже пока не слишком гладки.
Среди альтернативных мейнстримных гипотез часто выплывают теории «вечной Вселенной». По ним, у Вселенной не было начала — а значит, проблемы объяснения Большого взрыва там решаются проще. Тем не менее большие теоретические трудности есть не только у такого рода построений: альтернативы тоже грешат нестыковками.
Согласно одному из таких сценариев, Вселенная представляется вечной и в среднем постоянно расширяющейся. Скорость расширения может меняться от одной области к другой, при этом могут наблюдаться даже периоды сжатия. Но сжатие всегда компенсируется последующим расширением так, что объём Вселенной в среднем увеличивается. При этих условиях, построив (то есть проделав обратную экстраполяцию каждой точки по времени назад), можно доказать, что как минимум одна геодезическая линия не может быть продолжена бесконечно далеко в прошлое. Напомним, что геодезическая линия — это обобщение понятия «прямая» в искривлённых пространствах, в данном случае в трёхмерном. А для утверждения того факта, что Вселенная существовала не всегда, такая невозможность продолжить в прошлое все «прямые» уже достаточна.
Второй сценарий вечного существования Вселенной — это периодическое сжатие и расширение. Это целая группа так называемых , по которым Вселенная живёт и расширяется, после чего сжимается до некоторого минимального объёма и опять расширяется. Камнем преткновения таких теорий стал второй закон термодинамики, согласно которому энтропия может только возрастать. А значит, предыдущие циклы были бы намного короче и вещество в них было бы намного горячее, чем в момент последнего Большого взрыва, что маловероятно. Энтропия (мера беспорядка системы) должна всегда расти. И если мы возьмём Вселенную, раздуем её, а потом схлопнем, то во второй раз мера беспорядка Вселенной будет значительно выше, чем до схлопывания. Так же происходит и со стеклянным стаканом, который падает и разбивается. До падения он представляет собой цельную конструкцию, а после него — набор осколков. Даже если собрать их в кучу, стаканом они не станут.
Кроме того, эволюция такой системы шла бы, сами понимаете, в каком направлении. «Энтропия растёт во времени, — замечает профессор Виленкин, — и если бесконечно долго подождать, то система придёт к термодинамическому равновесию. А это означает, что никаких галактик и прочих наблюдаемых вещей не окажется: грубо говоря, все разобьётся».
Едва ли не единственный аргумент против такого сценария заключается в том, что наблюдаемая энтропия — это не энтропия в чистом виде, а её показатель на единицу объёма. Эта удельная энтропия может остаться невозрастающей или даже убывающей, если на каждом цикле размер Вселенной будет увеличиваться. И сформировать звёзды и галактики тогда можно. Но тогда Вселенная будет в среднем расширяться, однако, исходя из выводов первого сценария, мы уже знаем, что такая Вселенная вечной быть не может.
| По словам г-на Виленкина, Вселенную правильнее представлять так: внизу колокола находится точка сингулярности; по мере расширения Вселенной колокол расширяется, но ниже его основания ничего нет: ни пространства, ни времени. (Илл. А. Виленкина.) |
Тут, правда, есть нюанс, а именно и Тюрока. Она не является теорией вечно существующей Вселенной в чистом виде, но также отрицает Большой взрыв как «день рождения» всего сущего. По ней, у мироздания может быть начало, но оно было невероятно давно. Тёмная энергия — это единое энергетическое поле, пронизывающее всю Вселенную, в основном заполненную вакуумом. Плотность энергии вакуума на более ранних этапах эволюции Вселенной была намного выше, чем сейчас, а затем упала до наблюдаемых экспериментально значений. Процесс уменьшения плотности вакуума происходил не постепенно, а скачками, причём каждый новый скачок занимал больше времени, чем предшествующий. Для достижения текущего значения плотности вакуума требуется время, намного превосходящее 13,5 млрд лет, прошедших с момента Большого взрыва. Стейнхардт и Тюрок воспользовались идеей о постепенно снижающейся плотности вакуума, так как она отлично укладывалась в их модель длинных циклов развития Вселенной, каждый из которых занимает один триллион лет. В далёком прошлом, сотни, если не тысячи циклов назад, величина (плотность вакуума, космологическая постоянная) была очень большой. Тогда, сотни триллионов лет назад (или более), не могли возникнуть условия для появления сколько-нибудь значимых неоднородностей (скоплений вещества типа звёзд и галактик): Вселенная была безжизненным пространством с рассеянным по нему очень редким веществом.
