«Наше знание похоже на шар: чем больше он становится, тем более у него
точек соприкосновения с неизвестным» (Герберт Спенсер).
«Так же, как увеличивается остров наших знаний, растет и наше невежество
(Джон Уилер).
Согласно стандартной космологической модели, наблюдаемая нами Вселенная возникла из некой
микроскопической точки, так называемой сингулярности (сверхплотного и сверхгорячего состояния вещества), в результате ее
сверхбыстрого расширения, случившегося по неизвестной причине. Начальный момент этого расширения получил образное название
– Большой взрыв. И с этой метафорой нельзя не согласиться, поскольку «взрыв», произошедший как минимум почти четырнадцать
миллиардов лет назад, оказался настолько сильным, что стремительное расширение нашей Вселенной до сих пор продолжается,
да еще и с ускорением, и конца этому ускоряющемуся расширению пока не видно. Однако далеко не все ученые согласны с этой версией
рождения Вселенной. Например, астрофизик Ниайеш Афшорди весьма скептически относится к гипотезе о начальной сингулярности
и полагает, что вначале Вселенная представляла собой четырехмерную черную дыру. «Всё, что физики знают о сингулярности, –
это то, что оттуда могут вылетать драконы», – с иронией констатировал ученый. И действительно, общепринятая космологическая
модель – модель горячего большого взрыва – описывает эволюцию Вселенной с момента начала ее расширения, но не говорит ничего
существенного о предшествовавшем ему нулевом состоянии. Потому что в рамках этой модели сингулярность не поддается математическому
описанию. Что можно сказать о ноле? Описание ноля – это нонсенс для математики. Астроном Бернард Ловелл так выразился о проблеме
сингулярности: «В попытке физически описать исходное состояние Вселенной мы натыкаемся на препятствие. Вопрос в том, является
ли это препятствие преодолимым. Может быть, все наши попытки научно описать исходное состояние Вселенной заранее обречены
на неудачу? Этот вопрос, а также концептуальные трудности, связанные с описанием сингулярной точки в исходный момент времени,
являются одной из основных проблем современной научной мысли».
Современная физика не знает, как и почему случился «большой взрыв» и что было до него. Собственно,
в рамках теории большого взрыва эти вопросы считаются неуместными. Если время возникло вместе с «большим взрывом» (а это
нисколько не противоречит теории относительности), то до начала расширения не существовало никаких «до», «после» или «сейчас».
Для большинства физиков вопрос «что было до Большого взрыва?» звучит достаточно глупо, потому что до него не могло быть ничего
по определению. Казалось бы, очень удобная позиция. Однако из-за нерешенной проблемы сингулярности она остается весьма шаткой.
Если сингулярность – это феномен, находящийся за пределами возможностей математики, то его можно только принимать на веру,
как, например, поступают религиозные люди в отношении церковных догматов. В христианском Новом Завете Евангелие от Иоанна
начинается, по сути, с описания рождения Вселенной: «В начале было Слово, и Слово было у Бога, и Слово было Бог. Оно было в начале
у Бога. Всё чрез Него начало быть, и без Него ничто не начало быть, что начало быть...». Для любого христианина строки из Святого
Писания являются непреложной истиной, не нуждающейся в каком-либо математическом обосновании. В науке же нет окончательных
истин. Всё, что противоречит новым фактам и данным, подлежит пересмотру и переоценке. Тем более не может считаться истиной
то, что не доказано. Однако концепция большого взрыва не только позволяет во многом объяснить эволюцию Вселенной, она ещё
и красива при этом. Ее красота ничуть не уступает красоте любой из религиозных доктрин. Физики – большие эстеты, они неравнодушны
к гармонии и симметрии. Их, пожалуй, можно назвать даже более утонченными созидателями и ценителями прекрасного, чем художников
и поэтов. Красивая теория легко находит среди них сторонников и последователей. Теория большого взрыва была просто обречена
на успех и широкое признание. А благодаря ее концептуальной созвучности с религиозными идеями о сотворении мира, перед ней
не устояли даже высшие церковные иерархи, представляющие основные мировые религии.
