logo search
Касперович

Тема 7. Современная космологическая картина мира и модели Вселенной

Основные понятия:

Вселенная (Универсум); метагалактика; космология; предмет космологии; протовещество; Большой взрыв; вывод Фридмана; модель пульсирующей Вселенной; теория горячей Вселенной; инфляционная теория, реликтовое излучение; универсальные постоянные; структура Вселеной; Великое объединение, Суперобъединение, антропный космологический принцип (АКП); гипотеза Троицкого В.С.; гипотеза Шварцмана В.Ф.; космологические модели Вселенной; «молчание космоса».

В истории культуры можно найти множество попыток ответить на вопрос о происхождении мира. Таковыми являются мифологические, религиозные, научные. Однако, только наука способна в силу своей специфики дать рациональное обоснование этой проблеме. Прежде всего, нужно сказать о различии трех близких по смыслу понятий, а именно таких, как бытие, универсум и Вселенная. Понятие бытие является философским и обозначает все существующее, бытующее. Понятие универсум употребляется в философии, и в науке, не имея специфической философской нагрузки (в плане противопоставления бытия и сознания), и обозначает все как таковое. Значение термина Вселенная более узкое и приобрело специфически научное звучание.

Вселенная – это весь существующий материальный мир, безграничный во времени и пространстве и бесконечно разнообразный по формам, которые принимает материя в процессе своего развития. Часть Вселенной, охваченная астрономическими наблюдениями, называется Метагалактикой, или нашей Вселенной.

Можно отметить размеры Метагалактики: радиус космологического горизонта составляет приблизительно 20 млрд световых лет. Световым годом называют расстояние, которое световой луч, движущийся со скоростью 300 000 км/сек (скорость света в вакууме) преодолевает за один год, то есть составляет 10 триллионов километров. Строение и эволюция Вселенной изучается космологией.

Космология – один из тех разделов естествознания, которые по своему существу всегда находятся на стыке наук. Космология – это междисциплинарная наука, она использует достижения и методы физики, математики, философии. Изучение Вселенной как единого упорядоченного целого основывается на следующих предпосылках:

  1. Формулируемые физикой универсальные законы функционирования мира считаются действующими во всей Вселенной.

  2. Производимые астрономами наблюдения тоже признаются распространяемыми на всю Вселенную.

  3. Истинными признаются только те выводы, которые не противоречат возможности существования самого наблюдателя, то есть человека (антропный принцип).

Выводы космологии называются моделями происхождения и развития Вселенной. Это связано с тем, что одним из основных принципов современного естествознания является представление о возможности проведения в любое время управляемого и воспроизводимого эксперимента над изучаемым объектом, на основе которого делается заключение о наличии закона. Ко Вселенной это методологическое правило остается неприменимым, так как наука формирует универсальные законы, а Вселенная уникальна. Поэтому все заключения о происхождении и развитии Вселенной следует считать не законами, а моделями, то есть возможными вариантами объяснения. Предмет космологии – весь окружающий нас мегамир, вся «большая Вселенная».

Задача космологии состоит в описании наиболее общих свойств, строения и эволюции нашей Вселенной. Поэтому выводы космологии имеют большое мировоззренческое значение и опираются на данные астрономии и астрофизики.

Современная астрономия не только открыла грандиозный мир галактик, но и обнаружила уникальные явления: расширение Метагалактики; космическую распространенность химических элементов; реликтовое излучение, свидетельствующее о том, что Вселенная непрерывно развивается. С эволюцией структуры Вселенной связано возникновение скоплений галактик, обособление и формирование звезд и галактик, образование планет и их спутников. Космогонией ( от греч. «космос» и «гонейа» – зарождение) называют раздел астрономии, занимающийся вопросами происхождения и развития небесных тел и их систем (различают планетную, звездную, галактическую космогонию).

Современная космология как наука о строении и эволюции Вселенной еще очень молодая наука, возникшая в начале ХХ века. Хотя космологические построения являлись сердцевиной многих учений, начиная с древности, все они выступают предысторией научной космологии. Лишь создание общей теории относительности Эйнштейна в 1916 году открыло новую строго научную эру развития этой дисциплины. Первая релятивистская модель, основанная на новой теории тяготения и претендующая на описание всей Вселенной, была построена А.Эйнштейном в 1917 году. Однако она описывала стационарную Вселенную, и, как показали астрофизические наблюдения, оказалась неверной. Современный же этап ее истории свидетельствует о полном слиянии двух, в прошлом различных, отраслей знания – космологии и физики элементарных частиц в одну науку. Так что рассматриваемые в космологии модели эволюции Вселенной – не досужие домыслы фантазеров, а модели, которые еще должны прорабатываться, дополняться, но в рамках которых видится возможность для решения как известных космологических проблем, так и проблем физики элементарных частиц.

Наиболее общепринятой в современной космологии является модель однородной изотропной нестационарной горячей расширяющейся Вселенной. В основе этой модели лежат два предположения:

  1. свойства Вселенной одинаковы во всех ее точках (однородность) и направлениях (изотропность);

  2. наилучшим известным описанием гравитационного поля являются уравнения Эйнштейна.

Из этого следует так называемая кривизна пространства и связь кривизны с плотностью массы (энергии). Важным пунктом данной модели является ее нестационарность. Это определяется двумя постулатами теории относительности:

  1. принципом относительности (во всех инерционных системах все законы сохраняются вне зависимости от того, с какими скоростями, равномерно и прямолинейно движутся эти системы друг относительно друга);

  2. экспериментально подтвержденным постоянством скорости света.

