Происхождение Вселенной всегда волновало людей

Наука и жизньНаука

Вселенная, пульсирующая в чёрной дыре

Николай Горькавый

Галактики из Квинтета Стефана. Фото: NASA, ESA, CSA, STSc

Ни в одной области науки, кроме космологии, нет такого количества произвольных и заведомо ошибочных теорий, сосуществующих во времени с правильной теорией.
Академик Я. Б. Зельдович

Происхождение Вселенной всегда волновало людей. Диалектик и мизантроп Гераклит Эфесский (VI — V века до н. э.) считал наш мир вечным и пульсирующим: «Этот космос, один и тот же для всех, не создал никто из богов, никто из людей, но он всегда был, есть и будет вечно живой огонь, мерно возгорающийся, мерно угасающий» (в изложении Алекса Климента). Блаженный Августин (354 — 430), наоборот, учил, что божественная воля создала не только Вселенную, но и само время. Гипотеза о недавнем сотворении мира лучше согласуется с религией: вечная Вселенная, работающая как часы, слишком самостоятельна — ей не нужен «никто из богов». Спор о вечности и одноразовости Вселенной продолжается до сих пор...

В 1915 году Альберт Эйнштейн вывел уравнения общей теории относительности, которые описали гравитацию как искривление пространства-времени и стали фундаментом современной космологии. Науки делятся на фундаментальные и прикладные. Например, электродинамика — это фундаментальная наука, описывающая электромагнитное поле посредством уравнений Максвелла. А электротехника — прикладная наука, которая на основе решений этих уравнений создаёт радиоприёмники, телефоны и микроволновки для разогрева пиццы. Теория Эйнштейна и космология соотносятся как электродинамика и электротехника, поэтому только появление фундаментальных уравнений Эйнштейна позволило начать создание конкретных моделей реальной Вселенной.

В 1917 году Эйнштейн построил модель замкнутой Вселенной, для стационарности которой он ввёл в уравнения искусственную антигравитацию — космологическую постоянную. Российский учёный Александр Фридман в знаменитой статье, опубликованной в декабре 1922 года, показал, что решение уравнений Эйнштейна приводит к нестационарной Вселенной, которая может быть как одноразовой, так и периодической. Он даже оценил продолжительность цикла Вселенной: «Будем для периода мира иметь величину порядка 10 миллиардов лет». Работа А. Фридмана, столетний юбилей которой отмечается в декабре 2022 года, стала вехой в развитии космологии. Эти 100 лет прошли в упорной борьбе между сторонниками циклической и одноразовой Вселенной.

Александр Александрович Фридман (1888—1925).

В 1934 году космолог Ричард Толмен выдвинул серьёзное возражение против периодической Вселенной: согласно второму закону термодинамики, она обязана бесконечно накапливать энтропию, то есть не может быть строго периодичной.

Наблюдатель Весто Слайфер ещё в 1912—1914 годах доказал, что галактики движутся в разные стороны с большими скоростями. Но в чём причина такого разбегания? Популярная теория одноразовой Вселенной, выдвинутая Германом Бонди, Томасом Голдом и Фредом Хойлом, предполагала, что космос каким-то образом рождает по одному атому водорода в год в объёме «небоскрёба средних размеров», отчего изначально холодная Вселенная бесконечно расползается, как квашня из миски.

Физик Георгий Гамов в 1946 году выдвинул концепцию Большого взрыва. Он полагал, что в начале своего расширения Вселенная была раскалённым облаком из протонов и фотонов. Когда температура этого расширяющегося плазменного облака упала до трёх тысяч градусов, то его свечение стало красным, а электроны соединились с протонами, образовав атомы водорода. Такое газовое облако оказалось прозрачным для фотонов красного света, и они стали расширяться независимо, уменьшая свою температуру с ростом размера Вселенной. Гамов с соавторами оценил современную температуру этого реликтового электромагнитного излучения всего в несколько кельвинов, что близко к тепловому излучению жидкого гелия.

Георгий Антонович Гамов (1904—1968).

Гамов был сторонником циклической космологии. В книге «Создание Вселенной» (1952) он писал: «Почему наша Вселенная была в таком сильно сжатом состоянии и почему она стала расширяться? Простейший и математически наиболее корректный ответ состоит в том, что Большое сжатие, которое имело место в ранней истории нашей Вселенной, было результатом коллапса, который случился в ещё более раннюю эру, и что нынешнее расширение есть просто “упругий” отскок, который начался, как только максимально возможная плотность была достигнута».