Возможность существования черных дыр в космосе была предсказана точными решениями соответствующих
уравнений общей теории относительности Эйнштейна. Термин «черная дыра» (англ. black hole) появился гораздо позже. Впервые его употребил 29 декабря 1967 года на публичной
лекции «Наша Вселенная: известное и неизвестное» Джон Арчибальд Уилер. Сама же концепция сверхмассивного тела, не излучающего
свет и поэтому остающегося недоступным наблюдению, была изложена еще в 1784 году Джоном Мичеллом в письме, отправленном в Лондонское
королевское общество. Он допускал существование множества таких объектов в космосе. Идея Мичелла не вызвала тогда особой
заинтересованности среди ученых и, возможно, осталась бы потерянной для истории науки, но в 1796 году Пьер-Симон Лаплас обеспечил
ей определенную известность, описав в своем труде «Изложение системы мира». Впрочем, в последующих изданиях этой книги Лапласа,
упоминание о «черной звезде» Мичелла уже отсутствовало.
Современная концепция черных дыр основана на общей теории относительности. До 1967 года эти
астрофизические объекты называли «сколлапсировавшими звездами» (англ. collapsed stars) или «застывшими звездами» (англ. frozen stars). По представлениям современной науки, существует несколько разновидностей
черных дыр: звездной массы (от десяти до нескольких десятков солнечных масс), сверхмассивные (от миллиона до миллиардов солнечных
масс), средней массы (от ста до десяти тысяч солнечных масс), первичные и квантовые. Две последние рассматриваются пока гипотетически.
Впервые черная дыра была обнаружена в 1971 году. Ею стал галактический источник рентгеновского излучения в созвездии Лебедя,
открытый несколько ранее, в 1964 году. Эта черная дыра, получившая название Лебедь X-1, находится на расстоянии 6070 световых лет
от Солнца. Ее масса составляет неполные пятнадцать солнечных масс. В центре Млечного Пути расположена ближайшая к Солнцу
сверхмассивная черная дыра – Стрелец A*, которая была открыта в 1974 году. До нее двадцать шесть тысяч световых лет, а ее масса
превышает массу Солнца в четыре миллиона раз. И это относительно небольшая из известных на сегодня сверхмассивных черных
дыр, среди которых есть гиганты, сравнимые по массе с компактной галактикой. Например, масса черной дыры, находящейся в галактике
NGC 4889 в созвездии Волосы Вероники, эквивалентна двадцати одному миллиарду солнечных масс.
До недавних пор ученые думали, что масса черной дыры, расположенной в центре галактики, не может
превышать 0,1% массы всей галактики или даже ее центральной области (балджа). Также предполагалось, что их массы всегда находятся
в определенном соотношении: чем массивнее галактика, тем массивнее черная дыра в ее ядре. Но выяснилось, что не все сверхмассивные
черные дыры подчиняются этим правилам. Астрофизические измерения показали, что компактная эллиптическая галактика с двойным
ядром NGC 4486B в созвездии Девы содержит сверхмассивную черную дыру, чья масса составляет примерно 10% массы всей галактики. А
в компактной линзовидной галактике NGC 1277 в скоплении Персея была обнаружена сверхмассивная черная дыра, масса которой составляет
почти 60% массы балджа галактики и 15% массы всей галактики. Это около двадцати миллиардов масс Солнца, тогда как масса галактики
NGC 1277 соответствует ста двадцати миллиардам солнечных масс. Считается, что в центрах большинства спиральных и эллиптических
галактик находятся сверхмассивные черные дыры. На сегодняшний день обнаружено около тысячи астрофизических объектов, причисляемых
к черным дырам. А всего, по заверениям ученых, существуют сотни миллионов таких объектов. Возможно, их даже гораздо больше.
По мнению Стивена Хокинга, число черных дыр вполне может превышать число видимых звезд, которых только в нашей Галактике
больше ста миллиардов.