Из принятия теории относительности вытекало, что искривленное пространство не может быть стационарным: оно должно или расширяться, или сжиматься. Первым это заметил петроградский физик и математик Александр Александрович Фридман. Однако на этот вывод не было обращено внимания вплоть до открытия американским астрономом Эдвином Хабблом в 1929 году так называемого «красного смещения».

Красное смещение – это понижение частот электромагнитного излучения: в видимой части спектра линии смещаются к его красному концу. Это объясняется эффектом Доплера (при удалении от нас какого-либо источника колебаний, (излучений) воспринимаемая нами частота колебаний уменьшается, а длина волны соответственно увеличивается); при излучении происходит «покраснение», т.е. линии спектра сдвигаются в сторону более длинных красных волн. Таким образом, для всех далеких источников света красное смещение было зафиксировано, причем чем дальше находился источник, тем в большей степени. Красное смещение оказалось пропорционально расстоянию до источника, что и подтверждает гипотезу о расширении Метагалактики, т.е. видимой части Вселенной.

Конечна или бесконечна Вселенная, какая у нее геометрия – эти и многие другие вопросы связаны с эволюцией Вселенной, в частности, с наблюдаемым расширением. Если, как это считают в настоящее время, скорость «разлета» галактик увеличивается на 75 км/сек на каждый миллион парсек, то экстраполяция к прошлому приводит к удивительному результату: примерно 10-20 млрд. лет назад вся Вселенная была сосредоточена в очень маленькой области. Многие ученые считают, что в то время плотность Вселенной была такая же, как у атомного ядра. Проще говоря, Вселенная тогда представляла собой одну гигантскую «ядерную каплю». По каким-то причинам эта «капля» пришла в неустойчивое состояние и взорвалась. Такой процесс называется «Большим взрывом». Стоит сказать, что этот взрыв не является подобием обычного взрыва на Земле, который начинается из определенного центра и затем распространяется, захватывая все больше и больше пространства. «Большой взрыв» произошел одновременно везде, заполнив с самого начала все пространство. Наблюдаемая нами картина разлета галактик происходила с одинаковой скоростью и в сколь угодно далеком прошлом. А именно на таком предположении и основана гипотеза первичной Вселенной – гигантской «ядерной капли», пришедшей в состояние неустойчивости. Это предшествующее взрыву особое состояние ученые называют «сингулярным». Оно отличалось бесконечной плотностью массы, бесконечной кривизной пространства, столь высокой температурой, при которой еще неразличимы вещество и излучение и т д. Считается, что именно в «окрестностях» сингулярности закладывались и материал строения, и константы, и законы современного состояния эволюции Вселенной.

С эволюцией структуры Вселенной связано возникновение скоплений галактик, обособление и формирование звезд и галактик, образование планет и их спутников. Сама Вселенная возникла примерно 20 млрд лет тому назад из некоего плотного и горячего протовещества. Сегодня можно только предполагать, каким было это прародительское вещество Вселенной, как оно образовалось, каким законам подчинялось, и что за процессы привели его к расширению. Существует точка зрения, что с самого начала протовещество с гигантской скоростью начало расширяться. На начальной стадии это плотное вещество разлеталось, разбегалось во всех направлениях и представляло собой однородную бурлящую смесь неустойчивых, постоянно распадающихся при столкновениях частиц. Остывая и взаимодействуя на протяжении миллионов лет, вся эта масса рассеянного в пространстве вещества, концентрировалась в большие и малые газовые образования, которые в течение сотен миллионов лет, сближаясь и сливаясь, превращались в громадные комплексы. В них в свою очередь возникали более плотные участки – там впоследствии и образовались звезды и даже целые галактики. Предположительно, в результате гравитационной нестабильности в разных зонах образовавшихся галактик смогли сформироваться плотные «протозвездные образования» с массами, близкими к массе Солнца. Начавшийся процесс сжатия ускорился под влиянием собственного поля тяготения. Процесс этот сопровождался свободным падением частиц облака к его центру – происходило гравитационное сжатие. В центре облака образуется уплотнение, состоящее из молекулярного водорода и гелия. Возрастание плотности и температуры в центре приводит к распаду молекул на атомы, ионизации атомов и образованию плотного ядра протозвезды.

Существует гипотеза о цикличности состояния Вселенной. Возникнув когда-то из сверхплотного сгустка материи, Вселенная, возможно, уже в первом цикле породила внутри себя миллиарды звездных систем и планет. Но затем неизбежно Вселенная начинает стремиться к тому состоянию, с которого началась история цикла, красное смещение сменяется фиолетовым, радиус Вселенной постепенно уменьшается, и, в конце концов, вещество Вселенной возвращается в первоначальное сверхплотное состояние, по пути к нему безжалостно уничтожив всяческую жизнь. И так повторяется каждый раз, в каждом цикле на протяжении вечности!

К началу 30-х годов сложилось мнение, что главные составляющие Вселенной – галактики, каждая из которых в среднем состоит из 100 млрд звезд. Солнце вместе с планетной системой входит в нашу Галактику, основную массу звезд которой мы наблюдаем в форме Млечного Пути. Кроме звезд и планет, Галактика содержит значительное количество разреженных газов и космической пыли.

Таким образом, согласно представлениям современной науки, наша Вселенная возникла примерно 20 млрд лет тому назад из некоего плотного и горячего протовещества.

