В начале было...

Вселенную, в которой мы живём, описывает Космологическая стандартная модель. Согласно этой модели, наш мир появился около тринадцати миллиардов лет назад в результате Большого взрыва некоего сверхплотного состояния нашей Вселенной — сингулярности. Что предшествовало этому событию, как возникла сингулярность, откуда появилась её масса, было совершенно непонятно — теории такого состояния нет. Неясна была и дальнейшая судьба расширяющейся Вселенной: станет ли её расширение продолжаться вечно, или оно сменится сжатием вплоть до очередной сингулярности.

Теория космогенеза, разработанная недавно российскими исследователями и впервые доложенная в мае прошлого года на международной конференции в Физическом институте им. П. Н. Лебедева Российской академии наук, показывает, что сингулярность — естественный продукт эволюции массивной звезды, превратившейся в чёрную дыру. Одна-единственная чёрная дыра способна дать многочисленное «потомство» в последующих вселенных. И этот процесс идёт непрерывно, ветвясь, подобно Древу Мира из скандинавских легенд. Многолистная гипервселенная бесконечна и в пространстве, и во времени.

КОСМОЛОГИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ

«В начале было Слово, и Слово было у Бога, и Слово было Бог». Коротко и чётко, но непонятно. К счастью, помимо теологии существует и космология — наука о Вселенной. Космологическая картина мира носит, по определению, объективный, внерелигиозный характер и поэтому интересна любому человеку, который ценит факты.

Вплоть до начала XX века космология оставалась умозрительной дисциплиной: это была ещё не физика, опирающаяся на эмпирический опыт и независимый эксперимент, а натурфилософия, базирующаяся на взглядах, в том числе и религиозных, самого учёного. Только с появлением современной теории гравитации, известной как ОТО — общая теория относительности, космология получила теоретическую базу. Многочисленные открытия как в астрономии, так и в физике дали нашей героине наблюдательные обоснования. Важным подспорьем для теории и наблюдений стал численный эксперимент. Заметим, что, вопреки некоторым утверждениям, между ОТО, с одной стороны, и наблюдениями и экспериментом — с другой противоречий нет. Ведь на основе ОТО не только вычислили величину отклонения луча света в поле тяготения Солнца, что, прямо скажем, не принципиально важно для народного хозяйства, но и рассчитывают орбиты планет и космических аппаратов, а также технические параметры ускорителей, включая Большой адронный коллайдер. Конечно, это не означает, что ОТО — истина в последней инстанции. Однако поиски новой теории гравитации идут в направлении обобщения уже имеющейся, а не отказа от неё.

Определение, которое мы дали космологии — науке о Вселенной, — довольно широкое. По справедливому замечанию Артура Эддингтона, вся наука — это космология. Поэтому логично пояснить на конкретных примерах, какие задачи и проблемы относятся к космологическим.

Построение модели Вселенной — это, безусловно, космологическая задача. В настоящее время общепринято, что Вселенная однородна и изотропна в больших масштабах (более 100 мегапарсек). Такая модель называется фридмановской по имени её первооткрывателя Александра Фридмана. В малых же масштабах вещество Вселенной подвержено процессу гравитационного скручивания за счёт гравитационной неустойчивости — сила притяжения, действующая между телами, стремится собрать их вместе. В конечном счёте это приводит к возникновению структуры Вселенной — галактик, их скоплений и т. д.

Вселенная нестационарна: она расширяется, причём с ускорением (инфляционно) из-за наличия в ней тёмной энергии — разновидности материи, давление которой отрицательно. Космологическую модель описывают несколько параметров. Это количество тёмной материи, барионов, нейтрино и число их сортов, значения постоянной Хаббла и пространственной кривизны, форма спектра начальных возмущений плотности (совокупности возмущений разных размеров), амплитуда первичных гравитационных волн, красное смещение и оптическая толща вторичной ионизации водорода, а также другие, менее значимые параметры. Каждый из них заслуживает отдельного разговора, определение каждого — целое исследование, и всё это относится к задачам космологии. Космологический параметр — не только число, но и физические процессы, управляющие миром, в котором мы живём.

