Приветствую в третьей статье серии о ТБВ! Между первой и второй, как водится, прошло немного времени, а вот между второй и третьей образовался весьма значительный перерыв, так что напомню, о чём вообще речь.
В первой статье мы говорили об устройстве, составе и даже форме Вселенной, а затем сформулировали основные проблемы в описывающих её современных моделях. Проблем две, но зато какие!
Проблема квантовой пены
Квантовая механика предсказывает существенные флуктуации пространства на малом масштабе, а в общей теория относительности пространство гладкое на всех масштабахПроблема тонкой настройки Вселенной
Кроме основных законов природы у Вселенной имеется «конфигурация», фундаментальные константы, значения которых не предсказываются теориями. Это подводит нас довольно близко к высшему замыслу!
Во второй статье мы в общих чертах рассмотрели путь, который прошла человеческая вера, философия и наука — от первых представлений об устройстве мира до идей о Большом взрыве и космологической эволюции. Затем обсудили наблюдения, подтвердившие Теорию Большого Взрыва, и сформулировали её основные проблемы (но не все!). Они не такие масштабные, как в первой статье, но зато их больше:
Физика не умеет описывать сингулярности
Неясен источник энергии для Большого взрыва
Вселенная слишком плоская
Микроволновой фон слишком однородный
Однако, рассмотрев эволюцию идей, приведших науку к Большому Взрыву, мы практически не коснулись эволюции самой Вселенной в соответствии с ТБВ. Кроме того, на данный момент у нас одни нерешённые проблемы и неотвеченные вопросы. Самое время с ними разобраться.
Предлагаю погрузиться в далёкое прошлое нашей Вселенной и пройти вместе с ней весь путь от её начала до конца современного состояния в соответствии с классической ТБВ. По дороге последовательно сформулируем все её проблемы и вопросы.
А потом возьмём и решим их все! Что может пойти не так?
Ну-ка, поглядим, как тут Вселенные делают?
Непонятно что непойми откуда
Итак, у Вселенной было начало. И сам по себе этот факт сразу же ставит перед нами вопрос: откуда взялась та колоссальная энергия, которая составляет наполнение нашей Вселенной? Да ещё и со «взрывом»!
Когда-то давно я встречал такой ответ на этот вопрос: «Вселенная – это большая квантовая флуктуация, которая в любой момент может просто исчезнуть». Подобное объяснение мне сразу показалось неправдоподобным, хотя бы потому что для флуктуации такого масштаба Вселенная существует уже неприлично долго. Значит, либо нарушаются принцип сохранения энергии, который считается одним из нерушимых столпов науки, либо эта энергия в каком-то виде существовала «до» Большого взрыва, либо…
Делаем первую запись в списке проблем ТБВ:
Откуда взялась энергия для Большого Взрыва?
Вернёмся к началу Вселенной. В один прекрасный момент времени (тот самый, с которого и началось само время) неизвестно откуда возникла изначальная (космологическая) сингулярность, точка с бесконечной плотностью энергии и кривизной пространства. Как мы знаем, физика не готова иметь дело с сингулярностями! Считается, что если теория порождает “голую” сингулярность – значит, в ней есть изъян. Вспоминаем о космической цензуре. Так что быстро получаем ещё одну проблему в наш список:
Наличие сингулярности – слабое место теории
Вселенная пребывала в этом «невозможном» состоянии очень недолго, сразу после своего неописуемого возникновения начала расширяться и практически мгновенно приобрела крайне малый, но всё же конечный объём.
Хочу задержаться на легкомысленном выражении «практически мгновенно». Под ним скрывается период в 10-43 секунды – это самый ранний момент после возникновения Вселенной, с которого её эволюция поддаётся теоретическому описанию. Он называется Планковская эпоха.
А сам отрезок времени называется планковское время и его невозможно себе представить. Его даже сравнить не с чем: самые быстрые процессы, зафиксированные современной прикладной наукой, заканчиваются не быстрее, чем за 10-21 секунды. Самое время вспомнить про ловушки сознания, которые я упоминал в первой статье. Эти отрезки времени (10-43 и 10-21 секунды) отличаются на двадцать два порядка! В тысячу миллиардов миллиардов раз, а не где-то там раза в два.