В настоящее время космологи предполагают, что Вселенная не расширялась «от точки до точки», а как бы пульсирует между конечными пределами плотности. Это означает, что в прошлом скорость разлета галактик была меньше, чем сейчас, а еще раньше система галактик сжималась, т.е. галактики приближались друг к другу с тем большей скоростью, чем большее расстояние их разделяло. Такая модель имеет название «пульсирующей Вселенной». Современная космология располагает рядом аргументов в пользу данной модели. Однако они носят чисто математический характер; главнейший из них – необходимость учета реально существующей неоднородности Вселенной. Окончательно решить вопрос, какая из двух гипотез – «ядерной капли» или «пульсирующей Вселенной» – справедлива, сейчас невозможно.

Начиная с конца сороковых годов прошлого века все большее внимание в космологии привлекает физика процессов, на разных этапах космологического расширения. В выдвинутой в это время Г.А. Гамовым теории горячей Вселенной рассматривались ядерные реакции, протекавшие в самом начале расширения Вселенной в очень плотном веществе. При этом предполагалось, что температура вещества была велика и падала с расширением Вселенной. Теория показывала, что вещество, из которого формировались первые звезды и галактики, должно состоять в основном из водорода (на 75%) и гелия (25%), примесь других химических элементов незначительна. Другой вывод теории – у сегодняшней Вселенной должно существовать слабое электромагнитное излучение, оставшееся от эпохи большой плотности и высокой температуры вещества. Такое излучение в ходе расширения Вселенной было названо реликтовым излучением – фоновое космическое излучение, возникшее вследствие аннигиляции вещества и антивещества, спектр которого близок к спектру абсолютно черного тела. Существование реликтового излучения было предсказано еще в 1948 году Г. Гамовым, Р. Альфером и Р. Херманом на основании фридмановской модели эволюции Вселенной. В 1964 году американскими радиоастрономами А. Пензиасом и Р. Вилсоном был зарегистрирован радиошум, который оказался шумом, соответствующим реликтовому излучению. Излучение это должно было выжить в процессе расширения Вселенной, вследствие которого температура его должна была постепенно понижаться и на сегодняшний день составлять примерно 3 градуса Кельвина.

Таким образом, можно подытожить, что начальное состояние Вселенной (так называемая сингулярная точка): – это бесконечная плотность массы, бесконечная кривизна пространства и взрывное, замедляющееся со временем расширение при высокой температуре, при которой могла существовать только смесь элементарных частиц.

Современная космология рассматривает в качестве одного из наиболее вероятных сценариев эволюции Вселенной, в рамках которого удается решить большинство космологических проблем, сценарий, включающий инфляционную стадию. Основная идея инфляционной теории состоит в том, что расширение Вселенной и весь последующий ход ее эволюции рассматриваются из состояния, когда вся материя была представлена только физическим вакуумом.

Вакуум – это пространство, в котором отсутствуют реальные частицы и выполняется условие минимума плотности энергии в данном объеме. По современным научным представлениям, вакуум является своеобразной формой материи, способной при определенных условиях «рождать» вещественные частицы. Квантовая механика допускает, что вакуум может приходить в «возбужденное состояние», вследствие чего в нем может образоваться поле, а из него вещество. Рождение Вселенной «из ничего» означает ее самопроизвольное возникновение из вакуума в результате случайной флуктуации (случайное отклонение системы от равновесного положения). Флуктуация представляет собой появление виртуальных частиц, которые непрерывно рождаются и сразу же уничтожаются.

Между тем, сейчас, на самых различных структурных уровнях и отрезках пространственно-временной шкалы приходится допускать флуктуации как случайные, вероятностные отклонения от равновесных состояний. Необходимость и неизбежность возникновения сколь угодно больших неравновесных областей видел уже Л. Больцман более сотни лет назад. Во второй половине XX века появляется «вселенная Терлецкого», сплошь заполненная гигантскими флуктуациями; сейчас уже речь пошла о «статистической термодинамике гравитирующих систем» (то есть происходит своего рода переход от «специальной» теории флуктуации к «общей»). И в этой связи ученые говорят о вакууме как порождающей структуре, в некотором роде сам вакуум предстает как гигантская флуктуация. Так или иначе, флуктуации – не отклонения, а норма, или форма существования статистически равновесных состояний (К.П. Станюкович, И.Р. Плоткин), перехода на новые «листы развития».

Вакуум нашей Вселенной обладает вполне конкретными свойствами, определившими характер взаимодействий, специфику явлений, протекающих в нашем мире, размерность пространства, в котором мы живем. Возможно, наша Вселенная – это лишь мини-Вселенная, обитаемый островок, на котором возникла жизнь нашего типа. Инфляция (от лат. inflatio) означает «вздутие». Инфляционная стадия предполагает процесс вздутия Вселенной. При этом вакуум той эпохи Вселенной – «ложный» вакуум. Он отличается от истинного вакуума (считается, что истинный вакуум – это состояние с наинизшей энергией) тем, что обладает огромной энергией. Квантовая природа наделяет «ложный» вакуум стремлением к гравитационному отталкиванию, обеспечивающему его раздувание. Этот «ложный» вакуум представляет собой симметричное, но энергетически невыгодное, нестабильное состояние, что на языке физики означает стремление его к распаду. Эволюция Вселенной предстает в контексте инфляционной теории как синергетический самоорганизующийся процесс. Если встать на точку зрения модели Вселенной как замкнутой системы, то процессы самоорганизации могут быть рассмотрены в ней как взаимодействие двух открытых подсистем – физического вакуума и всевозможных микрочастиц и квантов полей. Считается, что в процессе расширения из вакуумного суперсимметричного состояния Вселенная разогрелась до «большого взрыва». Дальнейший ход ее истории пролегал через критические точки – точки бифуркации, в которых происходили спонтанные нарушения симметрии исходного вакуума. В эти моменты энергия из вакуума перекачивалась в энергию тех частиц и полей, которые из вакуума же и рождались. Причем ход этой эволюции, выбор путей дальнейшего развития в моменты бифуркаций оказался именно таким, в результате которого появилась жизнь нашего типа.

