Философская теология. Наука и Бог

     По мере расширения меняется  и состав материи, наполняющей  наш мир. Кварки объединяются  в протоны и нейтроны, и Вселенная  оказывается заполненной уже  знакомыми нам элементарными  частицами — протонами, нейтронами, электронами, нейтрино и фотонами. Присутствуют также и античастицы.  Свойства частиц и античастиц  практически идентичны. Казалось  бы, и количество их должно  быть одинаковым сразу после  инфляции. Но тогда все частицы  и античастицы взаимно уничтожились  бы и строительного материала  для галактик и нас самих  не осталось бы. И здесь нам  опять повезло. Природа позаботилась  о том, чтобы частиц было  немного больше, чем античастиц. Именно благодаря этой небольшой  разнице и существует наш мир.  А реликтовое излучение — это  как раз последствие аннигиляции  (то есть взаимоуничтожения) частиц  и античастиц. Конечно, на начальном  этапе энергия излучения была  очень велика, но благодаря расширению  пространства и как следствие  — охлаждению излучения эта  энергия быстро убывала. Сейчас  энергия реликтового излучения  примерно в десять тысяч раз  меньше энергии, заключенной в  массивных элементарных частицах.

   Постепенно  температура Вселенной упала  до 10¹⁰ К. К этому моменту возраст Вселенной составлял примерно 1 минуту. Только теперь протоны и нейтроны смогли объединяться в ядра дейтерия, трития и гелия. Это происходило благодаря ядерным реакциям, которые люди уже хорошо изучили, взрывая термоядерные бомбы и эксплуатируя атомные реакторы на Земле. Поэтому можно уверенно предсказывать, сколько и каких элементов может появиться в таком ядерном котле. Оказалось, что наблюдаемое сейчас обилие легких элементов хорошо согласуется с расчетами. Это означает, что известные нам физические законы одинаковы во всей наблюдаемой части Вселенной и были таковыми уже в первые секунды после появления нашего мира. Причем около 98% существующего в природе гелия образовалось именно в первые секунды после Большого взрыва.

   Сразу после рождения Вселенная проходила  инфляционный период развития — все  расстояния стремительно увеличивались (с точки зрения внутреннего наблюдателя). Однако плотность энергии в разных точках пространства не может быть в точности одинаковой — какие-то неоднородности всегда присутствуют. Предположим, что в какой-то области  энергия немного больше, чем в  соседних. Но раз все размеры быстро растут, то и размер этой области  тоже должен расти. После окончания  инфляционного периода эта разросшаяся  область будет иметь чуть больше частиц, чем окружающее ее пространство, да и ее температура будет немного  выше.

     Поняв неизбежность возникновения  таких областей, сторонники инфляционной  теории обратились к экспериментаторам:  «необходимо обнаружить флуктуации  температуры…» — констатировали  они. И в 1992 году это пожелание  было выполнено. Практически одновременно  российский спутник «Реликт-1»  и американский «COBE» обнаружили  требуемые флуктуации температуры  реликтового излучения. Как уже  говорилось, современная Вселенная  имеет температуру 2,7 К, а найденные  учеными отклонения температуры  от среднего составляли примерно 0,00003 К. Неудивительно, что такие  отклонения трудно было обнаружить  раньше. Так инфляционная теория  получила еще одно подтверждение.

   С открытием колебаний температуры  появилась еще одна захватывающая  возможность — объяснить принцип  формирования галактики. Ведь чтобы  гравитационные силы сжимали материю, необходим исходный зародыш —  область с повышенной плотностью. Если материя распределена в пространстве равномерно, то гравитация, подобно  Буриданову ослу, не знает, в каком  направлении ей действовать. Но как  раз области с избытком энергии  и порождает инфляция. Теперь гравитационные силы знают, на что воздействовать, а именно, на более плотные области, созданные во время инфляционного  периода. Под действием гравитации эти изначально чуть-чуть более плотные  области будут сжиматься и  именно из них в будущем образуются звезды и галактики.

   Современный нам момент эволюции Вселенной крайне удачно приспособлен для жизни, и  длиться он будет еще много  миллиардов лет. Звезды будут рождаться  и умирать, галактики вращаться  и сталкиваться, а скопления галактик — улетать все дальше друг от друга. Поэтому времени для самосовершенствования  у человечества предостаточно. Правда, само понятие «сейчас» для такой  огромной Вселенной, как наша, плохо  определено. Так, например, наблюдаемая  астрономами жизнь квазаров, удаленных  от Земли на 10—14 млрд. световых лет, отстоит от нашего «сейчас» как раз  на те самые 10—14 млрд. лет. И чем дальше в глубь Вселенной мы заглядываем  с помощью различных телескопов, тем более ранний период ее развития мы наблюдаем.

   Сегодня ученые в состоянии объяснить  большинство свойств нашей Вселенной, начиная с момента в 10^-42 секунды и до настоящего времени и даже далее. Они могут также проследить образование галактик и довольно уверенно предсказать будущее Вселенной. Тем не менее ряд «мелких» непонятностей еще остается. Это прежде всего — сущность скрытой массы (темной материи) и темной энергии. Кроме того, существует много моделей, объясняющих, почему наша Вселенная содержит гораздо больше частиц, чем античастиц, и хотелось бы определиться в конце концов с выбором одной правильной модели.

