Глава 5 Вселенная в пространстве и времени на большой шкале
Глава 5
Вселенная в пространстве и времени на большой шкале
Проблемы, возникающие из признания уникальности Вселенной, осложняются ее огромными размерами и протяженностью в пространстве и времени. Именно это составляет серьезное препятствие на пути ее изучения и ставит космологию в незавидное положение. Таким образом, помимо наблюдений и теоретических выкладок возникает необходимость в разработке рабочих моделей, позволяющих поддержать теоретические выкладки и позволить верно предвидеть результаты будущих наблюдений с достаточной степенью точности.
Для того чтобы понять, в чем заключается проблемы наблюдения Вселенной на большой шкале, давайте проанализируем расстояния, с которыми мы имеем дело.
Так, расстояние до ближайшей крупной галактики Андромеды таково, что свету требуется около двух миллионов лет, чтобы долететь от нее до Земли, и это при том, что скорость света – триста тысяч километров в секунду.
В настоящее время размеры наблюдаемой Вселенной примерно в пять тысяч раз больше расстояния до галактики Андромеды. Эти огромные масштабы накладывают значительные ограничения на наши возможности наблюдать удаленные области Вселенной (и конечно же, лишают какой либо возможности экспериментировать с ними). Таким образом, уникальность космологии заключается в том, что она имеет дело с наибольшими расстояниями, в пределах которых мы можем что-либо обозревать. Астрономические наблюдения ограничены так называемым понятием «past null cone» — линией наблюдения объектов, теряющих отчетливость с расстоянием. Мы можем эффективно наблюдать вселенную на космологической шкале, только приняв во внимание, что то, что предстает перед нами, случилось «там и тогда», и не можем наблюдать, что происходит там сейчас. Мы не можем знать, что происходит в галактике Андромеда сейчас. Мы способны видеть лишь те явления и события, которые обозревал бы локальный наблюдатель два миллиона лет назад. То есть мы неизбежно смотрим назад во времени, и чем большее расстояние до объекта нашего наблюдения, тем длиннее период времени, отделяющий нас от наблюдаемых нами событий. С одной стороны, это дает уникальную возможность заглянуть в прошлое нашей Вселенной, с другой стороны, это ограничивает наши возможности проанализировать, что представляет собой Вселенная в настоящий момент. В космологии неопределенность растет со временем и расстоянием.
Вместе с тем огромная шкала Вселенной предполагает, что мы можем эффективно наблюдать ее только из одного пункта – «здесь и сейчас». Мы не можем улететь со скоростью света на десять тысяч световых лет и понаблюдать вселенную оттуда. Но даже проделав такое огромное расстояние, мы не покинем нашу галактику, и с космологической точки зрения такое перемещение пункта наблюдения не будет иметь смысла. И даже если бы мы смогли поставить долгосрочный астрономический эксперимент длиной в двадцать тысяч лет, этого все равно совершенно недостаточно для принятия каких-либо космологических выводов, где временные шкалы измеряются миллиардами лет (в настоящее время считается, что возраст Вселенной равен 13,7 миллиардам лет, если понятие возраста вообще применимо в отношении к такому объекту, как Вселенная). Таким образом, космология весьма отличается от географических наук, изучая которые, мы можем путешествовать и делать непосредственные наблюдения за интересующими нас объектами. Принимая во внимание возможный истинный размер Вселенной, та часть, которую мы можем наблюдать, сравнима с панорамой, открывающейся с невысокого холма. На основании того, что мы видим с холма, космология пытается делать вывод о размерах и форме Земли. Увы, обзора окружающих наш холм видов отнюдь недостаточно для таких выводов.
Кроме того, мы можем наблюдать Вселенную только на основе анализа электромагнитного излучения, приходящего к нам в виде радиоволн, инфракрасных волн, света, ультрафиолетовых волн, рентгеновского излучения и жесткой радиации (последние два по большей части не доходят до Земли благодаря ее атмосфере, и для их изучения необходимо проводить наблюдения на орбите или в верхних слоях атмосферы).
Так же мы можем анализировать элементарные частицы, которые прилетают к нам из космоса, но все они подвержены той же проблеме ограничения скорости передачи информации скоростью света. Хотя в квантовой физике и рассматриваются феномены мгновенной передачи информации между парой фотонов[21], практического применения в астрофизике это не имеет.
