Рождение Вселенной. Теории Возникновения. Гипотезы.


Человека давно интересует откуда все взялось. Как устроена эта Вселенная. От Библейских сказаний о сотворении мира до современных теорий. Эта подборка материалов рассказывает о разных взглядах, гипотезах, теориях возникновения Вселенной.


+++

Теория рождения Вселенной.

В настоящее время существуют ТРИ картины рождения Вселенной, каждая из которых опирается на научные достижения своего времени. Это Мир Ньютона, Мир Эйнштейна и Мир Пригожина. Этот период охватывает почти три столетия. Картины Мира в эти периоды, в основном, определяются взаимоотношением таких понятий как Пространство и Время. Рассмотрим Миры “нарисованные” этими учеными подробнее.

Мир Исаака Ньютона.

Его физическая картина Мира была универсальной. Поскольку она была основана, во-первых, на законе Всемирного тяготения, который одинаков для всех тел в мире. Во-вторых, на трех столь же универсальных законах движения (1-ый закон представляет собой просто повторение принципа инерции Галилея, 2-ой закон говорит о том, как изменяется скорость тела, когда на него действует сила, 3-ий закон в каком-то смысле описывает силы (Сила действия равна силе противодействия)). С помощью этих законов теория Ньютона описывала все и всякие взаимодействия тел во Вселенной. Ее уравнения позволяли (в принципе) вычислить результаты этих взаимодействий на любые времена вперед, а стало быть, и всю будущую историю Вселенной. Выходило, что эта история была предопределена, детерминирована, она уже содержалась в исходном состоянии, поскольку начальные условия и законы движения определяли ее уже в момент рождения Вселенной. В мире Ньютона между частицами и телами господствуют векторные поля. Другими словами, каждая точка “пустоты” описывается либо тремя числами, задающими направление и интенсивность действия силы тяжести, либо шестью числами в случае электромагнитного поля (3 числа задают вектор напряженности электрического поля и 3 числа -- вектор напряженности магнитного поля). В более сложном случае -- девятью числами, описывающими силовые поля, возникающие в средах напряженно-деформированных и упруго-пластических. Но всякий раз в мире Ньютона постановка задачи ставится таким образом, чтобы свести описание процессов на векторный (три числа) или скалярный (одно число) уровень вычисления, ибо законы природы сформулированы Ньютоном именно в векторном базисе. Другими словами, мир Ньютона является упрощенным -- векторным миром. Пространство в мире Ньютона является местом для хранения. Время -- это “Пустая и Равномерная Длительность” (Ньютон), которое существовало независимо от Пространства. Таким образом, часы, запущенные Великим Часовщиком в момент сотворения Вселенной, отсчитывают одинаковое для всех уголков Вселенной, проще говоря -- абсолютное время. Эта абсолютность ньютоновского времени означает, что любой наблюдатель (где бы он не находился) знает в какой момент произошло то или иное событие, и этот момент для всех наблюдателей один и тот же. Другими словами, информация о каком- либо событии достигала различных уголков Вселенной мгновенно (скорость распространения сигнала бесконечна), а это означает, что скорость распространения информации привязана к нашему сознанию.

Мир Альберта Эйнштейна.

Мир Эйнштейна отличается от Мира Ньютона не только изменением представлений о пространстве и времени, но и свойством материальных образований искривлять пространственно--временной континуум и тем, что в Мире Эйнштейна пространство и время оказались взаимосвязанными между собой. Самое главное то, что произошло качественное изменение в описании “пустоты”, находящейся между материальными частицами и телами. Вселенная Эйнштейна не имеет как всеобщего, однородного и изотропного пространства, так и независимого течение времени. При крупномасштабном рассмотрении кривизна геометрии и течение времени плавно меняются от одной его области к другой и сильно зависят от непосредственной близости этой области к звезде, планете, галактике или метагалактике. Время в Мире Эйнштейна так же отличается от понятия времени в Мире Ньютона. Эйнштейн предложил совершенно иной подход к определению промежутка времени. Суть данного подхода заключается в следующем: 1. Определяется скорость наиболее стабильного процесса в среде, т.е. скорость распространения возмущения (Vс) в этой среде. 2. Полагается, что эта скорость является фундаментальной константой (Vс = const) для этой среды. 3. Измеряется расстояние L между двумя точками в этой среде. 4. Задается промежуток времени прохождения сигнала от одной вышеуказанной точки до другой: t = Vc / L . Определенное таким образом время обладает двумя свойствами. Во-первых, оно зависит от свойств исследуемой среды и может служить мерилом длительности процессов в этой среде. Во-вторых, такое определение полностью оторвано от сознания человека и поэтому лишено какого-либо произвола и неопределенности. Эйнштейн сформулировал часть законов Природы в тензорном виде. В этом смысле Мир Эйнштейна богаче и красивее Мира Ньютона. Он состоит из движущихся и покоящихся энергетических сгустков. Каждый энергетический сгусток с ненулевой массой покоя (его энергия покоя связана с массой покоя знаменитым соотношением E = mc2) искривляет пространственно--временной континуум вокруг себя так, как будто этот сгусток находится на дне 3-мерной пространственно-временной “воронки”. Но помимо движения энергетических сгустков, обусловленного притяжением их друг к другу посредством пространственно-временных “воронок”, они еще участвуют и в хаотическом тепловом движении. Это всеобщее хаотическое движение сильно возмущает гиперповерхность пространственно-временного континуума, от этого она повсеместно становится причудливо и витиевато искривленной, как бы покрыта мелкой рябью. Природа теплового движения материальных частиц (энергетических сгустков) тесно связана с всеобщей энергией электромагнитных полей. Для Мира Эйнштейна электромагнитные поля чужеродны и их природа неясна. Многократные попытки включить электромагнетизм в схему ОТО, привели лишь к пониманию того, что тензор энергии импульса в каждой точке электромагнитного поля тождественно равен нулю. Данное обстоятельство свидетельствует лишь о том, что электромагнитные поля сами по себе не влияют на кривизну пространственно-временного континуума. Еще менее очевидна связь сильных и слабых ядерных явлений с эйнштейновской картиной мира. Однако при увеличении масштабов рассмотрения до межгалактических размеров Мир Эйнштейна “выравнивается”, приобретает регулярность и удивительную гармоничность. Если бы Мироздание было населено только гравитирующими, электрически нейтральными космическими телами, такими, как звезды и планеты, то Мир Эйнштейна имел бы величественную цельность. При построении Специальной Теории Относительности Эйнштейн, опираясь на результаты некоторых экспериментальных данных, считал, что, во-первых, в природе нет “Эфира”, т.е. нет среды распространения сигнала, а это 96% Вселенной (“Тёмная Энергия” плюс “Невидимое Вещество”). Во-вторых, скорость света в таком пустом пространстве равна примерно 300 000 км в секунду, и она является фундаментальной мировой константой -- с. Рассмотрим более подробно, как возникла эта константа. Скорость света это скорость фотона. Фотон имеет массу, следовательно, обладает энергией. Примерно три миллиардов лет назад, когда на Земле только зарождалась жизнь, одноклеточным (прокариотам) для своего существования и размножения нужна энергия, причем энергии должно быть много и она должна доставляться одноклеточным постоянно. Частицы с очень большой энергией не проходят через атмосферу, а частиц просто с большой энергией не очень много. Таким образом, одноклеточные выбрали для своего существования фотоны. Развитие одноклеточных привело к появлению человека, а получение ими энергии фотонов у человека преобразовалось в способность видеть. Со временем человек измерил скорость фотонов. Таким образом, скорость света не является фундаментальной мировой константой, а является константой, которая определяется физиологией человека. Следовательно, теории, которые используют такие константы, фундаментальными не являются. Другими словами, Мир Эйнштейна так же, как и Мир Ньютона, далеко не идеален и логически ущербен (т.е. не лишен провалов здравого смысла).

Мир Ильи Пригожина.

Всю свою естественнонаучную жизнь Пригожин занимался неравновесной термодинамикой открытых систем. В 1977 году Пригожин получил Нобелевскую премию за достижения сугубо химические: “за работу по термодинамике необратимых процессов и химических колебательных систем, особенно за теорию диссипативных структур”. Он ввел само понятие “диссипативные структуры” (исходно-устойчивое упорядоченное неравновесное состояние системы, через которую проходят потоки энергии, массы и энтропии (Энтропия – характеристика упорядочения системы)). И еще одно, настолько популярное в последнее десятилетие, что оно как будто потеряло авторство: “самоорганизация”. Неравновесными процессами в открытых системах в прошлом веке занимались многие: один из основателей общей теории систем Л. Берталанфи, Л. Ознагер, Л.И. Мендельштам, М.А. Леонтович, М. Эйген, создатель синергетики Г. Хакен …. Но место Пригожина в этом ряду -- особенное. Он перенес свои модели с физико-химических структур вещества на структуры вообще; можно, пожалуй, сказать -- на структуры бытия; придал естественнонаучным суждениям статус онтологических. Только после 1977 года сам Пригожин приступил к осуществлению программы, конечной целью которой было изменить состав фундаментальных законов физики: включить в него Необратимость и Вероятность. Занявшись выяснением математических и физических оснований Времени, он поставил себе цель проследить эти основания до самых -- естественнонаучно формулируемых -- корней бытия, и сформулировать такие законы природы, которые учитывали бы ХАОС, возникающий в неустойчивых динамических системах. Таких систем, по убеждению Пригожина, большинство. Фундаментальные характеристики мироздания, утверждает он это: нестабильность, неравновесность, нелинейность, ни к чему не сводимая сложность. Классическое естествознание числило такие процессы по разряду отклонений, которыми следует пренебрегать при окончательном описании объектов. Пригожин увидел в них норму. Сложность -- первична; простота – частный случай. Разнообразие, множество вариантов возможного развития -- первично. Единообразие и предсказуемость -- частный случай. Перемены -- закон; неизменность -- преходяща. Обратимые процессы -- частный случай. Они происходят только в достаточно простых системах. Но большинство систем в природе -- сложные, и процессы в них необратимы. Вся природа по существу -- постоянное порождение новых форм, принципов состояний; она сама -- открытая динамическая система, которая “выбирает” свой дальнейший путь в точках бифуркации. Нельзя ни точно предсказать, что будет выбрано, ни вполне надежно это контролировать: в критические моменты все решает случай. Природа -- это система, которая регулирует сама себя, и должны быть развиты сугубо научные, рациональные средства к тому, чтобы понять мир в таком качестве -- Переход от Хаоса к Порядку поддается математическому моделированию; существует ограниченный набор моделей такого перехода -- универсальных, которые работают на всех уровнях природного целого. Стержнем своего проекта и главой своей интеллектуальной заслугой сам Пригожин считал “переоткрытие” понятия Времени. Действительно, отношение ко времени (отождествленному с необратимостью) в “гуманитарном” и “естественнонаучном” пластах новоевропейской культуры издавна было очень разным. Насколько озабоченно неуловимым временем было все, связанное с человеком, настолько пренебрегали им в науках, занимавшихся “внечеловеческой” природой. Со времен Ньютона наука, чем дальше, тем больше претендовавшая на то, чтобы быть мировоззрением вообще -- утверждала, что в фундаментальных структурах мироздания никакого времени НЕТ. Иллюзия его возникает в мире, статичном по существу, из-за того, что меняется положение и точка зрения самого наблюдателя. Время -- в человеке, это, в каком-то смысле, сам человек. Обратимым, по существу иллюзорным, время оставалось и для автора первого после Ньютона большого научного переворота -- Эйнштейна. Тут надо сказать, что пересмотр отношений со временем одна из сквозных идей ХХ века. Последние два столетия различные формы понимания Времени интенсивно, но очень неравномерно врастали в разные области знания. Раньше всего это произошло в искусствах и гуманитарных науках. В XVIII веке Время заметила в своих объектах космология (космогоническая теория Канта—Лапласа). Затем в XIX веке -- геология (историческая геология Лайеля); биология (эволюционизм Дарвина). В физике и химии, занимающихся “фундаментальными” процессами в веществе, дело обстояло куда сложнее. Эволюционизм здесь наталкивался на неколебимое представление, что на самом глубоком уровне никаких изменений и ни какого времени быть не может. Поэтому в семидесятые годы XIX века потерпел неудачу крупный физик Людвиг Больцман, который впервые ввел временную необратимость в описании системы на микроуровне. Развитие, эволюция -- вообще ведущее понятие в мышлении XIX века; понятие “абсолютного” за всем этим в течение последних двух веков постепенно теряется, пока не исчезает, наконец, совсем. Отныне Время, форма развития живого, связывается с непрестанным порождением нового. Идея развития проникала в структуру мысли все глубже, пока, наконец, не встал вопрос о механизмах и природе развития как такового. До-пригожинским, европейским мышлением была освоена в основном необратимость “с человеческим лицом”. Оно знало ее под именем Судьбы, Рока. Пригожин же предложил полноценный естественнонаучный – и на основе этого философский статус таким понятиям, как Случай, Вероятность. Так Случай получил естественнонаучный статус и стал предметом рационального моделирования. Случай и Вероятность постигла в европейской культуре та же судьба, что и Время с его необратимостью. О них много говорили, только не в пределах науки. Классическая наука занималась связями и закономерностями существенными, необходимыми, общеобязательными. Случай же, вещь принципиально “иррациональная”, властвовал над человеческой, далекой от всякой науки, жизнью. Научная история неопределенности началась тоже в XIX веке. Немецкий физик Г.Т. Фехнер (1801 – 1887 г.г.) первым всерьез заговорил об индетерминизме в естественных науках, даже выделил там разные его варианты. Причем интересно, что идея неопределенности у него связана с представлением о мире как едином органически целом и о неком “высшем” законе, через который мир может быть описан в качестве такого целого. Уверенность Фехнера в том, что есть неопределенность, коренящаяся в самом процессе с его непредсказуемым развитием, нашла продолжение в вероятностных теориях ХХ века. У образа неопределенности в новоевропейской мысли были свои этапы развития. Первый из них определялся представлением, согласно которому ее нет или, что то же самое, для понимания мироздания, ею можно пренебречь. Следующий этап начался в XIX веке и ознаменовался формулировкой второго начала термодинамики. Новое понимание гласило: необратимость есть, она разрушительна; в перспективе -- неизбежная тепловая смерть Вселенной. Третий этап связан с именем Пригожина. Основные идеи: необратимость, во-первых, пронизывают все уровни мироздания, а во-вторых, она способна быть конструктивной, вообще она скорее синоним жизни, чем смерти. Пригожин показал конструктивную роль разрушения, известного классической термодинамике под именем энтропии. Неравновесные процессы в открытых системах, которые изучает термодинамика Пригожина, тоже связана с возрастанием энтропии, но наделяется новым смыслом -- она перестает быть синонимом смерти. Классическую термодинамику сам Пригожин называл теорией “разрушения структур” и взялся дополнить ее теорией “созидания структуры”. Дав четкую естественнонаучную формулировку конструктивной роли, которую на всех уровнях природы играют необратимые процессы, он предложил основы будущей всеобщей теории формообразования: кристаллизация порядка из неупорядоченных (и неравновесных) состояний. Необратимость была введена в уровень фундаментальных законов физики. Если в открытых системах отток энтропии наружу способен уравновесить ее рост в самой системе, то тогда может возникнуть и поддерживаться стационарное состояние. По своим характеристикам оно может быть близко к равновесным состояниям; в этом случае производство энтропии будет минимальным. Но если отток энтропии превысит ее внутреннее производство -- возникнут и станут разрастаться до макроскопического уровня крупномасштабные флуктуации. Начнется самоорганизация системы: из первоначального хаоса станут возникать все более упорядоченные структуры, все более организованные состояния. Заговорив о Хаосе, Пригожин затронул одну из очень древних тем. Корни ее там, где мысль еще едина со своими мифологическими истоками. Ведь мир возникает из первоначального Хаоса едва ли не во всех мифологиях. В европейской традиции это имя впервые произнес Гесиод (8 – 7 вв. до н. э.), и обозначало оно темную зияющую пра-бездну, которая возникает прежде всего остального. Почти все философы Древней Греции очень любили рассуждать о Хаосе, порой трактовали его чуть ли не попригожински: как неупорядоченное первовещество, первоначало Вселенной, из которого случайно или под воздействием неких сил, противоборствующих или упорядочивающих, рождается Мир. С началом христианской веры Хаос приобретает однозначно негативное начало. Хаос уже не мог быть первоматерией, источником возникновения всего: ведь библейский мир сотворен из ничего. Хаосу осталась роль Ада: в этом качестве он продолжает существовать, и именно оттуда в конце времен, как сказано в Апокалипсисе, предстоит выйти Зверю. В Средние века опять вспомнили о Хаосе. Фома Аквинский увидел в нем, так называемую, вторичную материю, которая есть результат первого акта творения. “Беспорядочное смешение телесной твари, которое древние звали хаосом” (так назвал Фома Аквинский эту разреженную массу), которая была первым состоянием Вселенной, до существования оформленных тел, правда, лишь логически, а не по времени. В этом явно отозвался Хаос стоиков. В Новое же Время мысль как будто забыла о Хаосе. Он если где и есть, то разве только в душах и делах неразумных людей. То есть, раз его нет в объективном составе бытия то он, как и необратимое Время, в каком-то смысле иллюзорен. К Хаосу вернулись, только после перерыва в несколько веков, в начале ХХ столетия. Правда, им занималось скорее воображение, чем мысль, а если и мысль, то в основном художественная и гуманитарная. Сохранилось чувство, что Хаос (как и Время) является принадлежностью человеческих дел. Следующий этап интеллектуальной истории Хаоса начался во второй половине прошлого века, этап научного, рационального его освоения, им занимались естественные науки и технологии. Такое положение совпало с возникновением чувства, что старые модели рациональности не годятся, их нужно или расширить, или радикально трансформировать. Очень популярной стала тема ограниченности знания. (Это тема существует и сейчас). Хаос, утверждает Пригожин, способен быть продуктивным. На микроуровне он присутствует всегда; Хаос есть физическая основа нестабильности. А благодаря нестабильности, объекты в определенных условиях становятся чувствительными к возмущениям на микроуровне, (флуктуациям), которые влияют на макромасштабное поведение объекта. В классических подходах такие влияния вообще не рассматривались. Бывший синоним “иррационального”, “темноты”, “бездны”, Хаос вошел в границы Бытия, стал его частью. Таким образом, в Мире Пригожина, в момент его образования, “сосуществуют” только три фундаментальные “ипостаси” (Пространство, Время и Энергия), которые, взаимодействуя друг с другом, образуют во Вселенной единую систему. Правда, Энергия у Пригожина выступает под именем Хаоса. Миры же Ньютона и Эйнштейна предполагают, что материальные тела существуют независимо от Пространства и Времени и являются как бы второстепенными членами не входящие в систему, которая состоит только из Пространства и Времени. Пригожинская система (Пространство, Время и Хаос) поддается структурированию, это определяется тем, что Энтропия выступает характеристикой упорядочения системы. Упорядочение системы приводит к рождению частиц (материальных тел). Материальные же тела определяются такими понятиями, как Сила, Работа и Информация. Следовательно, Мир Пригожина является совершеннее Миров Ньютона и Эйнштейна, поскольку в Мире Пригожина фундаментальные понятия (Пространство, Время, Энергия, Сила, Работа и Информация) тесно связаны между собой. Существующие картины Мира (Ньютона, Эйнштейна, Пригожина) по-разному описывают взаимодействие между фундаментальными составляющими Вселенной (Пространство, Время, Энергия, Сила, Работа, Информация). Но они ничего не говорят о том, как родилась Вселенная.

Современная концепция рождения Вселенной предполагает, что актом творения был Большой Взрыв. И сразу же, буквально за одно мгновение (10 в минус 32 степени секунды) Вселенная стремительно разрослась. Эту долю секунды называют “эпохой инфляции” (от латинского “inflatio” – раздувание). Считается, что скорость такого расширения “пространства” не ограничена ничем, даже скоростью света. Ибо скорость света ограничивает движение только материальных тел, а пространство -- не тело. Так же считается, что за эту же долю секунды возникают “элементарные” частицы (лептоны, фотоны, кварки и т.д.), а спустя всего четыре минуты возникли протоны и электроны. Причем все они являются сложными частицами, т.е. состоят из более мелких частиц. Такое положение означает что, необходимо ответить на ряд вопросов:

1. Как при таком мощном Взрыве могли возникнуть “элементарные” частицы? (Энергия составляющих этих частиц должна быть больше энергии Большого Взрыва).

2. Как составляющие “элементарных” частиц “искали” друг друга? На эти вопросы можно ответить, если на помощь призвать Господа Бога. Если же они не образовывались, то они высвободились при Большом Взрыве. Тогда необходимо ответить на вопросы:

3. Где эти “элементарные” частицы хранились?

4. Как эти “элементарные” частицы хранились?

5. Зачем, в этом случае, Природа создала сложные “элементарные” частицы?

На эти вопросы можно ответить, если на помощь также призвать Господа Бога. Следующая группа вопросов связана с “инфляцией”. Например, внутри “элементарных” частиц пространство есть, а вне “элементарных” частиц его нет. Такое положение может организовать только Господь Бог. Если же из этих процессов убрать Творца, то вопросы, связанные с “инфляцией” и с образованием “элементарных” частиц (где, как и зачем), остаются открытыми. Согласно Теории Относительности существуют три большие группы, которые по-разному описывают рождение Вселенной. В каждой группе существуют несколько сценариев рождения Вселенной, которые незначительно отличаются друг от друга. Каждая группа формируется по способу взаимоотношения между пространством и временем. Первая группа. Пространство и время стянуты в одну точку, так называемую “сингулярность”. В этой точке отсутствуют не только пространство и время, но не действуют никакие законы природы. Вселенная рождается как бы из “Ничего”. В эту группу вписывается Вселенная сотворенная Богом. Физики, где появляется “сингулярность” пытаются её обойти, поскольку появляются значительные трудности: формулы теряют смысл, законы не применимы, пространственно-временные описания невозможны. Вторая группа. “Точка” в этом случае имеет конечную величину (квантовая теория). В некоторых сценариях рождения Вселенной, время имеет “мнимую” величину. Теоретики квантовой физики довели до “совершенства” математизацию своей науки. Этот раздел физики превратился в гигантский конгломерат формул. Даже сам Эйнштейн довольно резко возражал против математизации в ущерб действительности. Однако, почти все ученые, работающие над созданием процесса рождения Вселенной, выстраивают причудливые умозрительные Миры, пренебрегая реальностью (Хоукинг, Линде, Виленкин, Гут, Торок ….). Третья группа. Эта группа отличается от второй тем, что время здесь деформируется (искривляется) и превращается в узкий “туннель”. В этом случае возникает возможность путешествовать в прошлое и будущее. “Сегодня космология основывается на абсолютно умозрительной фундаментальной физике, и пока что не поддается никакой проверке” (Линде Андрей). “Пока” не дано. Но все может измениться, считает Линде, и мы сумеем проникнуть в тайны мироздания. Проникнуть-то можно, но для этого кардинально менять подход к данной проблеме. Сегодняшняя ситуация напоминает времена, когда считали, что Солнце вращается вокруг Земли. Для определения движения планет создавались огромные таблицы поправок. Так и сегодня для определения картины рождения Вселенной, используется “огромный конгломерат формул”. Этот “конгломерат формул” возникает, если решение проблемы пытаются найти, оставаясь в рамках Теории Относительности. Выше показано, что Теория Относительности, во-первых, является прикладной теорией, поскольку константа скорости света (с) определяется физиологией человека, во-вторых, очень поверхностно описывает действительность (не учитывает почти 96% Вселенной). Для решения данного вопроса, как и многих других, надо выработать альтернативную основу для космологии, которая должна базироваться на шести постулатах:

1. Теория Относительности не является фундаментальной теорией.

2. Определяются границы применимости Теории Относительности.

3. Необходимо дать четкие определения шести основным понятиям. (Пространство, Время, Энергия, Сила, Работа и Информация). Четкие определения означают, что они не должны противоречить друг другу, и не вытекать одно из другого.

4. Выяснить, что означает Закон Сохранения Энергии (как она сохраняется), поскольку в школах мы изучали Закон Сохранения Энергии при преобразовании одного вида энергии в другой.

5. Известно, что частица обладает как корпускулярными, так и волновыми свойствами. Необходимо найти такое математическое уравнение, которое описывало бы эти свойства.

6. Законы физики действуют Везде и Всегда.

Первые две проблемы являются культурологическими, и скорее относятся к мировоззренческим проблемам. Действительно, нам уже почти сто лет говорили и говорят, что теория относительности является фундаментальной мировой теорией, что она определяет все взаимодействия во Вселенной. Такое положение въелось в наше сознание очень сильно, что и предопределило мировоззренческий характер этих проблем. Выше было показано, что эту ситуацию надо менять. Здесь мы приведем еще два примера, которые подтверждают нашу позицию.

1. В ускорителях, при увеличении скорости частицы (например, протона), его масса увеличивается. (Более полно этот вопрос разобран в статье “Эфир и современные проблемы”). Такое положение, как полагают многие, является хорошим подтверждением справедливости Теории Относительности и приравнивается к важным положениям мироздания. Разберем такое положение более подробно. Существует гипотеза, которая говорит, что масса частицы возникает или увеличивается, когда она находится в поле Хиггса. Поле Хиггса определяется частицей, которая называется хиггс-бозоном. Вопрос. Где в ускорителях находятся хиггс-Бозоны? Кто и когда открывает дверцу для выпуска этих частиц, что бы создать поле Хиггса? На эти вопросы легко ответить, но только если все это проделывает Господь Бог. Если из этого процесса исключить Творца, то получаем, что при подводе энергии к частице (протону) часть энергии идёт на увеличение скорости, а часть на увеличение массы, т.е. происходит корреляция между скоростью протона и его массой. Эта корреляция хорошо описывается известным уравнением Эйнштейном. Это уравнение делает массу зависящей от скорости. Таким образом, увеличение массы и увеличение скорости частицы, при подводе к ней энергии, является прикладным фактом и никаких фундаментальных положений не проясняет. Более обстоятельный ответ на этот вопрос можно получить только выяснив: --- Что такое масса? --- Как она возникает? --- Почему она возникает?

