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
Александр Виленкин, директор Института космологии при
Университете Тафтса (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
сингулярности. 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
Большого взрыва. 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
геодезические линии(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
циклических теорий, 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
теория Стейнхардта 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
лямбда-члена (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
Жоржем Эллисом. 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
Гинзбурговской конференции по физике, которая проходила в
ФИАНее 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
теорию Никодема Поплавского, 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
ФИАН-информ.