Стоит отметить, что теория относительности соответствует двум разновидностям модели расширяющейся Вселенной. В первой из них кривизна пространства – времени отрицательна или в пределе равна нулю; в этом варианте все расстояния со временем неограниченно возрастают. Во второй разновидности модели кривизна положительна, пространство конечно, и в этом случае расширение со временем заменяется сжатием. В обоих вариантах теория относительности согласуется с нынешним эмпирически подтвержденным расширением Вселенной. Однако возникают вопросы: что же было тогда, когда не было ничего? что находится за пределами расширения? Первый вопрос, очевидно, противоречив сам по себе, второй выходит за рамки конкретной науки. Тем не менее, формулировки и возможные обоснования ответов на эти вопросы, являющиеся не столько научными, сколько натурфилософскими существуют.

Космогония считает бессмысленным вопрос о начале мира и о происхождении всей «большой вселенной». Весь опыт человечества показывает, что материя несотворима и неуничтожима, т.е. не возникает из ничего и не исчезает бесследно. Она лишь меняет форму своего существования. В основе научной космогонии лежат: закон сохранения энергии при возможности перехода ее различных видов друг в друга и закон сохранения вещества.

Космогония опирается не только на всю совокупность наук о природе, но и на философию. Основная трудность решения вопросов космогонии состоит в том, что небесные тела развиваются и меняются чрезвычайно медленно. В сравнении с возрастом науки возраст небесных тел необычайно велик. Галактика представляет собой гигантские скопления звезд и их систем, имеющие свой центр (ядро) и различную, не только сферическую, но часто спиралевидную, эллиптическую, сплюснутую или вообще неправильную форму. Галактик – миллиарды, и в каждой из них насчитывается миллиарды звезд. Наша галактика называется Млечный Путь и состоит из 150 млрд звезд. Она состоит из ядра и нескольких спиральных ветвей. Ее размеры – 100 000 световых лет. Большая часть звезд нашей галактики сосредоточена в гигантском «диске» толщиной 1500 световых лет. На расстоянии около 30 000 световых лет от центра галактики расположено Солнце. Ближе всего к нашей галактике «туманность Андромеды». Она названа так, потому что именно в созвездии Андромеды в 1917 году был открыт первый внегалактический объект.

Его принадлежность к другой галактике была доказана в 1923 году Э.Хабблом, нашедшим путем спектрального анализа в этом объекте звезды. А в 1963 году были открыты квазары – квазизвездные источники энергии, предположительно являющиеся протоядром новых галактик. Возможно, они представляют собой особую точку Вселенной, в которой сохранилось сверхплотное вещество. Открытие квазаров свидетельствует о том, что процесс образования новых галактик продолжается и поныне.

Неклассическое естествознание позволило разрешить классические парадоксы – фотометрический и гравитационный. Они связаны с тем, что при бесконечном количестве светил в бесконечной Вселенной мы должны были бы иметь залитое светом небо и, соответственно, бесконечную силу тяготения. Оба легко устраняются в концепции расширяющейся Вселенной. Выяснилось, что космологические парадоксы во многом порождены как раз идеализациями. Так, фотометрический парадокс не учитывает наличия потухших звезд (то есть вступает в противоречие даже с I началом термодинамики – законом сохранения энергии). Так же и «тепловая смерть» – она вытекает из объединения статистических закономерностей (энтропии) с представлением о равновесной, нестатистической Вселенной.

А вот о термодинамическом парадоксе следует сказать особо. Любые замкнутые (то есть не обменивающиеся взаимодействиями, информацией) системы ожидает, как уже говорилось, тепловая смерть – переход к состоянию максимального равновесия (или хаоса), в котором уже ничего не может произойти. Так что сама по себе идея расширения Вселенной еще не снимает вопроса. Однако в рамках этой концепции разработан ряд моделей незамкнутых вселенных, взаимодействующих между собой подобно микрочастицам. В ряде моделей вселенная «пульсирует», особые антиэнтропийные свойства порождает включение в картину космологической эволюции, жизни и разума, возможности изменения (эволюции) самих космологических постоянных. Конечно, неизбежно возникает вопрос: «Такая Вселенная (вселенные) – это реальность или теоретический конструкт?» Но о такой постановке вопроса уже говорилось чуть выше. По существу Вселенная (и как реальность, и как теоретический конструкт) – уникальный полигон для выработки и обкатки самых удивительных естественнонаучных идей.

