Барри Паркер - Мечта Эйнштейна. В поисках единой теории строения

В 1947 году работой Дирака заинтересовался немецкий физик П. Йордан, который построил теорию, основанную на общей теории относительности. В ней допускалось рождение частиц, но вскоре выяснилось, что теория не лишена недостатков, и от неё также пришлось отказаться. Позже аналогичную теорию предложили Бранс и Дикке.

А что если G действительно изменяется? Можно ли измерить её изменение? Прежде всего, изменение должно быть предельно мало, иначе оно уже было бы замечено. Если G уменьшается со временем, то, например, Земля должна была раньше быть горячее и меньше. Имеются ли тому свидетельства? Пока они не обнаружены. Некоторые, правда, указывали на крупные океанские хребты как возможные свидетельства подобного прошлого Земли (такие хребты могли бы появиться при расширении), однако геологи с этим решительно не согласны, и теперь такое объяснение считается неверным.

Кроме того, изменение G повлияло бы на орбиту Луны – период её обращения медленно менялся бы. Конечно, это трудно обнаружить, но достаточно точные приборы позволили бы зарегистрировать такое изменение. Сотрудник Военно-морской лаборатории Т. Ван Фландерн считает, что ему удалось обнаружить такое изменение. Он изучил данные наблюдений затмений звёзд Луной за последние 30 лет, с того момента, когда впервые стали применять атомные часы. Ван Фландерн считает, что после тщательного учёта всех прочих известных эффектов он нашёл свидетельства малого изменения значения G.

Мы уже видели, что у каждой частицы есть античастица; например, в случае электрона – это позитрон. При взаимодействии частицы и античастицы происходит аннигиляция с выделением одного или большего числа фотонов. Другими словами, вещество превращается в энергию.

Мы также видели, что в ранней Вселенной особую роль играло рождение пар. При тогдашних очень высоких энергиях пары частиц рождались в изобилии. Более того, при испарении чёрных дыр также рождаются пары, и чем меньше и горячее становятся чёрные дыры, тем быстрее они испаряются. Короче говоря, во Вселенной должна быть симметрия между частицами и античастицами. Тут же, естественно, возникает вопрос: сохранилась ли эта симметрия во Вселенной до настоящего времени? Отвечать, видимо, следует «нет». Если бы симметрия сохранилась, то мы обнаружили бы значительное количество антивещества в космических лучах, однако там его очень мало.

А не могут ли звёзды или даже галактики целиком состоять из антивещества? В общем, да, если поблизости нет обычного вещества, иначе от антивещества скоро ничего не осталось бы. Если бы Земля и наши тела состояли из антивещества, то неприятностей следовало бы ждать от вещества, хотя оно тоже, видимо, было бы редкостью. Кстати, по виду нельзя сказать, состоит ли галактика из антивещества, однако, так как свидетельств тому нет, а из современных теорий следует, что доминирует во Вселенной обычное вещество, большинство астрономов считает, что так оно и есть.

Правда, не все учёные с этим согласны, поэтому был предложен ряд космологических теорий, основанных на предположении о равноправии вещества и антивещества во Вселенной. Одна из наиболее известных – теория, предложенная О. Клейном и X. Альвеном. Они предположили, что когда-то Вселенная представляла собой «метагалактику» – гигантскую сферу (около триллиона световых лет в поперечнике), состоявшую из равного количества отделённых друг от друга частиц и античастиц. Постепенно под действием взаимного притяжения её частей метагалактика начала сжиматься. Однако даже при такой простой картине сразу возникают трудности – не известно, существует ли притяжение между веществом и антивеществом; возможно, между ними возникает отталкивание. Но вернёмся к теории. Метагалактика продолжала сжиматься, становясь всё меньше и меньше, пока не началась аннигиляция. При этом выделялась колоссальная энергия, и сжатие происходило так стремительно, что остановить его было очень трудно. Наконец, в результате накопления энергии сжатие прекратилось и началось постоянное расширение, которое и наблюдается сегодня.

Хотя теория и интересна, она наталкивается на ряд трудностей. В частности, в её рамках не удаётся адекватно объяснить наличие реликтового излучения. Остаётся открытым вопрос о размерах метагалактики и о том, в чём она существовала.