Предполагается, что черных дыр средней (промежуточной) массы гораздо меньше, чем черных дыр
звездной массы и сверхмассивных черных дыр. Ввиду их редкости, а также из-за труднодоступности для наблюдения, долгое время
ученые вообще сомневались в реальности существования такой разновидности черных дыр. Несмотря на то что есть уже целый список
кандидатов на роль черной дыры средней массы, астрофизикам пока удалось открыть лишь несколько космических объектов, которые
с большой долей вероятности могут быть определены как черные дыры средней массы. В 2012 году был обнаружен гиперсветящийся
источник рентгеновского излучения номер один (англ. Hyper-Luminous X-ray Source 1, или HLX-1). Этому объекту около двухсот миллионов лет, и он удален от Земли почти на двести девяносто
миллионов световых лет. В 2014 году промежуточную черную дыру вычислили в галактике Сигара (англ. Messier 82, или M82) в созвездии Большой Медведицы. Объект с каталожным номером M82 X-1,
масса которого превышает массу Солнца приблизительно в 428 раз, находится на расстоянии двенадцати миллионов километров от
Земли. А в 2017 году астрофизики обнаружили черную дыру средней массы в центре шарового звездного скопления 47 Тукана, которое
расположено на расстоянии 13 400 световых лет от Земли в созвездии Тукан. Звездное скопление 47 Тукана имеет солидный возраст
– двенадцать миллиардов лет. В центрах других шаровых скоплений, как полагают ученые, тоже могут находиться подобного рода
гравитационные объекты. Кроме того, соответствующие расчеты указывают на большую вероятность присутствия черных дыр средней
массы в галактиках с малой светимостью.
Давняя гипотеза о существовании первичных черных дыр пока не нашла своего подтверждения, но
она согласуется как с моделью большого взрыва, так и с общей теорией относительности. Как ученые полагают, первичные черные
дыры могли образоваться в начальный момент расширения Вселенной в процессе коллапса крупных объемов газа, когда давление
и температура были сверхвысокими, а плотность вещества характеризовалась неоднородностью. Стивен Хокинг в своей книге «Краткая
история времени. От Большого взрыва до черных дыр», впервые изданной в 1988 году, об этом написал следующее: «Можно рассмотреть
и возможность существования черных дыр с массами, меньшими массы Солнца. Такие черные дыры не могли бы образоваться в результате
гравитационного коллапса, потому что их массы лежат ниже предела Чандрасекара (1,4 массы Солнца. – Ю. Б.): звезды с небольшой массой могут противостоять гравитации даже в том случае, если
всё их ядерное топливо уже израсходовано. Черные дыры малой массы могут образоваться лишь при условии, что вещество сжато
до огромных плотностей чрезвычайно высокими внешними давлениями. Такие условия могут выполняться в очень большой водородной
бомбе: физик Джон Уилер как-то вычислил, что если взять всю тяжелую воду из всех океанов мира, то можно сделать водородную
бомбу, в которой вещество так сильно сожмется, что в ее центре возникнет черная дыра. (Разумеется, вокруг не останется никого,
кто мог бы это увидеть!) Более реальная возможность – это образование не очень массивных черных дыр с небольшой массой при
высоких значениях температуры и давления на весьма ранней стадии развития Вселенной. Черные дыры могли образоваться лишь
в том случае, если ранняя Вселенная не была идеально гладкой и однородной, потому что лишь какую-нибудь небольшую область
с плотностью, превышающей среднюю плотность, можно так сжать, чтобы она превратилась в черную дыру. Но мы знаем, что во Вселенной
должны были присутствовать неоднородности, иначе всё вещество не сбилось бы в комки, образуя звезды и галактики, а равномерно
распределилось бы по всей Вселенной».
По предположениям ученых, так называемые квантовые черные дыры могут возникать в результате
ядерных реакций. Подтвердить экспериментально существование квантовых черных дыр пока не удается, поскольку для обнаружения
в лабораторных условиях этих устойчивых микроскопических объектов требуется недостижимая на сегодня энергия. С их математическим
описанием тоже не всё гладко складывается: сначала необходимо создать теорию квантовой гравитации. В итоге это привело бы
к объединению гравитационного взаимодействия с остальными фундаментальными физическими взаимодействиями: электромагнитным,
слабым и сильным. То есть к построению так называемой «теории всего». Главная трудность создания теории квантовой гравитации
состоит в неразрешенности давнего конфликта между общей теорией относительности и квантовой механикой, которые основаны
на совершенно разных принципах. Квантовая механика описывает свойства и взаимодействия микрочастиц на фоне внешнего пространства-времени.
