SETI: Поиск Внеземного Разума: читать начало книги онлайн

Будет ли «темное время» длиться бесконечно? Если бы Λ-член был равен нулю, то так бы оно и было — расширение Вселенной в открытой модели с Λ = 0 замедляется под действием гравитации, но длится бесконечно (см. рис. 2.2.3). Но, как мы уже отмечали, наблюдения свидетельствуют, что в нашей Вселенной Λ-член не равен нулю — в ней присутствует «вакуумная материя» (вероятно, оставшаяся от фазы инфляции), которая приводит к тому, что Вселенная в современную эпоху расширяется ускоренно. Что же будет с ней дальше? Под влиянием ускоренного расширения плотность обычной материи будет быстро убывать, а плотность «вакуумной материи» (ее еще называют «квинтэссенцией») будет оставаться постоянной. И вот в этих условиях возможна ситуация, когда вновь начнется инфляция, которая приведет к рождению новой минивселенной. Начнется новый круг эволюции. Образовавшаяся в конце инфляции плазма будет развиваться по законам горячей модели. Эра излучения сменится эрой вещества, образуются галактики, звезды, возникнет жизнь и разум. Затем все повторится вновь. Если это так — история Вселенной будет состоять из периодов существования биологической (или иной?) жизни, разделенных эпохами «темного» времени. Это очень напоминает представления древнеиндийской космологии о чередовании манвантар (периодов активного существования Вселенной, когда она проявляется из непроявленного состояния) и пралай (когда все процессы на доступном нам плане Бытия замирают).

Рассмотрим сценарий развития для замкнутой Вселенной. После того как будет достигнуто максимальное значение радиуса, Вселенная начнет сжиматься. Полное время существования замкнутой Вселенной (период расширения-сжатия от сингулярности до сингулярности) меньше длительности звездной стадии Вселенной. Из-за этого звезды не успевают спокойно закончить свой век. Они будут разрушены в результате бурных процессов, сопровождающих сжатие Вселенной на последних этапах. Примерно за миллион лет до новой сингулярности начнут разрушаться звезды главной последовательности. За 100 с до сингулярности разрушатся белые карлики, за 10^-4 с — нейтронные звезды. Когда до новой сингулярности останется меньше чем 10^-35 с, вероятно, должны произойти фазовые переходы в вакууме, приводящие к возникновению сверхплотного вакуумно-подобного состояния. Одновременно степенной (фридмановский) закон сжатия Вселенной должен смениться на экспоненциальный, соответствующий де-ситтеровской модели. То есть конец Вселенной является как бы зеркальным отражением ее начала. В конечном итоге, замкнутая Вселенная, возникающая из вакуумной пены, вновь возвращается в нее. И из этой «пены» рождаются новые вселенные. Мы уже отмечали, что история каждой отдельной вселенной напоминает историю водяной капли, испарившейся с поверхности Океана и после долгих «странствий» вновь возвратившейся в него. В этом

вечно бурлящем Космосе постоянно рождаются новые вселенные и поэтому в нем, как подчеркивает И. Д. Новиков, всегда будут существовать достаточно большие области (подобные нашей Вселенной), способные поддерживать жизнь известного нам типа.

Насколько достоверны рассмотренные нами сценарии? И. Л. Розенталь замечает в этой связи, что любой сценарий весьма далек от отснятого фильма. «Все же, — пишет он, — представляется, что мы достаточно продвинулись в понимании качественной картины... однако наших знаний недостаточно, чтобы количественно оценить детали этой картины»[157]. Это — задача будущей науки. И хотя она пока не создана, некоторые черты ее предугадываются, просматриваются уже в настоящее время.