   Как учит нас история науки, обычно именно «мелкие недоделки» и открывают  дальнейшие пути развития, так что  будущим поколениям ученых наверняка  будет чем заняться. Кроме того, более глубокие вопросы тоже уже стоят на повестке дня физиков и математиков. Почему наше пространство трехмерно? Почему все константы в природе словно «подогнаны» так, чтобы возникла разумная жизнь? И что же такое гравитация? Ученые уже пытаются ответить и на эти вопросы.

   Ну  и конечно, оставим место для  неожиданностей. Не надо забывать, что  такие основополагающие открытия, как  расширение Вселенной, наличие реликтовых фотонов и энергия вакуума, были сделаны, можно сказать, случайно и  не ожидались ученым сообществом. 

   Возможные сценарии развития нашего мира

   1. Пульсирующая модель Вселенной,  при которой вслед за периодом  расширения наступает период  сжатия и все заканчивается  Большим хлопком

   2. Вселенная со строго подогнанной  средней плотностью, в точности  равной критической. В этом  случае наш мир Евклидов, и  его расширение все время замедляется

   3. Равномерно расширяющаяся по  инерции Вселенная. Именно в  пользу такой открытой модели  мира до последнего времени  свидетельствовали данные о подсчете  средней плотности нашей Вселенной

   4. Мир, расширяющийся со все нарастающей скоростью. Новейшие экспериментальные данные и теоретические изыскания говорят о том, что Вселенная разлетается все быстрее, и несмотря на евклидовость нашего мира, большая часть галактик в будущем будет нам недоступна. И виновата в столь странном устроении мира та самая темная энергия, которую сегодня связали с некоей внутренней энергией вакуума, заполняющего все пространство

   Что же ждет нашу Вселенную в дальнейшем? Еще несколько лет назад у  теоретиков в этой связи имелись  всего две возможности. Если плотность  энергии во Вселенной мала, то она  будет вечно расширяться и  постепенно остывать. Если же плотность  энергии больше некоторого критического значения, то стадия расширения сменится стадией сжатия. Вселенная будет  сжиматься в размерах и нагреваться. Значит, одним из ключевых параметров, определяющим развитие Вселенной, является средняя плотность энергии. Так  вот, астрофизические наблюдения, проводимые до 1998 года, говорили о том, что плотность  энергии составляет примерно 30% от критического значения. А инфляционные модели предсказывали, что плотность энергии должна быть равна критической. Апологетов инфляционной теории это не очень  смущало. Они отмахивались от оппонентов и говорили, что недостающие 70% «как-нибудь найдутся». И они действительно  нашлись. Это большая победа теории инфляции, хотя найденная энергия  оказалась такой странной, что  вызвала больше вопросов, чем ответов. Похоже, что искомая темная энергия  — это энергия самого вакуума.

   В представлении людей, не связанных  с физикой, вакуум — «это когда  ничего нет» — ни вещества, ни частиц, ни полей. Однако это не совсем так. Стандартное определение вакуума  — это состояние, в котором  отсутствуют частицы. Поскольку  энергия заключена именно в частицах, то, как резонно полагали едва ли не все, включая и ученых, нет частиц — нет и энергии. Значит, энергия  вакуума равна нулю. Вся эта  благостная картина рухнула в 1998 году, когда астрономические наблюдения показали, что разбегание галактик немножко отклоняется от закона Хаббла. Вызванный этими наблюдениями у космологов шок длился недолго. Очень быстро стали публиковаться статьи с объяснением этого факта. Самым простым и естественным из них оказалась идея о существовании положительной энергии вакуума. Ведь вакуум, в конце концов, означает просто отсутствие частиц, но почему лишь частицы могут обладать энергией? Обнаруженная темная энергия оказалась распределенной в пространстве на удивление однородно. Подобную однородность трудно осуществить, ведь если бы эта энергия была заключена в каких-то неведомых частицах, гравитационное взаимодействие заставляло бы их собраться в грандиозные конгломераты, подобные галактикам. Поэтому энергия, спрятанная в пространстве-вакууме, очень изящно объясняет устроение нашего мира.

   Однако  возможны и другие, более экзотические, варианты мироустроения. Например, модель Квинтэссенции, элементы которой были предложены советским физиком А.Д. Долговым в 1985 году, предполагает, что  мы все еще скатываемся с той  самой горки, о которой говорилось в начале нашего повествования. Причем катимся мы уже очень долго, и конца этому процессу не видно. Необычное название, позаимствованное у Аристотеля, обозначает некую «новую сущность», призванную объяснить, почему мир устроен так, а не иначе.

