1.1.1. Этапы развития и становления естествознания 10 страница

Наличие возможности существования такой странной материи в кварковой модели строения вещества отчасти подтверждается выводом из наблюдений дальних галактик о невозможности наблюдения многих космологических объектов обычными астрофизическими методами. Это связано, в частности, с тем, что гравитационные поля видимых звезд или скоплений звездной пыли, по-видимому, недостаточны для создания условий из движения по наблюдаемым нами траекториям. Имеется как бы «скрытая» от наблюдателя масса. Э. Уитмен в 1984 г. высказал предположение, что эта «скрытая» масса состоит из материи, содержащей уже упомянутый S-кварк. Он как раз и называется странным кварком. Предполагается, что эта материя из странных кварков возникла в течение первой миллионной доли секунды после БВ, причем диаметр таких образований составлял от 10^-7 до 10 см, масса от 10⁹ до 10¹⁸ г, а число кварков от 10³³ до 10⁴². Из-за малых размеров и огромной плотности вещества (например, теннисный мяч из такой же материи весил бы 10¹² тонн) оно не проявляет себя в видимом диапазоне световых волн.

Для такого космологического объекта американским физиком Уилером в 1969 г. был предложен термин «черная дыра» (ЧД). ЧД - это объект, у которого такое большое гравитационное поле, что он ничего (в том числе и излучение) от себя не отпускает. Наступает факт «пленения» света. Кстати, еще в 1798 г. Лаплас говорил об объектах с огромной гравитацией, которые будут абсолютно черными для внешнего наблюдателя. ОТО показывает, что для таких полей масса объекта М должна соответствовать так называемому гравитационному радиусу R или радиусу сферы Шварцшильда, который первый решил уравнение Эйнштейна для поля тяготения сферического тела:

(1.6.9)

Этим расстоянием будет определяться горизонт событий. Для Солнца гравитационный радиус равен 3 км, для Земли - 1 см. Однако ни Солнце, ни Земля до таких размеров самопроизвольно не уменьшатся.

Предполагаются два варианта образования ЧД в процессе эволюции звезд. Первый - для звезд с массой больше двух масс нашего Солнца. По мере старения звезды ядерное топливо (водород) сжигается и гравитационное притяжение уже не может уравновеситься давлением за счет горения топлива. Звезда сжимается и превращается в ЧД. Второй - для малых звезд массой значительно меньшей массы Солнца. В начальные моменты жизни Вселенной плотность материи огромна, и малые неоднородности вещества создавали большие неоднородности гравитационного поля, это могло приводить к образованию ЧД в малых областях пространства. Кстати, по одной из гипотез, Тунгусский метеорит - микрочерная дыра (по космическим масштабам), «вошедшая» в Землю в районе поселка Ванавара в Сибири и «вышедшая» из нее в районе Бермудских островов («Бермудского треугольника»).

Наличие такого огромного гравитационного поля у ЧД приводит к тому, что время течет все медленнее и медленнее по мере приближения к ЧД. На расстоянии гравитационного радиуса время полностью останавливается с точки зрения удаленного наблюдателя, т.е. ЧД искривляет пространство и тормозит время. Как отмечал Б. Паркер, «Попав в ЧД, наш наблюдатель не сможет сообщить о том, что видит: он все время будет приближаться к ее центру... в центре будет находиться то, что осталось от звезды после коллапса - сингулярность (нулевой объем). По мере приближения к сингулярности наблюдатель заметит, что пространство и время поменялись ролями. По «нашу» сторону горизонта событий мы можем управлять пространством, но не временем: время течет одинаково независимо от наших действий. Но за горизонтом, как ни странно, можно управлять временем, но не пространством - нас затягивает сингулярность, хотим мы этого или не хотим. Оказавшись с ней рядом, мы поймем, что нас ждет та же судьба, что и звезду - нас сожмет до нулевого объема». В этом смысле ОТО описывает звезду как «кладбище» всего того, что ЧД успела захватить.