2.3. Беспредельный Космос

Завершая наш рассказ о Вселенной, полезно оценить пределы наших знаний и попытаться заглянуть «за завесу». Все известное нам многообразие физических явлений, объектов и процессов описывается с помощью основных (фундаментальных) физических теорий. В процессе развития науки неоднократно происходила смена представлений, отдельные физические теории оказывались ошибочными и полностью, отбрасывались. Но к фундаментальным теориям это не относится. Фундаментальные теории, составляющие ядро физической парадигмы, не отбрасываются в процессе развития — уточняется лишь область их применимости, а вне этой области действуют другие, более общие теории, имеющие более широкую область применимости. Благодаря этому в развитии науки имеет место преемственность. И хотя в процессе развития науки мы постоянно сталкиваемся со сменой представлений, сменой физических картин мира, но это не означает, что происходит просто замена одного знания другим — происходит расширение знания, ибо ядро старой парадигмы включается в новую парадигму, в новое знание (а все ошибочные представления и теории при этом отбрасываются).

В настоящее время известны шесть основных физических теорий: ньютонова механика (НМ); ньютонова теория тяготения (НТТ); специальная теория относительности (СТО); общая теория относительности (ОТО), или эйнштейновская теория тяготения (ЭТТ); квантовая механика (КМ); релятивистская квантовая механика (РКМ). В каком соотношении между собой они находятся? При рассмотрении этого вопроса мы будем опираться на идеи Абрама Леонидовича Зельманова, изложенные в его работах[158]^, [159]. При этом представляется более удобным (конечно, это дело вкуса) изменить геометрический образ взаимосвязей и вместо «куба Зельманова» представить совокупность физических теорий в виде «пирамиды знания»[160].

Рис. 2.3.1. Пирамида физических теорий

На рис. 2.3.1 изображена четырехгранная пирамида (тетраэдр). Каждое ребро этой пирамиды изображает определенную фундаментальную физическую теорию. В основании пирамиды лежат три основные теории: ньютонова теория тяготения, специальная теория относительности и квантовая механика. Все они характеризуются одной фундаментальной физической постоянной (мировой константой). Для ньютоновой теории тяготения это постоянная тяготения G, для специальной теории относительности это фундаментальная скорость распространения физического взаимодействия с (совпадающая численно со скоростью света в пустом пространстве) и для квантовой механики — постоянная Планка h.

Истоком всех этих теорий является ньютонова механика (не содержащая никакой фундаментальной постоянной). Как известно, механика Ньютона справедлива при описании движения тел со скоростями, малыми по сравнению со скоростью света. Она не распространяется на гравитационные явления и не включает в себя закон всемирного тяготения. Ньютонову теорию тяготения можно рассматривать, как расширение ньютоновой механики, обобщение ее на область гравитационных явлений. При отсутствии гравитации уравнения НТТ сводятся к уравнениям ньютоновой механики. При скоростях, близких к скорости света, ньютонова механика не применима. Это область специальной теории относительности. Она также не охватывает гравитационных явлений. Можно сказать, что специальная теория относительности есть обобщение ньютоновой механики на случай, когда скорость движения тел близка к скорости света. При условии υ << с (скорость много меньше скорости света) уравнения СТО переходя т в уравнения механики Ньютона. Это позволяет рассматривать ньютонову механику как частный случай СТО, а последнюю, как более общую теорию, включающую в себя НМ. Ньютонова теория тяготения и специальная теория относительности справедливы при описании движения макроскопических тел. В области микромира они не применимы. Здесь действуют законы квантовой механики. Они справедливы, когда произведение энергии движущихся частиц на время (или количества движения на пройденный путь) сопоставимо с квантом действия h. Если эти величины много больше h, действуют законы ньютоновой механики. Таким образом, квантовая механика есть обобщение. НМ на область микромира. При h → 0 (т. е. когда квантом действия h можно пренебречь) уравнения квантовой механики переходят в уравнения механики Ньютона.