   Сегодня вариантов ответа на вопрос о будущем  нашей Вселенной стало значительно  больше. И они существенно зависят  от того, какая теория, объясняющая  скрытую энергию, является правильной. Предположим, что верно простейшее объяснение, при котором энергия  вакуума положительна и не меняется со временем. В этом случае Вселенная  уже никогда не сожмется и нам  не грозит перегрев и Большой хлопок. Но за все хорошее приходится платить. В этом случае, как показывают расчеты, мы в будущем никогда не сможем достигнуть всех звезд. Более того, количество галактик, видимых с Земли, будет уменьшаться, и через 10—20 млрд. лет в распоряжении человечества останется всего несколько соседних галактик, включая нашу — Млечный  Путь, а также соседнюю Андромеду. Человечество уже не сможет увеличиваться  количественно, и тогда придется заняться своей качественной составляющей. В утешение можно сказать, что  несколько сотен миллиардов звезд, которые будут нам доступны в  столь отдаленном будущем, — это  тоже немало.

   Впрочем, понадобятся ли нам звезды? 20 миллиардов лет — большой срок. Ведь всего  за несколько сот миллионов лет  жизнь развилась от трилобитов до современного человека. Так что наши далекие потомки, возможно, будут  по внешнему виду и возможностям отличаться от нас еще больше, чем мы от трилобитов. Что же сулит им еще более отдаленное будущее, по прогнозам современных  ученых? Ясно, что звезды будут тем  или иным способом «умирать», но будут  образовываться и новые. Этот процесс  тоже не бесконечен — примерно через 10¹⁴ лет, по предположению ученых, во Вселенной останутся только слабосветящиеся объекты — белые и темные карлики, нейтронные звезды и черные дыры. Почти все они также погибнут через 10³⁷ лет, исчерпав все запасы своей энергии. К этому моменту останутся лишь черные дыры, поглотившие всю остальную материю. Что может разрушить черную дыру? Любые наши попытки сделать это лишь увеличивают ее массу. Но «ничто не вечно под Луной». Оказывается, черные дыры медленно, но излучают частицы. Значит, их масса постепенно уменьшается. Все черные дыры тоже должны исчезнуть примерно через 10¹⁰⁰ лет. После этого останутся лишь элементарные частицы, расстояние между которыми будет намного превосходить размеры современной Вселенной (примерно в 10⁹⁰ раз) — ведь все это время Вселенная расширялась! Ну и, конечно, останется энергия вакуума, которая будет абсолютно доминировать во Вселенной. Кстати, свойства такого пространства впервые изучил В. Де Ситтер еще в 1922 году. Так что нашим потомкам предстоит либо изменить физические законы Вселенной, либо перебраться в другие вселенные. Сейчас это кажется невероятным, но хочется верить в могущество человечества, как бы оно, человечество, ни выглядело в столь отдаленном будущем. Потому что времени у него предостаточно.

   Кстати, возможно, что уже и сейчас мы, сами того не ведая, создаем новые  вселенные. Для того чтобы в очень  маленькой области возникла новая  вселенная, необходимо инициировать инфляционный процесс, который возможен только при  высоких плотностях энергий. А ведь экспериментаторы уже давно создают  такие области, сталкивая частицы  на ускорителях… И хотя эти энергии  еще очень далеки от инфляционных, вероятность создания вселенной  на ускорителе уже не равна нулю. К сожалению, мы являемся тем самым  «удаленным наблюдателем», для которого время жизни этой «рукотворной»  вселенной слишком мало, и внедриться в нее и посмотреть, что там  происходит, мы не можем…

   Формирование  звезд

   Сначала формируется протозвезда. Частицы  гигантского движущегося газопылевого облака в некоторой области пространства притягиваются между собой за счет гравитационных сил. Происходит это  очень медленно, ведь силы, пропорциональные массам входящих в облако атомов (в  основном атомов водорода) и пылинок, чрезвычайно малы. Однако постепенно частицы сближаются, плотность облака нарастает, оно становится непрозрачным, образующийся сферический «ком» начинает понемногу вращаться, растет и сила притяжения, ведь теперь масса «кома» велика. Все больше и больше частиц захватывается, все больше плотность вещества. Внешние слои давят на внутренние, давление в глубине растет, а, значит, растет и температура. (Именно так обстоит дело с газами, которые были подробно изучены на Земле). Наконец, температура становится такой большой – несколько миллионов градусов, - что в ядре этого образующегося тела создаются условия для протекания ядерной реакции синтеза: водород начинает превращаться в гелий. Об этом можно узнать, регистрируя потоки нейтрино – элементарных частиц, выделяющихся при такой реакции. Реакция сопровождается мощным потоком электромагнитного излучения, которое давит (силой светового давления, впервые измеренной в Земной лаборатории П.Лебедевым) на внешние слои вещества, противодействуя гравитационному сжатию. Наконец, сжатие прекращается, поскольку давления уравновешиваются, и протозвезда становится звездой. Чтобы пройти эту стадию своей эволюции протозвезде нужно несколько миллионов лет, если ее масса больше солнечной, и несколько сот миллионов лет, если ее масса меньше солнечной. Звезд, массы которых меньше солнечной в 10 раз, очень мало.