Даже схематичная и общая характеристика идеи возникновения всего (Вселенной) из ничего, или из вакуума, вызывает у человека немало удивления. Но этим дело не ограничилось. По мере того как ученые проникали в детали этого процесса, перед ними открывались все более удивительные вещи. Одна из них связана с так называемым фундаментальными постоянными, которые нередко называют мировыми константами. Принято отличать простые постоянные величины от фундаментальных универсальных постоянных. Например, Земля имеет постоянную массу, но существуют другие планеты, масса которых существенно отлична от земной. Значит, масса планеты не является универсальной постоянной. Тогда как масса электрона или масса протона всюду во Вселенной одинакова, это – универсальные постоянные. Общее число фундаментальных универсальных постоянных невелико (заряд протона, постоянная Планка, скорость света, гравитационная постоянная Ньютона и т.д.). Но оказывается, что для довольно полного описания природы требуется совсем немного таких параметров. Причем, они чуть ли не однозначно определяют строение и свойства физических объектов Вселенной. А поскольку эти постоянные возникли на ранних этапах Вселенной, когда объектов даже не существовало, то мы очевидно имеем право утверждать, что универсальные постоянные предопределяют структуру нашей Вселенной. Этот вопрос приобретает еще большую остроту, если учесть, что мировые константы не изолированы, а очень тонко подстроены друг под друга и оказывают свое влияние на структуру и свойства Вселенной в разных сочетаниях и все вместе как согласованный ансамбль. Может ли возникнуть такое совпадение случайно?

По мере проникновения в тайны строения физического мира от элементарных частиц до галактик ученые не перестают удивляться точно «подобранным» значениям фундаментальных постоянных, удивительному совпадению ряда чисел, построенных из этих фундаментальных постоянных, так называемой «тонкой подстройкой» Вселенной. А если бы в природе реализовалась другая последовательность чисел, какой была бы тогда Вселенная?

Удивительные свойства природы открываются в своеобразной игре фундаментальных природных констант, и оказывается, что в так называемой постоянной тонкой структуре (в ядерной физике) задействованы числа « золотого сечения» (а = 1/137), что существуют поразительные совпадения значений констант в самых различных областях естествознания, взаимосвязь между нижними и верхними пределами шкалы констант.

На протяжении всей истории познания человеческий разум ищет в бесконечном разнообразии окружающего мира повторяемость, устойчивость – константы, инварианты, симметрии. Действительно, такой поиск всегда был путеводной нитью для естествознания. Но стоит найти одну группу инвариантов (величин, законов, остающихся неизменными при определенных преобразованиях), ту или иную форму симметричности, как вскоре обнаруживаются их нарушения в определенных условиях, вынуждающие искать новые, более фундаментальные.

Сама природа подсказывает нам, что элементарные частицы являются своего рода узловыми точками, сгущениями некоего единого поля, а раз так, то первостепенная задача – создать теорию такого единого поля, или единую теорию поля. Чтобы представить себе масштабность такой задачи и одновременно перспективы, открывающиеся ее решением, приведем масштаб природных величин и процессов от атомных до космологических порядков. Радиус протона равен 10-15 см, а радиус наблюдаемой Вселенной 1028 см (10 миллиардов световых лет, т. е. расстояние, которое свет пройдет за 10 000 000 000 лет!). На всем диапазоне этой шкалы, охватывающей 43 порядка, природа «играет» четырьмя основными типами взаимодействий. Это:

1) «сильные» взаимодействия между адронами (от греч. адрос – сильный), к которым относятся барионы (от греч. бариос – тяжесть), нуклоны (протоны и нейтроны), гипероны и мезоны. Сильные взаимодействия возможны только на больших (по меркам микромира) расстояниях (10~13 см и состоят в испускании промежуточных частиц, переносящих ядерные силы (пи-мезонов). Одно из проявлений сильных взаимодействий – ядерные силы;

2) электромагнитные взаимодействия, которые в 100–1000 раз слабее «сильных» и сопровождаются испусканием или поглощением фотонов;

3) «слабые» взаимодействия, радиус действия которых еще на порядок меньше электромагнитных. Именно за счет таких взаимодействий светит Солнце (протон превращается в нейтрон, позитрон – в нейтрино). Испускаемые нейтрино имеют огромную проникающую способность, они могут пройти через железную плиту толщиной 1 млрд. км. «Слабые» взаимодействия происходят не контактным образом, а через обмен бозонами, виртуальными и нестабильными;

4) гравитационное взаимодействие во много раз слабее электромагнитного. Но гравитационное притяжение существует всегда, в то время как электрические силы существуют только, если тела обладают электрическими зарядами. Радиус гравитационного подчиняется тем же закономерностям, что и электромагнитное. К сожалению, о его природе мы знаем не намного больше, чем во времена Ньютона.

Указанные выше взаимодействия и связанные с ними поля согласно квантовой теории поля – квантованы, то есть содержат соответствующие каждому конкретному полю кванты, посредством которых и осуществляются взаимодействия между частицами.

Квантом гравитационного поля является гравитон. Однако гравитон пока не установлен экспериментально, равно как и не построена по сей день теория квантовой гравитации.

Квантом электромагнитного поля является фотон. Масса покоя фотона равна 0. Фотон не несет на себе электрического заряда. Это обеспечивает линейный характер электромагнитных взаимодействий и большой радиус их действия.

Квантами слабого взаимодействия являются три бозона – W+, W-, Z°-бозоны. Верхние индексы указывают знак электрического заряда этих квантов. Кванты слабого взаимодействия имеют значительную массу, что приводит к тому, что слабое взаимодействие проявляется на очень коротких расстояниях.