В общей теории относительности, напротив, пространство-время рассматривается как динамическая переменная самой теории:
его геометрия и параметры непосредственно зависят от находящейся в нем массы-энергии. Среди многочисленных подходов в решении
проблемы квантовой гравитации наиболее перспективными считаются два направления теоретической физики – теория струн и
петлевая квантовая гравитация.
Теория струн построена на гипотезе, что вся материя состоит не из точечных частиц, а из вибрирующих
одномерных протяжённых объектов – ультрамикроскопических квантовых струн, колебания которых интерпретируются как взаимодействия
элементарных частиц во всем их многообразии. Квантовая теория струн появилась в начале семидесятых годов прошлого века.
В середине восьмидесятых и середине девяностых годов она пережила два этапа бурного развития, которые называют суперструнными
революциями. В результате первой из них возникли пять вариантов суперструнной теории. В ходе второй революции ученые пришли
к выводу, что все пять версий тесно связаны друг с другом, а поэтому их можно рассматривать как различные предельные случаи
единой фундаментальной теории. В этой обобщенной суперструнной теории, получившей довольно загадочное название – М-теория,
основным объектом стала так называемая брана (многомерная мембрана, протяжённая двухмерная или многомерная n-брана). Многие
ученые свято верят в перспективность теории струн, особенно ее самой продвинутой версии – М-теории, в то, что она, объединив
в одно целое общую теорию относительности и квантовую механику, таки сумеет объяснить всё многообразие сил, организующих
нашу Вселенную, и станет тем великим достижением, к которому человечество стремится тысячи лет. Теория струн уже лет двадцать
считается почти законченной. За это время она значительно усложнилась, но, несмотря на общие усилия тысяч физиков-теоретиков,
к завершению пока еще не готова.
Теория петлевой квантовой гравитации совершенно иначе подходит к описанию квантовогравитационных
явлений, чем другие физические теории, в том числе суперструнные. Она концентрируется не столько на содержании пространства-времени,
сколько на его структуре и свойствах. Петлевая квантовая гравитация основана на идее дискретности пространства-времени.
Это означает, что оно представляет собой сеть, образованную квантовыми ячейками, которые соединены между собой таким способом,
что на малых масштабах имеют дискретную и динамическую структуру, а с его увеличением постепенно переходят в непрерывное
состояние. Предполагается, что внутри ячеек существует некое поле, которое управляет их соединениями и состоянием. Теория
петлевой квантовой гравитации поддерживает космологическую гипотезу пульсирующей Вселенной. Согласно этой модели, расширение
начинается после сжатия, достигшего определенного критического значения, но не дошедшего до нулевой точки. Расширение Вселенной
продолжается до тех пор, пока гравитация не начнет его тормозить и не последует очередное сжатие. У этого процесса нет ни
начала, ни конца: пульсирующая Вселенная – это бесконечная смена фаз расширения и сжатия. Однако гравитация может остановить
и обратить вспять расширение лишь при условии, что таинственная темная материя имеет плотность больше единицы. Какова ее
плотность на самом деле, ученым остается пока только гадать, так как о темной материи им почти ничего не известно и даже о
самом ее существовании они могут судить исключительно по косвенным доказательствам.
Впрочем, концепция вечно пульсирующей Вселенной ничуть не уступает в очаровании концепции
большого взрыва. К тому же она автоматически снимает с повестки дня каверзный вопрос о конечной судьбе Вселенной, ответ на
который концепция большого взрыва дать не может. Возможно, многим этот образ покажется еще более масштабным и величественным.
Да и у креационистов он не должен выбивать почву из под ног. Если Создатель вечен, то и создание его должно быть вечным, без
начала и конца.
Комментариев нет:
Отправить комментарий