Помимо обсуждавшихся выше есть ещё ряд альтернативных теорий, но большинство из них учёные не принимают всерьёз, поэтому мы не будем их касаться, сделав исключение лишь для теории «старения света». В ней предполагается, что Вселенная на самом деле не расширяется, а красное смещение спектральных линий далёких галактик вызвано «старением» света, идущего до нас миллиарды лет. Сейчас у этой теории практически нет сторонников.

Как уже упоминалось, согласно инфляционной теории, помимо нашей Вселенной, может существовать множество, возможно, бесконечное количество, других. Однако есть они или нет – нам практически безразлично, поскольку считается, что мы полностью отрезаны от них. Уже говорилось и об идее Хойла, согласно которой Вселенная разделена на «отсеки», но и в этом случае границы между ними непреодолимы.

Представление о существовании других вселенных, особенно если они принципиально ненаблюдаемы, хотя и может показаться странным, но не ново. Ещё в 1961 году его обсуждал Роберт Дикке. Но в то время учёные, видимо, ещё не созрели для восприятия такой идеи, и она прошла почти незамеченной. Лишь в 1973 году, когда Хокинг и Коллинз возродили её в своей статье, к этой идее стали относиться серьёзней. Хокинг и Коллинз предположили, что может существовать бесчисленное множество вселенных, развивающихся при различных начальных условиях.

В одних вариантах теорий остальные вселенные существуют параллельно во времени с нашей, в других – нет. В одной из популярных версий новые вселенные ответвляются от существующих, рождая себе подобные. Интересно, что идея о многих вселенных не ограничивается космологией, а находит отражение и в квантовой механике. Недавно большое внимание привлекла квантовомеханическая модель, предложенная ещё в 1957 году Хью Эвереттом, работавшим тогда в Принстонском университете. Эверетт выдвинул её, пытаясь обойти некоторые трудности, связанные с причинностью. В этой модели новые вселенные отпочковываются от существующей каждый раз, когда на атомном уровне происходит случайное событие, так что в итоге появляется бесконечное множество вселенных.

Возникает логичный вопрос: а есть ли какая-либо связь между квантомеханическими и космологическими моделями? Они действительно похожи, что само по себе важно, так как указывает на возможную взаимосвязь микро- и макромира. Однако между ними существуют фундаментальные различия, и чтобы идея оказалась жизнеспособной, прежде всего нужно преодолеть их.

Следует подчеркнуть, что хотя идея о других вселенных привлекла внимание многих учёных, она ни в коей мере не является догмой; это всего лишь интересное предположение. Может ли случиться, что оно когда-нибудь получит широкое распространение? На этот вопрос ответить, конечно, нельзя. В науке иногда бывают очень странные повороты, когда идеи, казавшиеся дикими одному поколению, становятся общепринятыми в следующем. Ряд учёных считает, что нам никуда не деться от концепции многих вселенных и в конце концов её придётся принять. Но это, конечно, решать будущим поколениям.

Мы видели, что у теории единственной Вселенной есть соперница – теория многих вселенных. Мы также видели, что, вообще говоря, космологии ещё далеко до точной науки; многие аспекты наиболее распространённой теории – Большого взрыва – по-прежнему вызывает споры, и не на все вопросы она может дать ответ. Но серьёзно ей пока ничто не угрожает. Большие надежды подаёт инфляционная теория, которая, похоже, поможет в перспективе ответить на часть остающихся открытыми вопросов и преодолеть ряд трудностей.

Глава 8

Дальнейшая судьба Вселенной

Вопрос о дальнейшей судьбе Вселенной – несомненно, важная часть полной единой теории. Теория Фридмана – просто одна из её составляющих; единая теория обязана идти дальше. Из теории Фридмана следует только, что Вселенная, в зависимости от средней плотности вещества, будет либо расширяться вечно, либо прекратит расширение и начнёт сжиматься. Теория не говорит, как именно это будет происходить. Конечно, у нас есть кое-какие догадки, которые кажутся справедливыми, но, по правде говоря, это лишь предположения.

Итак, начнём с рассмотрения альтернатив, предлагаемых теорией Фридмана. Чтобы их легче было понять, прибегнем к аналогии. Предположим, что вверх подбрасывают шарик; его движение будет постепенно замедляться, затем он остановится и начнёт падать вниз. Высота его подъёма зависит от начальной скорости, а также от силы тяжести. Если бросить его с достаточно большой скоростью, то он, в принципе, может никогда не упасть на землю. Эта скорость называется скоростью убегания; о ней уже шла речь раньше.