Должен отметить, что эти отрезки времени объединяет ещё и то, что ни тот, ни другой мы в принципе неспособны воспринять и уж тем более осознать. Самые быстрые процессы, которые мы можем воспринять, занимают единицы или десятки миллисекунд (10-2 секунды), а осознаём мы ещё более медленные события – сотни миллисекунд (10-1 секунды).
Нетрудно подсчитать, что свет за планковское время проходит примерно 10-35 метра. Это расстояние тоже не поддаётся нашему воображению, а называется оно, как нетрудно догадаться, планковской длиной. Вместе с планковским временем они входят в систему планковских единиц, которые также называют “естественными единицами”, так как они естественным образом вытекают из фундаментальных констант Вселенной, к которым мы вернёмся позже.
Из слишком плотного к слишком плоскому
Вернёмся к нашей новенькой Вселенной. Она быстро расширяется, её размер стал измеримым. Но я не берусь давать ему оценку, и дело не только в недостатке данных: мне кажется довольно опрометчивой попытка применить наши человеческие единицы измерения к тому клубку яростно бушующей энергии в пространстве неимоверной кривизны, в котором ещё не могут существовать никакие частицы, а от единого взаимодействия Великого Объединения только-только успела отвалиться гравитация. К последнему тезису мы ещё к ней вернёмся в этой статье, это очень интересная тема.
В этом шторме энергии события поначалу происходили весьма интенсивно, за кратчайшие доли секунды происходили фундаментальные изменения. Но чем больше становилась Вселенная, тем сильнее падала её плотность – и вместе с плотностью снижалась драматичность изменений. Считается, что к исходу первых трёх минут существования Вселенной в ней уже были четыре взаимодействия вместо одного, произошла аннигиляция всей антиматерии и появились все основные частицы, как элементарные, так и некоторые составные (не только протоны и нейтроны, но и, например, ядра гелия). На эту тему рекомендую замечательную книгу Стивена Вайнберга “Первые три минуты”. Несмотря на солидный возраст, она вполне актуальна.
После трёх минут темп происходящего сильно снижается. И одно из важнейших событий в эволюции Вселенной, которое определило саму возможность появления ТБВ, случилось только через 300 000 лет после Большого взрыва.
На этом этапе Вселенная стала настолько холодной, что свободные электроны начали объединяться с ядрами, формируя нейтральные атомы. И это привело к тому, что Вселенная стала прозрачной! До этого свет постоянно рассеивался на заряженных частицах, заполнявших пространство. Но теперь фотоны получили возможность путешествовать по Вселенной практически беспрепятственно, и немалое количество этих самых фотонов, которым уже 13,5 миллиарда лет, добралось до нас. За прошедшее время энергия излучения сильно упала, короткие волны «растянулись» вместе с пространством и превратились в микроволны, которые мы наблюдаем как реликтовое излучение с поверхности последнего рассеяния. Они и являются основным и неопровержимым доказательством того, что Вселенная когда-то пребывала в точно предсказанном плотном и горячем состоянии Большого взрыва.
Дальнейшая эволюция шла совсем уж неспешно. Вселенная продолжает расширяться, из газовых облаков медленно формируются первичные протозвёзды, запускается углеродный цикл синтеза, образуются протогалактики. Взрываются первые сверхновые, дополняя лёгкие химические элементы тяжёлыми. Появляются все те атомы, из которых сейчас состоим и мы сами, и всё, что нас окружает.
Вселенная становится плоской и однородной. И почти пустой.
В самом начале кривизна Вселенной была бесконечной (по крайней мере, очень большой). Но даже бесконечная кривизна может быть положительной или отрицательной. И когда наша тогда ещё совсем новенькая Вселенная начала расширяться – то, в соответствии с законами термодинамики, она уменьшала абсолютную кривизну пространства, делая его более плоским. И на первый взгляд, это вполне согласуется с тем, что сейчас пространство нашей Вселенной практически плоское.