В нашем тетраэдре ребра основания пересекаются в точках А, В и С. Каждая из этих точек служит истоком более общей теории, каждая из них характеризуется двумя мировыми константами. Так, точка А, в которой пересекаются НТТ и СТО, служит истоком общей теории относительности. Она является обобщением ньютоновой теории тяготения на область сильных гравитационных полей и быстрых движений (со скоростями, близкими к скорости света). В то же время она является распространением, обобщением СТО на область гравитационных явлений. Соответственно, общая теория относительности характеризуется двумя фундаментальными постоянными G и с. При отсутствии гравитации уравнения ОТО переходят в уравнения специальной теории относительности. А при медленных скоростях движения υ << с) уравнения ОТО переходят в уравнения ньютоновой теории тяготения. Таким образом, обе теории — НТТ и СТО — можно рассматривать как частные проявления более общей теории — ОТО. Последняя справедлива для макроскопических тел и не распространяется на явления микромира. Точка В, где пересекаются СТО и КМ, является истоком релятивистской квантовой механики. Она является обобщением квантовой механики на случай движения частиц с релятивистскими (т. е. близкими к с) скоростями и в то же время — обобщением СТО на область микромира. Соответственно, РКМ характеризуется двумя мировыми константами с и h. Наконец, точка С, где пересекаются НТТ и КМ, может быть истоком теории, которую Зельманов назвал (нерелятивисгской) квантовой гравитационной теорией (КГТ). Она характеризуется двумя постоянными G и h и является обобщением НТТ и КМ. Подобной теории пока не существует. И возможность ее построения вызывает сомнение, так как кванты гравитационного поля (гравитоны) должны перемещаться со скоростью света и, следовательно, квантовая теория гравитации неизбежно должна быть релятивистской. Тем не менее Зельманов формулирует условия, при которых КГТ может существовать как самостоятельная теория. Получается, в целом, довольно симметричное построение. Грань тетраэдра АОВ образована релятивистскими теориями, грань ВОС — квантовыми теориями и грань АОС — гравитационными теориями.

Все физические теории в нашей схеме сходятся к вершине пирамиды, которая изображает наиболее общую теорию, являющуюся синтезом всех существующих. Зельманов назвал ее Единой физической теорией (ЕФТ). Она характеризуется тремя мировыми константами G, h и с. Эта теория, объединяющая все виды физических взаимодействий, находится сейчас в стадии становления. Мы уже упоминали об объединении электромагнитного и слабого взаимодействий и создании теории электрослабого взаимодействия, а также о Великом объединении трех физических взаимодействий: электромагнитного, слабого и сильного. Чтобы завершить этот процесс синтеза физических теорий, необходимо включить в объединенную теорию и гравитационное взаимодействие. Такая формирующаяся сейчас теория получила название Суперобъединения.

Тенденция к синтезу, интеграции основных понятий и теорий характерна для развития физических наук. Специальная теория относительности объединила столь различные категории, как пространство и время, в единую сущность — четырехмерный пространственно-временной континуум. Оказалось, что лишь при скоростях, малых по сравнению со скоростью света, эта единая сущность разделяется на две независимые составляющие — пространство и время, никак не связанные друг с другом. Но при скоростях, близких к скорости света, пространство и время уже не являются независимыми: при движении тел с такими скоростями совместно меняются и геометрические свойства пространства, и темп течения времени. Мы уже упоминали о том, как еще до создания теории относительности произошло объединение теорий электричества и магнетизма в единую теорию электромагнитного поля. Это стало возможным потому, что электрические и магнитные силы, как выяснилось, являются проявлением одного электромагнитного взаимодействия. Впоследствии произошло объединение этого взаимодействия со слабым и сильным. Все они оказались проявлением одной универсальной силы Великого объединения. Создатель теории относительности А. Эйнштейн мечтал о построении теории, в которой были бы объединены все силы природы. Много лет после создания теории относительности, практически всю вторую половину жизни он напряженно работал над созданием такой теории. Современная теория суперобъединения (еще до конца не завершенная) является воплощением этой мечты Эйнштейна[161].