В 1965 году Арно Пензиас и Роберт Вильсон открыли предсказанное Гамовым реликтовое излучение с температурой около трёх кельвинов и в 1978-м получили за это Нобелевскую премию. В астрономии прочно утвердилась концепция горячего Большого взрыва, а циклическая космология стала научным мейнстримом до 80-х годов XX века.

Обсуждалась и модель Вселенной, пульсирующей в чёрной дыре. Айзек Азимов в 1978 году в научно-популярной книге «Коллапсирующая Вселенная» отмечал: «Вполне возможно, что вся Вселенная сама по себе является чёрной дырой (как предположил физик Кип Торн)… Если это так, мы живём в чёрной дыре…»

Грандиозная идея пульсации Вселенной в чёрной дыре изящно соединяла самые эстетичные концепции космологии: в замкнутом стационарном мире Эйнштейна начало биться сердце циклической вселенной Фридмана — Гамова!

Несмотря на успехи космологии периодической Вселенной, она не смогла открыть механизм Большого взрыва и не нашла аргументы против роста энтропии. Циклическая космология не объяснила наблюдаемую однородность Вселенной и не раскрыла природу тёмной материи, которая составляет основную часть массы галактик и заставляет их вращаться быстрее, чем позволяет гравитация звёзд и облаков. Распространилось мнение, что коллапсирующая Вселенная прошлого цикла должна неизбежно сжаться в точку, в сингулярность — и это тоже подрывало доверие к циклической космологии.

Одноразовая квантовая космология

В 1981 году Алан Гус выдвинул одноразовую модель Вселенной, основанную на серии гипотез, например, что Большой взрыв вызван «инфлатоном» — гипотетическим полем антигравитации. Квантовый инфлатон с ускорением расширял крошечную Вселенную (Гус оценивает её размер в 10-54 см), за время от 10-37 до 10-35 сек, увеличивая до метрового размера, а потом исчезал. Колоссальное (на 56 порядков) раздувание сглаживало все флуктуации и объясняло однородность наблюдаемой Вселенной. Надутая до размера большой тыквы, Вселенная далее расширялась уже по инерции, без ускорения. Тёмную материю, составляющую около 90% массы галактик, квантовые космологи объяснили существованием гипотетических слабо взаимодействующих частиц. Инфляционная теория стала популярной, несмотря на базирование на сомнительных фазовых переходах, при которых микроскопическая Вселенная то быстро охлаждалась, то снова нагревалась.

В 1998 году наблюдатели обнаружили современное ускоренное расширение Вселенной, которое хорошо описывается космологической постоянной Эйнштейна. Это открытие стало полной неожиданностью для теоретиков, включая А. Гуса, признавшегося: «Это здорово ошеломило меня» (цитируется по книге: К. Пауэлл «Бог в уравнениях», 2002). Но квантовые космологи быстро оправились и ввели новую сущность: антигравитирующую «тёмную энергию» вакуума. Ускорение Вселенной, казалось, ставит крест на циклической космологии: галактики должны вечно разлетаться в разные стороны, остывать и умирать.

Космологические споры вышли даже за пределы научного сообщества. Классик американской литературы Джон Апдайк (1932—2009) написал рассказ «Ускоряющееся расширение Вселенной», который был опубликован в октябре 2004 года в литературном журнале «Харперс» (Harper’s Magazine), а в апреле 2005 года — в научно-популярном журнале «Физика сегодня» (Physics Today). В рассказе описываются переживания главного героя, который узнал, что Вселенная не циклична и бесконечно разлетается в холодную пустыню: «Вселенная значительно переживёт его — он всегда знал это. Но он каким-то образом полагался на вечность, на её существование, даже если его не приглашали участвовать в ней. Ускоряющееся расширение Вселенной обрекало окружающее пространство на жестокое разобщение и позорную кончину. Вечные гипотетические структуры — Бог, Рай, внутренний нравственный закон — теперь совершенно не имели опоры. Всё растает. Он, не мистик, всегда находил тайное утешение в мысли о вселенском пульсе, чередующемся Большом взрыве и Большом схлопывании, каждый раз переплавляющем материю в невообразимо маленькой печи, в субатомной точке нового начала. Теперь это утешение было у него отнято, и он прочно погрузился в лихорадку отчуждения, едва заметную для окружающих, — депрессию».

