Занимательная астрофизика

Выяснение физического состояния вещества, в результате расширения которого образовалась наша Метагалактика, — одна из фундаментальных проблем современного естествознания. Формально решения уравнений дают бесконечную плотность вещества в такой первичной конденсации. Однако бесконечное значение плотности не имеет физического смысла, и поэтому обычно говорят о сингулярности — необычном состоянии, резко отличающемся от «привычных» состояний материи. Во всяком случае считается, что это было состояние чудовищной плотности, достигавшей 10⁹³-10⁹⁵ г/см³

, что на 79–81 порядок выше плотности атомного ядра. О подобных суперплотных состояниях мы пока мало что знаем. К описанию физических явлений, которые протекают в таких условиях, современные фундаментальные физические теории неприменимы.

По-видимому, в подобной ситуации меняется смысл, который мы вкладываем в такие фундаментальные понятия, как «пространство», «время», «одновременность», «раньше», «позже» и т. п.

Вообще говоря, наука допускает экстраполяцию тех или иных теоретических представлений и на области явлений, лежащие за границами применимости данной теории. При такой экстраполяции общая теория относительности приводит к выводу, что Вселенная возникла из бесконечно малого (точечного) объема при моменте времени, равном нулю.

Проблема сингулярности составляет одну из центральных проблем современной космологии. С одной стороны, эйнштейновская ОТО с неизбежностью приводит к сингулярности. Однако, с другой стороны, состояния с бесконечной плотностью физически неосуществимы. Складывается впечатление, что появление сингулярности в ОТО является следствием того, что ОТО неприменима к состояниям с очень большой плотностью, что она Здесь выходит за границы своей применимости.

Каким образом может быть устранено возникающее противоречие? Над решением этой задачи упорно работают современные теоретики — физики и астрофизики. Возможно, удастся показать, что возникающая с точки зрения ОТО в процессе эволюции Вселенной сингулярность не является все же в рамках этой теории абсолютно неотвратимой, что при определенных условиях от нее можно избавиться. Другое направление связано с возможностью существования так называемой «фундаментальной длины», т. е. некоей минимальной протяженности, которая определяет границы применимости известной нам физики. Возможен, однако, и третий вариант: не исключено, что границы применимости ОТО определяются возникновением квантовых явлений. Согласно существующим представлениям, такой границей служит временной интервал порядка 10^-43 с, протяженность порядка 1,6·10^-33 см и плотность порядка 5·10⁹³

г/см³. В связи с этим предпринимаются попытки создания квантовой гравитационной теории и квантовой космологии. Этой теории предстоит решить целый ряд принципиальных проблем: о взаимодействии вещества и вакуума, который, судя по всему, представляет собой особую, скрытую форму существования материи, о рождении частиц из вакуума, о взаимосвязи микро- и макропроцессов. Именно это направление теоретического поиска сейчас является основным.

Первичная сингулярность — состояние, резко отличающееся от современного состояния Вселенной. Таким образом, Вселенная изменяется во времени: ее прошлое отличается от настоящего, а настоящее — от будущего. Это — фундаментальный вывод современного естествознания, имеющий важнейшее значение для человечества.

Решение Фридмана, соответствующее современному состоянию Вселенной, распадается на три подкласса решений, соответствующих трем возможным математическим моделям или трем возможным путям грядущего развития астрономического мира. Первый вариант — это так называемая замкнутая модель, второй — открытая модель и третий — промежуточный случай. В случае открытой модели расширение нашего мира должно продолжаться неограниченно. При этом общий его «вид» будет длительное время сохраняться. Лишь постепенно, через очень большие промежутки времени, состояние материи во Вселенной изменится.

В случае же замкнутой модели фаза расширения Вселенной должна со временем смениться на противоположную — фазу сжатия, а затем вновь произойдет расширение — и так без конца. Исследуя возможные свойства и закономерности подобных «циклических» Вселенных, ученые занимаются конструированием различных теоретических моделей.

Еще около тридцати лет назад знаменитый математик К. Гёдель попытался построить модель Вселенной, которая периодически точь-в-точь повторяет саму себя. Ситуация, весьма заманчивая для авторов научно-фантастических романов.

Если бы модель Гёделя соответствовала действительности, то это означало бы, что все наблюдаемое нами в окружающем мире уже когда-то было. И не один раз…

Однако повторяющая себя Вселенная в духе Гёделя пока что остается всего лишь неопределенной идеей, возможностью, которая и не подтверждена и не опровергнута. Более детально разработаны другие варианты циклических моделей. В этих моделях Вселенная пульсирует, то сжимаясь, то расширяясь и периодически проходя при этом через стадию чудовищно плотной горячей плазмы.