В 1975 г. С. Хокинг [212, 213] показал, что ЧД может «дышать» - гравитационное поле вблизи поверхности ЧД рождает в вакууме пары частиц, одна из которых захватывается ЧД, а другая улетает в окружающее пространство, т.е. получается, что черная дыра может излучать частицы разных видов. Надо все же заметить, что мы у себя на земле этого пока не можем зарегистрировать. Это квантовое излучение не существенно для ЧД, образованных из звезд в процессе эволюции, но существенно для тех ЧД, которые образовались на начальном этапе жизни Вселенной. Астрономическими наблюдениями двойных звезд, вращающихся вокруг общего центра масс, такая ЧД была обнаружена в 1972 г. в системе Лебедь-Х-1. Отметим также, что ЧД - не просто необычный небесный объект, но в известном смысле дыра в пространстве и времени.

В последние годы появились предположения, что черные дыры являются областями перехода от одного пространства к другому пространству с отличной от первого размерностью и, следовательно, с другими физическими свойствами. То, что выглядит в «нашем» трехмерном пространстве как черная дыра, в другом - является «белой дырой», через которую захваченная материя выходит в это другое пространство [118, 123-127].

Вернемся еще раз к странной материи. Предполагается, что главное отличие странной материи от обычной состоит в разных значениях отношения заряда к массе (q/m). Для обычной материи это отношение лежит в пределах от 1/3 (дейтерий, тритий) до 1 (один протон у обычного водорода), у большинства изотопов других атомов ~ 1/2 из-за того, что число протонов примерно равно числу нейтронов. Для странной материи это отношение q/m лежит в пределах от 1/10 до 1/20.

1.6.4.

Модель единого физического поля и многомерность пространства-времени

Кто бы мог подумать, что мы
будем так много знать и так
мало понимать.

А. Эйнштейн

Раз мы заговорили о попытках единого описания всех физических явлений, следует вкратце упомянуть о моделях единого физического поля (ЕФП). Такие попытки неоднократно предпринимались, начиная с Эйнштейна. Хотя до настоящего времени этой теории нет, можно отметить, что С. Вайнберг, Ш. Глэшоу и Э. Салам в 1967 г. показали, что слабое и электромагнитное взаимодействия есть одно и то же электрослабое (так они его назвали) взаимодействие, проявляющееся при энергиях свыше 100 ГэВ. При меньших энергиях спонтанно нарушается симметрия между ними, и в обычных условиях мы наблюдаем их как разные поля и взаимодействия. Ш. Глэншоу и Г. Джордан в 1979 г. предположили, что при энергии свыше 10¹⁴ ГэВ слабое, электромагнитное и сильное взаимодействия также объединяются. Это так называемая первая теория Великого объединения (ТВО). По этой теории лептоны могут переходить в кварки и наоборот.

Однако, как мы помним, кварки имеют барионный заряд, не равный нулю, а у лептонов В = 0. Следовательно, здесь уже при таких превращениях нарушается закон сохранения барионного заряда. Кроме того возникает вопрос, насколько стабилен протон, время жизни которого составляет порядка 10³⁰-10³² лет. По сравнению с временем существования Вселенной (~10¹⁰ лет) это время жизни протона значительно больше, чем возраст нашей Вселенной.

Если это действительно так, то возникает гипотеза, что вещество во Вселенной может быть не стабильно. Кроме того ТВО «разрешает» существование в свободном состоянии кварков, и тогда они действительно являются фундаментальными частицами. И наконец, при энергиях свыше 10¹⁹ ГэВ возможно включение в общую схему объединения взаимодействий и гравитационных полей. Это и есть модель (или теория) супергравитации или суперсимметрии. Здесь происходит объединение симметрии ОТО. Частицами-переносчиками должны быть безмассовые частицы со спином s = 2, называемые гравитонами, о которых мы уже упоминали.