Эмоции литературного героя, видимо, отразили негативное отношение Апдайка к одноразовой Вселенной: «Мы летим в никуда верхом на бессмысленном взрыве. Это описывается только невидимой злобной антигравитацией, так называемой Тёмной Силой».

В 2007 году в США запустили телесериал «Теория Большого взрыва» из 279 серий (12 сезонов). Серии начинались песней: «В начале материя была в горячем и уплотнённом состоянии, потом почти четырнадцать миллиардов лет назад началось расширение...»

Пока широкая публика восторженно внимала проповедникам инфляционной космологии, среди специалистов нарастали тревожные сомнения.

Главная проблема квантовой космологии — это прикладная наука, под которой нет фундаментальной теории. Надежды на построение квантовой гравитации, которая бы объяснила инфлатон и тёмную энергию, не оправдались. Расчёты в существующей квантовой теории приводят к антигравитации вакуума на 120 порядков больше наблюдаемого значения (самое плохое теоретическое предсказание в истории физики!). За 40 лет ни одна из гипотез квантовой космологии не была подтверждена. Частицы тёмной материи не получили теоретического обоснования и не найдены в эксперименте, несмотря на многие миллиарды, вложенные в подземные лаборатории и космические обсерватории (многотонная бочка альфаспектрометра для поиска тёмных частиц, установленная на Международной космической станции, одна стоит два миллиарда долларов). Как отмечает физик-теоретик Сабина Хоссенфельдер, «мы создаём гигантское количество новых теорий, и ни одна из них никогда не была подтверждена экспериментально».

Квантовая космология страдает от проблемы начальных значений: для получения современной Вселенной её начальные условия должны быть заданы с точностью 10-79. Если начальные параметры квантовой космологической модели отклоняются на такую величину, то наша Вселенная давно должна или сжаться, или разлететься в холодную пустыню. Это заставило инфляционистов выдумать огромное количество вселенных (фигурируют числа 10500) — для получения хотя бы части миров с приемлемыми условиями для жизни.

Существующая феноменологическая космологическая модель хорошо описывает изотропную и плоскую Вселенную с помощью нескольких параметров, не конкретизируя, имеют ли они квантовую или классическую природу. Главным параметром является постоянная Хаббла — она не должна зависеть от расстояния, на котором её измеряют.

Группа нобелевского лауреата Адама Рисса недавно открыла зависимость постоянной Хаббла от расстояния. Изучение кластеров галактик показывало, что эта постоянная ещё и анизотропна, меняясь на 15% в зависимости от направления наблюдений. Обнаружен целый ряд других анизотропных космологических феноменов, которые выстраиваются вокруг некоторой оси во Вселенной (космологи называют её «дьявольская ось»). Ряд специалистов делают вывод о кризисе современной космологии, которая предполагает однородную и изотропную Вселенную. Данные новейшего космологического спутника «Планк» указывают на кривизну пространства, соответствующую замкнутой Вселенной, что противоречит инфляционной теории, настаивающей на плоской и разомкнутой Вселенной.

Авторизуйтесь, чтобы продолжить чтение. Это быстро и бесплатно.

Регистрируясь, я принимаю условия использования

Рекомендуемые статьи

«Инопланетянин» с болота Целау «Инопланетянин» с болота Целау

Каждая капля воды населена своими специфическими существами

Наука и жизнь
Открытая акустика Открытая акустика

Игорь Яковенко — об иллюзорности границ между техническим и творческим

Seasons of life
21 год сражений 21 год сражений

Северная война полностью изменила географию Балтийского региона

Дилетант
Салават Салават

Стилист Виктория Чураева запустила собственный бренд The Sxslvt

Собака.ru
«Не допрос, а исповедь» «Не допрос, а исповедь»

Кульминация операции в отношении «антисоветской интеллигенции»

Дилетант
Где драма, Мег: что мы узнали из второй части документального фильма о принце Гарри и Меган Маркл Где драма, Мег: что мы узнали из второй части документального фильма о принце Гарри и Меган Маркл

Что прояснилось в истории принца Гарри и Меган после документального фильма?

Правила жизни
Дальше ехать некуда Дальше ехать некуда

На противоположной стороне планеты живут 45 человек и птица уэка

Вокруг света
Коротко: почему банки США закрывают отделения с банковскими ячейками Коротко: почему банки США закрывают отделения с банковскими ячейками

Почему банки с ячейками иногда работают в убыток?

VC.RU
Цикличность большого взрыва Цикличность большого взрыва

Каков физический механизм Большого взрыва?