РАННЯЯ ВСЕЛЕННАЯ

Возможно, ещё более важная космологическая проблема — вопрос о происхождении Вселенной, о том, что же было в Начале.

На протяжении столетий учёные представляли Вселенную вечной, бесконечной и статичной. То, что это не так, обнаружили в 20-х годах XX века: нестационарность решений уравнений гравитации была теоретически выявлена уже упоминавшимся А. А. Фридманом, а наблюдения (с верной интерпретацией) выполнены почти одновременно несколькими астрономами. Методически важно подчеркнуть, что само пространство никуда не расширяется: речь идёт об объёмном расширении крупномасштабного потока материи, растекающегося во все стороны. Говоря о Начале Вселенной, мы имеем в виду вопрос о происхождении этого космологического потока, которому был дан начальный толчок на расширение и придана определённая симметрия.

Идея вечной и бесконечной Вселенной трудами многих исследователей XX века, порой вопреки их личным убеждениям, сдала свои позиции. Открытие глобального расширения Вселенной означало не только то, что Вселенная нестатична, но и то, что её возраст конечен. После долгих споров о том, чему он равен, и многих важных наблюдательных открытий утвердилось число: 13,7 миллиарда лет. Это очень мало. Ведь два миллиарда лет назад по Земле уже что-то ползало. К тому же радиус видимой Вселенной слишком велик (несколько гигапарсек) для столь небольшого возраста. По-видимому, громадный размер Вселенной связан с другим — инфляционным — этапом расширения, который происходил в прошлом и сменился стадией замедленного расширения, управляемого гравитацией излучения и тёмной материи. Позднее наступает ещё один этап ускоренного расширения Вселенной, которым управляет уже тёмная энергия. Уравнения ОТО показывают, что при ускоренном расширении размер космологического потока возрастает очень быстро и оказывается больше светового горизонта.

Возраст Вселенной известен с точностью 100 миллионов лет. Но, несмотря на такую «невысокую» точность, мы (человечество) можем уверенно проследить процессы, протекавшие чрезвычайно близко по времени к «моменту рождения Вселенной» — порядка 10^-35 секунды. Это возможно потому, что динамика физических процессов, происходящих на космологических расстояниях, связана только с гравитацией и в этом смысле абсолютно ясна. Имея в наличии теорию (ОТО), мы можем экстраполировать Космологическую стандартную модель в современной Вселенной в прошлое и «посмотреть», как она выглядела в молодости. А выглядела она просто: ранняя Вселенная была строго детерминирована и представляла собой ламинарный поток материи, расширяющейся от сверхбольших плотностей.

СИНГУЛЯРНОСТЬ

Тринадцать миллиардов лет — это примерно 10^17 секунд. А «естественное» начало космологического потока при такой экстраполяции совпадает с планковским временем — 10^-43 секунды. Итого 43 + 17 = 60 порядков. Говорить о том, что было раньше 10^-43 секунды, бессмысленно, поскольку в силу квантовых эффектов планковский масштаб — это минимальный интервал, для которого понятие непрерывности и протяжённости применимо. На этом месте многие исследователи опускали руки. Мол, дальше пройти нельзя, поскольку у нас нет теории, мы не знаем квантовой гравитации и т.д.

Однако на самом деле нельзя сказать, что Вселенная «родилась» прямо с этим возрастом. Вполне возможно, что поток материи «проскочил» сверхплотное состояние за весьма короткое (планковское) время, то есть что-то заставило его пройти тот кратковременный этап. И тогда никакого логического тупика с планковским временем и постоянной Планка нет. Надо просто понять, что могло предшествовать началу космологического расширения, по какой причине и что «протащило» гравитирующую материю через состояние сверхбольшой плотности.