Несмотря на то что мы не можем проанализировать вещество удаленных астрономических объектов в лаборатории, мы все же получаем достаточно информации о их природе только на основе анализа излучения и элементарных частиц, прибывающих к нам от этих объектов. Мы можем получать визуальные изображения, спектральный анализ[22] и так далее. В будущем, возможно, мы сможем делать выводы об удаленных объектах по анализу нейтрино, частицы, которую весьма трудно уловить[23] а также по анализу гравитационных волн (возможность определения которых – пока только гипотеза).
Однако все наши наблюдения будут подвержены тем же ограничениям, которые были обсуждены выше. Как следствие мы всегда будем обречены сталкиваться с указанными проблемами в интерпретации астрономических наблюдений.
Звезды находятся от Земли во много раз дальше, чем Луна, планеты, Солнце. Определить расстояние до ближайшей к нам звезды удалось русскому ученому В. Я. Струве. Это было более ста лет назад. Для этого ему пришлось наблюдать ее не с концов земного диаметра, а с концов прямой линии, которая в 23 600 раз длиннее. Где же он мог взять такую прямую линию, которая на земном шаре не может уместиться? Оказывается, эта линия существует в природе. Это диаметр земной орбиты. За полгода земной шар переносит нас на другую сторону от Солнца. Зная диаметр земной орбиты (а он вдвое больше среднего расстояния до Солнца), измерив углы, под которыми наблюдается звезда, можно вычислить расстояние до нее. Такой метод может быть применен только для определения расстояния до относительно близких звезд. Самые близкие к нам звезды – Проксима Центавра и Альфа Центавра – находятся в 270 000 раз дальше от Земли, чем Солнце. Лучу света от этих звезд приходится лететь до Земли 4,5 года. Однако добраться до них при современных скоростях космических кораблей займет пятьдесят тысяч лет.
Расстояния до звезд огромны, и измерять их километрами неудобно, так как получается слишком большое число километров. И ученые ввели более крупную единицу измерения: световой год. Это такое расстояние, которое свет проходит в течение одного года. Во сколько раз эта единица измерения больше, чем километр? 300 000 км/сек. надо умножить на число секунд в году. Получим приблизительно 10 триллионов километров. Значит, один световой год больше одного километра в 10 триллионов раз. Звезды могут находиться от нас на расстояниях, равных десяткам, сотням, тысячам световых лет и более. До Плутона – самой дальней планеты Солнечной системы – космический аппарат летит немногим больше десяти лет. А можно ли долететь до Большой Медведицы или Кассиопеи? Долететь до созвездий невозможно. Каждое созвездие – это тот участок неба, который виден с Земли. Из-за очень большого расстояния нам кажется, что звезды расположены рядом. На самом деле звезды, входящие в одно созвездие, находятся на разных расстояниях от Земли. Эти расстояния огромны, и поэтому звезды при приближении к ним будут расступаться, как деревья в лесу. А если вы захотите долететь до звезды? Теоретически это возможно. Но с какой же скоростью надо двигаться и сколько лет добираться, например, до Сириуса? Если со скоростью света (300 000 км/сек., самой большой скоростью в природе), то потребуется почти девять лет. А до Беги – 27. А до Полярной звезды расстояние 432 световых года, т. е. луч света от Полярной звезды к Земле летит 432 года. Это значит, что если эта звезда потухнет, то на Земле узнают об этом через 432 года, а сейчас мы видим ее такой, какой она была почти полтысячелетия назад.
Еще не придумали таких летательных аппаратов, которые смогли бы мчаться со скоростью света или близкой к ней. Поскольку мы не можем удалиться на значительные расстояния от Земли, чтобы сменить точку наблюдения, мы всегда будем получать только двухмерную картину неба, которая несет в себе только частичную информацию настоящего трехмерного распределения вещества во Вселенной. Многие звезды, которые на небе предстают нам в близких позициях, на самом деле удалены друг от друга на огромные расстояния, и только в двухмерной проекции, и только с нашей точки наблюдения представляются близкорасположенными. Например, созвездия – группы звезд, которые мы в течение тысячелетий считали основной структурой небес, в действительности не имеют никакого смысла в астрономическом отношении, поскольку большинство звезд, входящих в их состав, только кажутся близкими. Давайте посмотрим на созвездие Малой Медведицы (Ursa Minor / Little Dipper).