Недавно, несколько циклов или триллионов лет назад, снижение плотности вакуума дошло до таких значений, когда у обычного вещества появилась возможность превратиться в те крупномасштабные космические неоднородности (галактики, звёзды), которые и характеризуют нашу Вселенной с очень маленьким значением лямбда-члена (космологической постоянной). Так они решают проблему разрыва между наблюдаемой и теоретически верной плотностью вакуума.
Эту теорию тоже трудно назвать безупречной: очень много «пиротехнических эффектов»; это, по сути, новая телеология, только вместо учения о целесообразности наблюдаемого бытия, апеллирующего к разумной творческой воле Бога, нам предлагают «удревнить» историю Вселенной в тысячи (и более) раз, только чтобы плотность вакуума совпала с наблюдаемой. Самое главное, по Полу Стейнхардту, — начало очередного цикла сжатия-расширения Вселенной вызывается циклическим столкновением нашей Вселенной с параллельной. Совершенно непонятно, почему Стейнхардт и Тюрок постулируют параллельность этих двух изначальных вселенных друг другу. Из чего вытекает эта исходная посылка? Как видим, проблему «первоначального устройства» решить не удалось и здесь.
Итак, постоянно расширяющейся вечной Вселенной быть не может, сценарии как с циклически сжимающейся-разжимающейся, так и сжимающейся-разжимающейся с ростом объёма Вселенной тоже не работают.
Как отмечает Александр Виленкин, эти сценарии противоречивы в первую очередь потому, что невозможно провести через расширяющуюся в среднем Вселенную геодезическую линию. Значит, нужно придумать такой вариант, согласно которому теорему можно обойти.
«Такой сценарий, — отмечает учёный, — был недавно предложен космологом . Альтернативная вечная Вселенная могла сначала, в течение бесконечно долгого времени, быть статичной, а расширяется она только последние 14 млрд лет. То есть в среднем такая Вселенная не расширяется».
Однако и на этот сценарий находится опровержение. Это далеко не тривиальное заключение, но можно доказать, что стационарная Вселенная оказывается неустойчивой по отношению к квантовым эффектам, и вероятность коллапса до сингулярного состояния отлична от нуля. Попросту говоря, любая статичная вселенная рано или поздно в силу случайной квантовой флуктуации схлопнется. За бесконечно долгое время она должна была схлопнуться обязательно. Вроде бы, как мы видим на примере нашей Вселенной, этого не произошло.
О доказательствах противоречивости сценариев вечной Вселенной профессор Виленкин рассказал во время , которая проходила в е с 28 мая по 2 июня 2012 года.
Отметим, что вышеперечисленные доказательства относятся только к тем случаям, когда наша Вселенная действительно является вечной и более или менее замкнутой системой. Поэтому отдельных теорий, постулирующих, что возраст всего сущего больше, но не бесконечен, эти доводы не касаются. То же относится к гипотезам, исходящим из того, что наша Вселенная не является замкнутой системой. Вспомним хотя бы , согласно которой мы все находимся внутри чёрной дыры в «прародительской Вселенной». Там возраст материи, из которой состоит наша Вселенная, может быть больше 13,5 млрд лет. Ведь в такую ЧД проваливалась бы материя из исходной Вселенной, постоянно подпитывая энергией и веществом нашу, а возраст этой самой исходной Вселенной нам неизвестен. Теория Поплавского, по сути, не относится к теориям вечной Вселенной: мы никогда не увидим прародительскую Вселенную, поэтому вечна ли она, велик ли её возраст или нет, нам никогда не узнать.
В общем, в лагере альтернативных Большому взрыву теорий «вечной Вселенной» непротиворечивой модели пока нет. И не будет?
Подготовлено по материалам . | Текст: Александр Березин
Комментариев нет:
Отправить комментарий