Ответ на эти вопросы, на наш взгляд, лежит в природе гравитации. Квантовые эффекты играют здесь второстепенную роль, видоизменяя и модифицируя понятие сверхплотной материи в течение краткого интервала времени. Конечно, сегодня мы не знаем всех свойств эффективной материи [эффективной эта «материя» называется потому, что в неё включены также параметры, описывающие возможные отклонения гравитации от ОТО. Напомним в этой связи, что современная наука оперирует раздельными физическими понятиями материи и пространства-времени (гравитации). В экстремальных условиях вблизи сингулярности такое деление условно — отсюда и термин «эффективная материя».] в экстремальных условиях. Но, учитывая краткий период этого этапа, мы в состоянии описать весь динамический процесс, опираясь лишь на известные законы сохранения энергии и импульса и считая, что они всегда выполняются в среднем метрическом пространстве-времени, независимо от того, какая квантовая «теория всего» будет создана в будущем.

КОСМОГЕНЕЗИС

В истории космологии было несколько попыток обойти проблему сингулярности и заменить её, например, концепцией рождения Вселенной как целого. Согласно гипотезе рождения из «ничего», мир возник из «точки», сингулярности, — сверхплотной области с очень высокой симметрией и всем остальным, что только можно придумать (метастабильность, неустойчивость, квантовый подбарьерный переход к фридмановской симметрии и др.). В этом подходе проблема сингулярности не решалась, а сингулярность постулировалась в виде исходного сверхплотного вакуумоподобного состояния (см. «Наука и жизнь» №№ 11, 12,1996г.).

Предпринимались и другие попытки «уйти» от сингулярности, однако их цена всегда была высокой. Взамен приходилось постулировать малопонятные конструкции либо сверхплотных (субпланковских) состояний материи, либо «отскоков» фридмановского потока от высокой плотности (смена сжатия на расширение), либо другие гипотетические рецепты поведения высокоплотной материи.

Сингулярность никому не нравится. Физическая картина мира предполагает видоизменяющийся, эволюционирующий, но постоянно существующий мир. Мы предлагаем иначе взглянуть на сингулярность и исходить из того, что сильно сжатые состояния, в которые при определённых условиях попадает и которые проходит динамическая гравитационно взаимодействующая система (в простейшем случае — звезда), объективны и естественны для гравитации. Сингулярные области как временные мосты или цепочки соединяют более протяжённые домены нашего мира. Если это так, то надо понять, что заставляет материю попадать в особые сингулярные состояния и как она из них выходит.

Как уже упоминалось, космологическое расширение начинается с космологической сингулярности — мысленно обращая время вспять, мы неизбежно приходим к моменту, когда плотность Вселенной обращается в бесконечность. Это положение мы можем считать очевидным фактом, опирающимся на КСМ и ОТО. Приняв его как данность, зададимся простым вытекающим отсюда вопросом: как возникает сингулярность, как гравитирующая материя попадает в сверхсжатое состояние? Ответ на удивление прост: к этому приводит процесс гравитационного сжатия массивной системы (звезды или другой компактной астрофизической системы) в конце её эволюции. В результате коллапса образуется чёрная дыра и, как следствие, — её сингулярность. То есть коллапс заканчивается сингулярностью, а космология начинается с сингулярности. Мы утверждаем, что это цепочка единого непрерывного процесса.

Вопрос о происхождении Вселенной, после нескольких проб, попыток его постановки и различных трактовок, приобрёл в XXI веке прочную научную основу в виде КСМ и её однозначной экстраполяции в прошлое по рельсам ОТО. Отталкиваясь в рассмотрении этой проблемы от единственной известной нам Вселенной, мы не должны забывать об общем физическом принципе, связанном с именем Николая Коперника. Когда-то считали, что Земля — центр мироздания, потом его связывали с Солнцем, позднее выяснилось, что наша Галактика не единственная, а лишь одна среди очень многих (только видимых галактик почти триллион). Логично предположить, что и вселенных очень много. То, что мы ничего пока не знаем о других, связано с большим размером нашей Вселенной — её масштаб заведомо превышает горизонт видимости.