Итак, хорошо всем известная Полярная звезда (Polaris), указывающая направление к Северному полюсу, находится в 432 световых годах от нас, в то время, как ее соседка, Delta Ursae Minoris, – всего в 183 световых годах, что является в два раза меньшим расстоянием. Полярная звезда ярче только потому, что Delta Ursae Minoris – небольшая звезда размером с наше солнце, а Полярная звезда – гигант.
Звезды в небе вовсе не располагаются относительно друг друга так, как нам это кажется! Чтобы получить трехмерную картину неба, нам необходимы надежные методы определения расстояния до звезд и галактик. Несмотря на то что у нас есть различные методики измерения расстояний, на них не всегда можно положиться. Некоторые расстояния до сих пор измерены лишь с точностью в 50%. Это все равно, как если вы, оказавшись в пути с бензином почти на нуле, спросите расстояние до следующей заправки, вам ответят: «Может, 50, а может, 100 километров». Как вам понравится такая точность? Это большая разница даже на примере земных расстояний, что уж говорить, когда ошибки составляют тысячи световых лет? Есть много звезд, расстояние до которых просто неизвестно. И если с измерением расстояний до близлежащих галактик дела обстоят лучше благодаря использованию звезд цефеид[24] в качестве так называемых стандартных маяков, то расстояние до достаточно удаленных галактик основывается на спекулятивных выводах о расширяющейся Вселенной и природе смещения спектра. Также для измерения расстояния в этих случаях используют сверхновые звезды определенного вида, которые, как считается, имеют одинаковую яркость вспышки[25].
Вторая проблема интерпретации астрономических наблюдений состоит в том, что мы можем наблюдать удаленные галактики только на ранних этапах их истории. Мы не можем знать, что происходит там сейчас. Это все равно как если бы мы пытались описать географию Африки, наблюдая эту часть суши только во времена динозавров. Это дает определенное преимущество космологии, делая ее и географической, и исторической наукой одновременно, однако непреодолимые ограничения, безусловно, имеют место.
Третья проблема заключается в том, что источники света, особенно когда речь идет о далеких галактиках, чрезвычайно тусклы не только оттого, что они физически удалены от нас, но и потому, что их свет при спектральном анализе указывает на значительное красное смещение[26], которое используется как одно из доказательств теории расширяющейся Вселенной.
Очень сложно уловить свет, идущий от далеких галактик, не говоря уже о трудности делать выводы об объектах, его излучающих.
Более того, существует проблема абсорбции этого света промежуточным веществом, находящимся на пути света к нам. Чем дальше находится объект, тем тяжелее становятся эти проблемы. Таким образом, неопределенность нашего знания о Вселенной быстро увеличивается с расстоянием. Определенным решением этой проблемы может быть так называемая геологическая информация, т. е. современное состояние скал, планет, кластеров звезд, галактик и т. д. Эта информация может содержать данные о прошлом вещества, составляющего эти объекты. Изучение этой информации позволяет нам получить представление о происходившем в месте нашего наблюдения в далеком прошлом, если нам, конечно, удастся правильно интерпретировать эти данные.
«Геологические» наблюдения могут позволить изучить прошлое доступной нам области Вселенной, и сравнить его с наблюдаемым в отдаленных ее частях.
Физические и астрофизические наблюдения дают нам представление о далеком прошлом удаленных объектов. Они ложатся в основу физической космологии, призванной изучать эволюцию структур Вселенной, подтверждая теоретические выводы наблюдениями. Мы также имеем возможность определять распространенность элементов в доступной нам области Вселенной и проводить сравнение с удаленными частями Вселенной, что может помочь нам лучше понять нуклеосинтез[27], произошедший в результате гипотетического Большого взрыва.
Одной из серьезных трудностей космологии, построенной на наблюдениях, является определение геометрии Вселенной на большой шкале.