Единое универсальное взаимодействие, объединяющее все силы природы, все виды физических взаимодействий, проявляется как синтетическое начало только при очень больших энергиях частиц, порядка планковской энергии

Она на пять порядков больше энергии Великого объединения. При меньшей энергии происходит расщепление Единого взаимодействия, сначала отщепляется гравитационное взаимодействие, затем сильное и, наконец, происходит разделение электрослабого взаимодействия на слабое и электромагнитное. В условиях, с которыми мы обычно имеем дело, все эти взаимодействия выступают как совершенно различные силы, хотя и являются проявлением одной Универсальной Силы Природы.

В рамках теории Суперобъединения исчезает различие между частицами физической материи фермионами и частицами переносчиками взаимодействий — бозонами. При Е ~ 1019 ГэВ они могут свободно переходить друг в друга.

Другой важнейшей чертой Суперобъединения является дальнейшее обобщение понятия пространства — введение многомерных пространств и, соответственно, дополнительных пространственных измерений. Мы привыкли к тому, что наше физическое пространство трехмерно, и не допускаем того, что мир может быть устроен более сложно. Но математики давно работают с многомерными пространствами, однако до последнего времени считалось, что это — лишь теоретические конструкции. В физике многомерные фазовые пространства широко используются в качестве удобных теоретических моделей, но не более. Мир предполагается трехмерным и считается, что дополнительные пространственные измерения не могут иметь никакого отношения к действительности. Это превратилось в своего рода философскую догму.

Однако уже первая попытка объединить теорию гравитации с электромагнетизмом, предпринятая в 1920-е годы Т. Калуцой и О. Клейном, привела к неожиданному результату. Оказалось, что это возможно только в том случае, если ввести дополнительное четвертое пространственное измерение, т. е. рассматривать пятимерный пространственно-временной мир. Работа Т. Калуцы и О. Клейна была первым шагом. Они пытались объединить гравитацию непосредственно с электромагнетизмом. Сегодня мы знаем, что синтез возможен только через Великое объединение (сначала электромагнетизм объединяется со слабым взаимодействием, потом с сильным и только после этого возможно объединение с гравитацией). Однако возникшая в их теории необходимость введения дополнительных пространственных измерений оказалась не случайной. Современные теории показывают, что невозможно добиться Суперобъединения в рамках трехмерного пространства. Наименьшее число пространственных измерений, для которых удается построить теорию суперобъединения, равно 9. То есть мы имеем 9-мерное пространство или 10-мерный пространственно-временной мир. Возможно, полное число пространственных измерений больше 10.

Конечно, все эти дополнительные пространственные измерения не могут быть пустыми, поскольку пространство не существует вне материи. Автор полагает, что дополнительные пространственные измерения имеют определенный не равный нулю объем, в отличие от тех теоретических построений, которые приводят к нулевому объему. Несомненно, они заполнены какой-то материей. Но какой? Скорее всего, это материя неизвестного нам вида, которую мы пока не научились обнаруживать посредством физического эксперимента. Может быть, это та материя, которая лежит «за пределом» физического вакуума. Вероятно, в этих неизвестных нам пространственных мирах действуют и какие-то другие, неизвестные нам закономерности. Например, в нашем трехмерном мире каждая физическая величина выражается определенным действительным числом. Развитый в математике аппарат мнимых чисел остается невостребованным[162]. Может быть, в других пространственных измерениях какие-то характеристики материи измеряются мнимыми числами? Может быть... Космос, несомненно, таит в себе еще много неизведанного.

В свете этих представлений философская идея о неисчерпаемости форм материи приобретает более реальные очертания. Вместе с тем качественно новое значение приобретает понятие «беспредельности». Если ранее оно трактовалось как беспредельность пространственного протяжения Вселенной, то теперь мы должны включить в это понятие все беспредельное многообразие миров и форм материи вечно меняющегося, эволюционирующего Космоса.