Размер (масштаб) Вселенной — это размер причинно-связанной области, растянутый за время её расширения. Размер видимости — это расстояние, которое «прошёл» свет за время существования Вселенной, его можно получить, перемножив скорость света и возраст Вселенной. То, что Вселенная на больших масштабах изотропна и однородна, означает, что начальные условия в удалённых друг от друга областях Вселенной были сходными.

Мы уже упоминали, что этот большой масштаб объясняется наличием инфляционной стадии расширения. В доинфляционный период Большого взрыва расширяющийся поток мог быть совсем маленьким и вовсе не иметь черты фридмановской модели. А вот как сделать из малого потока большой — это не проблема космогенезиса, а технический вопрос существования конечной промежуточной стадии инфляции, способной расширить поток подобно тому, как увеличивается поверхность надуваемого воздушного шарика. Главная проблема космогенезиса не в размере космологического потока, а в его появлении. Подобно тому, как существует хорошо известный способ образования сжимающихся потоков материи (гравитационный коллапс), должен быть достаточно общий и простой физический механизм гравитационной генерации («зажигания») расширяющихся потоков материи.

ИНТЕГРИРУЕМЫЕ СИНГУЛЯРНОСТИ

Итак, как проникнуть «за» сингулярность? И что же там за ней?

Структуру пространства-времени удобно исследовать, мысленно запуская в него свободные пробные частицы и наблюдая, как они движутся. Согласно нашим расчётам, геодезические траектории [кратчайшие расстояния в пространстве определённой структуры. В евклидовом пространстве это прямые, в римановом — дуги окружности и т.д.] пробных частиц свободно распространяются во времени через сингулярные области определённого класса, которые мы назвали интегрируемыми сингулярностями. (В сингулярности расходится плотность или давление, но интеграл по объёму от этих величин конечен: масса интегрируемой сингулярности стремится к нулю, поскольку она занимает ничтожный объём.) Пройдя чёрную дыру, геодезические траектории оказываются в пространственно-временнОм домене (от франц. domaine — область, владение) белой дыры, который расширяется со всеми признаками космологического потока. Эта пространственно-временная геометрия едина, и её логично определить как чёрно-белую дыру. Космологический домен белой дыры расположен в абсолютном будущем по отношению к родительскому домену чёрной дыры, то есть белая дыра — естественное продолжение и порождение чёрной.

Эта новая концепция родилась совсем недавно. Создатели оповестили о её появлении в мае 2011 года на научной конференции, посвящённой памяти А. Д. Сахарова, проходившей во флагмане российской физики — Физическом институте им. П. Н. Лебедева Российской академии наук (ФИАН).

Авторы заявили, что любая вселенная (например, наша) может быть продуктом коллапса простого астрофизического объекта — звезды.

Каким же образом это возможно и почему ранее такой механизм космогенезиса не рассматривался? Начнем с ответа на первый вопрос.

Найти чёрную дыру несложно, их вокруг множество — в чёрных дырах сосредоточено несколько процентов всей массы звёзд Вселенной. Хорошо известен и механизм их возникновения. Часто можно услышать, что мы живём на кладбище чёрных дыр. Но можно ли это назвать кладбищем (концом эволюции), или за горизонтами событий чёрных дыр начинаются иные зоны (домены) нашего сложного мира, иные вселенные?

Мы знаем, что внутри чёрной дыры находится особая сингулярная область, в которую «сваливается» всё вещество, пойманное ею, и где гравитационный потенциал устремляется в бесконечность. Однако природа не терпит не только пустоты, но и бесконечностей или расходимости (хотя больших чисел никто не отменял). Мы смогли «пройти» область сингулярности, потребовав, чтобы гравитационные (метрические) потенциалы в ней, а значит, и приливные силы оставались конечными.