Очевидным подходом к решению данной проблемы могут стать попытки определения геометрии Вселенной, основываясь на наблюдениях (предполагая, что природа наблюдаемых объектов правильно интерпретирована). Этот подход основывается на так называемой теореме обсервационной космологии (Observational Cosmology Theorem), которая утверждает, что с помощью наблюдений можно собрать достаточно необходимой информации о геометрии Вселенной. Мы можем предложить обратную теорему «неопределенности Вселенной» или «теорему космологической неопределенности»:
Астрофизических или каких-либо других наблюдений всегда будет недостаточно, чтобы делать обобщенные выводы об эволюции Вселенной, ее природе, геометрии и дальнейшей судьбе, поскольку даже если предположить, что определенных наблюдений было бы достаточно, невозможно доказать их достаточность.
Даже если предположить, что «теорема обсервационной космологии» верна и определенных наблюдений достаточно, чтобы делать обобщенные выводы о пространственно-временной геометрии Вселенной, может оказаться, что наблюдаемая Вселенная является лишь малой частью более вместительной Вселенной, которая навсегда может оказаться недоступной нашему обозрению.
Более того, если верить ведущей космологической теории об ускорении расширения Вселенной, которое может разделять разные части Вселенной в таком темпе, что свет от удаленного объекта никогда не сможет дойти до нас в силу того, что скорость света является конечной величиной, в соответствии с существующим представлением в современной физике.
Фигурально выражаясь, размер обозреваемой Вселенной вырос в тысячу раз за последние сто лет благодаря улучшению наших телескопов. Возможно, стоит подождать еще сто лет, пока наши приборы станут еще более чувствительными, прежде чем начинать в очередной бесчисленный раз делать обобщающие космологические выводы? А может быть, такие выводы вообще противоречат научному подходу, и какими бы ни были наши приборы, космологические выводы всегда будут основываться на спекулятивных соображениях?
Наблюдаемая в настоящее время Вселенная представляется плоской, что, впрочем, может оказаться неверным, по мере того как размер доступной для нашего обозрения Вселенной увеличится. Точно так же Земля кажется плоской, однако, наблюдая нашу планету из космоса, наблюдатель сможет убедиться в своей ошибке.
Итак, стоит ли вкладывать усилия и средства в исследования тех областей, которые очевидно страдают от недостатка данных для достижения определенных результатов? Возможно, лучше оставить эти области до тех пор, пока не появятся новые методы, которые позволят нам пересмотреть изучаемые нами вопросы и, возможно, поставить их по-новому. Увы, этот подход отвергается современной наукой. Какой смысл в жертвах многочисленных героев-первопроходцев, пытавшихся достигнуть Северного и Южного полюсов Земли, если через считанные десятилетия эти области стали доступны для изучения с помощью авиации? Самолеты были сконструированы для независимых, вполне независимых от арктического освоения целей, но впоследствии смогли легко удовлетворить потребность географов к исследованию этих труднодоступных мест (которые, впрочем, оказались не столь занимательными, как ожидалось).
Можно применить аллегорию, описывающую космолога в качестве человека, стоящего на вершине холма в пустыне и пытающегося делать многозначительные выводы о Земле в целом, не подозревая о наличии на ней лесов, озер, морей, океанов...
Так или иначе, теоретически представляется возможным, основываясь на наблюдаемом материале, исследовать пространственно-временные характеристики Вселенной, если нет помех. Однако в реальности эта задача чрезвычайно трудна, поскольку сложно установить расстояние до всех наблюдаемых объектов, что требует точного понимания их природы. Кроме того, изображения удаленных объектов значительно искажены. Чем дальше мы заглядываем в глубь Вселенной, тем более неопределенными становятся наши выводы. Иногда к астрофизическим наблюдениям приступали без их теоретического обоснования. Именно так были проведены исследования, установившие структуру расположения галактик в трехмерном пространстве. Таким образом были обнаружены большие пустоты (voids) и такие таинственные структуры, как галактические стены, состоящие из множества галактик[28].
Однако такой взвешенный подход, не зацикленный ни на одной из теорий и включающий в себя планомерный сбор данных, не заслужил широкого внимания космологов, поскольку существует немало сложностей наблюдательного характера и результаты таких исследований не способны объяснить те или иные явления. Космологи же считают своим долгом искать ответы на вопросы: что, как, когда, почему, которые нам представляются нелегитимными и ненаучными по отношению к Вселенной.