2. Александр Фридман в 1922-1924 годах нашел решение уравнений Эйнштейна для однородного пространства, и оказалось, что наша Вселенная может расширяться, быть стабильной или сжиматься. Считается, что в 1929 году Эдвин П. Хаббл экспериментально подтвердил, что Вселенная расширяется. Рассмотрим это положение более подробно. В 1929 году Эдвин П. Хаббл экспериментально обнаружил, что свет от далеких галактик приходит сдвинутым в красную область. Это экспериментальный факт. Поскольку в 1929 году уже господствовала Теория Относительности, то у Хаббла не было альтернативного выбора для объяснения этого явления. А эффект Доплера, совместно с Теорий Относительности, приводит к расширению Вселенной. Так что расширение Вселенной -- это теоретическое обоснования экспериментального факта. Теоретическое же обоснование может быть и не корректным. Рассмотрим некоторые положения Теории Относительности, поскольку с её создания прошло почти сто лет. Появилось много новых экспериментальных данных, которых не было на момент создания этой теории. Поэтому необходимо произвести коррекцию экспериментальных данных с теми постулатами, которые были положены в основу разработки Теории Относительности. В основу разработки Специальной Теории Относительности были положены пять постулатов, Одним из постулатов является: отсутствие в природе “Эфира”. Это обосновывается тем, что признание “Эфира” ведёт к построению сложной теории, в то время как отрицание его позволяет сделать теорию проще. (“Принцип относительности и его следствия”. 1910г. Эйнштейн.). Общая Теория Относительности добавила к этим постулатам ещё пять. Один, из которых гласит: наличие в природе “Эфира” необходимо. (“Эфир” и теория относительности. 1920г., Об “Эфире”. Эйнштейн.). Данное противоречие было снято заменой “Эфира на немеханическое понятие ПОЛЕ, которое не является средой распространения сигнала, то есть не обладает массой. Основное отличие Эфира от Поля, это наличие массы. Эфир обладает массой, а Поле --- НЕТ. Такая подмена и приводит к утверждению, что Вселенная расширяется, поскольку нет среды, которая бы мешала распространению этого сигнала. Однако во Вселенной примерно 96% “Эфира”. “Эфир” в современной интерпретации --- это “Тёмная Энергия” плюс “Невидимое Вещество”. Световой сигнал, проходя очень долго через среду распространения сигнала, затухает и затухает очень сильно, поскольку “Эфир” имеет массу. Уменьшаются ВСЕ параметры сигнала, в том числе и его скорость распространения. Поэтому наблюдатель видит приходящий сигнал сдвинутым в красную область независимо от того, как и куда движется источник этого сигнала. Таким образом, разлета материальных тел друг от друга в нашей Вселенной НЕТ. Если же световой сигнал проходит незначительное расстояние, то в этом случае может быть два варианта. Первый. Источник сигнала движется от наблюдателя. Расстояние между ними увеличивается; уменьшается гравитационная сила; уменьшается скорость полета сигнала; сигнал сдвигается в красную область. Второй. Источник сигнала движется к наблюдателю. Расстояние между ними уменьшается; гравитационная сила увеличивается; увеличивается скорость полета сигнала; сигнал сдвигается в фиолетовую область. Работает эффект Доплера в чистом виде. Таким образом, эксперимент Хаббла не подтверждает предсказание Теории Относительности о расширении Вселенной, но он хорошо показывает границы применимости этой теории. Эти границы примерно определяются такой областью во Вселенной, где эффект Доплера имеет место (примерно 6×10 в 24 степени см). Остальные четыре проблемы являются физическими проблемами. Первая проблема (третья в нашем списке) является довольно трудной проблемой, поскольку таких определений НЕТ ни в одном учебнике по физике. Четкие определения фундаментальных понятий таких, как Пространство, Энергия, Сила, Время, Работа и Информация, помогут избежать в дальнейшем различных недоразумений. (Четкие определения -- это определения, которые не противоречат друг другу, и не вытекают одно из другого). Существует Закон Мерфи, который гласит: “Если понятия не определены или определены неверно, то это ведёт к неправильным выводам и следствиям, а неправильные выводы и следствия ведут к неправильным действиям”. Пространство -- это место для хранения. (Так трактовал Пространство Ньютон). Энергия -- первородная сущность или основное внутреннее свойство материальных объектов. Сила -- это внешнее свойство материального объекта, которое воздействует на окружающее этот объект пространство и на другие материальные объекты, находящиеся в этом пространстве. Время -- это внутреннее свойство Энергии, которое фиксирует изменённые состояния этой Энергии. Работа -- это отклик материального объекта на попытку изменения любого состояния этого материального объекта. Информация -- это внутреннее свойство материального объекта, которое отображает изменения любого состояния этого материального объекта. Посмотрим, какие новые знания можно получить из такого определения этих фундаментальных понятий. Пространство, во-первых, существует ВСЕГДА. Во-вторых, все пространство не может быть пустым, хотя бы одна точка (“сингулярность”) должна присутствовать в этом пространстве. Отдельная часть пространства быть пустым может. Энергия не может исчезнуть в “Никуда”. Энергия не может возникнуть из “Ничего”. Так работает Закон Сохранения Энергии. Сила не может существовать без материального объекта. Таким образом, Суперсила в Природе не могла существовать. В Природе существует ПЯТЬ фундаментальных сил: Электромагнитная сила; Сильная ядерная сила; Слабая ядерная сила; Гравитационная сила; Сила, которая удерживает “Темную Энергию” в определенном объёме. Время -- это Объективная реальность, поскольку Энергия существует всегда. Определение Работы, данное выше, хорошо вписывается в ньютоновскую физику. Информация может пропадать, когда исчезает материальный объект, которому эта информация принадлежит. (Информация об исчезнувшем объекте может сохраняться в других материальных объектах, но такая информация не бывает полной). Сходного положения придерживались математик А.А. Ляпунов и биолог-эволюционист А.С. Раутиан. Они даже сформулировали закон несохранения (исчезновения) информации. Вторая проблема (четвертая в нашем списке) связана с Законом Сохранения Энергии. Поскольку в школах изучают Закон Сохранения Энергии при преобразовании одного вида энергии в другой, а как Энергия сохраняется, и зачем, мы ничего не знаем. Для решения вопроса, как Энергия сохраняется, необходимо рассмотреть два уравнения:

m = E / c2 (1),

v = E / h (2).

В этих уравнениях скорость света (константа -- с2 ) преобразует Энергию в массу (m); во втором -- квант действия (постоянная Планка -- h ) преобразует Энергию в частоту излучения ( v ). Данные уравнения, описывают два крайних случая, как Энергия может сохраняться. Во-первых, она может преобразовываться в разлетающиеся частицы. Во-вторых, эта Энергия может преобразовываться во вращающиеся частицы. По-видимому, должен существовать и третий путь сохранения Энергии. Этот путь, когда разлетающиеся частицы должны вращаться. Третий путь является основным путем, поскольку частицы, в этом случае, находятся в устойчивой (стабильной) зоне. Устойчивая зона -- это зона, где любые флуктуации не приводят к преобразованию частицы в Энергию. Другими словами, возникшие частицы имеют как корпускулярные, так и волновые свойства. И как следствие решения этого вопроса имеем: во Вселенной НЕТ стационарных объектов. На вопрос, зачем Энергия сохраняется, по всей видимости, можно ответить только общими словами: Энергия не может никуда пропасть и не может ниоткуда возникнуть. Поскольку мы не знаем, что такое Энергия, и какова ее структура, то для выяснения этого необходимо создать новый раздел физики. Третья проблема (пятая в нашем списке) связана с вопросом оцифровки таких свойств частицы, как корпускулярные и волновые. Если корпускулярным свойствам сопоставить скорость полета (Vпл), а волновым свойствам -- линейную скорость вращения (Wвр), то эта проблема будет решена. Рассмотрим известные уравнения, которые описывают преобразование массы в Энергию (E = mc2), и преобразование частоты в Энергию (Е = v h). Будем считать, что третьи члены в этих уравнениях, скорость света в квадрате (с2) и постоянная Планка (h), являются “условием” перехода, а не коэффициентами. Поскольку термин -- коэффициент выражает более жесткие требования к взаимосвязи двух различных явлений, чем термин ”условие”. Коэффициент (от лат. со -- совместно и efficiens -- производящий) множитель, обычно выражаемый цифрами; отражает скорость развития какого-либо явления, частоту возникновения явления, взаимосвязь качественно различных явлений. Условие -- обстоятельство, от которого что-нибудь зависит; правила, установленные в какой-нибудь области деятельности; данные, требования из которых следует исходить. Учитывая вышесказанное, представим члены с2 и h в виде:

с2 > Vлп Wвр (3),

где Vпл скорость полета частицы, Wвр линейная скорость вращения частицы.

h > Y r (4).

где Y -- внутренняя характеристика частицы (импульс), r -- радиус частицы.

Частицы находятся в устойчивой зоне существования. Основные возражения против такого представления с2 уравнении (3) состоит в том, что так этот член никто и никогда не представлял. Следовательно, данное преобразование делать нельзя. Такие возражения означают, что никаких физических законов запрещающих делать эти преобразования НЕСУЩЕСТВУЕТ. Существуют только культурологические, и в частности, законы мировоззрения, которые говорят, что изменение наших взглядов на основополагающие события и факты происходят очень медленно и болезненно. Однако менять взгляды надо. Перепишем уравнение (2) с учетом (4), получим: v = E / Y r или v r = E / Y , если учесть, что v r -- есть линейная скорость вращения Wвр частицы, то имеем

Wвр = E / Y (5).

Составим систему уравнений:

E = M c2 (a)

mч = Eч / Vпл Wвр (b)

Wвр = Eч / Y (c)

где Еч энергия частицы, mч масса частицы. Эта система уравнений описывает начальный Миг рождения Вселенной и рождения частиц, причем эти явления разделены во времени. Это разделение исчисляется миллионами лет. Законы физики действуют Везде и Всегда, в противном случае мы отдаем пространство, где они не действуют, на откуп Господу Богу (шестая проблема из нашего списка). Присутствие Господа Бога в каких-то процессах познания действительности означает, что научные работники превратились в работников “верующих”. Такое превращение ведёт к стагнации не только науки, но и жизни. Это хорошо иллюстрирует выход книги (“Конец Науки”) журналиста Джона Хоргана, которая вот уже почти 15 лет будоражит научную общественность. Существующие модели рождения Вселенной, как показано выше, приводят к большим проблемам. Поэтому при разработке альтернативной модели рождения Вселенной, которая снимает большинство этих проблем, будем исходить из некоторых положений неравновесной термодинамики, которую разработал Илья Пригожин. Рассмотрим систему уравнений (6) с учетом такого понятия как Хаос. В какой-то области Вселенной произошел Большой Взрыв. Высвободилось преогромное количество Энергии (6а), которая стала разлетаться с очень большой скоростью. Возник Хаос. Если отток энтропии из некоторой области превысит ее внутреннее производство, то в этой области начнут возникать и станут развиваться до макроскопического уровня крупномасштабные флуктуации. (Энтропия -- это характеристика системы, в которую входит Хаоса). Начнется самоорганизация системы: из первоначального Хаоса станут возникать все более упорядоченные структуры, все более сложно организованные состояния. По всей видимости --- это будут фрактальные образования. Если у фрактальной фигуры в разных её частях возникнут отличные друг от друга условия существования, то фрактальная фигура должна разбиться на самостоятельные части. В конце концов, из таких частей возникают предпосылки для образования “сгустков”. В момент образования “сгустков” работает Первый закон Ньютона, поскольку еще нет среды которая тормозила бы скорость разлета Энергии. Поэтому скорость полета “сгустка” продолжает быть очень высокой. Причем в этот момент линейная скорость вращения минимальна W вр min, а скорость полета “сгустка” V пл max максимальная и может быть в сотни и тысячи раз больше скорость света. Это и есть инфляция -- V пл max W вр min = с2 . По мере упорядочивания системы (“остывания” Вселенной) скорость полета уменьшается, а линейная скорость вращения увеличивается. В какой-то момент времени, по достижении линейной скорости вращения критического значения -- Wвр кр, возникает масса (родилась ЭЛЕМЕНТАРНАЯ частица и появилась среда распространения сигнала). Масса этой частицы примерно равна 10 в минус 117 степени гр. Эта величина приведена В.А. Ацюковским в книге “Общая эфиродинамика”. Вселенная продолжает “остывать”. (Возникают все более сложно организованные структуры). Начинает работать закон: наибольший объём при наименьшей поверхности. Рождаются сферы --- это фуллерены. Наступает второй критический момент: когда скорость вращения фуллерена достаточна, что бы возник заряд. Вселенная продолжает “остывать”. Возникают всё более сложно организованные структуры. Наступает третий критический момент, когда возникает фотон. Это означает, что скорость полета частицы равна ее линейной скорости вращения и равна скорости света -- Vс = Wс. Таким образом, если линейная скорость вращения “сгустка” лежит в пределах W -- Wвр кр , имеем “Темную Энергию”. Если линейная скорость вращения “сгустка” лежит в пределах W вр кр -- W с, имеем “Невидимое Вещество”, “сгусток” приобретает массу и его можно именовать частицей. Если линейная скорость вращения частицы равна или выше W с, имеем “Видимое Вещество”. Критические величины скоростей как вращения, так и разлета (Wвр кр ; Vплкр ; V с ) находятся в точках бифуркации. Частицы в этих точках неустойчивы. С учетом сказанного, можно считать, что время, прошедшее с момента Большого Взрыва до образования “элементарных” частиц, значительно больше, чем считается сегодня (10 в минус 32 степени сек.). Оно может составлять миллионы лет и больше. Таким образом, ответы на вопросы связанные с “инфляцией” и временем рождения “элементарных” частиц получены. Для того чтобы картина рождения Вселенной была бы полной, необходимо ответить на вопросы: 1. Что взорвалось? 2. Почему взорвалось? Ответы на эти вопросы должны базироваться на двух постулатах: -- Закон Сохранения Энергии действует -- Везде и Всегда. -- В актах творения Вселенной Господь Бог участия не принимал. Опираясь на эти постулаты, будем искать во Вселенной такие объекты, которые бы могли сначала вобрать в себя ВСЁ вещество и ВСЮ Энергию, а затем взорваться. Эдвин Хаббл в 1924 году нашел, что расстояние до Туманности Андромеды намного превышает размеры нашей галактики. С этого времени стало ясно, всевозможные туманности являются такими же галактиками, как и наш Млечный Путь. Поначалу казалось, что они расположены в полном беспорядке. Но вскоре стало ясно, что отдельные галактики образуют сообщества. Так, рядом с Млечным Путем располагается Туманность Андромеды, а также еще десяток малых галактик, наподобие Магеллановых Облаков. Все они образуют так называемую Местную группу. Наша Местная группа оказалась частью огромного скопления галактик расположенного в созвездии Девы. Одно из самых крупных сообществ, “Великая Стена”, открытая в 1989 году в небе Северного полушария. Размеры этой “стены”, состоящей из многих тысяч галактик, составляет 1,5 миллиарда световых лет. Она содержит примерно от 5 до 10 процентов всей материи Вселенной. Были обнаружены и другие крупные структуры, насчитывающие тысячи и десятки тысяч галактик. Совсем недавно в созвездии Льва открыли крупнейшее скопление галактик. Оно протянулось на шестьсот миллионов световых лет. Расположено оно в шести с половиной миллиардах световых лет от нас. В 1984 году было обнаружено, что группа галактик движется совместно. Наш Млечный Путь вместе со скоплением галактик в созвездии Девы, вместе с суперскоплением галактик в созвездии Волосы Вероники, вместе с другими скоплениями космической материи мчится примерно со скоростью 600 километров в секунду в сторону некого неизвестного пока, но невероятно мощного источника гравитации. Суммарная масса этого объекта, как показали расчеты, примерно такова, как у десяти тысяч галактик вместе взятых. Аллан Дресслер (космический картограф) назвал этот таинственный объект, влекущий всё к себе, “Великим Аттрактором” (от англ. сл. аttraction -- тяготение). Расстояние от Млечного Пути до “Великого Аттрактора” составляет примерно 300 миллионов световых лет. Расположен этот Великий Источник Притяжения в небе Южного полушария. Он тянется от созвездий Павлина и Индейца до созвездия Парусов. Следовательно, во Вселенной существуют крупные структуры, в которые объединены тысячи и десятки тысяч галактик, причём каждая из этих структур летит в некую свою область. Со временем все эти структуры сольются в одну очень большую “Черную Дыру”. А “Чёрные Дыры”, как мы знаем, иногда взрываются. Таким образом, на вопрос (Что взорвалось?) мы ответили. Чтобы ответить на вопрос (Почему взорвалось?) необходимо выяснить структуру “Чёрной Дыры”. Прежде чем приступить к выяснению структуры “Чёрной Дыры” надо выяснить, как возникает частица и какова её структура, что и прольёт свет на возникновения структуры “Чёрный Дыры”. Используя аппарат газо- и гидромеханики, можно получить физическую картину рождения частиц. Некоторые положения этого раздела взяты из книги В.А.Ацюковского “Общая эфиродинамика”. Частицы, при своем образовании, проходят два этапа. Первый – рождения «сгустка». «Сгусток» массы не имеет. Второй – рождение частицы, которая имеет массу. Рассмотрим первый этап. При взрывах быстро вращающихся материальных тел, когда масса переходит в энергию, высвобождающаяся энергия разлетается в разные стороны с преогромной скоростью (примем, что скорость разлёта направлена по оси Х), образуя при этом всевозможные потоки энергии. (Возникает Хаос). Каждый поток занимает некоторую область пространства. Скорости потоков будут отличаться друг от друга на небольшие величины. (Скорости потоков определяются местом расположения исходной материи на взорвавшемся теле). В приграничных областях, из-за разности скоростей этих потоков, возникают градиенты скоростей. (Градиенты возникают как по оси Y, так и по оси Z, но на первом этапе будем считать, что градиент существует только по оси Y.) Эти градиенты будут мешать разлету энергии. (Отток энтропии превосходит возникновение энтропии в этих областях). Так возникает вязкость среды. На границах потоков (из-за трения) температура повышается. При удалении от границы скорость потока увеличивается, поэтому тепло уносится быстрее и происходит уменьшение как температуры в пограничной области, так и вязкости, что в свою очередь повышает стабильность вихревого образования. В гидромеханике существуют три типа течений (ламинарное, турбулентное и вихревое), переход от одного из них к другому характеризуется числом Рейнольдса

Re = Vт L / Q (7),

где Vт - скорость потока; L – линейный размер, который определяет вихреобразование; Q - кинематическая вязкость. При значениях числа Рейнольдса больше 2500, турбулентность становится устойчивой, если же ещё существует предпосылки к вращению, то движение становится вихревым. Эти предпосылки обеспечиваются за счет ВРАЩЕНИЯ взорвавшегося тела. Устойчивое и непрерывное вихреобразование может происходить лишь при вовлечении в этот процесс некоторого минимального объёма разлетающейся энергии. Кроме того, в пограничном слое вихревого кольца имеет место падение давления, что является следствием того, что центробежная сила стремиться отбросить часть объёма вихревого кольца, находящегося в пограничном слое. Если сумма внутренних сил, оставшегося объёма ограниченного стенками вихревого кольца, оказывается меньше внешних, то происходит сжатие тела вихревого кольца. Сжатие тела кольца внешними силами вызывает увеличения скорости вращения, причем, если внутреннее давление продолжает падать, то вихревое кольцо продолжит сжиматься. В установившемся режиме, центробежная сила должна быть уравновешена силой, которая возникает из-за разности давления внешней среды и слоёв, находящихся в области, располагающихся ближе к центру вращения. Таким образом, стремление такой системы к минимуму энергии создает силы, которые будут заставлять делиться получившиеся кольца. Такое деление будет происходить до тех пор, пока диаметр тела кольца не станет соизмеримым с радиусом собственно кольца, при этом стенки кольца будут уплотненными. В результате тело кольца приблизится к шаровой форме (вихрь Хилла). Если учесть градиент и по другой координате, то вихревое кольцо преобразуется в сферу. Так образуется “сгусток”, причем этот “сгусток” имеет очень сложную структуру. Он состоит из нескольких сфер вложенных одна в другую. Если бы некоторый объём с энергией при формировании вихря сжимался без изменения структуры, то в этом объёме неизбежно увеличивалось бы давление в связи с известным законом:

Р = G T/ U (8),

где G – универсальная газовая постоянная; Т – абсолютная температура; U – объём. Но тогда и формирование самого вихря стало бы невозможным. Однако в формирующемся вихре различные слои находятся на разных расстояниях от центра вращения, это приводит к тому, что они вращаются с разными скоростями. Отсюда в каждой точке вихря имеется градиент скорости, что существенно меняет всю картину. Поскольку вихреобразование предполагает вращение, то одной из характеристик этого “сгустка” будет его скорость вращения. Таким образом, “сгустки”, во-первых, имеют очень сложную структуру. Во-вторых, обладают корпускулярно-волновыми свойствами, где корпускулярные свойства определяются скоростью полета Vnл, а волновые – линейной скоростью вращения Wвр. В-третьих, если скорости “сгустков” находятся ниже критических скоростей, т.е. частицы не имеют массы, то они относятся к “Тёмной Энергии”. Второй этап – рождение частицы. Энергия возникшего “сгустка” определяется уравнением:

Ео = P U (9),

где U – объём занимаемый “сгустком”, а Р – давление в этом объёме. Если объём представить в виде сферы (максимум объема – минимум поверхности этого объёма), то

U = S L = (4nr2 1/3r) (10),

где S(4nr2) – поверхность сферы, L(1/3r ) – линейный размер, который определяется как вязкостью, так и скоростью полёта “сгустка”. При образовании “сгустка” происходит преобразования скорости потока -- Vт, в скорость полёта “сгустка” -- Vпл. Таким образом, имеем:

L = Qо Re / Vпл (11),

где Qо -- кинематическая вязкость “сгустка”, Re -- число Рейнольдса, Vnл-- скорость полёта “сгустка”. Численная величина Re для нашего случая еще не определена, поскольку таких экспериментов пока не делалось. Подставляя уравнения (10) и (11) в уравнение (9), получим:

Eо= P S Qo Re / Vпл (12).

Таким образом, уравнение (12) показывает от чего и как зависит энергия “сгустка”. Анализ этого уравнения показывает, что при уменьшении скорости полёта Vnл энергия “сгустка” увеличивается. Увеличение энергии идет как на усложнение структуры “сгустка”, т.е. на увеличения количества сфер этого “сгустка”, которые вращаются с разными скоростями, так и на увеличения этой скорости (Wвр.сф). Когда просуммированная толщина всех стенок сфер “сгустка” сравнивается с просуммированной толщиной тел всех сфер “сгустка”, тогда и возникает масса, т.е. образуется ЭЛЕМЕНТАРНАЯ частица (частицы “Невидимого Вещества”), а если тела всех сфер исчезают (остаются одни уплотненные стенки), то возникает частица видимого Вещества (фотон). Уравнение (3) показывает, что превращение “сгустка” в частицу происходит при определенной линейной скорости вращения Wвр. Следовательно, произведение QоRe в уравнение (12), по всей видимости, может служить аналогом массы “сгустка”. Дальнейшее увеличение скорости вращения Wвр приводит к образованию частиц видимого Вещества. Частицы видимого Вещества представляют собой сложные системы, которые состоят из ЭЛЕМЕНТАРНЫХ частиц объединенных некоторым образом между собой. Следовательно, в первом приближении, сгустки “Тёмной Энергии” и частицы “Невидимого Вещества” представляют собой вращающиеся объекты, у которых скорости вращения внутренних сфер имеют разные величины. Таким образом, линейная скорость вращения имеет две критические величины. Первая – это образование частиц “Невидимого Вещества”. Вторая – это образование частиц видимого “Вещества”. Если же скорости частиц лежат ниже критических, то эти частицы относятся к “Темной Энергии”. До сих пор мы анализировали ситуацию рождения частиц, т.е. когда скорость полёта уменьшается, а линейная скорость вращения увеличивается. Теперь попытаемся разобраться в ситуации, когда происходит распад частицы. Распад частицы означает, что скорость полёта увеличивается, а линейная скорость вращения, каждой из вновь образовавшихся частиц, уменьшается (3). Рассмотрим положение, когда материальное тело или частица попадает в сильное гравитационное поле. Данные поля создаются материальными телами, у которых имеется большая масса (“Нейтронные Звезды”, “Белые Карлики” или “Черные Дыры”). Попадая в сильное гравитационное поле, материальное тело будет, во-первых, двигаться с ускорением, т.е. его скорость полёта увеличивается. Во-вторых, его линейная скорость вращения так же увеличивается, т.е. масса тела увеличивается. Эта ситуация описывается уравнением с2 > Vпл W вр, поскольку материальное тело находится в устойчивой (стабильной) зоне. Масса тела увеличивается не потому, что его скорость полёта увеличивается, а потому, что увеличивается его линейная скорость вращения. Достигнув критических скоростей, т.е. когда становится

с2 = Vnл кр Wвр кр (13),

тело разрушается, при этом образуются тела с меньшей массой, и возникает излучение.