Вернемся к «пирамиде физических теорий». Симметрия и завершенность этой конструкции могут навести на мысль, что с объединением всех фундаментальных физических теорий в одну Единую физическую теорию (теорию Суперобъединения) завершается развитие физического знания[163]. Так ли это? Несомненно, создание ЕФТ будет означать окончание очень важного этапа в развитии наших знаний о физическом мире. Но, конечно, это не финал познания. Я думаю, что Единая физическая теория явится не только завершением, но и мощным истоком новых теоретических представлений, новых теорий, новых знаний, опирающихся на новые экспериментальные открытия. Более того, завершенность «пирамиды знания» указывает, на мой взгляд, на то, что дальнейшее развитие будет связано в принципиальными качественными изменениями. Вероятно, оно будет включать изучение новых пространственных измерений и новых форм движения материи.

Несмотря на волнующие воображение достижения науки в изучении безграничных пространств и глубин Вселенной, не следует слишком обольщаться этими успехами. Мы познали (и притом не полностью!) лишь один срез, один слой окружающего Мира. Сегодня мы стоим на пороге революционного изменения всей научной картины мира. Многие процессы, которые сейчас происходят в физике, биологии, психологии, являются предвестниками того, что ожидает нас за этим порогом — там, где сияет Беспредельный Космос.

ЛИТЕРАТУРА

1. Бакулин П. И., Кононович Э. В., Мороз В. И. Курс общей астрономии. — М.: Наука, 1977. 544 с.; новое издание: Кононович Э. В., Мороз В. И. Курс общей астрономии / Под ред. В. В. Иванова. — М.: УРСС, 2001. 544 с.

2. Засов А. В., Кононович 3. В. Астрономия. Пробный учебник для 10 класса средней школы. — М.: Просвещение, 1986. С. 192.

3. Физика Космоса. Маленькая энциклопедия. — М.: Советская энциклопедия, 1986. 783 с.

4. Еремеева А. И., Цицин Ф. А. История астрономии (основные этапы развития астрономической картины мира). — М.: Изд-во Моск. ун-та, 1989. 349 с.

5. Зельдович Я. Б., Новиков И. Д. Строение и эволюция Вселенной. — М.: Наука, 1975. 736 с.

6. Чаругин В. М. Космология: теория и наблюдения. — М.: Знание, 1979. 59 с.

[157] Розенталь И.Л. Проблемы начала и конца Метагалактики. С. 52.

[158] Зельманов А.Л. О бесконечности материального мира / Диалектика в науках о неживой природе. — М.: Мысль, 1964. С. 227-269.

[159] Зельманов А.Л. Многообразие материального мира и проблема бесконечности Вселенной / Бесконечность и Вселенная. — М.: Мысль, 1969. С. 274-324. Зельманов А.Л., Аваков В.Г. Элементы общей теории относительности. — М.: Наука, 1989. С. 5-13.

[160] См. Гиндилис Л.М. Пирамида физического знания // Дельфис. 1996. № 1 (6). С. 79-85.

[161] См. Паркер Б. Мечта Эйнштейна: в поисках единой теории строения Вселенной. — М.: Наука, 1991.

[162] Аппарат мнимых (комплексных) чисел широко используется в некоторых разделах физики (например, в электродинамике) для выполнения промежуточных математических преобразований. Однако все конечные величины, получаемые в результате этих вычислений, — величины, непосредственно сопоставляемые с результатами физического эксперимента, выражаются только действительными числами.

[163] Идеи о конечности процесса познания и о близости современной науки к полному познанию окружающего нас мира высказывались рядом авторов. Так например, И. С. Шкловский высказывает мысль, что в результате двух революций в астрономии построение адекватной действительности астрономической картины мира близко к завершению. Остается лишь работа по ее детализации и уточнению. Эта работа не может коренным образом изменить лица астрономии, ибо «генеральный план» Вселенной и история се развития в настоящее время полностью поняты и уже перешли в категорию абсолютных истин. (См. Шкловский И.С. Вторая революция в астрономии подходит к концу // Вопросы философии. 1979. №9. С. 54-69.)