Современные представления о происхождении и будущем Вселенной

Чем глубже человек познает природу, тем больше убеждается, что ответы на фундаментальные вопросы сложны и неокончательны. Почему мир таков, каким мы его видим? Почему существуют пространство и время, галактики и планеты? Как появилась Вселенная и что с ней будет дальше? Конечно, человечество продвинулось в изучении основных законов природы, но оно все же далеко от исчерпывающих ответов. Такие ответы в принципе невозможны, ведь, как говорил Альберт Эйнштейн, наши представления о физической реальности никогда не могут быть окончательными.

XX в. можно назвать веком астрономической и космологической научной революции, новые открытия подтолкнули развитие науки и радикально изменили взгляд человека на происхождение и устройство Вселенной и свое место в мире. Оказалось, что ученые могут изучать объекты и явления, которые невозможно представить и для которых нет соответствующих понятий. Выводы, к которым пришла современная физика, а следом и космология, имеют фундаментальный мировоззренческий характер и дают пищу для философских размышлений.

Происхождение, эволюцию и устройство Вселенной изучает космология. Слово "космология" происходит от греческих kosmos – "Вселенная" и logos – "закон". Уже древние мудрецы задались вопросом о происхождении и устройстве Вселенной, поэтому космология – учение о строении мира, и космогония – учение о происхождении мира, были неотъемлемым компонентом философских систем древности^[1]. Современная космология – это раздел астрономии, в котором собраны данные физики, математики и универсальные философские принципы, это синтез научных и философских знаний.

Под Вселенной принято понимать весь мир, который нас окружает, он существует объективно, независимо от сознания человека, его познающего. Вселенная развивается в пространстве и времени, а все, что в ней происходит, взаимосвязано и подчинено объективным законам.

Размышления о происхождении и устройстве Вселенной трудно проверить на опыте. Благодаря новым техническим достижениям область наблюдаемой Вселенной постоянно расширяется, но все же большинство открытий в современной астрономии и космологии происходят сначала "на кончике пера", в кабинетах ученых. Космолог идет от теории к практике, от модели к эксперименту, поэтому роль исходных философских оснований становится ключевой. Все новейшие представления о происхождении и развитии Вселенной (или вселенных) – это результат математического моделирования и распространения известного знания на неизвестные области. То есть в астрономии сначала выдвигается гипотеза и создастся математическая модель, затем ученый делает из нее выводы, и только потом они подтверждаются или опровергаются благодаря наблюдению и эксперименту. Но порой даже косвенная проверка отодвигается на десятилетия. Некоторые исследователи философских проблем астрономии вообще считают, что в ряде случаев экспериментальное подтверждение или опровержение космологических моделей в принципе невозможно. Космологические модели сильно различаются, ведь в их основе могут лежать противоположные философские принципы. Понятно, что религиозная космология отличается от космологии, построенной на материалистических основаниях. При этом и сами космологические выводы влияют на философские представления об устройстве Вселенной и изменяют представления человека о мире и о самом себе. Таким образом, можно сказать, что современная космология – это не только "физика", но и "философия", а иногда и "религия", если невозможно подтвердить гипотезу и можно только верить в ее истинность.

Современная космология отказалась от классических представлений о пространстве и времени^[2] и приняла в качестве своего основания релятивистскую концепцию пространственно-временного континуума^[3]. Классические космологические представления, сутью которых было утверждение абсолютности и бесконечности пространства и времени, а также неизменности и вечности Вселенной, сталкивались с неразрешимыми парадоксами. Например, утверждение о бесконечности Вселенной противоречит утверждению о ее вечности. Ход рассуждений такой. Если Вселенная бесконечна, то в ней действуют бесконечные силы тяготения. Но бесконечность сил тяготения между небесными телами должна привести к коллапсу, т.е. Вселенная не могла бы существовать вечно. Этот вывод противоречит утверждению о вечности Вселенной.