Наука и жизнь
Все песни только про зайцев: краткий путеводитель по кроликам и зайцам в культуре Все песни только про зайцев: краткий путеводитель по кроликам и зайцам в культуре

Как Кролик представлен в мировой культуре?

Правила жизни
11 способов становиться немного умнее каждый день 11 способов становиться немного умнее каждый день

Интеллект, как и тело, требует правильного питания и регулярных тренировок

Psychologies
Снеживиночка и внучка Деда Мороза: что мы знаем о главном женском зимнем персонаже Снеживиночка и внучка Деда Мороза: что мы знаем о главном женском зимнем персонаже

Forbes Woman рассказывает о снегурочке и о других женских зимних персонажах

Forbes
Усечённое древо Усечённое древо

Для династии Птолемеев браки между братьями и сёстрами были обычным делом

Дилетант
Прекрасные и опасные: главные женщины Гая Ричи Прекрасные и опасные: главные женщины Гая Ричи

Холодные и притягательные — женщины фильмов Гая Ричи

VOICE
Боги, люди и поганки Боги, люди и поганки

Грибы занимают уникальное место не только в биосфере, но и в истории цивилизации

Вокруг света
Последнее слово за вами: как и зачем обсуждать свое завещание Последнее слово за вами: как и зачем обсуждать свое завещание

Почему стоит обсуждать с детьми тему завещания?

Psychologies
Плутон. В долине гранатовых «льдов» Плутон. В долине гранатовых «льдов»

Что могли бы увидеть земляне, оказавшись посреди гладких льдов Плутона?

Наука и жизнь
Когда можно бросить начатое: 5 ситуаций — мнение психотерапевта Когда можно бросить начатое: 5 ситуаций — мнение психотерапевта

Пять примеров, когда бросить начатое не только возможно, но и необходимо

Psychologies
Лицензии и другие сюрпризы: как вести бизнес в Объединенных Арабских Эмиратах Лицензии и другие сюрпризы: как вести бизнес в Объединенных Арабских Эмиратах

В Эмиратах есть важные нюансы, которые стоит знать при постройке бизнеса

Forbes
Звуковая диагностика Звуковая диагностика

В «Норникеле» научились определять неполадки на слух

ТехИнсайдер
ТОП-9 долгожителей Земли. Некоторые из них могут жить вечно! ТОП-9 долгожителей Земли. Некоторые из них могут жить вечно!

Эти существа могут быть почти бессмертными

ТехИнсайдер
Как пережить череду новогодних вечеринок без потерь для внешности Как пережить череду новогодних вечеринок без потерь для внешности

Как не "потерять" лицо в череде новогодних вечеринок?

VOICE
Швейцарские ученые: слишком сильная мотивация мешает принимать рациональные решения Швейцарские ученые: слишком сильная мотивация мешает принимать рациональные решения

Точное влияние мотивации на мозг до сих пор неизвестно

Inc.
Как с помощью архетипа узнать свою суперсилу и найти идеальную работу Как с помощью архетипа узнать свою суперсилу и найти идеальную работу

Что отличает архетипы друг от друга и какая деятельность подойдет каждому из них

Psychologies
Самый полезный продукт в быту: 9 гениальных применений жидкости для мытья посуды Самый полезный продукт в быту: 9 гениальных применений жидкости для мытья посуды

Вы и не догадывались, что этот продукт способен отмыть практически все в доме

ТехИнсайдер
Что делать, если у вас обнаружили ВИЧ: руководство по лечению Что делать, если у вас обнаружили ВИЧ: руководство по лечению

ВИЧ: где можно сдать тест? Как проходит лечение? Какие симптомы у заболевания?

Psychologies
Христианство, ислам, иудаизм, буддизм: как религия помогает пережить кризис — 4 мнения о вере, человеке и смысле Христианство, ислам, иудаизм, буддизм: как религия помогает пережить кризис — 4 мнения о вере, человеке и смысле

Как вера может помочь нам сегодня?

Psychologies
Все и стразы Все и стразы

Надежда Калеганова и Виктория Клинкова рассказали о своих нулевых

Grazia
Знакомство с родителями Знакомство с родителями

Как зарабатывают и чем владеют родственники нового британского премьера

Деньги
«Терпеть — это не ваша должностная обязанность» «Терпеть — это не ваша должностная обязанность»

Как выйти из токсичных трудовых отношений (и не потерять работу)

Inc.
Открыть в приложении