n=k mо = ∑mn + mизл (14),

n=1 n=k где mо – масса материнского тела, ∑ mn – суммарная масса тел на которые распалось n=1 материнское тело, k – количество вновь образованных тел, mизл -- масса затраченная на излучение. Уменьшение массы вновь образованного тела (mn), означает, что его скорость вращения стала меньше критической скорости вращения материнского тела, причем каждое из вновь образовавшихся тел будет находиться в устойчивой зоне. Данная ситуация описывается уравнением с2 > V пл m W вр m , где W вр m линейная скорость вращения одного из вновь образовавшихся тел, а Vпл m --- его скорость полёта. Таким образом, в гравитационном поле будет уже находиться «k» тел. Каждое из этих тел, продолжая находиться в сильном гравитационном поле, будет увеличивать как свою скорость полёта, так и свою линейную скорость вращения. Достигнув своих критических скоростей (13), тела разрушаются (14). Так будет происходить до тех пор, пока тела не упадут на источник больших гравитационных полей. Следовательно, анализ ситуации, когда материальное тело разрушается в сильном гравитационном поле, приводит к положению: -- для каждого материального тела существует своя критическая скорость полета, при достижении которого оно РАЗРУШАЕТСЯ на тела с меньшей массой. По всей видимости, такое положение должно существовать и для частиц (“сгустков”), у которых масса заменяется произведением QоRe. Используя данное правило, можно объяснить кривые гамма-излучения, приходящие из разных концов Вселенной, и которые фиксируются наземными службами. Таким образом, частица имеет очень сложную структуру. Если принять тезис, что “как Вверху, так и Внизу”, то структура “Чёрной Дыры” представляет собой вращающиеся сферы вложенные одна в другую. Каждая сфера имеет свою массу или свою вязкость (QоRе). Если рядом с “Чёрной Дырой” находятся другие материальные тела, то “Чёрная Дыра“ стремиться эти тела поглотить (происходит подпитка “Чёрной Дыры”). Процесс поглощения происходит следующим образом: -- увеличивается скорость подлёта материального тела к “Чёрной Дыре”; -- в результате этого материальное тело разрушается до фотонов; -- при падении фотонов на “Чёрную Дыру” последние разваливаются на мелкие части, которые становятся невидимыми, поскольку энергия этих частиц мала и глаз их не воспринимает; -- в результате падения этих частиц увеличивается линейная скорость вращения внешней сферы “Чёрной Дыры”; -- при достижении критической скорости вращения этой сферы, частицы разрушаются и переходят на соседнюю внутреннюю сферу, которая также увеличивает свою скорость вращения; -- такое положение справедливо для всех сфер; -- при увеличении скорости вращения последней сферы происходит превращение “сгустков” в энергию (E = mVпл кр Wвр кр ). Эта энергия заключена в некоторый объём находящейся в центре “Чёрной Дыры”, а объём имеет форму шара, который очень быстро вращается. Так происходит увеличение гравитационной мощи “Чёрной Дыры”. Рассмотрим процесс разрушения “Чёрной Дыры”. В пространстве, которое окружает “Чёрную Дыру”, нет никаких материальных тел. Подпитка внешней сферы “Чёрной Дыры” не происходит. Вращение внешней сферы, в конце концов, замедляется, поскольку часть частиц переходит на внутреннюю сферу. Это означает, что Энергия внешней сферы уменьшается. Но как только скорость вращения внешней сферы становится меньше критической, подпитка внутренней сферы прекращается, то есть частицы перестают переходить на внутреннюю сферу. Вращение этой сферы остаётся пока ещё высокой. Однако, вращение этой внутренней сферы, в конце концов, замедляется, поскольку часть частиц переходит на ниже лежащую сферу. Процесс, описанный для внешней сферы, повторяется для внутренней сферы. Поскольку вращения всех сфер замедляется, то уменьшается их сдерживающая сила, которая уравновешивала внутреннее давление центробежных сил “Чёрной Дыры”. Наступает момент, когда внутреннее давление становится больше сдерживающих сил вращающихся сфер, и “Чёрная Дыра” взрывается. Такое положение может хорошо объяснить некоторые факты: иногда наблюдается до десяти взрывов в пространстве, где ничего НЕТ. Это взрываются истонченные сферы “Чёрной Дыры”. Таким образом, ответы на вопросы: Что взорвалось? Почему взорвалось? можно считать получены. Предложенная теория рождения Вселенной, позволяет ответить и на такие вопросы: 1. Как возникают гравитационные волны? 2. Как протекает гравитация? 3. Что такое “расширение” Вселенной? В настоящее время существует около десятка теорий гравитации. Часть из них признана официальной наукой, часть -- нет. Коротко рассмотрим теории признанные официальной наукой: 1. Теория Исаака Ньютона (1687г.). Эта теория феноменологическая, поэтому она не объясняет природу гравитации, но она практически точно описывает все наблюдаемые явления. С математической точки зрения эта теория очень проста, что является ее большим достоинством. 2. Теория Жоржа Лесажа (1747-1756гг.). Ломоносов М.В. высказал аналогичную идею, что тяготение является результатом подталкивания планет частицами эфира за счет разности давления. 3. Теория Рене Декарта (1644г.) и лорда Кельвина (1867г.). Эта теория основывается на том, что тела придавливаются друг к другу «эфирными вихрями». 4. Теория Альберта Эйнштейна (1916г.). Согласно этой теории гравитация объясняется тем, что материальные тела, помещенные в пространство, создают в нем гравитационный потенциал, который искривляет пространство, а искривленное пространство заставляет материальные тела притягиваться друг к другу. Таким образом, гравитация заменена пространственной геометрией. 5. Теория Хидэки Юкавы (1935г.) Эта теория предполагает, что материальные тела обмениваются определенными частицами -- гравитонами. 6. Квантовая теория гравитации. Эта теория разрабатывается вот уже 80 лет, но так еще и не завершена. Любая квантовая теория гравитации базируется на наличие частицы -- гравитона. Таким образом, четыре теории (2, 3, 5, 6) основываются на существовании частиц, которые и вызывают гравитацию. Однако ВСЕ эксперименты по обнаружению этих частиц не дали положительных результатов. Теория гравитации Ньютона изначально объяснения причины гравитации не предполагала. Теория гравитации Эйнштейна считает, что каждое материальное тело с ненулевой массой покоя искривляет пространственно-временной континуум вокруг себя так, как будто этот частица находится на дне 3-мерной пространственно- временной «воронки». Если попытаться нанести координатную сетку (геодезические линии) на гиперповерхность искривленного пространства-времени, то возникает удивительная картина плавно перетекающей кривизны пространственно-временного континуума от одной «воронки», в центре которой находится материальное тело в виде, к другой «воронке» с другим материальным телом внутри. Причем чем больше материальное тело, тем больше «воронка». Все эти пространственно-временные «воронки» обладают свойством засасывать все, что попадает в сферу их влияния. «Воронки», затягивая внутрь себя пространственно-временную паутину, обеспечивают всемирное притяжение материальных тел друг к другу. Так теория Эйнштейна объясняет гравитацию. Теперь, представим себе двух земных исследователей, причем один исследователь располагается на северном полюсе, а другой исследователь располагается на южном полюсе, и эти исследователи наблюдают за одной и той же удалённой звездой. Каждый из них увидит картину пространственно-временного континуума, которую мы только что описали. Однако дно "воронок" у первого исследователя направлено на северный полюс, а у второго направлено на южный полюс, то есть условия наблюдения разные по отношению к стороннему наблюдателю, который расположился на экваторе. Представим себе, что какое-то материальное тело подходит к точке бифуркации, пройдя которую это тело скатывается в "воронку". Вопрос. В какую "воронку"? Правильно, по Эйнштейну в обе "воронки". Однако сторонний наблюдатель эти скатывания НЕ увидит, поскольку у него буде своя "воронка" куда и скатится это материальное тело. Таким образом, хотя условия эксперимента разные, но результат один. Тело с меньшей массой притягивается телом с большей массой. Это означает, что принципы, которые положены в основу разработки метода исследования неверные. Поэтому пространственно-временной континуум в действительности НЕ имеет место. Следовательно, эта теория гравитации является чисто математическим изысканием. Отсюда следует вывод, что если гипотеза или теория использует в своих построениях пространственно-временной континуум, то эти гипотезы и теории к действительности НЕ имеют НИ какого отношения. Такое положение возникает если забывают о существование "эффекта академика Фоменко".

Для того чтобы понять, что такое гравитация и как она работает, во-первых, необходимо опираться на то определение понятие СИЛА, которое дано выше. (СИЛА -- это внешнее свойство материального тела, которое воздействует на пространство окружающее это материальное тело и на тела находящиеся в этом пространстве). Во-вторых, разобраться, почему материальные тела в гравитационном поле, падают на Землю с одинаковой скоростью. В-третьих, необходимо помнить, что любая частица обладает как корпускулярными, так и волновыми свойствами. Существует предание, что в 1589 году Галилей сбросил чугунное ядро и деревянный шар с Пизанской Башни и эти два очень разные по весу предмета «почти одновременно» коснулись Земли. Аналогичный эксперимент 2 августа 1971 года наблюдали телезрители многих стран, когда, находясь на Луне, американский астронавт с Апполона 15 Дэвид Скотт отпустил из рук орлиное перо (левая рука) и молоток (правая рука), которые коснулись поверхности ЛУНЫ одновременно. Во-первых, такой результат означает, что гравитационное поле не реагирует ни на вес, ни на размеры предмета, который находится в этом поле, а взаимодействует оно только с тем гравитационном полем, которое генерирует этот предмет. Другими словами: --- гравитационные поля от массы тел не зависят, а зависят от количества элементарных частиц (масса это скорость вращения этих частиц, как вокруг своей оси вращения, так и вокруг общего центра масс); --- массу тела, в основном, определяет скорость вращения элементарных частиц вокруг общего центра масс; --- величины гравитационных полей в основном определяются количеством элементарных частиц, которые вращаются вокруг собственной оси вращения; --- количество элементарных частиц для одинаковых объёмов должно быть примерно одинаковым; --- взаимодействие тел определяется их гравитационными полями, что объясняет эксперименты Галилея и Дэвида Скотта. Выводы из этих экспериментов, во-первых, хорошо подтверждаются теми отрицательными результатами, которые были получены в работах по “поимке” гравитационных волн. Эти работы велись как за рубежом, так и в СССР в 70 годы прошлого столетия. В этих работах предполагалось, что гравитационные волны будут воздействовать на массивный цилиндр, который прятался глубоко под землей. В настоящее время существуют аналогичные проекты. Считается, что в этих проектах будет значительно повышена чувствительность измерительных приборов. Так вместо массивного цилиндра собираются использовать три небольших зеркальца, которые будут расположены в углах треугольника, и будут находиться в космосе на значительном расстоянии друг от друга. Данный проект также потерпит неудачу, поскольку ни гравитационные волны, ни гравитационное поле не реагирует с материальными телами. (Это доказал ещё в 16 веке Галилей). Выделить же гравитационное поле, которое “генерирует” зеркальце, задача, на данный период времени, не выполнима. Во-вторых, что, на мой взгляд, самое главное, разработчики проекта по “поимке” гравитационных волн неправильно понимают, как и почему возникает гравитационное поле, как и почему возникают гравитационные волны. Выше было показано, что при определенной линейной скорости вращения “сгустка” возникает масса. Рассмотрим процесс возникновения массы и гравитационного поля более подробно. Представим себе детскую игрушку волчок. Если мы будем пытаться запустить его, прикладывая при этом небольшое усилие, то волчок не запустится. Если мы приложим достаточные усилия, то волчок запустится, а это означает, что возникла масса, (линейная скорость вращения достигла критической величины). Теперь, если на ось быстро вращающегося волчка (или гироскопа) действует момент сил (в нашем случае это скорость полета), то возникает прецессия оси вращения. Возникшая прецессия будет пытаться скомпенсировать действие приложенного момента сил (в нашем случае влияние скорости полета). Вот эта прецессия и будет генерировать силовое поле, т.е. гравитационные волны (гравитационное поле). Гравитационные волны будут распространяться равномерно во все стороны от частицы (“сгустка”) в виде эквипотенциальных поверхностей. Перпендикуляры к этим поверхностям будут показывать направление действия гравитационных сил. (Сила -- внешнее свойство материальных образований). Так, при определенной линейной скорости вращения “сгустка” возникает масса (частица), и сразу же появляются гравитационные волны (гравитационное поле). Гравитационные волны от разных частиц будут взаимодействовать друг с другом. На примере двух частиц рассмотрим, как это взаимодействие


Эта часть энергии и вызывает эффект расширения Вселенной, причём ускоренное расширение.А.Д. Чернин в статье "Тёмная Энергия и всемирное антитяготение" говорит, что "... природа тёмной энергии могла бы определяться взаимодействием на фундаментальном уровне тяготения и электрослабыми процессами".

Таким образом, расширение Вселенной является следствием гравитации материальных тел. Однако "Тёмная Энергия"с материальными телами не взаимодействует, то есть разбегания материальных тел друг от друга в нашей Вселенной НЕТ.

В заключении надо сказать, что в Мире не существуют не решаемые вопросы, а существует нежелание, вернее неумение, их решать. Отдельные представители официальной науки говорят, что некоторые не решаемые вопросы -- некорректны. Однако, некорректных вопросов НЕТ, а существуют лишь некорректные ответы. Данная работа показывает, что решения некорректных вопросов, приводят к поразительным результатам. Неумение же решать некорректные вопросы, означает, что фундаментальные положения, на которых основывается наше представление о действительности, не соответствуют этой действительности. (Теория Относительности НЕ является фундаментальной теорией, а является Прикладной Теорией). Такое положение в фундаментальных науках (физика, космология), которые определяют мировоззрение, приводят к усилению религиозных позиций. Только этим можно объяснить появление, вернее возобновление и усиление, “обезьяньих процессов”. Правда, многие говорят о креационизме. Мне же больше по душе термин -- “Обезьяньи процессы”. Поскольку этот термин усиливает абсурдность происходящего.


Источник: http://universee.ru/universe.html

Комментарии (55)

Всего: 55 комментариев
  
#1 | Анатолий »» | 20.11.2013 10:18
  
1
Стивен Хокинг. Краткая история времени. От большого взрыва до черных дыр

Рождение и гибель вселенной


В общей теории относительности Эйнштейна, самой по себе, делается вывод, что пространство-время возникло в сингулярной точке большого взрыва, а свой конец оно должно находить в сингулярной точке большого хлопка (если коллапсирует вся Вселенная) и в сингулярности внутри черной дыры (если коллапсирует какая-нибудь локальная область типа звезды). Любое вещество, упавшее в такую дыру, в сингулярности должно разрушиться, и снаружи будет ощущаться лишь гравитационное воздействие его массы. Когда же были учтены квантовые эффекты, то оказалось, что масса и энергия вещества в конце концов должны, по-видимому, возвращаться оставшейся части Вселенной, а черная дыра вместе со своей внутренней сингулярностью должна испариться и полностью исчезнуть. Будет ли столь же большим влияние квантовой механики на сингулярности в точках большого взрыва и большого хлопка? Что в действительности происходит на очень ранних и очень поздних стадиях развития Вселенной, когда гравитационные поля настолько сильны, что нельзя пренебрегать квантовыми эффектами? Есть ли действительно у Вселенной начало и конец? А если есть, то каковы они?

На протяжении семидесятых годов я в основном занимался исследованием черных дыр, но в 1981 г., когда я был на конференции по космологии, организованной в Ватикане отцами-иезуитами, во мне опять проснулся интерес к вопросу о возникновении и гибели Вселенной. Католическая Церковь совершила большую ошибку в своих взаимоотношениях с Галилеем, когда, пытаясь подчинить закону вопрос пауки, объявила, что Солнце обращается вокруг Земли. Теперь, через века, Церковь решила пригласить специалистов и получить у них консультацию по космологии. В конце конференции участники были удостоены аудиенции Папы. Он сказал, что эволюцию Вселенной после большого взрыва изучать можно, но не следует вторгаться в сам большой взрыв, потому что это был момент Сотворения и, следовательно, Божественный акт. Я был очень рад, что Папа не знал темы только что сделанного мной доклада о возможности того, что пространство-время конечно не имеет границ, т. е. что оно не имеет начала, а значит, нет и момента Сотворения. Мне не хотелось разделять судьбу Галилея, с которым, мне кажется, у меня есть что-то общее, хотя бы то, что по странному совпадению я родился точно через 300 лет после его смерти!

Чтобы было ясно, какими были мои мысли и мысли других о возможном влиянии квантовой механики на наши взгляды на рождение и гибель Вселенной, необходимо сначала напомнить общепринятую картину истории Вселенной, основанную на так называемой горячей модели большого взрыва. В ней считается, что Вселенная от наших дней до большого взрыва описывается одной из моделей Фридмана. В подобных моделях оказывается, что по мере расширения Вселенной вещество и излучение в ней охлаждаются. (С удвоением размеров Вселенной ее температура становится вдвое ниже). Поскольку температура - это просто мера энергии (т. е. скорости) частиц, охлаждение Вселенной должно сильно воздействовать на вещество внутри нее. При очень высоких температурах частицы движутся так быстро, что могут противостоять любому взаимному притяжению, вызванному ядерными или электромагнитными силами, но при охлаждении можно ожидать, что некоторые частицы будут притягиваться друг к другу и начнут сливаться. Более того, даже типы частиц, существующих во Вселенной, должны зависеть от температуры. При достаточно высоких температурах энергия частиц столь велика, что при любом столкновении образуется много разных пар частица-античастица, и, хотя некоторая доля этих частиц аннигилирует, сталкиваясь с античастицами, их образование происходит все равно быстрее аннигиляции. Но при более низких температурах, когда энергия сталкивающихся частиц меньше, пары частица-античастица будут образовываться медленнее и аннигиляция частиц будет происходит быстрее рождения.

Считается, что в момент большого взрыва размеры Вселенной были равны нулю, а сама она была бесконечно горячей. Но по мере расширения температура излучения понижалась. Через секунду после большого взрыва температура упала примерно до десяти тысяч миллионов градусов; это примерно в тысячу раз больше температуры в центре Солнца, но такие температуры достигаются при взрывах водородной бомбы. В это время Вселенная состояла из фотонов, электронов, нейтрино (нейтрино - легчайшие частицы, участвующие только в слабом и гравитационном взаимодействиях) и их античастиц, а также из некоторого количества протонов и нейтронов. По мере того как Вселенная продолжала расширяться, а температура падать, скорость рождения электрон-антиэлектронных пар в соударениях стала меньше скорости их уничтожения за счет аннигиляции. Поэтому почти все электроны и антиэлектроны должны были аннигилировать друг с другом, образовав новые фотоны, так что осталось лишь чуть-чуть избыточных электронов. Но нейтрино и антинейтрино не аннигилировали друг с другом, потому что эти частицы очень слабо взаимодействуют между собой и с другими частицами. Поэтому они до сих нор должны встречаться вокруг нас. Если бы их можно было наблюдать, то у нас появился бы хороший способ проверки модели очень горячей ранней Вселенной. К сожалению, их энергии сейчас слишком малы, чтобы их можно было непосредственно наблюдать. Однако если нейтрино не является безмассовой частицей, а обладает небольшой собственной массой, обнаруженной в неподтвержденном эксперименте советских ученых 1981 г., то мы смогли бы обнаружить их косвенно: они могли бы оказаться одной из форм темной материи, упоминавшейся ранее, гравитационное притяжение которой достаточно для того, чтобы прекратить расширение Вселенной и заставить ее опять сжиматься.

продолжение следует

Источник: http://society.polbu.ru
  
#2 | Анатолий »» | 21.11.2013 17:19
  
0
Примерно через сто секунд после большого взрыва температура упала до тысячи миллионов градусов, что отвечает температуре внутри самых горячих звезд. При такой температуре энергии протонов и нейтронов уже недостаточно для сопротивления сильному ядерному притяжению, и они начинают объединяться друг с другом, образуя ядра дейтерия (тяжелого водорода), которые состоят из протона и нейтрона. Затем ядра дейтерия присоединяют к себе еще протоны и нейтроны и превращаются в ядра гелия, содержащие два протона и два нейтрона, а также образуют небольшие количества более тяжелых элементов - лития и бериллия. Вычисления показывают, что, согласно горячей модели большого взрыва, около четвертой части протонов и нейтронов должно было превратиться в атомы гелия и небольшое количество тяжелого водорода и других элементов. Оставшиеся нейтроны распались на протоны, представляющие собой ядра обычных атомов водорода.

Описанная картина горячей Вселенной на ранней стадии развития была предложена ученым Джорджем (Г. А.) Гамовым в знаменитой работе, которую Гамов написал в 1948 г. вместе со своим аспирантом Ральфом Альфером. Обладая прекрасным чувством юмора, Гамов уговорил физика-ядерщика Ганса Бете добавить свою фамилию к списку авторов, чтобы получилось "Альфер, Бете, Гамов", что звучит, как названия первых трех букв греческого алфавита альфа, бета, гамма, и чрезвычайно подходит для статьи о начале Вселенной! В этой статье было сделано замечательное предсказание о том, что излучение (в виде фотонов), испущенное на очень ранних стадиях развития Вселенной, должно до сих пор существовать вокруг нас, но за это время его температура упала и равна всего лишь нескольким градусам выше абсолютного нуля. Это именно то излучение, которое в 1965 г. обнаружили Пензиас и Вильсон. Когда Альфер, Бете и Гамов писали свою работу, ядерные реакции с участием протонов и нейтронов были плохо изучены. Поэтому предсказанные ими соотношения между концентрациями разных элементов в ранней Вселенной оказались весьма неточными, однако, будучи повторены в свете новых представлений, все вычисления дали результаты, прекрасно согласующиеся с современными наблюдениями. Кроме того, очень трудно объяснить как-то иначе, почему во Вселенной должно быть так много гелия. Поэтому мы совершенно уверены в том, что эта картина правильна, по крайней мере спустя секунду после большого взрыва и позже.

Всего через несколько часов после большого взрыва образование гелия и других элементов прекратилось, после чего в течение примерно миллиона лет Вселенная просто продолжала расширяться и с ней не происходило ничего особенного. Наконец, когда температура упала до нескольких тысяч градусов и энергии электронов и ядер стало недостаточно для преодоления действующего между ними электромагнитного притяжения, они начали объединяться друг с другом, образуя атомы. Вся Вселенная как целое могла продолжать расширяться и охлаждаться, но в тех областях, плотность которых была немного выше средней, расширение замедлялось из-за дополнительного гравитационного притяжения. В результате некоторые области перестали расширяться и начали сжиматься. В процессе сжатия под действием гравитационного притяжения материи, находящейся снаружи этих областей, могло начаться их медленное вращение. С уменьшением размеров коллапсирующей области ее вращение ускорялось, подобно тому, как ускоряется вращение фигуриста на льду, когда он прижимает руки к телу. Когда наконец коллапсирующая область стала достаточно малой, скорости ее вращения должно было хватить для уравновешивания гравитационного притяжения - так образовались вращающиеся дискообразные галактики. Те области, которые не начали вращаться, превратились в овальные объекты, называемые эллиптическими галактиками. Коллапс этих областей тоже прекратился, потому что, хотя отдельные части галактики стабильно вращались вокруг ее центра, галактика в целом не вращалась.

Состоящий из водорода и гелия газ внутри галактик со временем распался на газовые облака меньшего размера, сжимающиеся под действием собственной гравитации. При сжатии этих облаков атомы внутри них сталкивались друг с другом, температура газа повышалась, и в конце концов газ разогрелся так сильно, чти начались реакции ядерного синтеза. В результате этих реакций из водорода образовалось дополнительное количество гелия, а из-за выделившегося тепла возросло давление и газовые облака перестали сжиматься. Облака долго оставались в этом состоянии, подобно таким звездам, как наше Солнце, превращая водород в гелий и излучая выделяющуюся энергию в виде тепла и света. Более массивным звездам для уравновешивания своего более сильного гравитационного притяжения нужно было разогреться сильнее, и реакции ядерного синтеза протекали в них настолько быстрее, что они выжгли свой водород всего за сто миллионов лет. Затем они слегка сжались, и, поскольку нагрев продолжался, началось превращение гелия в более тяжелые элементы, такие как углерод и кислород. Но в подобных процессах выделяется не много энергии, и потому, как уже говорилось в главе о черных дырах, должен был разразиться кризис. Не совсем ясно, что произошло потом, но вполне правдоподобно, что центральные области звезды коллапсировали в очень плотное состояние вроде нейтронной звезды или черной дыры. Внешние области звезды могут время от времени отрываться и уноситься чудовищным взрывом, который называется взрывом сверхновой, затмевающей своим блеском все остальные звезды в своей галактике. Часть более тяжелых элементов, образовавшихся перед гибелью звезды, была отброшена в заполняющий галактику газ и превратилась в сырье для последующих поколений звезд. Наше Солнце содержит около двух процентов упомянутых более тяжелых элементов, потому что оно является звездой второго или третьего поколения, образовавшейся около пяти миллионов лет назад из облака вращающегося газа, в котором находились осколки более ранних сверхновых. Газ из этого облака в основном пошел на образование Солнца или был унесен взрывом, но небольшое количество более тяжелых элементов, собравшись вместе, превратилось в небесные тела планеты, которые сейчас, как и Земля, обращаются вокруг Солнца.
  
#3 | Анатолий »» | 21.11.2013 17:19
  
2
Сначала Земля была горячей и не имела атмосферы. Со временем она остыла, а вследствие выделения газа из горных пород возникла земная атмосфера. Ранняя атмосфера была непригодна для нашей жизни. В ней не было кислорода, но было много других, ядовитых для нас газов, например сероводорода (это тот газ, который придает специфический запах тухлым яйцам). Правда, есть и другие, примитивные формы жизни, которые могут процветать в таких условиях. Предполагают, что они развились в океанах, возможно, в результате случайных объединений атомов в большие структуры, называемые макромолекулами, которые обладали способностью группировать другие атомы в океане в такие же структуры. Таким образом они самовоспроизводились и множились. Иногда в воспроизведении могли произойти сбои. Эти сбои большей частью состояли в том, что новая макромолекула не могла воспроизвести себя и в конце концов разрушалась. Но иногда в результате сбоев возникали новые макромолекулы, даже более способные к самовоспроизведению, что давало им преимущество, и они стремились заменить собой первоначальные. Так начался процесс эволюции, который приводил к возникновению все более и более сложных организмов, способных к самовоспроизведению. Самые первые примитивные живые организмы потребляли различные вещества, в том числе сероводород, и выделяли кислород. В результате происходило постепенное изменение земной атмосферы, состав которой в конце концов стал таким, как сейчас, и возникли подходящие условия для развития более высоких форм жизни, таких, как рыбы, рептилии, млекопитающие и, наконец, человеческий род.

Картина, в которой Вселенная сначала была очень горячей и охлаждалась по мере своего расширения, па сегодняшний день согласуется с результатами всех наблюдений. Тем не менее целый ряд важных вопросов остается без ответа.

1. Почему ранняя Вселенная была такой горячей?

2. Почему Вселенная так однородна в больших масштабах? Почему она выглядит одинаково во всех точках пространства и во всех направлениях? В частности, почему температура космического фона микроволнового излучения практически не меняется при наблюдениях в разных направлениях? Когда на экзамене нескольким студентам подряд задается один и тот же вопрос и их ответы совпадают, вы можете быть совершенно уверены в том, что они советовались друг с другом. Однако в описанной модели с момента большого взрыва у света не было времени, чтобы попасть из одной удаленной области в другую, даже если эти области располагались близко друг к другу в ранней Вселенной. Согласно же теории относительности, если свет не может попасть из одной области в другую, то и никакая другая информация тоже не может. Поэтому разные области ранней Вселенной никак не могли выравнять свои температуры друг с другом, если у них не были одинаковые по какой-то непонятной причине температуры прямо с момента рождения.

3. Почему Вселенная начала расширяться со скоростью, столь близкой к критической, которая разделяет модели с повторным сжатием и модели с вечным расширением, так что даже сейчас, через десять тысяч миллионов лет, Вселенная продолжает расширяться со скоростью, примерно равной критической? Если бы через секунду после большого взрыва скорость расширения оказалась хоть на одну сто тысяча миллион миллионную (1/100.000.000.000.000.000) меньше, то произошло бы повторное сжатие Вселенной и она никогда бы не достигла своего современного состояния.

4. Несмотря на крупномасштабную однородность Вселенной, в ней существуют неоднородности, такие, как звезды и галактики. Считается, что они образовались из-за небольших различий в плотности ранней Вселенной от области к области. Что было причиной этих флуктуаций плотности?

Общая теория относительности сама по себе не в состоянии объяснить перечисленные свойства или ответить на поставленные вопросы, так как она говорит, что Вселенная возникла в сингулярной точке большого взрыва и в самом начале имела бесконечную плотность. В сингулярной же точке общая теория относительности и все физические законы неверны: невозможно предсказать, что выйдет из сингулярности. Как мы уже говорили, это означает, что большой взрыв и все события до него можно выбросить из теории, потому что они никак не могут повлиять на то, что мы наблюдаем. Следовательно, пространство-время должно иметь границу - начало в точке большого взрыва.

Наука, по-видимому, открыла все те законы, которые в пределах погрешностей, налагаемых принципом неопределенности, позволяют предсказать, как Вселенная изменится со временем, если известно ее состояние в какой-то момент времени. Может быть, эти законы были даны Богом, но с тех пор Он, судя по всему, предоставил Вселенной развиваться в соответствии с ними и теперь не вмешивается в ее жизнь. Но какими он выбрал начальное состояние и начальную конфигурацию Вселенной? Какие "граничные условия" были в момент "начала времени"?

Продолжение следует
  
#4 | Анатолий »» | 22.11.2013 14:46
  
0
Один из возможных ответов - это сказать, что при выборе начальной конфигурации Вселенной Бог руководствовался соображениями, понять которые нам не дано. Это, безусловно, было во власти Бога, но почему, выбрав такое странное начало, Он все же решил, чтобы Вселенная развивалась но понятным нам законам? Вся история науки была постепенным осознанием того, что события не происходят произвольным образом, а отражают определенный скрытый порядок, который мог или не мог быть установлен божественными силами. Было бы лишь естественно предположить, что этот порядок относится не только к законам науки, но и к условиям на границе пространства-времени, которые определяют начальное состояние Вселенной. Возможно большое число разных моделей Вселенной с иными начальными условиями, подчиняющихся законам науки. Должен существовать какой-то принцип для отбора одного начального состояния и, стало быть, одной модели для описания нашей Вселенной.