Парадоксы классической науки разрешились в современной релятивистской космологии. Началом переворота в космологии стала стационарная релятивистская космологическая модель Альберта Эйнштейна, которую он создал в 1917 г. В основе этой модели Вселенной лежит общая теория относительности. Эйнштейн отказался от утверждений об абсолютности и бесконечности пространства и времени, по сохранил принцип неизменности Вселенной во времени и ее конечности в пространстве. Вселенная, по мнению Эйнштейна, замкнута в пространстве, но при этом безгранична. Это означает, что если кто-то, например, посветит фонариком в одной части Вселенной, то свет должен вернуться с противоположной стороны. Согласно стационарной релятивистской модели пространство однородно, материя распределена в нем равномерно, время бесконечно, а его течение не влияет на свойства Вселенной. То есть мир в представлении ниспровергателя прежней физики Эйнштейна совершенно статичен. По-видимому, великого ученого более привлекал гармоничный и устойчивый мир древних греков, нежели противоречивый и неустойчивый мир, каким его видит современная наука. В конце жизни Эйнштейн с сожалением говорил о том, что теория статичной Вселенной не имеет эмпирического подтверждения.

В 1922 г. российский математик и физик Александр Александрович Фридман раскритиковал модель Вселенной Эйнштейна. Идеи Фридмана стали началом нестационарной релятивисткой космологии. В основе этой космологической модели лежит несколько принципов.

1. Космологический принцип однородности и изотропности пространства означает, что во Вселенной не существует специально выделенных точек и направлений, а вещество распределено однородно. То есть все процессы во Вселенной протекают независимо от места (однородность) и направления (изотропность). Для наблюдателя это означает, что из любого места и в любом направлении Вселенная выглядит одинаково.

2. Релятивистский принцип взаимосвязи пространства и времени и их зависимости от материи утверждает искривленность пространства и замедление времени во всех частях Вселенной, которые описываются в общей теории относительности Эйнштейна.

3. Принцип конечной скорости любых физических процессов, эта скорость равна скорости света.

4. Принцип нестационарности Вселенной, согласно которому искривленное пространство не может быть постоянным, т.е. его кривизна меняется во времени.

Первые три принципа объединяют космологические модели Эйнштейна и Фридмана, а четвертый задает новое понимание нестационарной, т.е. меняющейся Вселенной.

Фридман предложил три модели Вселенной. В первой модели пространство не искривлено, а Вселенная бесконечно расширяется из некоторой исходной точки. Во второй модели пространство обладает отрицательной кривизной, а Вселенная неограниченно расширяется. В третьей модели пространство имеет положительную кривизну, а Вселенная то расширяется, то сжимается.

В течение семи лет концепция Фридмана не получала никакого эмпирического подтверждения. Только в 1929 г. американский астроном Эдвин Пауэлл Хаббл обнаружил эффект "красного смещения" в удаленных галактиках. "Красное смещение" означает понижение частот электромагнитного излучения при удалении источника света от наблюдателя. То есть оказалось, что удаленные от нас галактики разбегаются, а Вселенная расширяется, что и создает эффект "красного смещения". Таким образом, идея нестационарной Вселенной получила опытное подтверждение.

Представление об изменении Вселенной поставило перед учеными и философами проблему ее эволюции, т.е. начала (рождения), развития и конца (смерти). В космологии появилось новое понятие – сингулярность – исходное состояние Вселенной. Считается, что в момент рождения, т.е. в состоянии сингулярности, Вселенная представляет собой микрообъект и по размерам близка к электрону.

В 40-е гг. XX в. появились новые космологические модели, которые объясняли происхождение Вселенной, самая известная среди них – гипотеза Большого взрыва, в 1948 г. ее предложил американский физик русского происхождения Георгий Антонович Гамов. Согласно гипотезе Большого взрыва, Вселенная появилась в результате взрыва из первоначального состояния сингулярности, а дальше постепенно развивалась и усложнялась. Этапы развития называются эрами, первые из них были совсем короткими – всего несколько секунд, но, начиная с третьей эры, счет пошел на миллионы лет.

Для моделирования первых мгновений существования Вселенной, прояснения причин Большого взрыва и объяснения сингулярности в 1981 г. физики Алан Гут и Андрей Линде предложили инфляционную модель Вселенной. Она объясняет, как существовала Вселенная на самой ранней стадии Большого взрыва. Согласно инфляционной модели, первоначальное состояние Вселенной – это состояние вакуума, радиус Вселенной в этот момент меньше ядра атома. Вакуум – особая активная форма материи, он как бы "кипит", как вода в котле, постоянно рождая и уничтожая виртуальные частицы. В этом процессе возникает огромная сила космического отталкивания, которая приводит к раздуванию "пузырей" – зародышей будущих вселенных. Каждый из "пузырей" – отдельный мир со своими физическими свойствами, а наша Вселенная – только один из "пузырей", появившихся из вакуумной пены. Считается, что энергия, которая выделилась при распаде вакуума, мгновенно нагрела нашу Вселенную, произошла своеобразная вспышка света. На этом стадия инфляции закончилась и началась эволюция горячей Вселенной, которую описывает модель Большого взрыва.