Физический вакуум порождает виртуальные (возможные) частицы, которые своей массой создают дополнительное поле тяготения. Согласно ОТО, в этом же месте и в тот же момент времени изменяются геометрические свойства пространства-времени, т.е. оно флуктуирует. Согласно такой модели, гравитон - это квант флуктуирующего пространства-времени, объединяющий в себе и элементарную частицу, и волну искривления, распространяющуюся по четырехмерному миру. Эффекты, связанные с этим, должны проявляться на так называемых планковских расстоянии и времени , соответствующая масса . Индекс «р» обозначает, что эти параметры - соответствуют планковским расстоянию, времени и массе. Отсюда делается вывод, что в ранние моменты существования Вселенной пространство-время было дискретным, квантованным, как это следует из физического смысла константы Планка.

Волну искривления пространства связывают в теории супегравитации с моделью суперструн. В этой модели в качестве элементарной основы мира берутся уже не описанные элементарные частицы, а элементарные процессы - колебания бесконечно длинных струн с очень малым диаметром. При этом могут возникать резонансы колебаний разных струн и вихри в пространстве, которые можно связать с ритмикой Космоса, циклическими процессами во Вселенной, оказывающими влияние на все процессы на Земле [218, 219].

В теории супергравитации также показывается, что, согласно Т. Калуце (1921 г.) и О. Клейну (1926 г.), электромагнитное поле можно рассматривать как некое геометрическое свойство дополнительного пятого измерения пространства-времени. Не вдаваясь в теоретические тонкости, отметим, что это ненаблюдаемое пятое измерение сворачивается (компактифицируется) до малых ненаблюдаемых размеров. Это приводит к геометрическим симметриям, связанным с семью дополнительными измерениями пространства, компактифицированными в семимерную сферу. Тогда можно предположить, что мы живем в 11-мерной Вселенной. Это - три видимых пространственных измерения, семь невидимых, свернутых в пространстве, и время. Таким образом, новая и последняя на сегодняшний день в теоретической физике безразмерная константа - размерность Вселенной N = 11.

Свертка ненаблюдаемого измерения может быть качественно понята из приведенного примера бесконечно длинной струны, которую мы видим в одном измерении - длине. Микрообъекты рассматриваются уже не как точечные, а как одномерные. Исчезновение размерности можно также увидеть при свертывании плоского листа в цилиндр или в ленте Мебиуса, в которой происходит непрерывный переход с внешней поверхности листа на внутреннюю.

В связи с теорией ЕФП в настоящие время рассматривается также возможность существования кванта единого пространства-времени, который называется st (space - time)-квантом [84]:

(1.6.10)

Если st-квант действительно существует, то это приводит к интересным выводам: в «объеме» st-кванта нарушены причинно-следственные связи. События, происходящие в st-кванте могут быть растянуты во времени, но сжаты в пространстве и наоборот. На уровне st-кванта пространство-время непрерывно творит само себя с изменяющимися в каждом акте топологией, физическими свойствами и законами из-за неопределенности пространства-времени. Спонтанные флуктуации пространства-времени могут привести к нарушению закона сохранения энергии. Предполагается, что в эти особые моменты, по-видимому, и произошел БВ. И наконец, существует возможность существования непрерывного множества виртуальных вселенных.

Существуют и другие попытки описать многомерность пространства, представить его расслоенным и даже мнимым в окрестностях черных дыр, когда объект пересекает сферу Шварцшильда [36]. При этом частица, не наблюдаемая в одном пространстве, может наблюдаться в другом, и поэтому частицы тахионы, движущиеся со скоростями, большими скорости света, и тардионы, движущиеся со скоростями, меньшими скорости света, существуют в разных расслоенных пространствах, и принцип причинности не нарушается. Имеется также гипотеза Ю. Иванова о частотном пространстве [238]. Согласно этой модели трехмерному геометрическому пространству сопоставляется сферическое частотное пространство, шаровыми слоями которого являются: не видимая человеческим глазом ультрафиолетовая область (УФ) спектра, видимая область спектра (оптический диапазон), невидимая инфракрасная область (ИК) спектра. Тогда появление неопознанных летающих объектов (НЛО), «материализацию» или, наоборот «дематериализацию» различных физических объектов Ю. Иванов объясняет переходом из одного частотного пространства в другое. В связи с такой гипотезой предполагается, что рядом с нами в УФ- и ИК-областях частотного пространства процессы, в том числе и само время, могут протекать по-иному и, следовательно, может существовать другая, быть может, разумная жизнь.