Одну из таких возможностей называют хаотическими граничными условиями. В них молчаливо принимается, либо что Вселенная бесконечна в пространстве, либо что существует бесконечно много вселенных. Согласно хаотическим граничным условиям, вероятность того, что любая выделенная область пространства сразу после большого взрыва окажется в любом заданном состоянии, примерно равна вероятности того, что она окажется в любом другом состоянии: начальное состояние Вселенной выбирается совершенно произвольным образом. Это означало бы, что ранняя Вселенная была, вероятно, очень хаотичной и нерегулярной, потому что хаотических и беспорядочных состояний Вселенной гораздо больше, чем гладких и упорядоченных. (Если все состояния равновероятны, то Вселенная с большой вероятностью возникла в одном из хаотических и беспорядочных состояний просто потому, что таких состояний гораздо больше). Трудно сказать, как подобные хаотические начальные условия могли породить такую гладкую и однородную в больших масштабах Вселенную, как наша сейчас. Можно также ожидать, что в такой модели флуктуации плотности приведут к образованию гораздо большего числа первичных черных дыр, чем верхний предел, вытекающий из наблюдений фона гамма-излучения.

Если Вселенная в самом деле бесконечна в пространстве или если существует бесконечно много вселенных, то где-то могли бы существовать довольно большие области, возникшие в гладком и однородном состоянии. Вспомним хорошо известный пример со стаей обезьян, барабанящих на пишущих машинках: большая часть их работы пойдет в корзину, но в принципе они могут совершенно случайно напечатать один из сонетов Шекспира. Так и здесь - не могла ли область Вселенной, в которой мы живем, случайно оказаться гладкой и однородной? На первый взгляд это может показаться крайне маловероятным, потому что таких гладких областей должно быть намного меньше, чем хаотических и неоднородных. Но предположим, что галактики и звезды образовывались только в гладких областях и только там условия были пригодны для развития таких сложных самовоспроизводящихся организмов, как мы, способных задать вопрос: "Почему Вселенная такая гладкая?" Это пример применения так называемого антропного принципа, который можно сформулировать следующим образом: "Мы видим Вселенную так, как мы ее видим, потому что мы существуем".

Антропный принцип существует в двух вариантах - слабом и сильном. Слабый антропный принцип утверждает, что во Вселенной, которая велика или бесконечна в пространстве или во времени, условия, необходимые для развития разумных существ, будут выполняться только в некоторых областях, ограниченных в пространстве и времени. Поэтому разумные существа в этих областях не должны удивляться, обнаружив, что та область, где они живут, удовлетворяет условиям, необходимым для их существования. Так богач, живущий в богатом районе, не видит никакой бедности вокруг себя.

Один из примеров применения слабого антропного принципа "объяснение" того, что большой взрыв произошел около десяти тысяч миллионов лет назад: примерно столько времени требуется разумным существам для их развития. Как уже говорилось, прежде всего должно было образоваться раннее поколение звезд. Эти звезды превращали часть первоначального водорода и гелия в элементы типа углерода и кислорода, из которых мы состоим. Затем звезды взрывались как сверхновые, а из их осколков образовывались другие звезды и планеты, в том числе и входящие в нашу Солнечную систему, возраст которой около пяти тысяч миллионов лет. В первые одну или две тысячи миллионов лет существования Земли на ней было слишком жарко для развития каких бы то ни было сложных организмов. Остальные примерно три тысячи миллионов лет происходит медленный процесс биологического развития, в результате которого простейшие организмы прошли путь до разумных существ, умеющих измерять время, прошедшее с момента большого взрыва
  
#5 | Анатолий »» | 22.11.2013 14:46
  
0
Мало кто возражает против справедливости и применимости слабого антропного принципа. Некоторые же идут значительно дальше, предлагая его сильный вариант. Он заключается в том, что существует либо много разных вселенных, либо много разных областей одной вселенной, каждая из которых имеет свою собственную начальную конфигурацию и, возможно, свой собственный набор научных законов. В большей части этих вселенных условия были непригодны для развития сложных организмов; лишь в нескольких, похожих на нашу, вселенных смогли развиваться разумные существа, и у этих разумных существ возник вопрос: "Почему наша Вселенная такая, какой мы ее видим?" Тогда ответ прост: "Если бы Вселенная была другой, здесь не было бы нас!"

Законы науки в том виде, в котором мы их знаем сейчас, содержат много фундаментальных величин, таких, как электрический заряд электрона и отношение массы протона к массе электрона. Мы не умеем, но крайней мере сейчас, теоретически предсказывать значения этих величин - они находятся только из эксперимента. Может быть, придет день, когда мы откроем полную единую теорию, с помощью которой все эти величины будут вычислены, но может оказаться, что некоторые из них, а то и все изменяются при переходе от вселенной к вселенной или и пределах одной вселенной. Удивительно, что значения таких величин были, по-видимому, очень точно подобраны, чтобы обеспечить возможность развития жизни. Если бы, например, электрический заряд электрона был чуть-чуть другим, звезды либо не сжигали бы водород и гелий, либо не взрывались. Разумеется, могут быть и другие формы разумной жизни, о которых не грезили даже писатели-фантасты. Для поддержания этой жизни не требуются ни свет звезды, как, скажем, наше Солнце, ни тяжелые элементы, синтезирующиеся внутри звезд и разлетающиеся по космическому пространству при взрыве звезды. Тем не менее, по-видимому, ясно, что величины, о которых мы говорим, имеют сравнительно немного областей значений, при которых возможно развитие какой бы то ни было разумной жизни. Большая же часть значений отвечает вселенным, в которых, как бы они ни были прекрасны, нет никого, кто мог бы ими восхищаться. Это можно воспринимать либо как свидетельство божественного провидения в сотворении Вселенной и выборе законов науки, либо как подтверждение сильного антропного принципа.

Можно выдвинуть несколько возражений против привлечения сильного антропного принципа для объяснения наблюдаемого состояния Вселенной. Во-первых, в каком смысле можно говорить, что все эти вселенные существуют? Если они действительно изолированы друг от друга, то события, происходящие не в нашей Вселенной, не могут иметь наблюдаемых следствий в нашей Вселенной. Поэтому нам следует воспользоваться принципом экономии и исключить их из теории. Если же эти вселенные - просто разные области одной и той же вселенной, то научные законы должны быть одинаковы в каждой области, потому что иначе был бы невозможен непрерывный переход из одной области в другую. Тогда области отличались бы друг от друга только начальными конфигурациями и сильный антропный принцип сводился бы к слабой формулировке.

Второе возражение против сильного антропного принципа - это то, что он направлен против хода всей истории науки. Развитие науки шло от геоцентрических космологии Птолемея и его предшественников через гелиоцентрическую космологию Коперника и Галилея к современной картине мира, согласно которой Земля является планетой среднего размера, обращающейся вокруг обычной звезды внутри обычной спиральной галактики, которая в свою очередь является всего лишь одной из миллиона миллионов галактик в наблюдаемой части Вселенной. Тем не менее, согласно сильному антропному принципу, все это гигантское сооружение существует просто ради нас. В это очень трудно поверить. Наша Солнечная система безусловно является необходимым условием нашего существования; те же самые рассуждения можно распространить на всю нашу Галактику, чтобы учесть звезды раннего поколения, благодаря которым произошел синтез тяжелых элементов. Но, по-видимому, нет никакой необходимости в том, чтобы все эти другие галактики, да и вся Вселенная были такими однородными и одинаковыми в больших масштабах в любом направлении.

Продолжение следует
  
#6 | Анатолий »» | 23.11.2013 09:48
  
1
Можно было бы не беспокоиться насчет антропного принципа, особенно в его слабой формулировке, если бы удалось показать, что из разных начальных конфигураций Вселенной лишь некоторые могли развиться во Вселенную, как та, которую мы наблюдаем. Если это правильно, то Вселенная, возникшая из случайных начальных условий, должна содержать в себе гладкие и однородные области, пригодные для развития разумной жизни. Если же для того, чтобы получилось то, что мы видим вокруг, требовался чрезвычайно тщательный выбор начального состояния Вселенной, то вряд ли в ней оказалась бы хоть одна область, в которой могла зародиться жизнь. В горячей модели большого взрыва было слишком мало времени для передачи тепла из одной области в другую. Это значит, что для объяснения того факта, что температура микроволнового фона одинакова в любом направлении наблюдения, необходимо, чтобы в начальном состоянии Вселенной ее температура была везде в точности одинаковой. Кроме того, требовался и очень точный выбор начальной скорости расширения, потому что для избежания повторного сжатия скорость расширения должна оставаться достаточно близкой к критическому значению. Следовательно, выбор начального состояния Вселенной должен производиться очень тщательно, если горячая модель большого взрыва применима до самого момента начала отсчета времени. Почему начало Вселенной должно было быть именно таким, очень трудно объяснить иначе, как деянием Бога, которому захотелось создать таких живых существ, как мы.

Попытки построить модель Вселенной, в которой множество разных начальных конфигураций могло бы развиться во что-нибудь вроде нашей нынешней Вселенной, привели Алана Гута, ученого из Массачусетского технологического института, к предположению о том, что ранняя Вселенная пережила период очень быстрого расширения. Это расширение называют раздуванием, подразумевая, что какое-то время расширение Вселенной происходило со все возрастающей скоростью, а не с убывающей, как сейчас. Гут рассчитал, что радиус Вселенной увеличивался в миллион миллионов миллионов миллионов миллионов (единица с тридцатью нулями) раз всего за крошечную долю секунды.

Гут высказал предположение, что Вселенная возникла в результате большого взрыва в очень горячем, но довольно хаотическом состоянии. Высокие температуры означают, что частицы во Вселенной должны были очень быстро двигаться и иметь большие энергии. Как уже говорилось, при таких высоких температурах сильные и слабые ядерные силы и электромагнитная сила должны были все объединиться в одну. По мере расширения Вселенной она охлаждалась и энергии частиц уменьшались. В конце концов должен был бы произойти так называемый фазовый переход и симметрия сил была бы нарушена: сильное взаимодействие начало бы отличаться от слабого и электромагнитного. Известный пример фазового перехода - замерзание воды при охлаждении. Жидкое состояние воды симметрично, т. е. вода одинакова во всех точках и во всех направлениях. Образующиеся же кристаллы льда имеют определенные положения и выстраиваются в некотором направлении. В результате симметрия воды нарушается.

Если охлаждать воду очень осторожно, то ее можно "переохладить", т. е. охладить ниже точки замерзания (0 град. Цельсия) без образования льда. Гут предположил, что Вселенная могла себя вести похожим образом: ее температура могла упасть ниже критического значения без нарушения симметрии сил. Если бы это произошло, то Вселенная оказалась бы в нестабильном состоянии с энергией, превышающей тy, которую она имела бы при нарушении симметрии. Можно показать, что эта особая дополнительная энергия производит антигравитационное действие аналогично космологической постоянной, которую Эйнштейн ввел в общую теорию относительности, пытаясь построить статическую модель Вселенной. Поскольку, как и в горячей модели большого взрыва, Вселенная уже вращалась, отталкивание, вносимое космологической постоянной, заставило бы Вселенную расширяться со все возрастающей скоростью. Даже в тех областях, где число частиц вещества превышало среднее значение, гравитационное притяжение материи было бы меньше отталкивания, вносимого эффективной космологической постоянной. Следовательно, такие области должны были тоже расширяться с ускорением, характерным для модели раздувающейся Вселенной. По мере расширения частицы материи расходились бы все дальше друг от друга, и в конце концов расширяющаяся Вселенная оказалась бы почти без частиц, но все еще в переохлажденном состоянии. В результате расширения все неоднородности во Вселенной должны были просто сгладиться, как разглаживаются при надувании морщины на резиновом шарике. Следовательно, нынешнее гладкое и однородное состояние Вселенной могло развиться из большого числа разных неоднородных начальных состояний.

Во Вселенной, скорость расширения которой растет из-за космологической постоянной быстрее, чем замедляется из-за гравитационного притяжения материи, свету хватило бы времени для перехода из одной области ранней Вселенной в другую. Это было бы решением ранее поставленной задачи о том, почему разные области ранней Вселенной имеют одинаковые свойства. Кроме того, скорость расширения Вселенной стала бы автоматически очень близка к критическому значению, определяемому плотностью энергии во Вселенной. Тогда такую близость скорости расширения к критической можно было бы объяснить, не делая предположения о тщательном выборе начальной скорости расширения Вселенной.

Раздуванием Вселенной можно было бы объяснить, почему в ней так много вещества. В доступной наблюдениям области Вселенной содержится порядка ста миллионов миллионов миллионов миллионов миллионов миллионов миллионов миллионов миллионов миллионов миллионов миллионов миллионов (единица с восемьюдесятью нулями) частиц. Откуда все они взялись? Ответ состоит в том, что в квантовой теории частицы могут рождаться из энергии в виде пар частица-античастица. Но тогда сразу возникает вопрос: откуда берется энергия? Ответ таков. Полная энергия Вселенной в точности равна нулю. Вещество во Вселенной образовано из положительной энергии. Но все вещество само себя притягивает под действием гравитации. Два близко расположенных куска вещества обладают меньшей энергией, чем те же два куска, находящиеся далеко друг от друга, потому что для разнесения их в стороны нужно затратить энергию на преодоление гравитационной силы, стремящейся их соединить. Следовательно, энергия гравитационного ноля в каком-то смысле отрицательна. Можно показать, что в случае Вселенной, примерно однородной в пространстве, эта отрицательная гравитационная энергия в точности компенсирует положительную энергию, связанную с веществом. Поэтому полная энергия Вселенной равна нулю.

Поскольку дважды нуль тоже нуль, количество положительной энергии вещества во Вселенной может удвоиться одновременно с удвоением отрицательной гравитационной энергии; закон сохранения энергии при этом не нарушится. Такого не бывает при нормальном расширении Вселенной, в которой плотность энергии вещества уменьшается по мере увеличения размеров Вселенной. Но именно так происходит при раздувании, потому что в этом случае Вселенная увеличивается, а плотность энергии переохлажденного состояния остается постоянной: когда размеры Вселенной удвоятся, положительная энергия вещества и отрицательная гравитационная энергия тоже удвоятся, в результате чего полная энергия остается равной нулю. В фазе раздувания размеры Вселенной очень сильно возрастают. Следовательно, общее количество энергии, за счет которой могут образовываться частицы, тоже сильно увеличивается. Гут по этому поводу заметил: "Говорят, что не бывает скатерти-самобранки. А не вечная ли самобранка сама Вселенная?"

Сейчас Вселенная расширяется без раздувания. Значит, должен существовать какой-то механизм, благодаря которому была устранена очень большая эффективная космологическая постоянная, а скорость расширения перестала расти и под действием гравитации начала уменьшаться, как продолжает уменьшаться и сейчас. Можно ожидать, что при раздувании в конце концов нарушится симметрия сил, так же как переохлажденная вода в конце концов замерзнет. Тогда лишняя энергия состояния с ненарушенной симметрией должна выделиться, и за счет этого Вселенная разогреется до температуры, чуть-чуть меньшей, чем критическая температура, при которой симметрия сил еще не нарушается. Затем Вселенная опять начнет расширяться и охлаждаться, так же как в горячей модели большого взрыва, но теперь мы уже сможем объяснить, почему скорость ее расширения в точности равна критической и почему разные области Вселенной имеют одинаковую температуру.

продолжение следует
  
#7 | Анатолий »» | 24.11.2013 15:50
  
0
В гипотезе Гута фазовый переход происходил очень быстро, как возникают вдруг кристаллы льда в очень холодной воде. Идея Гута заключалась в том, что внутри старой фазы образуются "пузырьки" новой фазы нарушенной симметрии, подобно тому, как в кипящей воде зарождаются пузырьки пара. Гут предположил, что пузыри расширяются и сливаются друг с другом до тех пор, пока вся Вселенная не окажется в новой фазе. Но вот в чем беда: Вселенная, на что указали я и еще несколько человек, так быстро расширяется, что даже если бы пузыри росли со скоростью света, они все равно удалялись бы друг от друга и поэтому не могли бы сливаться. Вселенная оставалась бы в очень неоднородном состоянии, и в некоторых областях симметрия между силами сохранялась бы. Такая модель Вселенной не соответствовала бы тому, что мы видим.

В октябре 1981 г. я приехал в Москву на конференцию по квантовой гравитации. После конференции я сделал доклад о модели раздувающейся Вселенной и связанных с ней проблемах в Астрономическом институте им. Штернберга. Среди слушателей был молодой советский физик Андрей Линде, сотрудник Физического института им. Лебедева. Он сказал, что трудность, связанная с невозможностью объединения пузырей, отпадает, если размеры пузырей столь велики, что вся наша область Вселенной содержится внутри одного пузыря. Для того чтобы это предположение выполнялось, сохранение симметрии внутри пузыря должно очень медленно переходить в ее нарушение, что вполне возможно в теории великого объединения. Мысль Линде о медленном нарушении симметрии была очень хороша, но потом мне стало ясно, что его пузыри должны быть больше нынешней Вселенной! Я доказал, что симметрия должна нарушаться всюду одновременно, а не только внутри пузырей. Только это привело бы к той однородной Вселенной, которую мы сейчас наблюдаем. Я был сильно возбужден своей идеей и поделился ею с одним из своих аспирантов Яном Моссом. Подружившись с Линде, я оказался в некотором замешательстве, когда позднее получил из научного журнала представленную Линде статью с просьбой от редакции дать отзыв о ее пригодности для публикации. В своем ответе я написал, что в статье есть одна ошибка (пузыри должны быть больше Вселенной), но что основная идея медленного нарушения симметрии совершенно правильна. Я рекомендовал статью для публикации в том виде, в котором она была, иначе исправления заняли бы у Линде несколько месяцев, потому что все рукописи, отправляемые из Советского Союза на Запад, должны были проходить через аппарат литературной цензуры, который в то время не проявлял ни особой квалификации, ни скорости в обращении с научными статьями. Мы же с Яном Моссом послали в тот же журнал небольшую статью, в которой указали на сложности, возникающие с большим пузырем, и показали, как их можно преодолеть.

Через день после возвращения из Москвы я отправился в Филадельфию, где мне должны были вручить медаль Института Франклина. Мой секретарь Джуди Фелла, использовав все свое немалое обаяние, убедила воздушное агентство Великобритании продать нам два билета на "Конкорд", пригрозив в противном случае оглаской. Но по дороге в аэропорт меня застал чудовищный дождь, и я опоздал на самолет. Тем не менее я все-таки попал в Филадельфию и получил медаль. Потом меня попросили рассказать о модели раздувающейся Вселенной на семинаре в Университете Дрексела в Филадельфии. Большую часть времени я, как и в Москве, посвятил задачам, связанным с этой моделью, но в конце упомянул об идее Линде медленного нарушения симметрии и о сделанных мной исправлениях. На семинаре присутствовал Пол Стейнхардт, молодой профессор Пенсильванского университета. После семинара мы с ним обсуждали модель раздувания. В феврале он прислал мне статью, написанную им совместно со студентом Андреасом Албрехтом, в которой содержалось нечто очень похожее на идею Линде медленного нарушения симметрии. Позже Стейнхардт сказал мне, что он не помнил мой рассказ о работе Линде и увидел ее, лишь когда они почти закончили свою. На Западе Стейнхардт и Албрехт разделяют сейчас честь открытия модели, которая называется новой моделью раздувания и основана на идее медленного нарушения симметрии. (Старой моделью раздувания Вселенной называют предложенное Гутом быстрое нарушение симметрии с образованием пузырей).

Новая модель раздувания Вселенной была удачной попыткой объяснить, почему Вселенная стала именно такой, какая она сейчас. Однако я и еще несколько человек показали, что эта модель, по крайней мере в первоначальном виде, предсказывала гораздо большие вариации температуры фона микроволнового излучения, чем наблюдаемые. Последующие работы тоже внушали сомнения по поводу того, мог ли в очень ранней Вселенной произойти подходящий фазовый переход. Сам я считаю, что новая модель раздувания как научная теория уже мертва, несмотря на то что многие, по-видимому, не слышали о ее кончине и продолжают писать статьи, как будто бы эта модель все еще жизнеспособна. В 1983 г. Линде предложил более удачную модель, называемую хаотической моделью раздувания. В ней нет ни фазового перехода, ни переохлаждения, а взамен присутствует бесспиновое поле, которое из-за квантовых флуктуаций принимает большие значения в некоторых областях ранней Вселенной. В таких областях энергия поля будет вести себя как космологическая постоянная. Результатом действия поля будет гравитационное отталкивание, под влиянием которого вышеуказанные области начнут раздуваться. По мере увеличения этих областей энергия поля в них будет медленно уменьшаться, пока раздувание не перейдет в такое же расширение, как в горячей модели большого взрыва. Одна из областей могла бы превратиться в современную наблюдаемую Вселенную. Модель Линде обладает всеми преимуществами ранней модели раздувания, но не требует сомнительного фазового перехода и, кроме того, может дать реальную оценку флуктуаций температуры фона микроволнового излучения, согласующуюся с результатами наблюдений.

Проведенные исследования моделей раздувания показали, что современное состояние Вселенной могло возникнуть из большого числа разных начальных конфигураций. Это важный вывод, ибо из него следует, что выбор начального состояния той части Вселенной, в которой мы живем, мог быть не очень тщательным. Но вовсе не из всякого начального состояния могла получиться такая Вселенная, как наша. Это можно доказать, предположив, что Вселенная сейчас находится в совершенно другом состоянии, каком-нибудь очень нерегулярном и комковатом. Воспользовавшись законами науки, можно проследить развитие Вселенной назад во времени и определить ее конфигурацию в более ранние времена. По теоремам о сингулярности классической общей теории относительности сингулярность в точке большого взрыва все равно должна была существовать. Если такая Вселенная будет развиваться вперед во времени в соответствии с законами науки, то в конце мы придем к тому комковатому и нерегулярному состоянию, с которого начинали. Следовательно, должны существовать начальные конфигурации, из которых не может получиться такая Вселенная, какой сейчас мы видим нашу. Значит, даже модель раздувания ничего не говорит о том, почему начальная конфигурация оказалась не той, при которой получилась бы Вселенная, сильно отличающаяся от наблюдаемой нами. Следует ли обратиться для объяснения к антропному принципу? Было ли все происшедшее просто счастливой случайностью? Такой ответ выглядел бы как выражение отчаяния, отрицание всех наших надежд понять, какой же порядок лежит в основе Вселенной.

Для предсказания того, каким должно было быть начало Вселенной, необходимы законы, справедливые в начале отсчета времени. Если классическая общая теория относительности верна, то из доказанных Роджером Пенроузом и мной теорем о сингулярности следует, что в точке начала отсчета времени плотность и кривизна пространства-времени принимают бесконечные значения. В такой точке нарушаются все известные законы природы. Можно было бы предположить, что в сингулярностях действуют новые законы, но их трудно формулировать в точках со столь непонятным поведением, и мы не знали бы, как из наблюдений вывести вид этих законов. Но на самом деле из теорем о сингулярности следует, что гравитационное поле настолько усиливается, что становятся существенными квантовые гравитационные эффекты: классическая теория перестает давать хорошее описание Вселенной. Поэтому при изучении очень ранних стадий развития Вселенной приходится привлекать квантовую теорию гравитации. Как мы потом увидим, в квантовой теории обычные законы науки могут выполняться везде, в том числе и в начале отсчета времени: нет необходимости постулировать новые законы для сингулярностей, потому что в квантовой теории не должно быть никаких сингулярностей.

Пока у нас еще нет полной и согласованной теории, объединяющей квантовую механику и гравитацию. Но мы совершенно уверены в том, что подобная единая теория должна иметь некоторые определенные свойства. Во-первых, она должна включать в себя фейнмановский метод квантовой теории, основанный на суммах по траекториям частицы (и по "историям" Вселенной). При таком методе в отличие от классической теории частица уже не рассматривается как обладающая одной-единственной траекторией. Напротив, предполагается, что она может перемещаться по всем возможным путям в пространстве-времени и любой ее траектории отвечает пара чисел, одно из которых дает длину волны, а другое - положение в периоде волны (фазу). Например, вероятность того, что частица пройдет через некоторую точку, получается суммированием всех волн, отвечающих каждой возможной траектории, проходящей через эту точку. Но попытки произвести такое суммирование наталкиваются на серьезные технические затруднения. Их можно обойти, лишь воспользовавшись следующим специальным рецептом: складываются волны, образующие те истории (траектории) частиц, которые происходят не в ощущаемом нами реальном (действительном) времени, а в так называемом мнимом времени. Мнимое время звучит, возможно, научно-фантастически, но на самом деле это строго определенное научное понятие. Умножив обычное (или действительное) число само на себя, мы получим положительное число. (Например, число 2, умноженное на 2, дает 4, и то же самое получается при умножении -2 на -2). Но существуют особые числа (они называются мнимыми), которые при умножении сами на себя дают отрицательный результат. (Одно из таких чисел, мнимая единица i, при умножении само на себя дает -1, число 2i, умноженное само на себя, дает -4 и т. д.). Во избежание усложнений технического характера при вычислении фейнмановских сумм по траекториям следует переходить к мнимому времени. Это означает, что при расчетах время надо измерять не в действительных единицах, а в мнимых. Тогда в пространстве-времени обнаруживаются интересные изменения: в нем совершенно исчезает различие между временем и пространством. Пространство-время, в котором временная координата событий имеет мнимые значения, называют евклидовым, в честь древнегреческого ученого Евклида, основателя учения о геометрии двумерных поверхностей. То, что мы сейчас называем евклидовым пространством-временем, очень похоже на первоначальную геометрию Евклида и отличается от нее лишь числом измерений: четыре вместо двух. В евклидовом пространстве-времени не делается различий между осью времени и направлениями в пространстве. В реальном же пространстве-времени, где событиям отвечают действительные значения координаты времени, эти различия видны сразу: для всех событий ось времени лежит внутри светового конуса, а пространственные оси - снаружи. В любом случае, пока мы имеем дело с обычной квантовой механикой, мнимое время и евклидово пространство-время можно рассматривать просто как математический прием для расчета величин, связанных с реальным пространством-временем.

продолжение следует
  
#8 | Анатолий »» | 25.11.2013 17:40
  
0
Второе условие, которое должна включать в себя любая завершенная теория, - это предположение Эйнштейна о том, что гравитационное поле представляется в виде искривленного пространства-времени: частицы стремятся двигаться по траекториям, заменяющим в искривленном пространстве-времени прямые, но, поскольку пространство-время не плоское, эти траектории искривляются, как будто на них действует гравитационное ноле. Если фейнмановское суммирование по траекториям соединить с представлением Эйнштейна о гравитации, то тогда аналогом траектории одной частицы станет все искривленное пространство-время, которое представляет собой историю всей Вселенной. Для того чтобы избежать технических затруднений, которые могут встретиться при конкретном вычислении суммы по историям, искривленные четырехмерные пространства надо считать евклидовыми. Это означает, что ось времени мнимая и не отличается от пространственных осей. Для вычисления вероятности того, что действительное пространство-время обладает некоторым свойством, например выглядит одинаково во всех точках и во всех направлениях, надо сложить волны, соответствующие всем тем историям, которые обладают этим свойством.