Расходимость метрических потенциалов можно устранить, сгладив с помощью эффективной материи сингулярность, что ослабляет её, но не ликвидирует полностью. (Такую интегрируемую сингулярность можно сравнить с поведением тёмного вещества при приближении к центру галактики. Его плотность стремится к бесконечности, но заключённая внутри уменьшающегося радиуса масса стремится к нулю из-за того, что объём внутри этого радиуса уменьшается быстрее, чем растёт плотность. Такая аналогия не абсолютна: галактический касп, область с расходящейся плотностью, — это пространственная структура, а сингулярность чёрной дыры возникает как событие во времени.) Поэтому, хотя плотность и давление расходятся, приливные силы, воздействующие на частицу, конечны, поскольку зависят от полной массы. Это и позволяет пробным частицам свободно проходить сингулярность: они распространяются в непрерывном пространстве-времени, и для описания их движения информация о распределении плотности или давления не требуется. А с помощью пробных частиц можно описывать геометрию — строить системы отсчёта и измерять пространственные и временные интервалы между точками и событиями.

ЧЁРНО-БЕЛЫЕ ДЫРЫ

Итак, пройти сингулярность можно. И следовательно, можно «увидеть», что же находится за ней, по какому такому пространству-времени продолжают распространяться наши пробные частицы. А попадают они в область белой дыры. Уравнения показывают, что происходит своеобразная осцилляция: поток энергии из сжимающейся области чёрной дыры продолжается в расширяющуюся область белой. Импульс не спрячешь: коллапс инвертируется в антиколлапс с сохранением полного импульса. И это уже иная вселенная, поскольку белая дыра, заполненная материей, обладает всеми свойствами космологического потока. Это значит, что и наша Вселенная, возможно, порождение какого-то другого мира.

Картина, следующая из полученных решений уравнений гравитации, складывается такая. Родительская звезда коллапсирует в материнской вселенной и формирует чёрную дыру. В результате коллапса вокруг звезды возникают разрушительные приливные гравитационные силы, которые деформируют и разрывают вакуум, рождая в пустом до того пространстве материю. Эта материя из сингулярной области чёрно-белой дыры попадает в другую вселенную, расширяющуюся под действием гравитационного импульса, полученного в ходе коллапса родительской звезды.

Совокупная масса частиц в такой новой вселенной может быть сколь угодно большой. Она может значительно превышать массу родительской звезды. При этом масса образующейся (родительской) чёрной дыры, измеренная наблюдателем, находящимся во внешнем пространстве материнской вселенной, конечна и близка к массе сколлапсировавшей звезды. Здесь нет парадокса, поскольку разница масс компенсируется гравитационной энергией связи, имеющей отрицательный знак. Можно сказать, что новая вселенная находится в абсолютном будущем по отношению к материнской (старой) вселенной. Иначе говоря, туда попасть можно, а обратно уже не вернёшься.

АСТРОГЕННАЯ КОСМОЛОГИЯ, ИЛИ МНОГОЛИСТНАЯ ВСЕЛЕННАЯ

Такой сложный мир напоминает Древо Жизни (генеалогическое древо, если угодно). Если в процессе эволюции во Вселенной возникают чёрные дыры, то через них частицы могут попасть в другие ветви (домены) мироздания — и так далее по временным гирляндам чёрно-белых дыр. Если же чёрные дыры по тем или иным причинам не образуются (например, не рождаются звёзды), возникает тупик — генезис (творение) новых вселенных в этом направлении прерывается. Но при благоприятном стечении обстоятельств поток «жизни» может возобновиться и расцвести даже из одной чёрной дыры — для этого необходимо создать условия для производства новых поколений чёрных дыр в последующих вселенных.