Несмотря на то что гипотезы Большого взрыва и инфляционной Вселенной являются общепринятыми, они сталкиваются с серьезными теоретическими проблемами. Самые большие сложности космологи испытывают с описанием состояния сингулярности. По понятным причинам сингулярность невозможно наблюдать и, более того, ее невозможно объяснить математически, хотя введение этого состояния требуется уравнениями общей теории относительности Эйнштейна. Сингулярность иногда называют аномальным фактом. Проблема сингулярности имеет важное мировоззренческое значение, поскольку разрушает представление о вечном и бесконечном мире и подталкивает к выработке новой картины мира. Философски состояние сингулярности можно трактовать как обрыв времени в прошлом. По-видимому, такой обрыв времени следует предположить и в будущем. В моделях пульсирующей Вселенной та точка, в которой расширение сменяется сжатием, как раз и рассматривается как обрыв времени в будущем. Момент "начала" времени называется Большим взрывом, а момент "конца" времени – Великим стоком. Если есть рождение и смерть, то можно говорить о возрасте Вселенной. Рассчитать его точно космологи пока не могут, слишком много гипотетических величин: скорость расширения, ее равномерность, силы, которые действуют во Вселенной, и т.п. Но большинство ученых оценивает возраст нашей Вселенной примерно в 12 млрд лет.

Для описания будущего Вселенной современная космология предлагает несколько сценариев, все их можно объединить в две группы: модели закрытой Вселенной и модели открытой Вселенной.

В моделях закрытой или замкнутой Вселенной кривизна пространства положительна. Такая Вселенная одновременно конечна и неограниченна, иными словами, двигаясь по ней, нельзя достичь границы, но свет, пущенный наблюдателем, вернется к нему с противоположной стороны. Согласно этой гипотезе, мир проходит множество эволюционных циклов, в каждом из них Вселенная сначала расширяется, а потом сжимается. Один цикл длится примерно 100 млрд лет, а при переходе в новый цикл меняются фундаментальные характеристики Вселенной. Если предположить, что наша Вселенная замкнута, то примерно через 30 млрд лет она начнет сжиматься, а еще через 50 млрд лет вернется в сингулярное состояние, из которого "родится" вновь.

В моделях открытой Вселенной кривизна пространства отрицательна или равна нулю, такая Вселенная бесконечна. В этой гипотезе предполагается, что через триллиард лет звезды остынут, через 10 триллиардов лет они начнут покидать свои галактики, планеты будут отрываться от звезд и улетать в космическое пространство. Через квадриллион лет звезды окончательно потеряют свои планеты, а галактики превратятся в черные дыры. В конце концов Вселенная превратится в электронно-позитронную плазму очень малой плотности.

Сейчас наша Вселенная расширяется, и астрономы не могут точно сказать, будет ли она расширяться и дальше или начнет сжиматься. Одним словом, пока невозможно сказать, открытая наша Вселенная или закрытая, но большинство ученых придерживается гипотезы открытой Вселенной. Не все исследователи, однако, соглашаются с идеей умирающей Вселенной. Так, например создатель синергетики Илья Пригожин утверждает, что если в стандартной модели Вселенная обречена на смерть либо в результате непрерывного расширения (тепловая смерть), либо в результате последующего сжатия ("страшный треск"), то для нестационарной модели это уже не так, ничто не мешает предположить, что неустойчивости будут повторяться снова и снова. Иными словами, Вселенная возникла из вакуума и вновь возвратиться в состояние вакуума, но ничто не мешает ей родиться вновь.

Сложности, с которыми сталкивается современная космология, используются как аргумент в пользу существования высшего разума, который создает Вселенную. Религиозные космологи стараются не отступать от текста Библии и утверждают, что современные космологические гипотезы лишь подтверждают то, что сказано в священных текстах. Так, например, в религиозных космологических концепциях сингулярность и ложный вакуум рассматриваются по аналогии с "ничто", а источник энергии, которая творит Вселенную, это и есть божественная сила, Бог.