В классической общей теории относительности может существовать много разных видов искривленного пространства-времени, и все они отвечают разным начальным состояниям Вселенной. Зная начальное состояние нашей Вселенной, мы знали бы целиком всю ее историю. Аналогично в квантовой теории гравитации возможно много разных квантовых состояний Вселенной, и точно так же, зная, как вели себя в ранние времена искривленные евклидовы четырехмерные пространства в сумме по историям, мы могли бы определить квантовое состояние Вселенной.

В классической теории гравитации, использующей действительное пространство-время, возможны лишь два типа поведения Вселенной: либо она существовала в течение бесконечного времени, либо ее началом была сингулярная точка в какой-то конечный момент времени в прошлом. В квантовой же теории гравитации возникает и третья возможность. Поскольку используются евклидовы пространства, в которых временная и пространственные оси равноправны, пространство-время, будучи конечным, может тем не менее не иметь сингулярностей, образующих его границу или край. Тогда пространство-время напоминало бы поверхность Земли с двумя дополнительными измерениями. Поверхность Земли имеет конечную протяженность, но у нее нет ни границы, ни края: поплыв по морю в сторону заката, вы не вывалитесь через край и не попадете в сингулярность (я это знаю, сам объехал вокруг света!).

Если евклидово пространство-время простирается назад по мнимому времени до бесконечности или начинается в сингулярной точке мнимого времени, то, как и в классической теории относительности, возникает вопрос об определении начального состояния Вселенной - Богу, может быть, и известно, каким было начало Вселенной, но у нас нет никаких оснований мыслить это начало таким, а не иным. Квантовая же теория гравитации открыла одну новую возможность: пространство-время не имеет границы, и поэтому нет необходимости определять поведение на границе. Тогда нет и сингулярностей, в которых нарушались бы законы науки, а пространство-время не имеет края, на котором пришлось бы прибегать к помощи Бога или какого-нибудь нового закона, чтобы наложить на пространство-время граничные условия. Можно было бы сказать, что граничное условие для Вселенной - отсутствие границ. Тогда Вселенная была бы совершенно самостоятельна и никак не зависела бы от того, что происходит снаружи. Она не была бы сотворена, ее нельзя было бы уничтожить. Она просто существовала бы.

Я уже упоминал ранее о Ватиканской конференции. Именно на ней я впервые высказал ту мысль, что пространство и время, возможно, образуют вместе некую поверхность, которая имеет конечную протяженность, но не имеет границ и краев. Однако моя статья носила математический характер, и в ту пору, в общем, никому (так же, как и мне) не пришло в голову, что из этого положения могут следовать выводы о роли Бога в сотворении Вселенной. В то время, когда происходила Ватиканская конференция, я не знал еще, как можно использовать условие отсутствия границ, чтобы сделать выводы относительно Вселенной. Но следующее лето я провел в Калифорнийском университете, находящемся в Санта-Барбаре. Там один мой друг и коллега, Джим Хартл, исследовал при моем участии вопрос о том, каким условиям должна удовлетворять Вселенная, если пространство-время не имеет границ. В Кембридже я продолжил эту работу с двумя своими аспирантами, Джулианом Латтрелом и Джонатаном Холлиуэллом.


Хочу подчеркнуть, что данное положение о том, что время и пространство должны быть конечны без границ, есть всего лишь теоретический постулат:. оно не может быть выведено из какого-либо другого принципа. Как и всякое теоретическое положение, оно может быть первоначально выдвинуто из эстетических или метафизических соображений, но затем должно пройти реальную проверку - позволяет ли оно делать предсказания, согласующиеся с наблюдениями. В случае квантовой теории гравитации такая проверка затруднена по двум причинам. Во-первых, как будет показано в следующей главе, мы еще не имеем теории, которая успешно объединяла бы общую теорию относительности с квантовой механикой, хотя нам во многом известна форма, которую должна иметь такая теория. Во-вторых, всякая модель, детально описывающая всю Вселенную, несомненно, будет в математическом отношении слишком сложна, чтобы можно было на ее основе выполнять точные вычисления. Поэтому в расчетах неизбежны упрощающие предположения и приближения, и даже при этом задача извлечения предсказаний остается чудовищно сложной.

Всякая история в сумме по историям будет описывать не только пространство-время, но и все в нем, в том числе все сложные организмы, подобные человеческим существам, которые могут быть наблюдателями истории Вселенной. В этом можно видеть еще одно оправдание антропного принципа, ибо если все истории возможны, то, коль скоро мы существуем в одной из них, мы имеем право им пользоваться для объяснения причин того, что мир таков, каков он есть. Неясно лишь, какой смысл следует вложить в другие истории, в которых нас нет. Но такая картина квантовой теории гравитации была бы гораздо более удовлетворительной, если бы можно было показать, что при методе сумм по историям наша Вселенная отвечает не просто одной из возможных историй, а одной из наиболее вероятных. Для этого мы должны выполнить суммирование но историям для всех возможных евклидовых пространств-времен, не имеющих границ.

Если принять условие отсутствия границ, то оказывается, что вероятность развития Вселенной но большинству возможных историй пренебрежимо мала, но существует некоторое семейство историй, значительно более вероятных, чем остальные. Эти истории можно изобразить в виде как бы поверхности Земли, причем расстояние до Северного полюса соответствует мнимому времени, а размеры окружностей, все точки которых равно удалены от Северного полюса, отвечают пространственным размерам Вселенной. Вселенная начинается как точка на Северном полюсе. При движении на юг такие широтные окружности увеличиваются, что отвечает расширению Вселенной с течением мнимого времени (рис. 8.1). Вселенная достигает максимального размера на экваторе, а затем с течением мнимого времени сжимается в точку на Южном полюсе. Несмотря на то, что на Северном и Южном полюсе размер Вселенной равен нулю, эти точки будут сингулярными не более, чем Северный и Южный полюс на поверхности Земли. Законы науки будут выполняться в них так же, как они выполняются на Северном и Южном полюсах Земли.

Но в действительном времени история Вселенной выглядит совершенно иначе. Десять или двадцать тысяч миллионов лет назад размер Вселенной имел минимальное значение, равное максимальному радиусу истории в мнимом времени. Затем, с течением действительного времени, Вселенная расширялась в соответствии с хаотической моделью раздувания, предложенной Линде (но теперь уже нет необходимости предполагать, что Вселенная была каким-то образом создана в правильном состоянии). Вселенная достигла очень больших размеров, а потом должна опять сжаться в нечто, имеющее в действительном времени вид сингулярности. Поэтому в каком-то смысле все мы обречены, даже если будем держаться подальше от черных дыр. Сингулярностей не будет лишь в том случае, если представлять себе развитие Вселенной в мнимом времени.

Если Вселенная на самом деле находится в таком квантовом состоянии, то ее история в мнимом времени не будет иметь никаких сингулярностсй. Поэтому может показаться, что моими последними работами о сингулярностях полностью зачеркнуты мои же старые работы о сингулярностях. Но, как уже отмечалось, главное значение теорем о сингулярностях таково: они показывают, что гравитационное ноле должно стать очень сильным, так что нельзя будет пренебречь квантовыми гравитационными эффектами. Именно это ведет к выводу, что в мнимом времени Вселенная должна быть конечной, но без границ и сингулярностей. По возвращении же в реальное время, в котором мы живем, обнаруживается, что сингулярности появляются опять. Астронавт, упавший в черную дыру, все равно придет к трагическому концу, и только в мнимом времени у него не было бы встречи с сингулярностями.


Может быть, следовало бы заключить, что так называемое мнимое время - это на самом деле есть время реальное, а то, что мы называем реальным временем, - просто плод нашего воображения. В действительном времени у Вселенной есть начало и конец, отвечающие сингулярностям, которые образуют границу пространства-времени и в которых нарушаются законы науки. В мнимом же времени нет ни сингулярностей, ни границ. Так что, быть может, именно то, что мы называем мнимым временем, на самом деле более фундаментально, а то, что мы называем временем реальным, - это некое субъективное представление, возникшее у нас при попытках описать, какой мы видим Вселенную. Ведь, согласно сказанному в гл. 1, научная теория есть просто математическая модель, построенная нами для описания результатов наблюдений: она существует только у нас в голове. Поэтому не имеет смысла спрашивать, что же реально - действительное время или время мнимое? Важно лишь, какое из них более подходит для описания.

Мы можем теперь, пользуясь методом суммирования но историям и предположением об отсутствии границ, посмотреть, какими свойствами Вселенная может обладать одновременно. Например, можно вычислить вероятность того, что Вселенная расширяется примерно с одинаковой скоростью во всех направлениях в то время, когда плотность Вселенной имеет современное значение. В упрощенных моделях, которыми мы до сих пор занимались, эта вероятность оказывается весьма значительной; таким образом, условие отсутствия границ приводит к выводу о чрезвычайно высокой вероятности того, что современный темп расширения Вселенной почти одинаков во всех направлениях. Это согласуется с наблюдениями фона микроволнового излучения, которые показывают, что его интенсивность во всех направлениях почти одинакова. Если бы Вселенная в одних направлениях расширялась быстрее, чем в других, то интенсивность излучения в этих направлениях уменьшалась бы за счет дополнительного красного смещения.

Сейчас изучаются и другие следствия из условия отсутствия границ. Особенно интересна задача о малых отклонениях плотности от однородной плотности ранней Вселенной, в результате которых возникли сначала галактики, потом звезды и наконец мы сами. В силу принципа неопределенности ранняя Вселенная не может быть совершенно однородной, потому что должны обязательно присутствовать некоторые неопределенности в положениях и скоростях частиц флуктуации. Исходя из условия отсутствия границ, мы найдем, что в начальном состоянии во Вселенной действительно должна быть неоднородность, минимально возможная с точки зрения принципа неопределенности. Затем Вселенная пережила период быстрого расширения, как в моделях раздувания. В течение этого периода начальные неоднородности усиливались, пока не достигли размеров, достаточных, чтобы объяснить происхождение тех структур, которые мы видим вокруг себя. В такой расширяющейся Вселенной, в которой плотность вещества слабо меняется от места к месту, расширение более плотных областей под действием гравитации могло замедлиться и перейти в сжатие. Это должно привести к образованию галактик, звезд и, наконец, даже таких незначительных существ, как мы. Таким образом, возникновение всех сложных структур, которые мы видим во Вселенной, можно объяснить условием отсутствия у нее границ в сочетании с квантово-механическим принципом неопределенности.

Из представления о том, что пространство и время образуют замкнутую поверхность, вытекают также очень важные следствия относительно роли Бога в жизни Вселенной. В связи с успехами, достигнутыми научными теориями в описании событий, большинство ученых пришло к убеждению, что Бог позволяет Вселенной развиваться в соответствии с определенной системой законов и не вмешивается в ее развитие, не нарушает эти законы. Но законы ничего не говорят нам о том, как выглядела Вселенная, когда она только возникла, - завести часы и выбрать начало все-таки могло быть делом Бога. Пока мы считаем, что у Вселенной было начало, мы можем думать, что у псе был Создатель. Если же Вселенная действительно полностью замкнута и не имеет ни границ, ни краев, то тогда у нее не должно быть ни начала, ни конца: она просто есть, и все! Остается ли тогда место для Создателя?
  
#9 | Анатолий »» | 25.11.2013 17:45
  
0
Стивен Хокинг. Краткая история времени. От большого взрыва до черных дыр

Стрела времени



В предыдущих главах мы видели, как менялись наши взгляды на природу времени с течением лет. До начала нынешнего века люди верили в абсолютное время. Это значит, что каждое событие можно единственным образом пометить неким числом, которое называется временем, и все точно идущие часы будут показывать одинаковый интервал времени между двумя событиями. Но открытие, что скорость света одна и та же для любого наблюдателя независимо от того, как он движется, привело к созданию теории относительности, которая отвергла существование единого абсолютного времени. Каждый наблюдатель имеет свое время, которое он измеряет своими часами, и показания часов разных наблюдателей не обязаны совпадать. Время стало более субъективным понятием, связанным с наблюдателем, который его измеряет.

Попытки объединить гравитацию с квантовой механикой привели к понятию мнимого времени. Мнимое время ничем не отличается от направлений в пространстве. Идя на север, можно повернуть назад и пойти на юг. Аналогично, если кто-то идет вперед в мнимом времени, то он может повернуть и пойти назад. Это означает, что между противоположными направлениями мнимого времени нет существенной разницы. Но когда мы имеем дело с реальным временем, то мы знаем, что существует огромное различие между движением во времени вперед и назад. Откуда же берется такая разница между прошлым и будущим? Почему мы помним прошлое, но не помним будущего?

Законы науки не отличают прошлого от будущего. Точнее говоря, законы науки не меняются в результате выполнения операций (или симметрий), обозначаемых буквами С, Р и Т. (С - замена частицы античастицей, Р зеркальное отражение, когда левое и правое меняются местами, а Т - изменение направления движения всех частиц на обратное).

Законы физики, управляющие поведением материи во всех обычных ситуациях, не изменяются и после выполнения только двух операций С и Р. Другими словами, жизнь будет одинакова и для нас, и для обитателей другой планеты, если они, во-первых, являются нашим зеркальным отражением и, во-вторых, состоят из антиматерии, а не из материи. Если законы науки не изменяет комбинация операций С и Р, а также тройная комбинация С, Р и Т, то эти законы не должны изменяться и при выполнении одной операции Т. Однако в обычной жизни существует огромное различие между движением вперед и назад во времени. Представьте себе, что со стола падает и разбивается на куски чашка с водой. Если снять это падение на пленку, то при просмотре фильма сразу станет ясно, вперед или назад прокручивается пленка. Если она прокручивается назад, то мы увидим, как лежащие на полу осколки вдруг собираются вместе и, сложившись в целую чашку, впрыгивают на стол. Вы можете утверждать, что фильм прокручивается назад, потому что в обычной жизни такого не бывает. Иначе пришлось бы закрыть фаянсовые заводы.

Чтобы объяснить, почему разбитые чашки никогда не возвращаются целыми обратно на стол, обычно ссылаются на то, что это противоречило бы второму закону термодинамики. Он гласит, что в любой замкнутой системе беспорядок, или энтропия, всегда возрастает со временем. Другими словами, это похоже на закон Мерфи: все в нашем мире происходит не так, как надо. Целая чашка на столе - это состояние высокого порядка, а разбитая, лежащая на полу, находится в состоянии беспорядка. Нетрудно пройти путь от целой чашки на столе в прошлом до разбитой на полу, но обратный ход событий невозможен.

Продолжение следует
  
#10 | Анатолий »» | 26.11.2013 15:51
  
0
Увеличение беспорядка, или энтропии, с течением времени - это одно из определений так называемой стрелы времени, т. е. возможности отличить прошлое от будущего, определить направление времени. Можно говорить по крайней мере о трех различных стрелах времени. Во-первых, стрела термодинамическая, указывающая направление времени, в котором возрастает беспорядок, или энтропия. Во-вторых, стрела психологическая. Это направление, в котором мы ощущаем ход времени, направление, при котором мы помним прошлое, но не будущее. И в-третьих, стрела космологическая. Это направление времени, в котором Вселенная расширяется, а не сжимается.

В данной главе я докажу, что, исходя из условия отсутствия границ у Вселенной и из слабого антропного принципа, можно объяснить, почему все три стрелы времени направлены одинаково и, более того, почему вообще должна существовать определенная стрела времени. Я докажу, что психологическая стрела определяется термодинамической и обе эти стрелы всегда направлены одинаково. Предположив, что для Вселенной справедливо условие отсутствия границ, мы увидим, что должны существовать хорошо определенные термодинамическая и космологическая стрелы времени, хотя они не обязаны быть одинаково направленными на протяжении всей истории Вселенной. Но, как я покажу, лишь в том случае, когда направления этих стрел совпадают, могут возникнуть условия для развития разумных существ, способных задать такой вопрос: почему беспорядок увеличивается в том же направления по времени, в котором расширяется Вселенная?

Сначала рассмотрим термодинамическую стрелу времени. Второй закон термодинамики вытекает из того, что состояний беспорядка всегда гораздо больше, чем состояний порядка. Возьмем, например, картинку на детских кубиках. Имеется только одно взаимное расположение кубиков, при котором составляется нужная картинка. В то же время есть очень много разных беспорядочных расположении, когда картинка не составляется вообще.

Предположим, что какая-то система вначале находится в одном из немногих состояний порядка. С течением времени состояние системы будет изменяться в полном согласии с законами науки. Через некоторое время система из состояния порядка, скорее всего, перейдет в состояние беспорядка, поскольку состояний беспорядка больше. Следовательно, если система вначале находилась в состоянии высокого порядка, то со временем будет расти беспорядок. Так, если паши кубики сложены в картинку, то при перемешивании изменится их расположение и станет, скорее всего, беспорядочным, потому что состояний беспорядка опять гораздо больше, чем состояний порядка. Картинка, конечно, при этом будет разрушена. Некоторые кубики еще будут удерживаться вместе, образуя куски картинки, но чем больше мы будем их перемешивать, тем с большей вероятностью эти куски рассыплются и все еще больше перепутается. В конце концов никакой картинки у нас не останется. Таким образом, беспорядок будет расти со временем, если в начале было состояние высокого порядка.

Предположим, однако, что Бог повелел, чтобы развитие Вселенной независимо от начального состояния заканчивалось в состоянии высокого порядка. На ранних стадиях Вселенная, вероятнее всего, находилась бы в состоянии беспорядка. Это означало бы, что беспорядок уменьшается со временем. Тогда вы видели бы, как разбитые чашки собираются из осколков и впрыгивают на стол. Но люди, которые видели бы такие прыгающие чашки, должны быть жителями вселенной, в которой беспорядок уменьшается со временем. Я утверждаю, что психологическая стрела времени этих людей должна быть направлена назад, т. е. они должны помнить события в будущем, но не должны помнить события, происходившие в прошлом. Увидев разбитую чашку, они вспомнили бы, как она стоит на столе, но когда она оказывается на столе, они не помнили бы, что она была на полу.
  
#11 | Анатолий »» | 27.11.2013 14:34
  
0
Рассуждать о человеческой памяти - весьма непростое занятие, ибо мы не знаем во всех деталях, как работает наш мозг. Зато мы знаем все о том, как действует память компьютера. Поэтому я буду говорить о психологической стреле времени для компьютеров. Мне кажется вполне логичным предположить, что и у компьютеров, и у людей психологическая стрела одна и та же. Если бы это было не так, то, имея компьютер, который помнил бы завтрашний курс акций, можно было бы прекрасно играть на бирже.

Память компьютера - это, грубо говоря, устройство, содержащее элементы, которые могут находиться в одном из двух состояний. Простой пример такого устройства - абак, древние счеты. В простейшем виде это набор горизонтальных проволочек, на каждую из которых насажена бусинка. Каждая бусинка находится в одном из двух положений. До тех пор пока в память компьютера ничего не введено, она находится в беспорядочном состоянии, в котором оба возможных расположения бусинок равновероятны (бусинки на проволочках распределены случайным образом). После того как память провзаимодействует с системой, состояние которой надо запомнить, ее состояние станет вполне определенным, зависящим от состояния системы. (Каждая бусинка на счетах будет либо в правом, либо в левом конце своей проволочки). Итак, память компьютера перешла из беспорядка в упорядоченное состояние. Но для того, чтобы быть уверенным в том, что память находится в правильном состоянии, надо затратить некоторое количество энергии (например, для перебрасывания бусинок или питания компьютера). Эта энергия перейдет в тепло и тем самым увеличит степень беспорядка во Вселенной. Можно показать, что это увеличение беспорядка будет всегда больше, чем увеличение упорядоченности самой памяти. Необходимость охлаждения компьютера вентилятором говорит о том, что, когда компьютер записывает что-то в память, общий беспорядок во Вселенной все-таки увеличивается.

Направление времени, в котором компьютер запоминает прошлое, оказывается тем же, в котором растет беспорядок.

Следовательно, наше субъективное ощущение направления времени психологическая стрела времени - задается в нашем мозгу термодинамической стрелой времени. Как и компьютер, мы должны запоминать события в том же порядке, в котором возрастает энтропия. Второй закон термодинамики становится при этом почти тривиальным. Беспорядок растет со временем, потому что мы измеряем время в направлении, в котором растет беспорядок. Трудно спорить с такой логикой!

Все же, почему термодинамическая стрела времени должна вообще существовать? Или, другими словами, почему на одном из концов времени, на том его конце, который мы называем прошлым, Вселенная должна находиться в состоянии с высокой упорядоченностью? Почему бы ей не быть в состоянии полного беспорядка? Ведь это выглядело бы более вероятным. Кроме того, почему беспорядок растет во времени в том же направлении, в котором расширяется Вселенная?

Классическая общая теория относительности не позволяет вычислить, как возникла Вселенная, потому что в сингулярной точке большого взрыва все известные нам законы природы должны нарушаться. Вселенная могла возникнуть в каком-то однородном, сильно упорядоченном состоянии. Это привело бы к четко определенным стрелам времени - термодинамической и космологической, как это наблюдается сейчас. Однако начальное состояние Вселенной вполне могло бы быть и очень неоднородным, и неупорядоченным. В этом случае Вселенная уже находилась бы в состоянии полного беспорядка и беспорядок не мог бы увеличиваться со временем. Он мог бы оставаться неизменным, тогда не было бы определенной термодинамической стрелы времени, либо мог бы уменьшаться, и тогда термодинамическая стрела времени была бы направлена навстречу космологической стреле. Ни одна из этих возможностей не согласуется с тем, что мы наблюдаем. Как мы, однако, видели, классическая общая теория oтносительности предсказывает свое нарушение. Когда кривизна пространства-времени становится большой, становятся существенными квантовые гравитационные эффекты, и классическая теория перестает служить надежным основанием для описания Вселенной. Чтобы понять, как возникла Вселенная, необходимо обратиться к квантовой теории гравитации. Но, чтобы определить в квантовой теории гравитации состояние Вселенной, необходимо, как мы видели в предыдущих главах, знать, как возможные истории Вселенной вели себя на границе пространства-времени в прошлом. Необходимость знать то, что мы не знаем и знать не можем, отпадает лишь в том случае, если прошлые истории удовлетворяют условию отсутствия границ: они имеют конечную протяженность, но у них пет ни границ, ни краев, ни особенностей. Тогда начало отсчета времени должно было быть регулярной, гладкой точкой в пространстве-времени и Вселенная начала бы свое расширение из весьма однородного и упорядоченного состояния. Оно не могло бы быть совершенно однородным, потому что этим нарушался бы принцип неопределенности квантовой теории. Это значит, что должны существовать небольшие флуктуации плотности и скоростей частиц. Но в силу условия отсутствия границ эти флуктуации должны были быть малы, чтобы согласоваться с принципом неопределенности.

Продолжение следует
  
#12 | Анатолий »» | 28.11.2013 16:26
  
0
Вначале Вселенная могла бы экспоненциально расширяться, или раздуваться, в результате чего ее размеры увеличились бы во много раз. Флуктуации плотности, оставаясь сначала небольшими, потом начали бы расти. Расширение тех областей, в которых плотность была чуть выше средней, происходило бы медленнее из-за гравитационного притяжения лишней массы. В конце концов такие области перестанут расширяться и коллапсируют, в результате чего образуются галактики, звезды и живые существа вроде нас. Таким образом, в момент возникновения Вселенная могла находиться в однородном и упорядоченном состоянии и перейти со временем в состояние неоднородное и неупорядоченное. Такой подход мог бы объяснить существование термодинамической стрелы времени.

Но что произошло бы, когда Вселенная перестала бы расширяться и стала сжиматься? Повернулась бы при этом термодинамическая стрела времени? Начал бы уменьшаться со временем беспорядок? Перед теми, кому посчастливилось бы пережить переход из фазы расширения в фазу сжатия, открылись бы самые фантастические возможности. Может быть, они увидели бы, как осколки разбитых чашек собираются на полу в целые чашки, которые возвращаются обратно на стол? А может быть, они бы помнили завтрашний курс акций и удачно играли на бирже? Правда, беспокойство по поводу того, что случится, если Вселенная опять начнет коллапсировать, кажется несколько преждевременным - сжатия не будет еще по крайней мере десять тысяч миллионов лет. Однако узнать об этом можно гораздо быстрее. Для этого надо просто прыгнуть в черную дыру. Коллапс звезды в состояние черной дыры аналогичен последним стадиям коллапса всей Вселенной. Поэтому если беспорядок должен уменьшаться на стадии сжатия Вселенной, то он будет уменьшаться и внутри черной дыры. Тогда астронавт, упавший в черную дыру, мог бы там подзаработать, играя в рулетку. Ведь еще не сделав ставки, он бы уже помнил, где остановится шарик. (Правда, игра была бы очень недолгой, лишь до тех пор, пока сам астронавт не превратился бы в спагетти. Не успев сообщить нам о повороте термодинамической стрелы и даже не получив выигрыш, он исчез бы за горизонтом событий черной дыры).

Вначале я считал, что при коллапсе Вселенной беспорядок должен уменьшаться, потому что, став опять маленькой, Вселенная должна была бы вернуться в исходное гладкое и упорядоченное состояние. Это означало бы, что фаза сжатия эквивалентна обращенной во времени фазе расширения. На стадии сжатия жизнь должна течь в обратном направлении, так что люди умирали бы до своего рождения и по мере сжатия Вселенной становились бы все моложе и моложе.

Привлекательность такого вывода - в красивой симметрии между фазой расширения и фазой сжатия. Однако его нельзя рассматривать сам по себе, независимо от других представлений о Вселенной. Возникает вопрос: следует ли этот вывод из условия отсутствия границ или же, напротив, с этим условием несовместим? Как уже говорилось, я считал вначале, что условие отсутствия границ в самом деле означает, что беспорядок должен увеличиваться на стадии сжатия. Отчасти меня ввела в заблуждение аналогия с поверхностью Земли. Положим, что начало Вселенной соответствует Северному полюсу. Тогда конец Вселенной должен быть похож на начало так же, как Южный полюс похож на Северный. Но Северный и Южный полюсы соответствуют началу и концу Вселенной в мнимом времени. В реальном же времени начало и конец могут сколь угодно сильно отличаться друг от друга. Меня еще ввела в заблуждение работа, в которой я рассматривал одну простую модель Вселенной, где фаза коллапса была похожа на обращенную во времени фазу расширения. Но мой коллега, Дон Пейдж из Университета штата Пенсильвания, показал, что условие отсутствия границ вовсе не требует того, чтобы фаза сжатия была обращенной во времени фазой расширения. Затем один из моих аспирантов, Реймонд Лефлемм, установил, что в несколько более сложной модели коллапс Вселенной сильно отличается от ее расширения. Я понял, что ошибся: из условия отсутствия границ следует, что во время сжатия беспорядок должен продолжать увеличиваться. Термодинамическая и психологическая стрелы времени не изменят своего направления на противоположное ни в черной дыре, ни во Вселенной, начавшей сокращаться вновь.
  