Квантами сильного взаимодействия являются восемь глюонов. Свое название глюоны получили от английского слова glue (клей), ибо именно они ответственны за конфайнмент(удержание цвета) кварков. Массы покоя глюонов равны нулю. Это электрически нейтральные частицы. Однако глюоны обладают цветным зарядом, благодаря чему они способны к взаимодействию друг с другом, как говорят, к самодействию, что приводит к трудностям описания сильного взаимодействия математически ввиду его нелинейности. Если слабое взаимодействие ответственно за изменение ароматов кварков, то сильное взаимодействие, осуществляемое посредством обмена глюонами между кварками, приводит к изменению цветов кварков. Так что в ядре постоянно происходят превращения протонов в нейтроны и наоборот – за счет обмена квантами слабого взаимодействия между кварками, вследствие чего u-кварк превращается в d-кварк и наоборот. Кроме этого, внутри протонов и нейтронов кварки постоянно меняют свои цвета, испуская и поглощая глюоны. При этом протоны и нейтроны остаются бесцветными. Подобная инвариантность требует существования поля сильного взаимодействия для поддержания цветовой симметрии кварков. Хвост сильного взаимодействия между кварками внутри протонов и нейтронов обеспечивает силы притяжения между протонами и протонами, протонами и нейтронами, нейтронами и нейтронами внутри ядра (ядерные силы).

В настоящую эпоху эволюции Вселенной константы связи различных взаимодействий соотносятся следующим образом:

as :аЕ :aw :aG = 1

где as – константа связи сильного взаимодействия; аЕ – константа связи электромагнитного взаимодействия; aw – константа связи слабого взаимодействия; aG – константа связи гравитационного взаимодействия.

Современные физики считают, что такое соотношение существовало не всегда. Иными словами, рассматриваемые постоянные не являются вечно постоянными. И существовала эпоха в эволюции Вселенной, когда эти константы были равны. А это означает, что не существовало различий между четырьмя типами физических взаимодействий. Именно это обстоятельство и стимулирует физиков в построении единой теории всех физических взаимодействий – единой теории поля. Однако для того, чтобы понять те физические идеи, на которых базируется построение этой теории, следует напомнить, что в действительности физика рассматривает материю не в двух проявлениях – веществе и поле, как это отмечается во многих физических справочниках, словарях и энциклопедиях, а в трех проявлениях. Третьим качественно отличным от вышеназванных двух форм материи является физический вакуум. Дело в том, что все кванты полей, рассмотренные нами ранее, являются векторными калибровочными бозонами. Калибровочными их называют по той причине, что они являются квантами калибровочных полей. Векторными их называют потому, что все они имеют целочисленное значение спина, равного единице (1), за исключением гравитона, спин которого предполагается равным двум (2). Физический вакуум нашей Вселенной рассматривается как коллективные возбуждения хиггсовых скалярных бозонов, спин которых равен нулю (0). Именно физический вакуум, словно некое «вакуумное море» (П. Дирак) является прародителем всех частиц вещества и квантов полей, резервуаром, перекачка энергии из которого обеспечила их возникновение и функционирование. Способность вакуума в ходе эволюции Вселенной изменять свое состояние и привела к многообразию форм физического мира.

Как же можно объединить все четыре типа фундаментальных взаимодействий? Естественным является вопрос: связаны ли между собой эталоны атомные и космологические (и соответственно, свойства микрочастиц и эволюция Вселенной)? Напрашивается сравнение постоянной Хаббла (отношение скорости космических объектов к расстоянию от наблюдателя), определяющей масштаб времени (1/Н = 5,7х1017 сек), с атомными эталонами времени. При допущении определенных условий, (Вселенная – «черная дыра») энергия взаимодействия всего вещества Вселенной с электроном была бы примерно равна энергии покоя электрона. Так можно было бы попытаться подступиться к природе массы (этим путем, кстати, Эйнштейн пришел к своей первой модели Вселенной).

Оказалось, чтобы понять свойства микромира, следовало рассматривать связи не только на этом уровне, но и в единстве со свойствами мегамира и наоборот. Есть даже красивая теория, согласно которой свойства частиц были заложены в условиях начальной стадии расширения Вселенной (См. Вайнберг С. Первые три минуты. – М., 1981).

Еще В. Гейзенберг считал неизбежными принципиально иные подходы к исследованию структурных уровней материального мира (вещества), основанные не на поиске новых ступеней делимости, а на выявлении новых форм и уровней внутренних связей для объяснения целостных свойств.

Сейчас вместо редукции, сведения свойств сложных объектов к простым свойствам составляющих вырисовывается новое понимание сложности, объединяющее дискретность и непрерывность, системность и структурность. Так, концепция кварков допускает, что пространственно они занимают больше места, чем образованные ими частицы, в таком случае энергия связи кварков уходит как раз на образование адронов. Тогда перестает шокировать дробный заряд кварков – они существуют не в отдельности, а в связке. Обратим внимание, что частица в таком случае не «состоит из...» (как «матрешка»), а «образована из...». Развивая такие представления, академик М.А. Марков пришел к выводу, что подобные частицы могут содержать в себе своеобразные вселенные, а вселенные могут взаимодействовать как элементарные частицы (См. Марков М.А. Макро-микросимметричная Вселенная. М, 1977). В начале XX в. В. Брюсов писал: «Еще, быть может, каждый атом – Вселенная, где сто планет; там все, что здесь, в объеме сжатом, но также то, чего здесь нет». Современное естествознание, как видим, превосходит даже самый смелый полет поэтического воображения.