Как могут возникать «благоприятные обстоятельства» и от чего они зависят? В нашей модели это связано со свойствами эффективной материи, рождающейся под действием экстремальной гравитации вблизи сингулярностей чёрно-белых дыр. По сути, речь идёт о нелинейных фазовых переходах в квантово-гравитационной материальной системе, имеющих характер флуктуации и, следовательно, подверженных случайным (бифуркационным) изменениям. Следуя вразрез с крылатой фразой Эйнштейна, можно сказать, что «Бог кидает кости», а дальше эти кости (начальные условия) могут сложиться в детерминированные домены новых вселенных, а могут и остаться неразвитыми «эмбрионами» космогенезиса. Здесь, как и в жизни, действуют свои законы естественного отбора. Но это уже предмет дальнейших исследований и будущих работ.

КАК ИЗБЕЖАТЬ СИНГУЛЯРНОСТИ

В своё время была предложена концепция осциллирующей, или циклической, Вселенной, основанная на гипотезе «отскоков». Согласно ей, Вселенная существует в виде бесконечного числа циклов. Её расширение сменяется сжатием почти до сингулярности, вслед за чем опять наступает расширение, и ряд таких циклов уходит в прошлое и будущее. Не очень понятная концепция, поскольку, во-первых, нет наблюдательных свидетельств, что однажды расширение нашего мира сменится сжатием, а во-вторых, неясен физический механизм, заставляющий Вселенную совершать такие колебательные движения.

Другой подход к происхождению мира связан с гипотезой самовосстанавливающейся Вселенной, предложенной много лет живущим в США российским учёным А. Д. Линде. Согласно этой гипотезе, мир можно представить как кипящий котёл. Глобально Вселенная — это горячий бульон с высокой плотностью энергии. В нём возникают пузыри, которые либо схлопываются, либо расширяются, причём, при определённых начальных условиях, длительное время. Предполагается, что характеристики (любые, какие только можно придумать, включая набор фундаментальных констант) пузырей возникающих миров имеют некоторый спектр и широкий диапазон. Здесь возникает много вопросов: откуда взялся такой «бульон», кто его заварил и что поддерживает, насколько часто реализуются начальные условия, приводящие к появлению вселенных нашего типа, и др.

КАК МОГУТ ОБРАЗОВЫВАТЬСЯ ИНТЕГРИРУЕМЫЕ СИНГУЛЯРНОСТИ

По мере приближения к сингулярности нарастающие приливные силы действуют на вакуум физических полей, деформируют и разрывают его. Происходит, как говорят, поляризация вакуума и рождение частиц материи из вакуума — его пробой.

Такая реакция физического вакуума на внешнее интенсивное воздействие быстропеременного гравитационного поля хорошо известна. Это, по сути, эффект квантовой гравитации — гравитационные натяжения трансформируются в материальные поля, происходит перераспределение физических степеней свободы. Сегодня подобные эффекты умеют считать в приближении слабого поля (так называемый квазиклассический предел). В нашем же случае речь идёт о мощных нелинейных квантово-гравитационных процессах, где необходимо принимать во внимание обратное гравитационное влияние рождённой эффективной материи на эволюцию средней метрики, определяющей свойства четырёхмерного пространства-времени (когда квантовые эффекты в гравитации становятся сильными, метрика становится «дрожащей» и о ней можно говорить только в среднем смысле).

Это направление требует, конечно, дальнейших исследований. Однако уже сейчас можно предположить, что, согласно принципу Ле Шателье, обратное влияние приведёт к такой перестройке метрического пространства, что рост приливных сил, вызывающий неограниченное рождение эффективной материи, пресечётся и, следовательно, метрические потенциалы перестанут расходиться и останутся конечными и непрерывными".

Доктор физико-математических наук Владимир Лукаш,
Кандидат физико-математических наук Елена Михеева,
Кандидат физико-математических наук Владимир Строков (Астрокосмический центр ФИАН),

Источник: "Наука и жизнь", № 9, 2012