#13 | Анатолий »» | 29.11.2013 13:11
  
0
Что бы вы сделали, обнаружив у себя такую ошибку? Некоторые никогда не признаются в своей неправоте и продолжают поиски новых, часто совершенно необоснованных, аргументов в пользу своих идей. Так поступил Эддингтон, выступив противником теории черных дыр. Другие заявляют, что они никогда и не поддерживали эту неправильную точку зрения, а если и поддерживали, то лишь для того, чтобы продемонстрировать ее несостоятельность. Мне кажется, что гораздо правильнее выступить в печати с признанием своей неправоты. Прекрасный пример тому - Эйнштейн. О введении космологической постоянной, которая понадобилась ему при построении статической модели Вселенной, он говорил как о своей самой серьезной ошибке.

Вернемся к стреле времени. У нас остался один вопрос: почему, как показывают наблюдения, термодинамическая и космологическая стрелы направлены одинаково? Или, другими словами, почему беспорядок возрастает во времени в том же направлении, в каком расширяется Вселенная? Если считать, что Вселенная после расширения начнет сжиматься, как, по-видимому, следует из условия отсутствия границ, то наш вопрос звучит так: почему мы должны находиться в фазе расширения, а не в фазе сжатия?

Ответ на этот вопрос дает слабый антропный принцип: условия в фазе сжатия непригодны для существования таких разумных существ, которые могли бы спросить, почему беспорядок растет в том же направлении во времени, в котором расширяется Вселенная. Условие отсутствия границ предсказывает раздувание Вселенной на ранних стадиях развития. Это означает, что расширение Вселенной должно происходить со скоростью, очень близкой к критической, при которой коллапс исключается, а потому коллапса не будет очень долго. Но тогда все звезды успеют сгореть, а образующие их протоны и нейтроны распадутся на более легкие частицы. Вселенная осталась бы в состоянии практически полного беспорядка, в котором не было бы сильной термодинамической стрелы времени. Беспорядок не мог сильно увеличиваться, ведь Вселенная и так находилась бы в состоянии почти полного беспорядка. Но для существования разумной жизни необходима сильная термодинамическая стрела. Чтобы выжить, люди должны потреблять пищу, которая выступает как носитель упорядоченной формы энергии, и превращать ее в тепло, т. е. в неупорядоченную форму энергии. Следовательно, на стадии сжатия никакой разумной жизни быть не могло. Этим объясняется, почему для нас термодинамическая и космологическая стрелы времени направлены одинаково. Неверно считать, будто беспорядок растет из-за расширения Вселенной. Всему причиной условие отсутствия границ. Из-за него растет беспорядок, но только в фазе расширения создаются условия для существования разумной жизни.

Подведем итог. Законы науки не делают различия между направлением "вперед" и "назад" во времени. Но существуют по крайней мере три стрелы времени, которые отличают будущее от прошлого. Это термодинамическая стрела, т. е. то направление времени, в котором возрастает беспорядок; психологическая стрела - то направление времени, в котором мы помним прошлое, а не будущее; космологическая стрела - направление времени, в котором Вселенная не сжимается, а расширяется. Я показал, что психологическая стрела практически эквивалентна термодинамической стреле, так что обе они должны быть направлены одинаково. Из условия отсутствия границ вытекает существование четко определенной термодинамической стрелы времени, потому что Вселенная должна была возникнуть в гладком и упорядоченном состоянии. А причина совпадения термодинамической и космологической стрел кроется в том, что разумные существа могут жить только в фазе расширения. Фаза сжатия для них не подходит, потому что в ней отсутствует сильная термодинамическая стрела времени.

Прогресс человека на пути познания Вселенной привел к возникновению маленького уголка порядка в растущем беспорядке Вселенной. Если вы запомните каждое слово из этой книжки, то ваша память получит около двух миллионов единиц информации, и порядок в вашей голове возрастет примерно на два миллиона единиц. Но пока вы читали эту книгу, по крайней мере тысяча калорий упорядоченной энергии, которую вы получили в виде пищи, превратились в неупорядоченную энергию, которую вы передали в окружающий вас воздух в виде тепла за счет конвекции и потовыделения. Беспорядок во Вселенной возрастет при этом примерно на двадцать миллионов миллионов миллионов миллионов единиц, что в десять миллионов миллионов миллионов раз превышает указанное увеличение порядка в вашем мозгу, - и это произойдет лишь в том случае, если вы запомните все из моей книжки. В следующей главе я попытаюсь навести у нас в головах еще больший порядок. Я расскажу о том, как люди пытаются объединить друг с другом те отдельные теории, о которых я рассказал, стараясь создать полную единую теорию, которая охватывала бы все, что происходит во Вселенной.

продолжение следует
  
#14 | Анатолий »» | 29.11.2013 13:12
  
0
Стивен Хокинг. Краткая история времени. От большого взрыва до черных дыр

Объединение физики



Как уже говорилось в гл. 1, совсем не просто сразу строить полную единую теорию всего, что происходит во Вселенной. Поэтому мы продвигаемся вперед, создавая частные теории, описывающие какую-то ограниченную область событий, и либо пренебрегаем остальными эффектами, либо приближенно заменяем их некоторыми числами. (Например, в химии можно рассчитывать взаимодействия атомов, не зная внутреннего строения атомного ядра). Но можно надеяться на то, что в конце концов будет найдена полная, непротиворечивая единая теория, в которую все частные теории будут входить в качестве приближений и которую не нужно будет подгонять под эксперимент подбором значений входящих в нее произвольных величин. Работа по созданию такой теории называется объединением физики. Последние годы своей жизни Эйнштейн почти целиком посвятил поискам единой теории, но время для этого тогда еще не пришло: существовали частные теории гравитации и электромагнитных взаимодействий, но о ядерных силах было мало что известно. К тому же Эйнштейн отказывался верить в реальность квантовой механики, несмотря на ту огромную роль, которую он сам сыграл в ее развитии. Но принцип неопределенности является, по-видимому, фундаментальным свойством Вселенной, в которой мы живем. Поэтому он обязательно должен быть составной частью правильной единой теории.

Дальше я покажу, что надежды на построение такой теории сильно возросли, ибо мы сейчас значительно больше узнали о Вселенной. Но не нужно быть чересчур уверенным - мы уже не раз сталкивались с миражами! Например, в начале века считалось, что все можно объяснить с помощью свойств, характеризующих непрерывное вещество, скажем, таких, как упругость и теплопроводность. Открытие строения атома и принципа неопределенности навсегда покончило с подобным подходом. Затем в 1928 г. физик, лауреат Нобелевской премии Макс Борн, выступая перед гостями Гёттингенского университета, сказал: "Физика в том смысле, в котором мы ее понимаем, через полгода кончится". В своей уверенности Борн основывался на недавно открытом Дираком уравнении для электрона. Все думали, что аналогичное уравнение должно существовать и для протона - второй из двух известных тогда частиц, и тогда теоретическая физика кончится. Но открытие нейтрона и ядерных сил развеяло и эти предсказания. И все же я уверен, что сейчас есть основания для осторожного оптимизма: мы, пожалуй, близки к завершению поисков окончательных законов природы.

В предыдущих главах я говорил об общей теории относительности, которая представляет собой частную теорию гравитации, и о частных теориях, описывающих слабые, сильные и электромагнитные взаимодействия. Последние три теории могут быть объединены в так называемые теории великого объединения, которые нельзя считать достаточно удовлетворительными, потому что они не включают гравитацию и содержат величины, например относительные массы разных частиц, которые не вычисляются теоретически и должны подбираться из условия наилучшего согласия с экспериментом. Основная трудность построения теории, которая объединяла бы гравитацию с остальными силами, связана с тем, что общая теория относительности представляет собой классическую теорию, т. е. не включает в себя квантово-механический принцип неопределенности. Другие же частные теории существенно связаны с квантовой механикой. Поэтому прежде всего общую теорию относительности необходимо объединить с принципом неопределенности. Мы знаем, что результатом такого объединения станет ряд удивительных следствий: черные дыры перестанут быть черными, а из Вселенной исчезнут сингулярности, и она станет полностью замкнутой и не имеющей границ. Но, как уже объяснялось в гл. 7, здесь возникают затруднения, связанные с тем, что в силу принципа неопределенности даже пустое пространство заполнено парами виртуальных частиц и античастиц. Эти пары обладают бесконечной энергией, а потому в соответствии со знаменитым уравнением Эйнштейна Е = mc^2 их масса тоже должна быть бесконечна. Следовательно, под действием создаваемого ими гравитационного притяжения Вселенная должна, искривляясь, сворачиваться до бесконечно малых размеров.

Продолжение следует
  
#15 | Анатолий »» | 30.11.2013 15:32
  
0
Такие же нелепые бесконечности возникают и в других частных теориях, но их всегда можно устранить с помощью процедуры, которая называется перенормировкой. Метод перенормировок предписывает введение новых бесконечностей для компенсации старых. Несмотря на свою неполную математическую обоснованность, этот метод успешно применяется, и полученные с его помощью предсказания частных теорий чрезвычайно точно согласуются с результатами наблюдений. Однако в плане поиска завершенной теории метод перенормировок обладает одним серьезным недостатком: он не позволяет теоретически предсказать действительные значения масс и сил; их приходится подбирать путем подгонки к эксперименту.

При попытках включить принцип неопределенности в общую теорию относительности имеются только два числа, которые можно подгонять: величина гравитационной силы и космологическая постоянная. Но их изменением невозможно устранить все бесконечности. Значит, мы имеем теорию, согласно которой некоторые величины, например кривизна пространства-времени, должны быть бесконечными, несмотря на то что эти величины можно наблюдать, и из измерений вытекает, что они конечны! Эта проблема, возникающая при объединении общей теории относительности с принципом неопределенности, какое-то время считалась сомнительной, но в конце концов ее реальность была, наконец, подтверждена детальными расчетами в 1972 г. Через четыре года появилось одно из возможных ее решений, названное теорией супергравитации. Суть этой теории в том, что гравитон (частица со спином 2, являющаяся переносчиком гравитационного взаимодействия) объединяется с некоторыми новыми частицами, имеющими спины 3/2, 1, 1/2 и 0. Тогда все эти частицы в каком-то смысле можно рассматривать как разные виды одной и той же "суперчастицы", осуществив таким образом объединение частиц материи, имеющих спины 1/2 и 3/2, с частицами - переносчиками взаимодействия, спины которых равны 0, 1 и 2. Виртуальные пары частица-античастица со спином 1/2 и 3/2 обладают при этом отрицательной энергией, компенсирующей положительную энергию виртуальных пар со спином 2, 1, 0. В результате многие бесконечности будут устранены, но есть подозрения, что какая-то их часть может все же остаться. Однако выяснение того, все ли бесконечности устранены, требовало столь громоздких и сложных расчетов, что ими никто не собирался заниматься. Оценки показали, что даже с помощью компьютера работа заняла бы никак не меньше четырех лет, и при этом очень велика вероятность хоть раз ошибиться. Следовательно, в ответе можно быть уверенным лишь в том случае, если кто-нибудь другой повторил бы все вычисления и получил тот же результат, а на это трудно рассчитывать.

Несмотря на все эти проблемы и на то, что частицы в теориях супергравитации, по-видимому, отличались от наблюдаемых частиц, большинство ученых считало, что супергравитация может привести к правильному решению задачи об объединении физики. Но в 1984 г. общее ученое мнение сильнейшим образом изменилось в сторону так называемых струйных теорий. Основными объектами струнных теорий выступают не частицы, занимающие всего лишь точку в пространстве, а некие структуры вроде бесконечно тонких кусочков струны, не имеющих никаких измерений, кроме длины. Концы этих струн могут быть либо свободны (так называемые открытые струи), либо соединены друг с другом (замкнутые струи) (рис. 10.1 и 10.2). Частица в каждый момент времени представляется одной точкой в пространстве. Следовательно, ее историю можно изобразить линией в пространстве-времени (мировая линия). Но струне в каждый момент времени отвечает линия в трехмерном пространстве. Следовательно, ее история в пространстве-времени изображается двумерной поверхностью, которая называется "мировым листом". (Любую точку на таком мировом листе можно задать двумя числами, одно из которых - время, а другое - положение точки на струне). Мировой лист открытой струны представляет собой полосу, края которой отвечают путям концов струны в пространстве-времени (рис. 10.1). Мировой лист замкнутой струны - это цилиндр или трубка (рис. 10.2), сечением которой является окружность, отвечающая положению струны в определенный момент времени.

Два куска струны могут соединиться в одну струну; в случае открытых струн они просто смыкаются концами (рис. 10.3), а соединение замкнутых струн напоминает соединение двух штанин в брюках (рис. 10.4). Аналогичным образом кусок струны может разорваться на две струны. То, что раньше считалось частицами, в струнных теориях изображается в виде волн, бегущих по струне так же, как бегут волны по натянутой веревке, если ее дернуть за конец. Испускание и поглощение одной частицы другой отвечает соединению и разделению струн. Например, гравитационная сила, с которой Солнце действует на Землю, в теориях частиц изображалась как результат испускания какой-нибудь частицей на Солнце гравитона и последующего его поглощения какой-нибудь частицей на Земле (рис. 10.5). В теории струн этот процесс изображается Н-образным соединением трубок (рис. 10.6). (Теория струн в каком-то смысле подобна технике водопроводчика). Две вертикальные стороны соответствуют частицам, находящимся на Солнце и на Земле, а горизонтальная поперечина отвечает летящему между ними гравитону.

Теория струн имеет очень необычную историю. Она возникла в конце шестидесятых годов при попытках построить теорию сильных взаимодействий. Идея была в том, чтобы частицы типа протона и нейтрона рассматривать как волны, распространяющиеся по струне. Тогда сильные силы, действующие между частицами, соответствуют отрезкам струн, соединяющим между собой, как в паутине, другие участки струп. Для того чтобы вычисленная в этой теории сила взаимодействия имела значение, отвечающее эксперименту, струны должны быть эквивалентны резиновым лентам, натянутым с силой около десяти тонн.

В 1974 г. парижанин Джоэль Шерк и Джон Шварц из Калифорнийского технологического института опубликовали работу, в которой было показано, что теория струн может описывать гравитационное взаимодействие, но только при значительно большем натяжении струны - порядка тысячи миллионов миллионов миллионов миллионов миллионов миллионов (единица с тридцатью девятью нулями) тонн. В обычных масштабах предсказания такой струнной модели и общей теории относительности совпадали, но начинали различаться на очень малых расстояниях, меньших одной тысяча миллион миллион миллион миллион миллионной доли сантиметра (один сантиметр, деленный на единицу с тридцатью тремя нулями). Однако эта работа не привлекла особенного внимания, потому что как раз в то время многие отказались от первоначальной струнной теории сильного взаимодействия, обратившись к теории кварков и глюонов, результаты которой значительно лучше согласовались с экспериментом. Шерк трагически умер (у пего был диабет, и во время комы рядом не оказалось никого, кто бы сделал ему укол инсулина), и Шварц остался почти единственным сторонником струнной теории, но со значительно более сильным натяжением струн.

В 1984 г. интерес к струнам неожиданно возродился. На то было, по-видимому, две причины. Во-первых, никто не мог ничего добиться, пытаясь показать, что супергравитация конечна или что с ее помощью можно объяснить существование всех разнообразных частиц, которые мы наблюдаем. Второй причиной была публикация статьи Джона Шварца и Майка Грина из Лондонского Куин-Мэри колледжа, в которой было показано, что с помощью теории струн можно объяснить существование частиц с левой спиральностью, как у некоторых из тех частиц, что мы наблюдаем. Какими бы ни были побудительные мотивы, вскоре очень многие обратились к теории струн, в результате чего появилась ее новая разновидность - теория так называемой гетеротической струны, которая дает надежду на объяснение разнообразия видов наблюдаемых частиц.

В теориях струн тоже возникают бесконечности, но есть надежда, что в тех или иных теориях гетеротической струны эти бесконечности сократятся (хотя пока это еще не известно). Но струнные теории содержат значительно более серьезную трудность: они непротиворечивы, по-видимому, лишь в десяти или двадцатишестимерном пространстве-времени, а не в обычном четырехмерном! Лишние измерения - это обычное дело в научной фантастике; там без них и в самом деле почти невозможно обойтись, потому что иначе, из-за того что, согласно теории относительности, нельзя двигаться быстрее света, путешествия среди звезд и галактик происходили бы немыслимо долго. Идея научной фантастики заключается в том, что можно как-то сократить путь, пройдя через лишнее измерение. Эту мысль можно следующим образом пояснить на рисунке. Представьте себе, что пространство, в котором мы живем, имеет только два измерения и искривлено, как поверхность бублика, или тора (рис. 10.7). Если вы находитесь в какой-то точке на внутренней стороне тора и хотите попасть в противоположную точку, вам придется обойти тор по внутреннему кольцу. А если бы вы умели перемещаться в третьем измерении, вы могли бы срезать, пойдя напрямик.

Продолжение следует
  
#16 | Анатолий »» | 01.12.2013 18:58
  
1
Но почему же мы не замечаем все эти дополнительные измерения, если они действительно существуют?

Почему мы видим только три пространственных и одно временное измерение? Возможно, причина кроется в том, что другие измерения свернуты в очень малое пространство размером порядка одной миллион миллион миллион миллион миллионной доли сантиметра. Оно так мало, что мы его просто не замечаем: мы видим всего лишь одно временное и три пространственных измерения, в которых пространство-время выглядит довольно плоским. То же самое происходит, когда мы смотрим па поверхность апельсина: вблизи она выглядит искривленной и неровной, а издали бугорки не видны и апельсин кажется гладким. Так же и пространство-время: в очень малых масштабах оно десятимерно и сильно искривлено, а в больших масштабах кривизна и дополнительные измерения не видны. Если это представление верно, то оно несет дурные вести будущим покорителям космоса: дополнительные измерения будут слишком малы для прохода космического корабля. Но возникает и другая серьезная проблема. Почему лишь некоторые, а не все вообще измерения должны свернуться в маленький шарик? На очень ранней стадии все измерения во Вселенной были, по-видимому, очень сильно искривлены. Почему же одно временное и три пространственных измерения развернулись, а все остальные остаются туго свернутыми?

Один из возможных ответов дается антропным принципом. Двух пространственных измерений, по-видимому, недостаточно для того, чтобы могли развиться такие сложные существа, как мы. Живя, например, на одномерной Земле, двумерные животные, чтобы разойтись при встрече, были бы вынуждены перелезать друг через друга. Если бы двумерное существо питалось чем-нибудь таким, что не переваривается до конца, то остатки должны были бы выводиться по тому же пути, по которому входит пища, так как при наличии сквозного прохода через все тело животное оказалось бы разделенным на две отдельные половины, и наше двумерное существо развалилось бы на две части (рис. 10.8). Точно так же трудно представить себе, как у двумерного существа происходила бы циркуляция крови.

Трудности возникали бы и в том случае, если бы число пространственных измерений было больше трех. Гравитационная сила между двумя телами быстрее возрастала бы с расстоянием, чем в трехмерном пространстве. (Когда расстояние удваивается, то в трех измерениях гравитационная сила уменьшается в четыре раза, в четырех измерениях - в восемь раз, в пяти - в шестнадцать раз и т. д.). Это значит, что орбиты планет, например, Земли, вращающихся вокруг Солнца, были бы нестабильны: малейшее отклонение от круговой орбиты (возникшее, допустим, изза гравитационного притяжения других планет) привело бы к тому, что Земля стала бы двигаться но спирали либо от Солнца, либо к Солнцу. Мы бы тогда либо замерзли, либо сгорели. На самом деле, если бы зависимость гравитационной силы от расстояния была одинаковой в пространствах с размерностью выше трех, то Солнце не могло бы существовать в стабильном состоянии, в котором сохраняется равновесие между давлением и гравитацией. Оно либо распалось бы на части, либо, сколлапсировав, превратилось в черную дыру. В обоих случаях от него уже было бы мало пользы как от источника тепла и света для поддержки жизни на Земле. На меньших масштабах электрические силы, под действием которых электроны обращаются в атоме вокруг ядра, вели бы себя так же, как гравитационные. Следовательно, электроны либо все вместе вылетели бы из атома, либо по спирали упали бы на ядро. В том и другом случае не существовало бы таких атомов, как сейчас.

Тогда, казалось бы, очевидно, что жизнь, по крайней мере так, как мы ее себе представляем, может существовать лишь в таких областях пространства-времени, в которых одно временное и три пространственных измерения не очень сильно искривлены. Это означает, что мы имеем право призвать на помощь слабый антропный принцип, если сможем показать, что струнная теория по крайней мере допускает (а она, по-видимому, действительно допускает) существование во Вселенной областей указанного вида. Вполне могут существовать и другие области Вселенной или другие вселенные (что бы под этим ни подразумевалось), в которых либо все измерения сильно искривлены, либо распрямлено больше четырех измерений, но в подобных областях не будет разумных существ, которые могли бы увидеть это разнообразие действующих измерений.


Кроме определения числа измерений, которыми обладает пространство-время, в теории струн есть еще и другие задачи, которые надо решить, прежде чем провозглашать теорию струн окончательной единой теорией физики. Мы пока не знаем, все ли бесконечности компенсируют друг друга, и не умеем точно находить соответствие между волнами на струне и определенными типами частиц, которые мы наблюдаем. Тем не менее ответы на эти вопросы будут, по-видимому, найдены в ближайшие несколько лет, и к концу века мы узнаем, является ли теория струн той долгожданной единой теорией физики.

Но может ли единая теория реально существовать? Или мы просто гоняемся за миражом? Возможны, по-видимому, три варианта.

1. Полная единая теория действительно существует, и мы ее когда-нибудь откроем, если постараемся.

2. Окончательной теории Вселенной нет, а есть просто бесконечная последовательность теорий, которые дают все более и более точное описание Вселенной.

3. Теории Вселенной не существует: события не могут быть предсказаны далее некоторого предела и происходят произвольным образом и беспорядочно.

В пользу третьего варианта некоторые выдвигают тот довод, что существование полной системы законов ограничило бы свободу Бога, если бы он передумал и решил вмешаться в наш мир. Ситуация сродни старому доброму парадоксу: может ли Бог сотворить такой камень, который Он сам не смог бы поднять. Но мысль о том, что Бог может передумать, - это пример заблуждения, на которое указывал еще Блаженный Августин; оно возникает, если считать Бога существом, живущим во времени; время же - свойство только Вселенной, которая создана Богом. Запуская Вселенную, Бог, вероятно, знал что делает!

С появлением квантовой механики пришло понимание того, что событие невозможно предсказывать абсолютно точно и в любом предсказании всегда содержится некоторая доля неопределенности. При желании эту неопределенность можно было бы отнести на счет вмешательства Бога, но вмешательства, носящего очень странный характер: нет никаких свидетельств его хоть какой-нибудь целевой направленности. Разумеется, оказавшись направленным, оно по своему понятию не было бы случайным. В наш век мы практически исключили третий возможный вариант, предопределив цель, стоящую перед наукой: найти систему законов, которые давали бы возможность предсказывать события в пределах точности, устанавливаемой принципом неопределенности.

Вторая возможность, связанная с существованием бесконечной последовательности все более и более точных теорий, пока целиком согласуется с нашим опытом. Во многих случаях мы повышали чувствительность аппаратуры или производили эксперименты нового типа лишь для того, чтобы открыть новые явления, которые еще не были предсказаны существующей теорией, и для их предсказания приходилось создавать новую, более сложную теорию. Поэтому не будет ничего особенно удивительного, если окажется неверным предсказание, сделанное в рамках современных теорий великого объединения, о том, что не должно быть никаких существенно новых явлений в промежутке от значения энергии электрослабого объединения 100 ГэВ до энергии великого объединения, равной примерно тысяче миллионов миллионов гигаэлектронвольт. На самом деле можно ожидать, что будут открыты какие-то новые слои структуры, более элементарные, чем кварки и электроны, которые мы сейчас считаем элементарными.

Продолжение следует
  
#17 | Анатолий »» | 02.12.2013 17:31
  
0
Но гравитация может, по-видимому, наложить ограничение на эту последовательность вложенных одна в другую "матрешек". Если бы существовала частица, энергия которой превышала бы планковское значение - десять миллионов миллионов миллионов (единица с девятнадцатью нулями) гигаэлектронвольт, - то ее масса была бы столь сильно сжата, что частица выдавилась бы из Вселенной, образовав черную дыру. Таким образом, последовательность все более точных теорий должна, по-видимому, иметь предел при переходе ко все более и более высоким энергиям, а потому при каких-то энергиях должна существовать окончательная теория Вселенной.

Планковская энергия, конечно, отделена пропастью от энергий порядка сотни гигаэлектронвольт - того максимума, который сейчас можно достичь в лаборатории, и с помощью ускорителей вряд ли удастся возвести мост через эту пропасть в обозримом будущем! Но столь высокие энергии могли возникнуть на очень ранних стадиях развития Вселенной. Мне кажется, что изучение ранней Вселенной и требования математической согласованности приведут к созданию полной единой теории, и произойдет это еще при жизни кого-то из нас, ныне живущих, если, конечно, мы до этого сами себя не взорвем.

Что бы это означало, если бы нам действительно удалось открыть окончательную теорию Вселенной? Как уже говорилось в гл. 1, мы никогда не могли бы быть уверенными в том, что найденная теория действительно верна, потому что никакую теорию нельзя доказать. Но если открытая теория была бы математически непротиворечива и ее предсказания всегда совпадали с экспериментом, то мы могли бы не сомневаться в ее правильности. Этим завершилась бы длинная и удивительная глава в истории интеллектуальной борьбы человечества за познание Вселенной. Кроме того, открытие такой теории произвело бы революцию в представлениях обычных людей о законах, управляющих Вселенной. Во времена Ньютона образованный человек мог, по крайней мере в общих чертах, охватить весь объем знаний, которыми располагало человечество. Но с тех пор развитие науки происходит в таком темпе, что подобный охват стал невозможным. Теории непрерывно видоизменяются для согласования с результатами наблюдений, и никто не занимается переработкой и упрощением теорий для того, чтобы их могли понять неспециалисты. Даже будучи специалистом, можно надеяться понять лишь малую часть научных теорий. Кроме того, развитие идет так быстро, что все, чему учат в школе или университете, всегда немного устарелое. Лишь единицы могут двигаться вперед наравне с быстро растущим объемом информации. Им приходится посвящать этому все свое время и специализироваться лишь в какой-то узкой области. Остальные мало что знают о том, чего достигла наука и как это переживают ученые. Если верить Эддингтону, семьдесят лет назад лишь два человека понимали общую теорию относительности. Сейчас ее знают десятки тысяч выпускников университетов, а многие миллионы людей по крайней мере знакомы с лежащей в ее основе идеей. Если бы была открыта полная единая теория, то ее систематизация и упрощение, а потом и преподавание в школе, по крайней мере в общих чертах, оказались бы просто делом времени. Тогда все смогли бы получить некоторое представление о законах, управляющих Вселенной и ответственных за наше существование.