Заветная мечта всех физиков – выявить универсальность всех фундаментальных сил, объединить все физические взаимодействия в одной теории и выявить их общую природу, единую суперсилу, проявлениями которой они являются. Объединение электромагнитного и слабого взаимодействия в единое электрослабое взаимодействие стало первым обнадеживающим успехом на этом пути (1979 год ознаменовался вручением Нобелевских премий А. Саламу, С. Вайнбергу и Дж. Глэшоу за создание единой теории электрослабых взаимодействий).

Есть попытки создать теорию Великого объединения (так называется теория объединения электромагнитного, слабого и сильного взаимодействий). Еще более грандиозна идея объединения всех четырех фундаментальных взаимодействий, включая гравитацию. Соответствующие теоретические построения называют суперобъединением или теорией супервзаимодействия. Сегодня физики считают, что они смогут создать эту теорию на основе появившейся недавно теории суперструн. Пионерами в создании этой теории явились М. Грин (Великобритания) и Дж. Шварц (США). Эта теория должна объединить все фундаментальные взаимодействия в единую «суперсилу» при сверхвысоких энергиях. Суперструнами называют гипотетические одномерные релятивистские объекты, длина которых порядка 10–35 м (планковская длина), а натяжение ~1042 кг. Подобно тому как при возбуждениях струн музыкальных инструментов рождаются гармонии звуков, при возбуждениях (низкоэнергетических) суперструн должны рождаться все известные фундаментальные частицы: кварки и лептоны – составные элементы материи, а также переносчики всех известных взаимодействий – фотоны и глюоны. Суперструны – состояние правещества, довещества или точнее высоконапряженный вакуум, предшествующий веществу. По этим причинам находящуюся в стадии становления теорию суперструн называют «теорией всего на свете», из которой надеются получить не только единую квантовую теорию всех фундаментальных взаимодействий, но и объяснить четырехмерность наблюдаемого пространства-времени, предсказать величины всех фундаментальных констант и многое другое.

В рамках моделей Суперобъединения предполагается, что различие между веществом и полем проявилось во вполне определенный момент в процессе эволюции Вселенной через 10-43 секунд с момента взрыва, когда температура упала ниже критического значения Т1 = 1019 ГэВ. То есть при температуре ниже Т1 проявляется различие видов материи по спинам; при температурах выше T1 это различие должно сниматься. При температурах, больших T1, предполагается такое состояние материи, которое совпадало бы с понятием единого суперполя, рассматриваемого как целое, в котором моменты его дальнейшего развития еще не вычленены, вследствие чего все возможные в будущем взаимодействия представляют собой одно. По достижении T1 и ниже, можно констатировать разделение (согласно классической терминологии) материи на вещество и поле соответственно по спинам. Иными словами, происходит саморасчленение единой субстанции на две противоположности – вещество и поле, а также расчленение единого суперполя единого взаимодействия на два – гравитационное и единое взаимодействие Великого объединения (электомагнитного, слабого и сильного).

Следующий этап в эволюции Вселенной – это симметрия Великого объединения, симметрия между различными частицами с полуцелыми спинами. Речь здесь идет о тождестве между кварками и лептонами. При температурах, больших второго критического значения температуры (следующей точки бифуркации в эволюции) Т2 за счет существования квантов поля Великого объединения Х-бозонов, способных превращать кварки в лептоны и наоборот, различие между цветными кварками и бесцветными лептонами нивелируется. Однако при достижении Т2 = 1015 ГэВ примерно через 10-35 секунд с момента взрыва происходит спонтанное нарушение симметрии вакуума, вследствие чего Х-бозоны приобретают массу, и симметрия Великого объединения нарушается до симметрии SU(3), отвечающей сильным взаимодействиям, и симметрии SU(2) • U(l), отвечающей электрослабым взаимодействиям. Это момент самодвижения Вселенной, в которой проявляется такая качественная определенность у кварков, как цветовой заряд, что приводит к различному поведению кварков и лептонов в последующие эпохи. Вселенная представляет собой в период после второй критической точки кварк-глюонный мешок; другим аспектом этого момента является симметрия между электромагнитным и слабым взаимодействиями. Именно на этом витке в истории Вселенной происходят несимметричные распады массивных Х-бозонов, при этом частиц вещества рождается немного больше, чем частиц антивещества. Впоследствии вещество аннигилирует с антивеществом, превращаясь в Y-кванты. Избыток вещества и составит в последующем строительный материал, из которого рождаются звезды, звездные скопления и галактики. Так что наша Вселенная оказывается построенной из вещества. Но при этом она заполнена реликтовым излучением, возникшим вследствие аннигиляции вещества и антивещества. Следующая критическая точка в районе температур Т3 ~ 102 ГэВ приводит к спонтанному нарушению симметрии электрослабого взаимодействия, что обнаруживается нами как различие между электромагнитным и слабым взаимодействием. При этом W+, W-, Z°-бозоны приобретают массу.

В районе температур Т4 = 1 ГэВ нарушается так называемая киральная симметрия, что приводит к фрагментации кварков и глюонов на отдельные области – протоны и нейтроны.

Дальнейшая эволюция Вселенной приводит к возникновению водорода, гелия, ионизованного газа, звезд, звездных скоплений, галактик и т.д.

Спонтанное нарушение симметрии вакуума выражается в том, что он отдает энергию на рождение микрообъектов, на приобретение ими масс и зарядов, вследствие чего плотность энергии вакуума уменьшается примерно на 120 порядков и после всех этих качественных скачков становится равной 0.

