Революции в науке часто происходят в процессе исследования, казалось бы, неразрешимых парадоксов. Фокусировка на них и, в конечном итоге, нахождение решения — это именно то, что привело нас ко многим важным прорывам.
Любопытно будет перечислить те из парадоксов, которые связаны с современными представлениями о космологии. Вполне возможно, что их решение приведет к прорыву и выработке представлений о строении Вселенной следующего поколения.
Юрий Барышев из Санкт-Петербургского Государственного Университета работает как раз над вопросами современной космологии. Результат его работы — список парадоксов, основанный на хорошо известных идеях и наблюдениях о происхождении Вселенной.
Возможно, самый драматичный и, в тоже время, самый важный для космологии парадокс связан с одним из величайших достижений этой науки – утверждением о том, что Вселенная расширяется.
И основан он на следующих наблюдениях.
Мы знаем, что другие галактики удаляются от нас. Доказательством данного факта является то, что свет от этих галактик имеет красное смещение, и чем больше расстояние — тем оно сильнее.
Астрофизики интерпретируют этот факт как свидетельство того, что более далекие галактики удаляются от нас с большей скоростью. Более того, последние данные говорят о том, что скорость расширения увеличивается.
Что на самом деле интересно, так это то, что для подобного расширения должны быть созданы соответствующие условия — пространство и вакуум. Но как это происходит, нам до сих пор не понятно. Создание пространства еще не описано в космологии, это новое явление, существование которого не было подтверждено нами в лабораторных условиях.
Ко всему прочему, в заданном объеме вселенной может существовать только соответствующий ему объем энергии. Если мы наблюдаем увеличение размера Вселенной, то и общее количество энергии, соответствующее ему, тоже должно возрасти. Но если обратиться к физике, то Закон Сохранения Энергии гласит: энергия не может появиться из ниоткуда и исчезнуть в никуда.
Британский космолог, Тед Харрисон комментирует это следующим образом: «Подводя итоги, нравится нам это или нет, становится очевидно: энергия во вселенной не сохраняется».
Данная проблема хорошо известна специалистам по исследованию космоса, но если спросить их об этом прямо, они будут только переминаться с ноги на ногу и молча уткнутся взглядом в пол. Очевидно, что любой теоретик, который сможет решить данную проблему, обеспечит себе светлое научное будущее в космологии.
Природа энергии, связанной с вакуумом все еще остается загадкой. Данное явление называют по-разному: или энергией нулевых колебаний, или Планковской вакуумной энергией. Квантовые физики потратили достаточно времени в попытках вычислить ее.
Результаты их работы показывают, что плотность энергии вакуума огромна, порядка 1094 г/см3. Так как энергия эквивалентна массе, она должна оказывать гравитационное воздействие на Вселенную.
Космологи искали этот гравитационный эффект (космологическую постоянную) и рассчитали его значение исходя из своих наблюдений. Согласно расчетам, плотность энергии вакуума (в широких массах более известная как «Тёмная энергия») составляет около 10-29 г/см3.
Полученные учеными цифры трудно совместить, так как их значения отличаются на 120 порядков. По какой причине возникает данное противоречие никто объяснить не может, что крайне смущает всех до единого космологов.
В космологии есть еще одна загадка — красное смещение, упомянутое выше. Физики приписывают это явление эффекту Доплера, сравнивая его с изменением высоты звука полицейской сирены, когда машина проезжает мимо.
Эффект Доплера возникает из-за относительного перемещения объектов. Но в нашем случае космологическое красное смещение отличается тем, что по мнению космологов движется само пространство в ходе расширения вселенной, а галактики остаются в нем неподвижны.
Поэтому для описания такого расширения также используется иной математический аппарат, не в последнюю очередь из-за того, что в обычной физике относительная скорость всегда должна быть меньше скорости света. А вот скорость расширения самого пространства может оказаться какой угодно.
Что интересно — природа космологического красного смещения открывает нам возможность непосредственных измерений уже в ближайшие годы. Идея таких измерений заключается в том, что красное смещение очень удалённых объектов должно увеличиваться по мере удаления. Для далёкого квазара это изменение может составлять порядка одного сантиметра в секунду за год. Такое изменение уже можно будет наблюдать с помощью крупнейших телескопов следующего поколения.
И напоследок упомянем еще один парадокс. Он берет начало в одном из допущений Общей Теории Относительности Эйнштейна о том, что если наблюдать вселенную с достаточного удаления, то она должна быть одинакова во всех направлениях.
Понятно, что предположение об однородности не применимо на локальном уровне.Наша Галактика — часть Локальной группы галактик, а та, в свою очередь — часть ещё большего сверхскопления.
Подобное устройство предполагает фрактальность структуры Вселенной, т.е. Вселенная состоит из кластеров вне зависимости от точки ее наблюдения.
Проблема в том, что это противоречит одной из основных идей космологии — Закону Хаббла, наблюдению, что красное смещение объекта линейно пропорционально при его удалении от Земли.
Закон Хаббла глубоко интегрирован в структуру современной космологии. На данный момент он является наиболее распространенной теорией и гласит, что расширение Вселенной имеет линейный характер. И все хорошо, если Вселенная является однородной и, как следствие, линейной при больших масштабах.
Но результаты наблюдений противоречивы. Астрофизики измерили линейность согласно Закона Хаббла на расстоянии в несколько сотен мегапарсек. А наличие скоплений в этих же масштабах говорит о том, что Вселенная неоднородна.
Так что аргументы в пользу того, что линейная зависимость в законе Хаббла обусловлена однородностью Вселенной (или наоборот) не выдерживают критики. И современным космологам опять становится неловко из-за этого провала.
Иногда трудно удержаться от соблазна утверждать, что космологическая картина мира в целом почти завершена, что модель Большого Взрыва и всё, что из неё следует, верно описывает всё, что мы видим вокруг. Как бы не так! Космологам лишь удалось временно залатать дыры в своих теориях. Такой «успех» — не более чем иллюзия.
Но так и должно быть. Если ученые действительно начинают думать, что приблизились к полному и окончательному описанию реальности, то простой список парадоксов может оказать им огромную услугу и вернуть с небес на землю.