Если нам действительно удастся открыть полную единую теорию, то это не будет означать, что мы сможем предсказывать события вообще. На то есть две причины. Во-первых, наши предсказательные возможности ограничены квантово-механическим принципом неопределенности, и с этим ничего не поделаешь. Правда, на практике второе ограничение сильнее первого. Второе ограничение связано с тем, что, если не считать очень простых случаев, мы не умеем находить точные решения уравнений, описывающих теорию. (Мы не в состоянии точно решить даже уравнения движения трех тел в ньютоновской теории гравитации, а с ростом числа тел и усложнением теории трудности еще более увеличиваются). Мы уже знаем те законы, которым подчиняется поведение вещества во всех условиях, кроме экстремальных. В частности, мы знаем самые важные законы, лежащие в основе химии и биологии. Тем не менее мы, конечно же, не причисляем эти науки к решенным проблемам; мы пока не добились почти никаких успехов в предсказании поведения человека на основе математических уравнений! Таким образом, если мы и найдем полную систему основных законов, перед нами на много лет вперед будет стоять вызовом нашему интеллекту задача разработки новых приближенных методов, с помощью которых мы могли бы успешно предсказывать возможные результаты в реальных сложных ситуациях. Полная, непротиворечивая единая теория - это лишь первый шаг: наша цель - полное понимание всего происходящего вокруг нас и нашего собственного существования.
  
#18 | Анатолий »» | 02.12.2013 17:32
  
0
Стивен Хокинг. Краткая история времени. От большого взрыва до черных дыр

Заключение


Мы живем в удивительном мире. Нам хочется понять то, что мы видим вокруг, и спросить: каково происхождение Вселенной? какое место в ней занимаем мы, и откуда мы и она - все это взялось? почему все происходит именно так, а не иначе?

Для ответа на эти вопросы мы принимаем некую картину мира. Такой картиной может быть как башня из стоящих друг на друге черепах, несущих на себе плоскую Землю, так и теория суперструн. Обе они являются теориями Вселенной, но вторая значительно математичнее и точнее первой. Ни одна из этих теорий не подтверждена наблюдениями: никто никогда не видел гигантскую черепаху с нашей Землей на спине, но ведь и суперструну никто никогда не видел. Однако модель черепах нельзя назвать хорошей научной теорией, потому что она предсказывает возможность выпадения людей через край мира. Такая возможность не подтверждена экспериментально, разве что она окажется причиной предполагаемого исчезновения людей в Бермудском треугольнике!

Самые первые попытки описания и объяснения Вселенной были основаны на представлении, что событиями и явлениями природы управляют духи, наделенные человеческими эмоциями и действующие совершенно как люди и абсолютно непредсказуемо.

Эти духи населяли такие природные объекты, как реки, горы и небесные тела, например, Солнце и Луну. Полагалось задабривать их и добиваться их расположения, чтобы обеспечить плодородие почвы и смену времен года. Но постепенно люди должны были подметить определенные закономерности: Солнце всегда вставало на востоке и садилось на западе независимо от того, была или не была принесена жертва богу Солнца. Солнце, Луна и планеты ходили по небу вдоль совершенно определенных путей, которые можно было предсказать наперед с хорошей точностью. Солнце и Луна все же могли оказаться богами, но богами, которые подчиняются строгим, по-видимому, не допускающим исключений законам, если, конечно, отвлечься от россказней вроде легенды о том, как ради Иисуса Навина остановилось Солнце.

Сначала закономерности и законы были обнаружены только в астрономии и еще в считанных случаях. По по мере развития цивилизации, и особенно за последние триста лет, открывались все новые и новые закономерности и законы. Успешное применение этих законов в начале XIX в. привело Лапласа к доктрине научного детерминизма. Ее суть в том, что должна существовать система законов, точно определяющих, как будет развиваться Вселенная, по ее состоянию в один какой-нибудь момент времени.

Лапласовский детерминизм был неполным но двум причинам. В нем ничего не говорилось о том, как следует выбирать законы, и никак не определялось начальное состояние Вселенной. И то и другое предоставлялось решать Богу. Бог должен был решить, каким быть началу Вселенной и каким законам ей подчиняться, но с возникновением Вселенной его вмешательство прекратилось. Практически Богу были оставлены лишь те области, которые были непонятны науке XIX в.

Сейчас мы знаем, что мечты Лапласа о детерминизме нереальны, по крайней мере в том виде, как это понимал Лаплас. В силу квантово-механического принципа неопределенности некоторые пары величин, например, положение частицы и ее скорость, нельзя одновременно абсолютно точно предсказать.

Квантовая механика в подобных ситуациях обращается к целому классу квантовых теорий, в которых частицы не имеют точно определенных положений и скоростей, а представляются в виде волн. Такие квантовые теории являются детерминистскими в том смысле, что они указывают закон изменения волн со временем. Поэтому, зная характеристики волны в один момент времени, мы можем рассчитать, какими они станут в любой другой момент времени. Элемент непредсказуемости и случайности возникает лишь при попытках интерпретации волны на основе представлений о положении и скорости частиц. Но в этом-то, возможно, и заключается наша ошибка: может быть, нет ни положений, ни скоростей частиц, а существуют одни только волны. И ошибка именно в том, что мы пытаемся втиснуть понятие волны в наши заскорузлые представления о положениях и скоростях, а возникающее несоответствие и есть причина кажущейся непредсказуемости.

И вот мы поставили иную задачу перед наукой: найти законы, которые позволяли бы предсказывать события с точностью, допускаемой принципом неопределенности. Однако все равно остается без ответа вопрос: как и почему производился выбор законов и начального состояния Вселенной?

В этой книге я особо выделил законы, которым подчиняется гравитация, потому что, хотя гравитационные силы самые слабые из существующих четырех типов сил, именно под действием гравитации формируется крупномасштабная структура Вселенной. Законы гравитации были несовместимы с еще недавно бытовавшей точкой зрения, что Вселенная не изменяется со временем: из того, что гравитационные силы всегда являются силами притяжения, вытекает, что Вселенная должна либо расширяться, либо сжиматься. Согласно общей теории относительности, в прошлом должно было существовать состояние с бесконечной плотностью - большой взрыв, который и стал эффективно началом отсчета времени. Аналогичным образом, если вся Вселенная испытает повторный коллапс, то в будущем должно обнаружиться еще одно состояние с бесконечной плотностью - большой хлопок, который станет концом течения времени. Даже если вторичный коллапс Вселенной не произойдет, во всех локализованных областях, из которых в результате коллапса образовались черные дыры, все равно возникнут сингулярности. Эти сингулярности будут концом времени для любого, кто упадет в черную дыру. В точке большого взрыва и в других сингулярностях нарушаются все законы, а поэтому за Богом сохраняется полная свобода в выборе того, что происходило в сингулярностях и каким было начало Вселенной.

При объединении квантовой механики с общей теорией относительности возникает, по-видимому, новая, доселе неизвестная возможность: пространство и время могут вместе образовать конечное четырехмерное пространство, не имеющее сингулярностей и границ и напоминающее поверхность Земли, но с большим числом измерений. С помощью такого подхода удалось бы, наверное, объяснить многие из наблюдаемых свойств Вселенной, например, ее однородность в больших масштабах и одновременно отклонения от однородности, наблюдаемые в меньших масштабах, такие, как галактики, звезды и даже человеческие существа. С помощью этого подхода можно было бы объяснить даже существование наблюдаемой нами стрелы времени. Но если Вселенная полностью замкнута и не имеет ни сингулярностей, ни границ, то отсюда вытекают очень серьезные выводы о роли Бога как Создателя.

Однажды Эйнштейн задал вопрос: "Какой выбор был у Бога, когда он создавал Вселенную?" Если верно предположение об отсутствии границ, то у Бога вообще не было никакой свободы выбора начальных условий. Разумеется, у него еще оставалась свобода выбора законов, которым подчиняется Вселенная. Но их на самом деле не так уж много; существует, возможно, всего одна или несколько полных единых теорий, например, теория гетеротической струны, которые были бы непротиворечивы и допускали существование таких сложных структур, как человеческие существа, способных исследовать законы Вселенной и задавать вопросы о сущности Бога.

Даже если возможна всего одна единая теория - это просто набор правил и уравнений. Но что вдыхает жизнь в эти уравнения и создает Вселенную, которую они могли бы описывать? Обычный путь пауки - построение математической модели - не может привести к ответу на вопрос о том, почему должна существовать Вселенная, которую будет описывать построенная модель. Почему Вселенная идет на все хлопоты существования? Неужели единая теория так всесильна, что сама является причиной своей реализации? Или ей нужен создатель, а если нужен, то оказывает ли он еще какое-нибудь воздействие на Вселенную? И кто создал его?

Пока большинство ученых слишком заняты развитием новых теорий, описывающих, что есть Вселенная, и им некогда спросить себя, почему она есть. Философы же, чья работа в том и состоит, чтобы задавать вопрос "почему", не могут угнаться за развитием научных теорий. В XVIII в. философы считали все человеческое знание, в том числе и науку, полем своей деятельности и занимались обсуждением вопросов типа: было ли у Вселенной начало? Но расчеты и математический аппарат науки XIX и XX вв. стали слишком сложны для философов и вообще для всех, кроме специалистов. Философы настолько сузили круг своих запросов, что самый известный философ нашего века Виттгенштейн по этому поводу сказал: "Единственное, что еще остается философии, - это анализ языка". Какое унижение для философии с ее великими традициями от Аристотеля до Канта!

Но если мы действительно откроем полную теорию, то со временем ее основные принципы станут доступны пониманию каждого, а не только нескольким специалистам. И тогда все мы, философы, ученые и просто обычные люди, сможем принять участие в дискуссии о том, почему так произошло, что существуем мы и существует Вселенная. И если будет найден ответ на такой вопрос, это будет полным триумфом человеческого разума, ибо тогда нам станет понятен замысел Бога.

Продолжение следует
  
#19 | Анатолий »» | 03.12.2013 17:04
  
0
Стивен Хокинг. Краткая история времени. От большого взрыва до черных дыр
Альберт Эйнштейн


Как был связан Эйнштейн с политикой, основанной на ядерном оружии, хорошо известно: он подписал знаменитое письмо к президенту Рузвельту, которое заставило Соединенные Штаты серьезно оценить положение, а после войны он включился в движение за предотвращение ядерной войны. Это не было отдельными эпизодами в жизни ученого, втянутого в политику. Жизнь Эйнштейна, но его собственным словам, "делилась между политикой и уравнениями".

Ранняя политическая активность Эйнштейна возникла еще во время Первой мировой воины, когда он был профессором и Берлине. Убитый тем, что он считал напрасной потерей человеческих жизней, он примкнул к антивоенным демонстрациям. Его выступления в защиту гражданского неповиновения и публичное одобрение тех, кто отказывался от службы в армии, не могли снискать ему популярности среди коллег. После войны Эйнштейн направил свои усилия на примирение сторон и улучшение международных отношений. Такого рода деятельность тоже не способствовала популярности Эйнштейна и через некоторое время привела к тому, что ему стало трудно посещать Соединенные Штаты даже для чтений лекций.

Вторым важнейшим делом в жизни Эйнштейна был сионизм (в то время это означало борьбу за государственное объединение евреев, поддержанное ООН, и в частности, СССР. - прим. ред.).

Будучи сам евреем по происхождению, Эйнштейн отрицал библейскую идею Бога. Но нарастающая волна антисемитизма как перед Первой мировой войной, так и после нее постепенно привела Эйнштейна к отождествлению себя с еврейской общиной, и он превратился в полного сторонника сионизма. В который раз падение популярности не остановило Эйнштейна перед открытым высказыванием своих взглядов. Его теории преследовались; возникла даже антиэйнштейновская организация. Один человек был предан суду за подстрекательство к убийству Эйнштейна (и оштрафован всего на шесть долларов). Но Эйнштейн сохранял спокойствие, а когда вышла книга "Сто авторов против Эйнштейна", он заметил: "Хватило бы и одного, если я был бы неправ!"

В 1933 г. к власти пришел Гитлер. Эйнштейн, который был в это время в Америке, заявил, что не вернется в Германию. Когда нацистские войска окружили его дом, а его банковский счет был конфискован, в одной из берлинских газет появился заголовок: "Хорошие новости - Эйнштейн не вернется". Перед лицом нацистской угрозы Эйнштейн отошел от пацифизма и в конце концов, опасаясь того, что немецкие ученые создадут атомную бомбу, предложил Соединенным Штатам разрабатывать свою собственную бомбу. Но еще до взрыва первой атомной бомбы он публично предупреждал об опасностях ядерной войны и предлагал создать международный контроль за ядерными вооружениями.

На протяжении всей жизни Эйнштейна его миротворческие усилия не давали, по-видимому, прочных результатов и уж во всяком случае не прибавляли ему друзей. Однако публичные выступления Эйнштейна в защиту сионизма были по достоинству оценены в 1952 г., когда ему было предложено стать президентом Израиля. Эйнштейн отказался, заявив, что, пo его мнению, он слишком наивен в политике. Но действительной причиной отказа, наверное, была другая. Процитируем его еще раз: "Для меня важнее уравнения, потому что политика нужна настоящему, а уравнения - это для вечности".


Галилео Галилей

Галилей, пожалуй, больше, чем кто-либо другой из отдельных людей, ответствен за рождение современной науки. Знаменитый спор с Католической Церковью занимал центральное место в философии Галилея, ибо он одним из первых объявил, что у человека есть надежда понять, как устроен мир, и, более того, что этого можно добиться, наблюдая наш реальный мир.

Галилей с самого начала верил в теорию Коперника (о том, что планеты обращаются вокруг Солнца), но начал ее публично поддерживать лишь тогда, когда нашел ее подтверждения. Работы, посвященные теории Коперника, Галилей писал по-итальянски (а не на принятой академической латыни), и вскоре его представления распространились далеко за пределы университетов. Это не поправилось приверженцам учения Аристотеля, которые объединились против Галилея, пытаясь заставить Католическую Церковь предать анафеме учение Коперника.

Взволнованный происходящим, Галилей отправился в Рим, чтобы посоветоваться с церковными авторитетами. Он заявил, что в цели Библии не входит какое бы то ни было освещение научных теорий и что надо принимать за аллегорию те места в Библии, которые вступают в противоречие со здравым смыслом. Но, боясь скандала, который мог помешать ее борьбе с протестантами, Церковь перешла к репрессивным мерам. В 1616 г. учение Коперника было провозглашено "ложным и ошибочным", а Галилею было навеки запрещено выступать в защиту или придерживаться этой доктрины. Галилей сдался.

В 1623 г. один из старых друзей Галилея стал Римским Папой. Галилей сразу начал добиваться отмены указа 1616 г. Он потерпел неудачу, но зато сумел получить разрешение написать книгу, обсуждающую как теорию Аристотеля, так и теорию Коперника. Ему было поставлено два условия: он не имел права принимать ни одну из сторон и должен был сделать вывод, что человек никогда не сможет узнать, как устроен мир, потому что Бог умеет вызывать одни и те же эффекты способами, не доступными воображению человека, который не может налагать ограничения на всемогущество Бога.

Книга Галилея "Диалог о двух главнейших системах мира" была завершена и издана в 1632 г. при полном одобрении цензуры и была сразу же отмечена по всей Европе как литературный и философский шедевр. Вскоре, однако, Папа понял, что эта книга воспринимается как убедительная поддержка теории Коперника, и пожалел, что разрешил ее издать. Папа заявил, что, несмотря на официальное благословение цензуры, Галилей все же нарушил указ 1616 г. Галилей предстал перед судом инквизиции и был приговорен к пожизненному домашнему аресту и публичному отречению от учения Коперника. Галилею пришлось покориться опять.

Оставаясь преданным католиком, Галилей не поколебался в своей вере в независимость науки. За четыре года до смерти, в 1642 г., находясь все еще под домашним арестом, он тайно переправил в голландское издательство рукопись своей второй крупной книги "Две новые науки". Именно эта работа, в большей степени, чем его поддержка Коперника, дала рождение современной науке.

Исаак Ньютон

Исаака Ньютона нельзя назвать симпатичным человеком. Широкую известность получили его плохие отношения с другими учеными, и последние годы своей жизни он провел в основном в резких спорах. После издания книги "Математические начала", оказавшейся, безусловно, самой влиятельной из всех когда-либо написанных книг по физике, Ньютон быстро приобрел общественное положение. Он был назначен президентом Королевского общества и стал первым ученым, посвященным в рыцарское звание.

Вскоре Ньютон поссорился с королевским астрономом Джоном Флэмстидом, который раньше снабжал Ньютона данными для "Математических начал", а теперь задерживал информацию, которая требовалась Ньютону. Ньютон не потерпел такого положения и сам включил себя в руководство королевской обсерватории, а затем начал добиваться немедленной публикации результатов. В конце концов ему удалось заполучить работу Флэмстида и договориться о ее издании со смертельным врагом Флэмстида Эдмондом Галлеем. Однако Флэмстид передал дело в суд, и суд успел принять решение в его пользу, запретив распространение украденной работы. Ньютона разозлило такое решение, и, чтобы отомстить Флэмстиду, он систематически снимал в более поздних изданиях "Начал" все ссылки на работы Флэмстида.

Более серьезный спор разгорелся у Ньютона с немецким философом Готтфридом Лейбницем. Лейбниц и Ньютон независимо друг от друга развили область математики, называемую дифференциальным исчислением, составляющую основу большей части современной физики. Хотя, как мы теперь знаем, Ньютон открыл это исчисление на несколько лет раньше Лейбница, свою работу он опубликовал значительно позже. Возник грандиозный спор по поводу того, кто же был первым. Ученые рьяно защищали обоих соперников. Замечательно, что почти все статьи в защиту Ньютона были написаны им самим и лишь опубликованы под именами его друзей! Спор разгорался, и тут Лейбниц совершил ошибку, обратившись в Королевское общество с просьбой разрешить противоречие. Ньютон, будучи президентом общества, назначил для разбора дела "незаинтересованную" комиссию, "случайно" составленную целиком из друзей Ньютона! Но это было еще не все: затем Ньютон сам написал отчет комиссии и заставил общество его опубликовать, официально обвинив таким образом Лейбница в плагиате. Все еще не чувствуя себя удовлетворенным, Ньютон анонимно опубликовал сжатый пересказ этого отчета в газете Королевского общества. Говорят, что после смерти Лейбница Ньютон заявил, что oн получил большое удовлетворение от того, что ему удалось "разбить сердце Лейбница".

Пока шли оба диспута, Ньютон покинул и Кембридж, и кафедру. Он принимал активное участие в антикатолическом движении сначала в Кембриджском университете, а затем в парламенте и был вознагражден за это назначением на доходную должность хранителя Королевского монетного двора. Здесь он нашел более социально оправданное применение своему коварству и желчности, успешно проведя широкомасштабную кампанию по борьбе с фальшивомонетчиками и даже отправив нескольких человек на виселицу.
  
#20 | Анатолий »» | 03.12.2013 17:05
  
0
Стивен Хокинг. Краткая история времени. От большого взрыва до черных дыр
Послесловие


Книга С. Хокинга вышла одновременно в Канаде и США в апреле 1988 г. В мае появился в продаже ее итальянский перевод. В Англии дата была объявлена заранее - 18 июня. К этому времени уже появились первые рецензии. Так, читатели американского еженедельника "Newsweek" 13 июня были оповещены, что "прикованный к инвалидному креслу, лишенный даже дара речи, физик Стивен Хокинг ищет теорию великого объединения, которая объяснит Вселенную..."

А в конце июня Хокинг приехал в Ленинград на конференцию, посвященную 100-летию со дня рождения А.А.Фридмана, и привез свою новую книгу, один из экземпляров которой подарил мне.

В Ленинграде Хокинг проявлял необычайную активность - выступил с докладом, участвовал в дискуссии, прочел лекцию в Доме ученых, дал короткое интервью для журнала "Природа". При этом Хокинг не говорил: за него четким, но лишенным человеческой теплоты голосом говорил синтезатор речи. То, что он произносил, Хокинг набирал на дисплее маленького компьютера, прикрепленного к его инвалидной коляске. Активность Хокинга вне физики была столь же поразительна. Он совершал экскурсии по городу, ездил в своем кресле по Эрмитажу, общался с друзьями. И старался впитать в себя все, что его окружало.

Хокинг много путешествует, не раз он приезжал в нашу страну и обрел здесь друзей. Вся его жизнь - необычайный пример того, как много может сотворить мозг, даже тогда, когда каналы его связи с внешним миром сведены до минимума.

Книга Хокинга необыкновенная, ее тема - рассказ о выборе цели его жизни и о трудном пути ее достижения, рассказ о поисках решения самой большой загадки, которая стоит перед естествоиспытателем. "Моя цель добиться полного понимания Вселенной, почему она такая, какая она есть, и почему она вообще существует", - пишет он о своих исканиях.

Такие вопросы человек задавал себе давно. Варианты ответов есть в мифах почти всех народов. Может быть, и рассуждения ученых нашего века также когда-нибудь будут считать легендами. У новых мифов есть авторы, один из них Хокинг. Его жизнь уже сейчас представляется легендой. Это легенда о человеке, силой мысли побеждающем немощь.

Хокингу сейчас 48 лет. В начале 60-х годов, когда он уже кончал университет в Оксфорде, появились первые признаки грозной болезни - бокового амиотрофического склероза. Настроение становилось мрачным, да и научные успехи были в это время не слишком впечатляющими. Д. Сиама, известный физик, руководитель его дипломной работы, заметил, что "вокруг оказалось не так уж много проблем, достойных человека с такими способностями". К счастью, проблема все же нашлась - это была теория черных дыр, которую Хокинг увидел в новом свете после появления работы Р. Пенроуза об особенностях уравнений тяготения.

В это время изменилась и личная жизнь Хокинга. В 1965 г. он женился на студентке-филологе Джейн Уайлд (ей он посвятил эту книгу). У них есть дочь и два сына.

1985 год принес новое несчастье. После операции на горле Хокинг потерял способность говорить. На помощь приходят друзья, и одна калифорнийская фирма преподносит ему коммуникационную систему компьютер + синтезатор. Об этом Хокинг сам рассказывает во введении к книге, желая выразить благодарность тем, кто помогает ему жить. "Эта система изменила все: мне даже стало легче общаться, чем до того, как я потерял голос", пишет он.


Продолжение следует
  
#21 | Анатолий »» | 04.12.2013 16:30
  
0
Существование в таких условиях требует не только воли к жизни, но и чувства юмора. Хокинг рассказывает много истории. Так, занимаясь черными дырами, но не имея пока наблюдательного доказательства их существования, Хокинг заключает пари с Торном. Условия пари подчинялись изысканной логике. Хокинг, веря, что во Вселенной должно быть много черных дыр, делает ставку против их существования. Если дыр не окажется, то в качестве компенсации за потерю смысла главной своей работы он получает четырехлетнюю подписку на английский юмористический журнал "Private Eye". Если же черные дыры есть, Торн получает годовую подписку на "Penthouse", а Хокинг (вполне вероятно) Нобелевскую премию.

Сейчас Хокинг - профессор Кембриджского университета. Он занимает кафедру, которую когда-то занимал Ньютон, а в наше время - Дирак. С 1974 г. Хокинг член Лондонского Королевского общества.

Чтобы начать, наконец, разговор о книге, полезно привести слова астронома К. Сагана, написавшего предисловие: "Книга о Боге... а может быть, об отсутствии Бога". Слово Бог повторяется часто. Хокинг отправляется на поиски ответа на знаменитый вопрос Эйнштейна, был ли у Бога какой-нибудь выбор, когда он создавал Вселенную. Хокинг стремится - он говорит об этом прямо - понять замысел Бога. Поиски приводят к неожиданному заключению, может быть, не окончательному: "...Вселенная без края в пространстве, без начала и конца во времени, без каких-либо дел для Создателя". Рассуждения о Боге, конечно, не новы. Вспомним Лапласа, который будто бы ответил Наполеону, что не нуждается в этой гипотезе.

Постепенно раскрывающаяся история Вселенной всегда изумляла естествоиспытателей. Эйнштейн выразил это в своей обычной парадоксальной форме: "Когда я рассуждаю о физической теории, я спрашиваю себя, создавал ли бы я Вселенную таким же путем, если бы Богом был я?" Его вечный оппонент Нильс Бор ответил так: "Это совсем не наше дело предписывать Богу, каким образом он должен управлять миром".

Вопрос так и остается без ответа: случайно ли история Вселенной оказалась такой, какой она постепенно раскрывается перед человеком? Возможно ли, чтобы история была другой, или история определяется однозначно из принципов, которых мы еще не знаем? И наконец, "еще не знаем" или мы и не можем их узнать, ибо ответ может лежать за пределами познания человека. И все же чем глубже в прошлое и чем дальше в будущее проникает наука, тем меньше дела остается для мифических сил.

После того как гипотеза о рождении Вселенной в большом взрыве превратилась в почти общепринятую, вопрос о том, что было до рождения Вселенной, стал как бы незаконным. В этом смысле наука приблизилась ко многим мифам, в том числе и к библейскому варианту создания Вселенной. Поразительным было воображение древних, создававших мифы.

Прочитаем в первой главе Библии: "И назвал Бог свет днем, а тьму ночью. И был вечер, и было утро: день один". Иногда переводят: "день первый". Это неверно. Комментаторы канонического текста считают, что не могло быть сказано "день первый", так как не было последующего. По-видимому, идея, что время также должно было быть создано, занимала авторов Библии. Не только создание времени, но и конец времени представлялся в осмысленном понятии. В заключительной книге Библии, откровении Иоанна (10:6), ангел, объявляя о грядущем конце мира, говорит: "...и времени уже не будет".


Проблема времени привлекала внимание и христианских философов раннего Средневековья. В "Исповеди" Блаженного Августина мы читаем: "Если же раньше неба и земли не было времени, зачем спрашивать, что Ты делал тогда. Когда не было времени, не было и тогда".

Наш век требует, чтобы мифы обрели математическое обличие. Это свершилось в Ленинграде, когда появилась работа А. А. Фридмана. Вселенная Фридмана начинается с "особенности" - мировой точки, в которой обращается в бесконечность кривизна, а с нею и плотность вещества. В этой точке теряют свою силу физические законы, и, оставаясь в рамках обычной модели Вселенной Фридмана, нельзя понять, что происходило в самом начале времени, как возник большой взрыв.

Это утверждение правильно, и физики не ошиблись, считая, что не имеет смысла сам вопрос о продолжении координаты времени за "особенность". Действительно, проблему нельзя даже сформулировать аккуратно на языке математики, если оставаться в рамках классической теории тяготения Эйнштейна. Доказано, что в этих рамках не существует решений уравнений общей теории относительности - уравнений Эйнштейна - Гильберта, которые бы не имели "особенностей".

"Особенности" появляются не только для всей Вселенной, но и для звезд, масса которых столь велика, что вещество не может преодолеть собственного гравитационного поля и падает к ее центру так, что поверхность звезды стягивается в конце концов в математическую точку - сингулярность. Происходит коллапс звезды, ее "схлопывание". Такая звезда и есть черная дыра, привлекшая внимание Хокинга.

Проблемой сингулярности занимался Р. Пенроуз, который показал, что начавшийся коллапс звезды не может прекратиться. Хокинг пишет, что он очень обрадовался новым идеям, считая их достойными развития. Его подстегивали II личные обстоятельства. Прогнозы врачей были мрачными.