В официальной космологии планирование исследований основывается на определенной теории. Например, мы предполагаем a priori определенные вещи, и целенаправленно ищем подтверждение им путем астрономических наблюдений. Официальная космология всегда нуждается в тесной связи между теорией и наблюдениями, причем наблюдения являются вторичными. Например, стандартная для космологии группа теорий Friedmann-Lemaitre (FL)[29]. Их метрика описывает гомогенную изотропичную, имеющую одинаковый состав независимо от направления нашего наблюдения. Эти модели легко понять, и они способны дать объяснения полученным наблюдениям. Более того, физические предсказания этих моделей (наличие во Вселенной реликтового излучения[30] а также распределение элементов в ранней Вселенной) кажется, получают подтверждение с помощью астрофизических наблюдений. Проблема заключается в том, в какой степени эта информация подтверждает факт расширения Вселенной?
Согласно текущим астрономическим наблюдениям, обозреваемый нами участок Вселенной почти изотропичен[31].
Это верно в отношении распределения галактик на большой шкале, а также в отношении наблюдаемого реликтового излучения. Это позволяет нам создать модель сферической симметричной Вселенной с нами в центре, что будет подтверждено (по крайней мере, не опровергнуто) астрономическими наблюдениями. В целом подобная модель не может стать популярной в философском смысле ввиду того, что геоцентрическая модель с Землей в центре Вселенной, а затем и гелиоцентрическая модель с Солнцем в центре Вселенной провалились. Так что модель Вселенной с нашей галактикой в центре хотя и возможна, но очень мало вероятна.
Мы можем применить космологический принцип, гласящий, что предположить гомогенность[32] Вселенной следует потому, что это наиболее простой вывод, основывающийся на наблюдениях.
Другой аргумент основывается на уже упомянутой Friedmann-Lemaitre (FL) модели, подтвержденной наблюдениями. Но так или иначе проблемы, связанные с астрономическими наблюдениями, невозможность точного измерения расстояний не позволяют вполне полагаться на этот аргумент. То есть теоретически астрофизическая космология может решить эту задачу, но практически она не в состоянии предъявить достаточное доказательство, основанное на наблюдениях, в силу указанных ограничений.
Таким образом, общепринятой является пространственная однородность (гомогенность) Вселенной, хотя и доказанной ее считать невозможно.
Однако альтернативой является предположение, что мы живем в пространственно неоднородной сферической Вселенной, при том, что все равно наша галактика находится близко к ее центру с космологическим красным смещением (cosmological redshift)[33], частично объяснимым гравитацией.
Подобным образом данные, получаемые от наблюдения сверхновых в других галактиках (supernova data), интерпретируются как доказательство космологической константы, что тоже может служить доказательством негомогенности без необходимости введения понятия темной “dark energy”. Большинство космологов не принимают подобного подхода, однако не существует доказательства, что он неверен. Приведенные факты иллюстрируют дополнительную неопределенность в этом вопросе, напоминая, что доказательство гомогенности Вселенной не так просто, как кажется.
Давайте рассмотрим так называемый физический аргумент. Он гласит, что физические процессы, такие как космологическая инфляция[34], делает существование гомогенной Вселенной очень вероятным, во всяком случае, более вероятным, чем существование негомогенной Вселенной. Хотя это и важный аргумент, мы должны отдавать себе отчет, что мы всего лишь заменяем обсервационный тест теоретическим предположением, которое может быть как верным, так и неверным.
Может показаться, у космологов нет конкретного доказательства, что инфляция действительно имела место на ранних стадиях развития Вселенной. Инфляционная теория популярна потому, что она в состоянии предсказать анизотропию реликтового излучения на малой шкале.
Однако и другие модели могут дать подобные предсказания.
Не означает ли это, что прежде чем пытаться объяснить инфляцию с помощью «темной энергии» “dark energy[35]”, стоит найти более весомое доказательство, что инфляция имела место?
Неопределенность Вселенной в нашем представлении порождает ситуацию, при которой гипотетические явления объясняются новыми гипотетическими материями, и этой бесплодной деятельности не видно конца.