Но не совсем! Проблема в том, что за время, прошедшее с начала Вселенной, кривизна пространства не должна была уменьшиться насколько сильно.Пространство должно быть существенно менее плоским, чем мы наблюдаем сейчас! Так что пополняем наш список:
Вселенная слишком плоская
Но эта проблема идёт в паре с другой. После того, как эйфория от открытия микроволнового фона немного ослабла, оказалось, что этот фон абсолютно одинаковый в любом направлении. Казалось бы, так и должно быть! Ведь этот фон остался от излучения, которое было везде во Вселенной. И это так, однако измерения показали, что он слишком одинаковый, равномерный. При расширении Вселенной в пространстве существуют области, которые удаляются друг от друга быстрее скорости света. Это явление не не нарушает никакие законы, так как это расширение не является движением материи относительно пространства! Более того оно приводит к тому, что из-за случайных колебаний плотности энергии в причинно несвязанных областях наблюдаемая в них температура микроволнового фона должна заметно колебаться, так как такие флуктуации должны были повлиять на степень растяжения волн.
Но этого не произошло, как будто все области Вселенной всё время могли обмениваться энергией и выровнять эти флуктуации. Наш список снова пополняется:
Микроволновой фон слишком однородный
При этом, несмотря на излишнюю изотропность и однородность, во Вселенной присутствуют необъяснимые неоднородности! Тот же микроволновой фон, хоть и однородный – но всё же в нём присутствуют флуктуации. И само вещество Вселенной, скопления галактик и туманностей, формируют крупномасштабную структуру, которую не получается объяснить в модели ТБВ!
Крупномасштабная структура Вселенной необъяснима
Эту проблему я не упоминал в предыдущих статьях, но решил включить в эту. Во-первых, это действительно важный изъян в ТБВ. А во-вторых, она решается одним и тем же приёмом, что и несколько других.
Ты расширяешься слишком быстро!
Знаменитое наблюдение красного смещения галактик, сделанное в начале 20 века, указало на расширение Вселенной. Долгое время характер этого расширения был неясен – основными гипотезами были, что оно происходит с неизменной скоростью или замедляется. Особенно была популярна модель циклической Вселенной, в соответствии с которой Вселенная бесконечно «пульсирует», то расширяясь, то сжимаясь обратно и порождая новый Большой Взрыв.
Но наблюдения становились всё точнее и к концу 90-х годов 20-го века стало ясно, что Вселенная расширяется с ускорением. Причина этого ускорения была совершенно непонятна и её для ясности назвали «тёмной энергией» – в гармонии с уже имевшейся тёмной материей. Записываем!
Неизвестна причина ускоренного расширения Вселенной
Проверьте ваши настройки
И вот, когда с момента возникновения Вселенной прошло примерно 13,8 миллиарда лет, в ней наконец возникает венец творения – рюмка коньяка с ломтиком лимона человек!
Венец творения я ввернул сюда только ради отсылки, но тем не менее, Вселенная устроена именно так, что в ней возможно появление жизни и возникновение разума, который теперь неустанно бьётся над загадками мироздания.
Мы уже обсуждали это в первой статье, так что повторю кратко: Вселенная обладает рядом «параметров», конкретные значения которых не следуют из известных моделей и выглядят случайными. Однако только тот набор значений, который мы наблюдаем, делает возможным существование не только жизни, но даже и самой материи, звёзд и планет.
Напомню, что это явление называется проблема тонкой настройки Вселенной, и оно тесно связано с понятием «антропный принцип». Ни ТБВ, ни Стандартная модель, ни другие успешные и проверенные теории не объясняют тонкую настройку. Записываем последний пункт в наш список
Вселенная тонко настроена на появление человечества
И это – последняя из проблем ТБВ, которые я хотел сформулировать в этой статье.
Вот список, который у нас в итоге получился:
Откуда взялась энергия для Большого Взрыва?
Наличие сингулярности – слабое место теории
Неизвестна причина ускоренного расширения Вселенной
Вселенная слишком плоская
Микроволновой фон слишком однородный
Крупномасштабная структура Вселенной необъяснима
Вселенная тонко настроена на появление человечества
Проблемы разнообразные, и между ними даже есть противоречия. Микроволновой фон слишком однородный, но Вселенная при этом имеет упорядоченность на большом масштабе – как-то сложновато исправить и то и другое одновременно, да?
Здесь же я заканчиваю и саму статью. В какой-то момент материала стало так много, что мне показалось разумным разделить его на 2 части. Так что ответы на вопросы и решения проблем будут в ещё одной статье! На этот раз она уже тоже готова, так что её публикация не задержится. По крайней мере, не так сильно, как эта.
Больше статей для бога статей!