Работа над докторской степенью казалась бессмысленной. Но прошло два года, и ухудшения не наступило. "Напротив, - говорит Хокинг, - дела мои пошли замечательно. Я стал женихом очаровательной девушки Джейн Уайлд. Но чтобы жениться, нужна была работа, для получения работы нужна была докторская степень. А тут подвернулась хорошая тема".

Хокинг увидел, что между задачей о черной дыре и задачей о большом взрыве есть большое сходство. Если черная дыра кончает свое существование в сингулярности, то, повернув в ее истории время, мы получим модель Вселенной, которая в сингулярности рождается. Это подтвердило старые предположения, и в 1970 г. Хокинг с Пенроузом опубликовали работу с доказательством того, что расширяющаяся Вселенная должна начать свою историю в сингулярности.

Между черной дырой и Вселенной есть принципиальная разница. Точнее, есть различие между положением наблюдателя в одном и другом случае. Коллапс черной дыры мы наблюдаем снаружи, и теория говорит, что для наблюдателя, покоящегося на бесконечности, т. е. в области, где гравитационное поле черной дыры сколь угодно мало, время полного коллапса, время достижения сингулярности, бесконечно велико. Строго говоря, наблюдатель никогда не увидит конца эволюции черной дыры. Во Вселенной наблюдатели находятся внутри, они разбегаются вместе с галактиками, и их возраст (считая от большого взрыва) конечен.

Продолжение следует
  
#22 | Анатолий »» | 05.12.2013 20:04
  
0
Но у обоих объектов есть общая черта: процесс коллапса и расширения Вселенной необратимы. Если необратимость расширения Вселенной представляется естественной (диссипативные процессы сопровождают эволюцию), то необратимость коллапса - теорема Пенроуза-Хокинга - не столь понятна. Диссипативные процессы приводят к необратимости, к росту энтропии системы. Но можно ли приписать энтропию черной дыре? Как в детективной истории, Хокинг находит улику, она лежала почти на виду.

Когда вещество или излучение падает на черную дыру, площадь ее поверхности может только увеличиваться. Радиус черной дыры пропорционален ее массе, а поверхность - квадрату массы. Когда масса растет, растет и поверхность. Далее Хокинг замечает, что если две черные дыры сливаются в одну, то поверхность новой дыры становится больше, чем суммарная поверхность двух исходных. Можно отметить и очевидный факт. Если при коллапсе на черную дыру ничего не падает, т. е. поверхность (ее называют горизонтом) остается постоянной - поверхность определяется только массой.

Следующий шаг делает американец Дж. Бикенстин. Он высказывает смелое предположение, что для черной дыры можно ввести понятие энтропии и что энтропия черной дыры пропорциональна ее поверхности. Поверхность растет (или остается постоянной) со временем, хорошо имитируя поведение энтропии. Гипотеза, которая выглядела довольно сомнительной, в работе Хокинга превратилась в строгую теорему. Как выяснилось, она следовала из законов квантовой механики и общей теории относительности.

Открытие Хокинга повлекло за собой цепочку новых утверждений. Если у черной дыры есть энтропия, то должна быть и температура. Термодинамика позволяет вычислить, что если энтропия определяется квадратом энергии и не зависит, например, еще и от объема, то температура должна быть обратно пропорциональна энергии (или массе) черной дыры.

Немного подумав, можно понять, что такое заключение не очень согласуется с исходным представлением о черной дыре. Тело, падающее на черную дыру, описывается уравнениями механики (конечно, механики ОТО), и для энтропии в таком описании нет места. Но уравнения механики обратимы во времени, а звезда коллапсирует необратимо. В теории должны были появиться энтропия и температура. Но дальше предъявляет свои обязательные требования термодинамика. Всякое тело, имеющее температуру, должно излучать по закону Стефана-Больцмана (со спектром Планка). Значит, вопреки всему сказанному о безвозвратности коллапса и невозможности ничему вырваться из гравитационного поля, черная дыра излучает, и интенсивность излучения растет, как четвертая степень ее температуры. "Черные дыры не так уж черны" - так названа седьмая глава книги.

В чем физическая природа этого излучения? Было ясно, что ответ на новый вопрос нельзя искать в теории Эйнштейна и надо привлекать вторую королеву физики нашего века - квантовую механику. Конечно, вторжение квантовой механики было не так уж неожиданно. Уже в формуле для энтропии Бикенстина возникла трудность с размерностью коэффициента, обращающего площадь в безразмерную энтропию. Единственной величиной, с помощью которой разумно "обезразмерить" площадь, был квадрат планковской длины, равной 10-33 см и составленной из постоянной Планка и постоянной тяготения. Не вовлекая в игру постоянную Планка, написать формулу для энтропии не удается.


Продолжение следует
  
#23 | Анатолий »» | 06.12.2013 20:27
  
0
Первый вариант решения был предложен Я. Б. Зельдовичем и А. А. Старобинским: если черная дыра вращается, она должна излучать. Хокинг исследовал эту идею подробно после того, как авторы рассказали ему о ней в 1973 г. (Хороший пример того, как быстро и четко резонирует Хокинг на новые идеи). Выяснилось, что для излучения звезде не обязательно вращаться: излучает вакуум, в который она погружена. Это почти мистическое свойство вакуума - пространства, в котором ничего нет. Но в квантовой механике "даже если ничего нет, что-то происходит", как заметил кто-то из физиков.

В "пустом" вакууме есть поля, и хотя величины полей, например магнитного, равны в среднем нулю, их квадраты (или абсолютные значения) в нуль не обращаются даже в среднем (хотя бы потому, что они всегда положительны). Вблизи черной дыры такие флуктуации рождают пары. Масса таких пар почти равна нулю, так как большой (отрицательный) гравитационный потенциал практически компенсирует массу свободных электрона и позитрона.

У компонентов родившейся пары разные судьбы. Одна из частиц "проваливается" в черную дыру и перестает существовать для нас. Но частица не зря отдала свою жизнь. Ее энергия передалась второй частице и дала ей возможность вырваться из гравитационного плена. Это и есть излучение Хокинга. Вычисление спектра излучения привело к формуле Планка. Так было опровергнуто мнение, что черные дыры бессмертны. Правда, излучение существенно сокращает жизнь только маленькой черной дыры, черная дыра с радиусом протона (10Е-13 см), возникшая в процессе большого взрыва, не дожила бы до нашего времени. Но продолжительность жизни черной дыры растет, как куб ее радиуса. Для черной дыры с радиусом 3 км (гравитационный радиус Солнца) продолжительность жизни столь велика, что не стоит ее и подсчитывать.

Но тем не менее черной дыре предстоит исчезнуть. Как это произойдет, наука не знает. Можно лишь сказать, что конечных состояний может быть очень много, и предсказать, как погибнет черная дыра, никто сейчас не в состоянии. Как нельзя предсказать, на какие куски разобьется бутылка, упавшая на камень.

О черных дырах написано много, и мы можем не продолжать. Но прежде чем оставить эту тему, хотелось бы досказать историю, которую Хокинг упоминает в книге.

Первый раз речь о черной дыре завел в 1783 г. англичанин Дж. Мичелл, который написал, что если бы тело с плотностью, равной плотности Солнца, имело радиус в 500 раз меньший, то свет, излученный таким телом, должен вернуться обратно из-за собственной тяжести. Мичелл размышлял об этом не просто так. Ему очень хотелось найти способ измерения массы дальних звезд. Для него свет состоял из корпускул, которые, преодолевая гравитационное ноле звезды (определяемое ее массой), теряют свою скорость. Именно так он и пришел к своему выводу. Но для него более важным было следствие обнаруженного им явления: чтобы определить массу звезды, надо измерить на Земле скорость света, приходящего к нам от этой звезды.

Сегодня мы понимаем, что измерять надо не изменение скорости света, а изменение его частоты - красное смещение. Но для своего времени идея была красивая.

Размышление о конце черной дыры с неизбежностью приводит к выводу, что без квантовой механики не обойтись. С такими сомнениями и результатами Хокинг в 1981 г. вернулся к попытке объяснить начало Вселенной. Но его занимают не математические вычисления (в уме их делать нелегко), а поиски самых глубоких истин.

Продолжение следует
  
#24 | Анатолий »» | 07.12.2013 16:41
  
0
Как установились начальные условия, приведшие к Вселенной, которую мы видим и в которой оказались сами? "Один возможный ответ - это сказать, что Бог выбрал начальную конфигурацию Вселенной из соображений, понять которые нам не дано... Но почему, выбрав такое странное начало, он все же решил, чтобы Вселенная развивалась по понятным нам законам?" Поскольку же эти законы понятны, то "естественно предположить, что этот порядок относится не только к законам науки, но и к условиям на границе пространства-времени, которые определяют исходное состояние Вселенной".

Так Хокинг вступает в спор с Богом, отнимая у него роль Создателя. Идея Хокинга носит еще достаточно смутный характер. В книге он совсем не пишет формул - издатель предупредил его, что одна-единственная формула уполовинит тираж (формула Е = mс2 все же приводится, но это не помешало книге стать бестселлером). И свою новую идею Хокинг пытается объяснить словами. Кажется, все же в его мозгу есть более четкая картина, которую он просто еще не может передать компьютеру. Когда я говорю об этом, меня не покидает ощущение какого-то фантастического (или сюрреалистического) романа, в который я попал.

Почему и как возникла Вселенная - объяснить, оставаясь в рамках классической модели, нельзя, как нельзя объяснить свойства электрона, зная лишь одну-единственную его траекторию (или небольшой ее кусочек). Но квантовая механика благодаря принципу неопределенности имеет дело сразу со многими (или даже со всеми) возможными историями.

То, с чего начинает современная теория, - это некоторым образом определенная сумма по всем историям, которые, интерферируя друг с другом, создают нашу реальную (в каком-то смысле наиболее вероятную) Вселенную. Но математика отказывается реализовать такую идею. Чтобы теория была формально последовательной, надо отказаться от обычного времени. Для описания возможных историй вселенных приходится переходить от реального времени к мнимому, превращая пространство Минковского в более понятное четырехмерное пространство Евклида. В таком евклидовом четырехмерии исчезают особые точки (так полюсы Земли ничем геометрически нс отличаются от точек экватора). У поверхности сферы, как и у любой другой замкнутой поверхности, "границ нет". Кавычки здесь поставлены потому, что это есть новое граничное условие. Совсем просто, но, к сожалению, не вполне понятно! Ведь история, начинающаяся с сингулярности, развивается вместе с нами в реальном времени, так что наше психологическое время оказывается не тем, в котором описывается развитие Вселенной. Надо еще думать, как совершить переход от мнимого времени к реальному. Идея кажется заманчивой, но пройдет, наверное, еще немало времени (реального), пока (мы надеемся) она станет понятной.

Вся книга Хокинга написана им с целью подвести читателя к своей идее. Он не очень много может сказать в ее защиту. Он призывает читателя к раздумьям о самых общих законах, результатом которых (случайным или необходимым) стало появление жизни, читателя (и, конечно, книги Хокинга).

Есть и еще важный и, несомненно, великий закон - закон о направлении времени. "Стрела времени" - так называется девятая глава книги. Эта глава - великолепный научный этюд. Непростая для понимания идея о двух сосуществующих четырехмерных пространствах - евклидовом, в котором отбираются истории, и пространстве Минковского, в котором работают динамические уравнения и в котором протекает наша жизнь. Если в этой "сумасшедшей" идее есть хоть крупица истины, то мы делаем шаг к совершенно новому этапу познания, но, может, все же идея не настолько сумасшедшая, чтобы стать истиной (по "критерию" Нильса Бора).

Здесь еще уместно добавить несколько слов о причинности. Классическая механика дает право утверждать, что будущее можно предсказать с точностью и полнотой не лучшими, чем точность и полнота начальных данных.

Почти к этому сводится и спор о полноте и вероятности в квантовой механике. Не имеет смысла обсуждать возможности измерения с большими подробностями, если начальные данные ограничены принципом неопределенности. Можно только утверждать, что информация, содержащаяся в начальных данных (по крайней мере для систем, у которых есть только дискретные уровни), не исчезает со временем (если, конечно, в системе нет трения и если система замкнута). Именно такую неопределенность квантовая механика вносит в теорию гравитации.

Продолжение следует
  
#25 | Анатолий »» | 08.12.2013 18:21
  
0
Эффектная декларация Лапласа о том, что история предсказуема, если только известен полный набор начальных данных - координаты и импульсы всех тел (и полей, добавим сейчас), во Вселенной не имеет смысла. Нельзя собрать в конечное время все эти данные - передача данных требует времени (нет сигналов, распространяющихся со скоростью, большей скорости света), а количество необходимых данных бесконечно. Кроме того, требуются абсолютно точные данные, даже очень маленькие погрешности могут в корне изменить предсказание будущего (как говорят, задача неустойчива). Так что пример Лапласа выходит за рамки реальности.

Мне хочется закончить словами автора - неисправимого оптимиста: "Если мы откроем полную теорию, то со временем ее основные принципы станут доступны пониманию каждого, а не только нескольким специалистам. И тогда мы все, философы, ученые и просто обычные люди, сможем принять участие в дискуссии о том, почему так произошло, что существуем мы и существует Вселенная".

Нам может нравиться или не нравиться ход мыслей Хокинга, но от поставленных им вопросов уйти нельзя... В некоем смысле мы подошли к границе познания, и мы смущены самой сутью: может ли система (Вселенная и мы) быть устроена так, что часть ее - человек - способна понять все ее законы, включая законы собственного познания. Основное положение науки состоит в том, что мир реален и познаваем. Но очевидно ли, что он познаваем человеком? Сомнения в этом нередко приводят к мысли о могучих разумом, нас изучающих инопланетянах. Нуждаемся ли мы в этой гипотезе? Возможно, на это ответит Хокинг.

Я. А. Смородинский. Декабрь 1989 г.

Источник: http://society.polbu.ru
  
#26 | Анатолий »» | 09.12.2013 15:56
  
0
Стивен Хокинг. Краткая история времени. От большого взрыва до черных дыр

Словарь терминов


Абсолютный нуль температуры - самое низкое из всех возможных значений температуры. При абсолютном нуле вещество не обладает тепловой энергией.

Аннигиляция - процесс, при котором частица и ее античастица, сталкиваясь, взаимно уничтожают друг друга.

Античастица - у каждой частицы материи есть соответствующая античастица. При соударении частицы и античастицы происходит их аннигиляция, в результате которой выделяется энергия и рождаются другие частицы.

Антропный принцип - мы видим Вселенную такой, как она есть, потому что, будь она другой, нас бы здесь не было и мы бы не могли ее наблюдать.

Атом - наименьшая частица обычного вещества. Атом состоит из крошечного ядра (составленного из протонов и нейтронов) и обращающихся вокруг него электронов.

Белый карлик - стабильная холодная звезда, находящаяся в равновесии благодаря тому, что в силу принципа исключения Паули между электронами действуют силы отталкивания.

Большой взрыв - сингулярность в момент возникновения Вселенной.

Большой хлопок - сингулярность в конечной точке существования Вселенной.

Вес - сила, с которой на тело действует гравитационное поле. Вес тела пропорционален массе тела, но не совпадает с ней.

Виртуальная частица - в квантовой механике - частица которую невозможно зарегистрировать непосредственно, но существование которой подтверждается эффектами, поддающимися измерению.

Гамма-излучение - электромагнитное излучение с очень малой длиной волны, испускаемое при радиоактивном распаде или при соударениях элементарных частиц.

Геодезическая - самый короткий (или самый длинный) путь между двумя точками.

Голая сингулярность - сингулярность в пространстве-времени, не находящаяся внутри черной дыры.

Горизонт событий - граница черной дыры.

Гравитационное взаимодействие - самое слабое из четырех фундаментальных взаимодействий, обладающее большим радиусом действия. В гравитационном взаимодействии участвуют все частицы материи.

Длина волны - расстояние между двумя соседними гребнями волны или между двумя ее соседними впадинами.

Закон сохранения энергии - закон науки, согласно которому энергия (или ее массовый эквивалент) не может ни создаваться, ни уничтожаться.

Квант - минимальная порция, которой измеряется испускание или поглощение волн.

Квантовая механика - теория, разработанная на основе квантово-механического принципа Планка и принципа неопределенности Гейзенберга.

Квантово-механический принцип Планка (закон излучения Планка) состоит в том, что свет (или любые другие классические волны) может испускаться или поглощаться только дискретными порциями - квантами - с энергией, пропорциональной их частоте.

Кварк - элементарная (заряженная) частица, участвующая в сильном взаимодействии. Протоны и нейтроны состоят каждый из трех кварков.

Конфайнмент - невылетание, удержание цветных кварков и глюонов внутри адронов.

Координаты - числа, определяющие положение точки в пространстве и во времени.

Космическая цензура - предположение о недопустимости голых сингулярностей.

Космологическая постоянная - математическая вспомогательная величина, введенная Эйнштейном для того, чтобы пространство-время приобрело тенденцию к расширению.

Космология - наука, занимающаяся изучением Вселенной как целого.

Красное смещение - вызванное эффектом Доплера покраснение света, испускаемого удаляющейся от нас звездой.

Магнитное поле - поле, создающее магнитные силы. Сейчас магнитное поле и электрическое поле объединяются в электромагнитное поле.

Масса - количество вещества, содержащееся в теле. Мера инерции тела или степень его сопротивления ускорению.

Мнимое время - время, измеряемое в мнимых единицах.

Нейтрино - легчайшая (возможно, безмассовая) элементарная частица вещества, участвующая только в слабых и гравитационных взаимодействиях.

Нейтрон - незаряженная частица, очень близкая по свойствам к протону. Нейтроны составляют более половины частиц, входящих в состав большинства атомных ядер.

Нейтронная звезда - холодная звезда, существующая вследствие отталкивания нейтронов, обусловленного принципом Паули.

Общая теория относительности - созданная Эйнштейном теория, в основе которой лежит предположение о том, что законы науки должны быть одинаковы для всех наблюдателей независимо от того, как движутся эти наблюдатели. В ОТО существование гравитационного взаимодействия объясняется искривлением четырехмерного пространства-времени.

Первичная черная дыра - черная дыра, возникшая на очень ранней стадии развития Вселенной.

Позитрон - античастица (положительно заряженная) электрона.

Поле - нечто, существующее во всех точках пространства и времени, в отличие от частицы, которая существует только в одной точке в каждый момент времени.

Предел Чандрасекара - максимально возможная масса стабильной холодной звезды, выше которой звезда должна сколлапсировать в черную дыру.

Принцип исключения Паули - две одинаковые частицы со спином 1/2 не могут (в пределах, которые даются принципом неопределенности) обладать одновременно и одинаковыми положениями в пространстве, и разными скоростями.

Пропорциональность - утверждение "X пропорционально Y" означает, что при умножении Y на какое-нибудь число Х умножается на это же число. Утверждение "Х обратно пропорционально Y" означает, что при умножении Y на какое-нибудь число X делится на это же число.

Пространственное измерение - любое из трех пространственно-подобных измерений пространства-времени, т.е. любое измерение, кроме временного.

Пространство-время - четырехмерное пространство, точки которого отвечают событиям.

Протон - положительно заряженная частица. Протоны образуют примерно половину всех частиц, входящих в состав ядер большинства атомов.

Радиоактивность - самопроизвольное превращение одного атомного ядра в другое.

Световая секунда (световой год) - расстояние, проходимое светом за одну секунду (за один год).

Световой конус - поверхность в пространстве-времени, которая ограничивает возможные направления световых лучей, проходящих через данное событие.

Сильное взаимодействие - самое сильное и самое короткодействующее из четырех фундаментальных взаимодействий. Благодаря сильному взаимодействию кварки удерживаются внутри протонов и нейтронов, а протоны и нейтроны, собравшись вместе, образуют атомные ядра.
  
#27 | Анатолий »» | 10.12.2013 17:33
  
0
Сингулярность - точка пространства-времени, в которой кривизна его становится бесконечной.

Слабое взаимодействие - второе по слабости из четырех известных взаимодействий. Обладает очень коротким радиусом действия. В слабом взаимодействии принимают участие все частицы материи, но в нем не участвуют частицы - переносчики взаимодействия.

Событие - точка в пространстве-времени, которая определяется положением в пространстве и во времени.

Спектр - расщепление волны (например, электромагнитной) на частотные компоненты.

Специальная теория относительности - теория Эйнштейна, отправная точка которой состоит в том, что законы науки должны быть одинаковы для всех свободно движущихся наблюдателей независимо от их скоростей.

Спин (spin - вращаться, вертеться) - внутреннее свойство частицы, связанное с ее вращением вокруг собственной оси.

Стационарное состояние - состояние, не изменяющееся со временем: вращающийся с постоянной скоростью шар находится в стационарном состоянии, потому что, несмотря на вращение, в каждый момент он выглядит одинаково.

Теорема о сингулярности - теорема, в которой доказывается, что при определенных условиях сингулярность должна существовать и что, в частности, началом Вселенной должна быть сингулярность.

Теория великого объединения - теория, объединяющая электромагнитные, сильные и слабые взаимодействия.

Ускорение - скорость изменения скорости какого-либо объекта.

Ускоритель частиц - устройство, которое с помощью электромагнитов дает возможность ускорять движущиеся заряженные частицы, постоянно увеличивая их энергию.

Условие отсутствия границ - представление, согласно которому Вселенная конечна, но не имеет границ (в мнимом времени).

Фаза - для волны - положение точки в цикле в определенный момент времени: мера того, находится ли точка на гребне, во впадине или где-нибудь в промежутке.

Фон микроволнового излучения - излучение, возникшее при свечении горячей ранней Вселенной (называется реликтовым). Оно сейчас испытывает такое сильное красное смещение, что регистрируется не в виде света, а в виде волн микроволнового диапазона (радиоволны с сантиметровыми длинами волн).

Фотон - квант света.

Частично-волновой дуализм - лежащее в основе квантовой механики представление о том, что не существует различия между частицами и волнами, частицы могут иногда вести себя как волны, а волны - как частицы.

Частота - для волны это число полных циклов в секунду.

Черенковское излучение - излучение света заряженной частицей при ее движении в веществе с постоянной скоростью, превышающей скорость распространения света в этом веществе.

Черная дыра - область пространства-времени, из которой ничто, даже свет, не может выбраться наружу, потому что в ней чрезвычайно сильно действие гравитации.

Электрический заряд - свойство частицы, благодаря которому она отталкивает (или притягивает) другие частицы, имеющие заряд того же (или противоположного) знака.

Электромагнитное взаимодействие - взаимодействие, которое возникает между частицами, обладающими электрическим зарядом. Второе по силе из четырех фундаментальных взаимодействий.

Электрон - частица, обладающая отрицательным электрическим зарядом и обращающаяся в атоме вокруг ядра.

Элементарная частица - частица, которая считается неделимой.

Энергия теории великого объединения - энергия, выше которой электромагнитные, слабые и сильные взаимодействия предположительно должны стать неразличимыми.

Энергия электрослабой теории - энергия (около 100 ГэВ), выше которой исчезают различия между электромагнитными и слабыми взаимодействиями.

Эффект Доплера - изменение частоты волн при движении их источника и наблюдателя относительно друг друга.

Ядерный синтез - процесс соударения двух ядер и последующего их слияния в одно более тяжелое ядро.

Ядро - центральная часть атома, которая состоит только из протонов и нейтронов, удерживаемых в ядре сильным взаимодействием.

КОНЕЦ!
#28 | Олег »» | 23.08.2014 17:02
  
0
Кое-что почитать интересно, рождаются новые представления. Однако в целом многие положения неубедительны. Как в точке может быть сосредоточена колоссальная энергия с учётом её способности к сохранению. Едва ли информация соотнесена к конкретному материальному объекту, она выражает сущность различного рода закономерностей, которые неисчезаемы с исчезновением того или иного объекта. Нельзя считать, например, что сила, энергия (работа), масса и время должны быть независимо определены, поскольку F t = m v - известная в физике связь импульса силы и количества движения. Как мне представляется теория Фридмана и Хаббла о разбегающихся Галактиках на основе "красного смещения" с использованием эффекта Доплера неверна. "Старение" фотона возникает при его прохождении через анизотропные среды с сопутствующей этому процессу деполяризацией фотонов, в связи с чем и на основании выдвинутой мной концепции о свойстве электромагнитной волны сохранять состояние своей поляризации (аналог первого закона механики об инерции) происходит потеря энергии фотонов и возникает вторичное излучение, создаваемое такими анизотропными средами, в которых происходит переориентация микрочастиц таких сред, вызванная действием электромагнитного поля. Более подробно по этой теме см. Allbest, "Закон сохранения поляризации электромагнитных волн", опубликовано 27.07.2013. Введено понятие силы, связанной с "тёмной энергией", которая удерживается этой силой. Это - софизм.
В ускорителях увеличивается не масса ускоряющейся частицы (например, протона), а её энергия (в школе учили нас неверно). Очень хорошо, что автор абстрагируется от всесотворяющей миссии господа Бога. Это отрадно. Странно, что в наш просвещённый век всё ещё бытуют представления о Творце, хотя всю веру, притом любую, давно пора отправить на свалку истории вместе с её организаторами.

23.08.2014
  
#29 | Анатолий »» | 23.08.2014 17:15 | ответ на: #28 ( Олег ) »»
  
0
Уважаемый Олег!
На сайте премодерация, поэтому ваш пост только сейчас опубликован. (остальные копии - нет)

Меня лично тоже не убеждает возникновение из одной точки всей Вселенной и развитие таким образом материи. И хотя о Творце я ничего не буду говорить, однако "навевает"

О смещении диапазона в область красного.
Мне кажется все же не верна теория - что скорость света единая в пространстве и постоянная.
Скорее всего проходя через Вселенную - огромные пространства, свет замедляет свою скорость.
Так же я считаю что красное излучение - имеет меньшую скорость, чем синее и фиолетовое.
Вот потому и происходит смещение в красный диапазон наиболее удаленных объектов - они больше теряют скорость при прохождении, чем более близкие объекты

В противном случае. Земля - это центр Вселенной откуда разбегаются все Галактики
Опять геоцентризм!
Мое убеждение конечно не будет воспринята физиками, но что поделать, я все равно так думаю.
Скорость света РАЗЛИЧНА для различных частей спектра. И скорость света замедляется при прохождении огромных пространств вселенной.

Эффект Доплера - изменение частоты волн возникает в следствии того что на больших расстояниях частота волны (и скорость распространения ее в пространстве) изменяется
Да она будет изменятся и если объект излучающий свет двигается от наблюдателя или к наблюдателю. Но это не обязательное условие изменение частоты. Большие расстояния так же изменяют частоту волны.

И удаленные объекты во Вселенной не удаляются от нас, а создается эффект изменения волны (и скорости распространения) из-за расстояния.
#30 | Василий Знаменский »» | 17.03.2015 19:12 | ответ на: #29 ( Анатолий ) »»
  
0
Скорость света замедляется? Старение универсальных констант? Хочу найти научное обсуждение предположений, что а) скорость света замедляется после прохождения огромных пространств, как бы стареет б) замедление скорости света это общий процесс старения всех мировых констант.
Добавлять комментарии могут только
зарегистрированные пользователи!
 
Имя или номер: Пароль:
Регистрация » Забыли пароль?
 
© decoder.ru 2003 - 2019, создание портала - Vinchi Group & MySites
ЧИСТЫЙ ИНТЕРНЕТ - logoSlovo.RU