Одним из выходов из сложившегося положения может стать переосмысление понятия времени в рамках науки космологии. Так, например, Джулиан Барбур (Julian Barbour) в своей книге «Конец времени: следующая революция в физике»[36], впервые опубликованной в 1999 г., отрицает существование времени, считая его не более чем иллюзией. Книга начинается с описания развития взглядов автора на время. После окончания физического факультета Барбур увлекся идеями о новой интерпретации времени. Он ознакомился с работами Поля Дирака (Paul Dirac), котрые привлекли его внимание к квантовой физике.
Несмотря на то что воззрения, отрицающие существование времени, противоречат нашим интуитивным ощущениям, Барбур пытается убедить читателя, что наши ощущения в какой-то мере соответствуют Вселенной, в которой отсутствует время. Барбур подчеркивает, что многие ученые давно уже расстались с мыслью о том, что «Я» существует во времени. Мы воспринимаем себя как вневременных субъектов с нашими воспоминаниями и планами на будущее. Если серьезно воспринимать выводы атомной теории, то следует заявить, что кошка, которая подпрыгнула, это не та же кошка, которая приземлилась. Ведь облачка молекул, из которых состоят все объекты материального мира, постоянно меняются, причем эти перемены происходят с огромной скоростью. Микрокосмос постоянно изменяется, таким образом нельзя утверждать, что кошка или человек в своем физическом состоянии сохраняются неизменными с течением времени. Следующая революция в физике, по мнению Барбура, заставит прекратить обсуждение явлений и объектов в понятиях времени. Вместе с тем другого пути обсуждения не существует, поскольку само человеческое сознание основывается в своей деятельности на течении времени. Автор предполагает, что Вселенная состоит из вневременных составляющих, и время – лишь иллюзия, которая создается нашим сознанием, когда мы пытаемся обозревать и анализировать окружающий мир. Поток человеческого сознания и ощущение текущего момента, длящееся примерно секунду, зиждутся всего лишь на нашем восприятии мира. В человеческом мозге информация о прошлом связывается в причинно-следственную цепь с информацией о настоящем моменте. Таким образом, время – это, скорее, характеристика мыслительного процесса, пусть абсолютно необходимая для мышления, однако свойственная исключительно мыслящим индивидам. В работе Барбура мозг человека именуется «капсулой времени» “time-capsule”. Его рассуждения остались бы не замеченными, если бы Барбур не применял математику для переосмысления фундаментальной физики без использования параметра времени. Он дал своей вселенной без времени название «Платония» в честь вечных форм, о которых говорил Платон. Платония Барбура состоит из бесконечного числа «сейчас» – “nows”. По утверждению Барбура, такой «безвременной подход» позволяет объяснить загадку «стрелы времени». Во всех прочих космологических теориях время течет из особого момента, который именуется «началом Вселенной», в сторону ее будущего, ее «конца».
Но в Платонии нет никакого «начального момента», потому что в ней нет времени, и значит, не может быть выделенной во времени точки. Подобно Платонии для трех точек, в которых есть особая конфигурация Альфа (где все частицы системы находятся в одном месте), так и в общем виде, для всей Вселенной, Платония тоже имеет некую особую точку, или конфигурацию Альфа, когда все частицы Вселенной находятся в одном месте.
Кроме того, говорит Барбур, «безвременной подход» к «рождению Вселенной» позволяет избежать сингулярности Биг Бэнга, где, как мы уже говорили, возникают огромные трудности из-за чудовищного «искривления» обычных пространства и времени. Барбур не теряет надежды проверить свои утверждения экспериментально.
Для простоты понимания давайте представим Вселенную в ее пространственно-временной форме в виде амфоры. В таком случае точкой Альфой можно считать остроконечное дно амфоры. Однако никто не возьмется утверждать, что амфора развилась из этой точки и что все ее части не существуют одновременно.
Было бы весьма занятно, если бы измерения, предназначенные проверить, как расширяется Вселенная со временем, в конечном счете послужили бы доказательством того, что никакого времени (и расширения в нем) в природе нет и в помине. А если мы все же имеем твердое ощущение направленного времени, то это лишь потому, что наш мозг сформировался в условиях макромира, управляемых законами Ньютона и Эйнштейна, которые описывают «истинный», «безвременный» мир лишь приблизительно, при помощи «надуманной» категории «времени».