Эти положения и идеи концепции-модели Большого взрыва решили экспериментально проверить современные ученые, построив к 2008 году в Европейском центре ядерных исследований в Альпах, близ Женевы Большой адронный коллайдер (БАК) - ускоритель заряженных частиц, небывалой до сих пор мощности, моделирующий Большой взрыв через столкновение элементарных частиц. Конструкция в виде гигантского электромагнитного кольца должна помочь ученым воссоздать условия, которые существовали во Вселенной спустя одну триллионную долю секунды после Большого взрыва. Главная цель эксперимента – понять, что такое масса и откуда она берется. Для этого по кольцу будут разгоняться до релятивистской скорости, близкой к скорости света, пучки протонов (вид адронов – частиц, состоящих из кварков) с невиданной доселе энергией – 14 Тэв.

Поставленные задачи эксперимента:

Современное развитие космологии и физики выработало новый взгляд на природу физических объектов, который можно было бы охарактеризовать как целостно-синергетический. Можно сказать, что основным объектом изучения физики становится единая неделимая самоорганизующаяся Вселенная. Вакуум рассматривается как конкретно-всеобщая часть ее, обеспечивающая самоорганизующиеся процессы ее эволюции. Следует подчеркнуть определяющую роль физического вакуума в современной физической теории. Выделенность вакуума, его особая роль в космологических процессах возникновения и развития физического мира позволяет рассматривать его в качестве исходной абстракции в теоретической физике. Именно физический вакуум принимает непосредственное участие в формировании и качественных и количественных свойств физических объектов. Такие свойства, как спин (от англ.spin – «вращаться», «вертеться»), масса, заряд, проявляются именно во взаимодействии с определенным вакуумным конденсатом вследствие перестройки вакуума в результате спонтанного нарушения симметрии, что вносит коррективы в представление об историзме физических объектов. Ибо любой физический объект со своими характеристиками рассматривается в современной теории как момент, элемент космологической эволюции Вселенной.

Современная космология обнаруживает сопряженность, «взаимозависимость» Вселенной и человека, и фиксирует это обстоятельство в содержании антропного космологического принципа (АКП), согласно которому Вселенная должна быть такой, чтобы в ней на некотором этапе эволюции допускалось существование разумного мыслящего существа – наблюдателя. Антропный принцип был впервые сформулирован в физике в 1961 году Д.Дикке, а в дальнейшем развит Б. Картером, которому и принадлежит сам термин «антропный принцип» (АП). Идея этого принципа основывается на неоспоримом факте существования человека в нашей Вселенной. Основной смысл его можно выразить так: если бы человека не было, Вселенная была бы совсем другой. «Слабая» формулировка АП, выделяет нашу эпоху как эпоху «существования наблюдателя» Вселенной, анализируя стечение обстоятельств, приведшее к этому. В «сильной» формулировке АП гласит, что «наш мир» не мог быть иным, ибо при иных законах и константах исключалась бы не только жизнь, но и рухнула бы вся основа нашей «ветви Вселенной». Таким образом, АП как бы выдвигая требование такой Вселенной, в которой должна быть жизнь, приобретает характер мировоззренческого и методологического регулятива. Хотя существует широкое неприятие антропного принципа как ненаучной идеи, но без сколько-нибудь строгого физического и логического обоснования.

Изучая связь между мегаскопическими параметрами Вселенной и условиями появления в ней разума, ученые сделали вывод о том, что глобальные свойства нашей астрономической Вселенной, включая появление в ней разумной жизни, обусловлены тонкой подстройкой, соответствием ряда постоянных параметров: констант физических взаимодействий, значений масс электрона, протона, нейтрона, трехмерности физического пространства. Мегаскопические свойства Метагалактики оказались связанными со свойствами микромира.

Антропный принцип космологии основывается на выявленной наукой тонкой согласованности фундаментальных постоянных из различных областей естествознания. Весьма незначительное отклонение в значениях каждой из них приводит к нарушению их целостной системы, что существенно меняет весь сценарий мироздания и делает невозможным существование в нем человека.

Структура Вселенной, как показал анализ, оказывается весьма неустойчивой относительно численных значений этих констант. Так двухкратное увеличение массы электрона на ранних стадиях эволюции Вселенной превратило бы все вещество в ней в нейтроны, кардинальным образом изменив структуру мира и не оставив в нем возможности для существования человека. Поэтому факт существования человека во Вселенной свидетельствует, что ее строение обусловило появление разумного наблюдателя.

АКП, рассматривая человека как органическую и актуальную составную часть Вселенной, по-новому включает человека в течение материальных процессов природы и позволяет использовать сам факт существования человека в качестве эвристического принципа современной космологии. Задавая процедуру выбора среди различных, вновь создаваемых неравновесных моделей Вселенной, отвергая стационарные модели, он выполняет роль своеобразного методологического запрета.

Методологическое значение АКП в системе современного естествознания просматривается в его содержательном единстве с флуктуационной гипотезой Л. Больцмана, теорией самоорганизации Г.Хакена и теорией диссипативных структур И.Пригожина. Отражая тенденцию к космизации современной науки, АКП переводит синергетику на новый, космический уровень. Возможно, что само существование человека как наблюдателя закодировано в универсальных закономерностях самоорганизации эволюции, проявляющихся через стохастические механизмы в процессе появления различных структур – от космических до социальных.