Когда физики в цене - Ирина Львовна Радунская
Первая возможность — средняя плотность материи меньше ее критической плотности — не содержит противоречий. Вселенная будет расширяться, причем скорость расширения постепенно уменьшается силами тяготения, но никогда не достигнет нуля. Вторая возможность — средняя плотность материи больше ее критической плотности — приводит к принципиальной трудности. Она лежит не в уравнениях Эйнштейна и не в решении, найденном Фридманом. Они способны описать бесконечное повторение смены расширения — сжатием и новым расширением. Фридман, рассматривавший эту проблему с точки зрения математики, считал, что Вселенная сжимается в точку, в особую точку. Его не волновало, что при этом плотность вещества и энергии должна стать бесконечно большой, что невозможно с точки зрения физики. Он довольствовался признанием того, что эволюция Вселенной не может прекратиться и что после критического сжатия вновь последует расширение.
Теоретики по-разному подходят к анализу этого критического перехода, но пока не могут в деталях проследить за тем, как происходит переход от сжатия к расширению Вселенной.
Но такая трудность не идет в сравнение с другой — принципиальной. Здесь вступает в игру второе начало термодинамики, пренебрегать которым недопустимо.
Второе начало термодинамики и включающая его в себя статистическая физика говорят о том, что в сложных системах (Вселенная, конечно, весьма сложная система) все процессы развиваются только в одном направлении — от прошлого к будущему, что тепло переходит от горячего тела к холодному так, что горячее тело остывает, а холодное нагревается (если в систему не вводится извне энергия, принуждающая горячее тело нагреваться или сохранять постоянную температуру). Второе начало термодинамики приводит к тому, что все изолированные периодические процессы постепенно затухают и прекращаются; например, размахи маятника после толчка постепенно уменьшаются, и он останавливается, если какой-либо механизм не поддерживает его колебаний.
Так возник парадокс. Решение Фридмана допускает бесконечное повторение циклов расширения-сжатия Вселенной, а второе начало термодинамики делает это невозможным. Все попытки преодолеть парадокс оказывались безуспешными.
Понадобился новый подход. Сахаров нашел его в математике. Сообщая о своей идее в 1978 году, он не входил в существо дела. Слова «многолистная Вселенная» намекали специалистам на путь к решению. Он лишь указал, что «…причиной перехода плоской Вселенной от расширения к сжатию может быть, в частности, сколь угодно малая по абсолютной величине космологическая постоянная соответствующего знака..»
Космологическая постоянная была введена Эйнштейном в уравнения Общей теории относительности для того, чтобы они не противоречили его убеждению в вечной неизменности Вселенной. Он сам и другие теоретики то отказывались от этой постоянной, то возвращали ее обратно, пытаясь с ее помощью разрешить очередную загадку космологии.
В 1980 году Сахаров возвратился к проблеме пульсирующей Вселенной. Соответствующая статья в «Журнале экспериментальной и теоретической физики» имеет название «Космологические модели Вселенной с поворотом стрелы времени».
Сахаров начинает с четкого определения того, в чем состоит одна из основных трудностей космологии, и кратко описывает ее современное состояние.
«Уравнения движения классической и нерелятивистской квантовой механики, а также квантовой теории поля допускают обращение времени (в теории поля — одновременно с СР- преобразованием). (Пример CP-преобразования — перемена знака заряда, наблюдаемая при помощи зеркала.) Статистические уравнения, однако, необратимы. Это противоречие известно с конца XIX века. Мы будем говорить о нем, как о «глобальном парадоксе обратимости» статистической физики. Традиционное объяснение относит необратимость к начальным условиям. Однако неравноправие двух направлений времени в картине мира при этом сохраняется.
Современная космология открывает возможность устранения этого парадокса. В настоящее время общепринята концепция расширяющейся Вселенной…»
Затем идет краткая характеристика математического описания начала фридмановского расширения. Сахаров говорит об этом начале, как о «фридмановской сингулярности», и для краткости обозначает его буквой Ф. Ниже мы будем воспроизводить текст Сахарова с сохранением этого обозначения. Далее Сахаров пишет: «В 1966—67 годах автор предположил, что в космологии можно рассматривать не только более поздние, чем Ф, но и более ранние моменты времени…»
Напомним, что до этого считался ненаучным вопрос о том, что было до момента Ф, то есть до начала фридмановского расширения Вселенной. Сахаров порвал с этой традицией и предположил, что второе начало термодинамики справедливо не только после, но и до фридмановского начала, когда процессы протекают не вперед во времени, а (если считать момент Ф началом отсчета времени, то есть признать момент Ф нулевым моментом времени) назад во времени. В результате при возрастании времени действуют нормальные статистические уравнения, а при движении в обратном направлении нужно считать эти уравнения обращенными по времени.
Сахаров разъясняет: «Это обращение относится ко всем неравновесным процессам (то есть к процессам, сопровождающимся каким-либо изменением с течением времени), включая информационные, то есть и к процессам жизни. Автор назвал такую ситуацию «поворотом стрелы времени». Поворот стрелы времени снимает парадокс обратимости — в картине мира в целом восстанавливается равноправие двух направлений времени, присущее уравнениям движения».
Вслед за этим Сахаров напоминает, что в статье, опубликованной в 1967 году, он выдвинул гипотезу о космологической СРТ-симметрии Вселенной. Вспомним и мы, что, согласно этой гипотезе, все события во Вселенной полностью симметричны по отношению к моменту космологического коллапса, то есть по отношению перехода от сжатия Вселенной к ее расширению. Напоминает Сахаров и о том, что, в соответствии с его гипотезой, «нейтральность Вселенной требует, чтобы барионная асимметрия возникла в ходе неравновесных процессов расширения Вселенной. При этом необходимо предположить нарушение барионного заряда…» (то есть допустить непривычную в то время мысль о возможности распада протона).
Затем Сахаров обсуждает детали, связанные с поворотом стрелы времени. Главный вывод состоит в том, что поворот стрелы времени возможен и в моделях с бесконечным повторением циклов расширения-сжатия. Важное преимущество многолистной модели с поворотом стрелы времени, то есть модели пульсирующей Вселенной, — возможность вычислить кривизну Вселенной из измерений реликтового излучения, открытого Пензиасом и Уилсоном. Эта кривизна получается очень малой, ее характеризует число 10-58, то есть Вселенная в целом с большой точностью подчиняется геометрии Евклида.
В 1982 году Сахаров еще раз возвращается к проблеме пульсирующей Вселенной. Статья «Многолистные модели Вселенной», законченная 24 марта 1982 г. в горьковской ссылке автора, начинается так:
«Пульсирующие (осциллирующие, или, как я предпочитаю их называть, «многолистные») модели Вселенной издавна привлекают внимание. С ними связываются надежды, что в природе, быть может, осуществляется внутренне привлекательная для многих осциллирующая картина Вселенной с бесконечным повторением в прошлом и будущем циклов космологического расширения и сжатия».
Далее рассмотрены три возможные модели вариантов развития Вселенной. Они различаются пространственной кривизной, величиной космологической постоянной и наличием или отсутствием поворота стрелы времени. Вслед за