Другой ультрасовременной моделью строения пространства является попытка заполнить его кубами с планковскими размерами, внутри которых каким-то образом вращаются взаимно противоположно петли времени С. Хокинга, переходы между которыми в известном смысле, и соответствуют переходам от одного пространства к другому. Все эти модели, конечно, являются умозрительными и требуют дальнейшего доказательства и экспериментального подтверждения. Как сказал Р. Фейнман, «многие физики трудятся над создание великой картины, объединяющей все в одну сверхмодель. Это восхитительная игра, но в настоящее время игроки никак не договорятся о том, что представляет собой эти великая картина».

1.6.5.

Устойчивость Вселенной и антропный принцип

В связи с уже упомянутой ранее «подгонкой» мировых констант встает вопрос не только о пределах изменения их значений в отдельности, но и об изменении в целом всего набора этих констант, позволяющем судить об устойчивости структуры Вселенной.

Следует заметить, что с общечеловеческой точки зрения разумным ограничением изменения набора констант в целом является сохранение условий для возникновения и существования жизни. Попыткой ответа на вопрос, что же определяет столь точную «подгонку» мировых констант, что реализует существование сложной структуры Вселенной и образование жизни вообще, стало применение скорее гуманитарного, чем естественнонаучного антропного принципа (АП), согласно которому наша Вселенная обладает наблюдательными свойствами именно потому, что эти свойства допускают возможность существования наблюдателя, т.е. человека.

Антропный принцип впервые в 1958 г. был предположен нашим соотечественником Г. Идлисом и затем Б. Картером в 1974 г., но в неявном виде он уже функционировал и раньше в виде антропоморфизма. Этот принцип применяется в слабом и сильном вариантах.

Слабый антропный принцип. На свойства Вселенной накладываются ограничения наличием нашей разумной жизни. То, что наблюдают астрономы, зависит от присутствия наблюдателя.

Сильный антропный принцип. Свойства Вселенной должны быть такими, что бы в ней обязательно была жизнь.

Согласно этим принципам между фундаментальными свойствами Вселенной и возможностью существования в ней жизни установлены строго определенные отношения. Как мы уже отмечали, фундаментальные свойства мира количественно выражаются через фундаментальные постоянные и при их незначительном изменении может сильно измениться сценарий развития Вселенной, а теперь мы можем сказать, что и самой жизни во Вселенной, естественно, в нашем понимании. Таким образом, антропный принцип по сути превращает факт появления человека во Вселенной из случайного, незначительного, в центральный, приоритетный. «Любая физическая теория, которая противоречит существованию человека, очевидно, не верна» [52].

Заметим также, что антропный принцип не отвергает возможности существования других Вселенных. Однако эволюция может происходить без наблюдателей, и, следовательно, жизнь в нашем понимании в них невозможна. При использовании антропного принципа появляется возможность моделировать другие допустимые Вселенные, что, с точки зрения современной физики, доказывает существование множества миров.

Кроме того, АП приводит к мировоззренческим уточнениям не только по множественности обитаемых Вселенных, но и по множественности существования жизни в нашей Вселенной. Как справедливо указывалось в [117], вопрос о существовании жизни в нашей Вселенной в свете антропного принципа приобретает новую окраску. Он означает, что наша Вселенная чрезвычайно тонко приспособлена для возникновения и существования жизни. Можно было бы подумать, что это относится к отдельной достаточно крупной, но все же локальной области Вселенной, где в силу случайной флуктуации создались условия, необходимые для существования жизни. Но как мы уже говорили, предполагается, что Вселенная однородна и изотропна, т.е. ее свойства в больших масштабах одинаковы. Следовательно, когда мы говорим о чрезвычайно тонкой приспособленности Вселенной для жизни, речь идет не о локальных областях, а обо всей Вселенной в целом. Таким образом, применение АП приводит к выводу о закономерном возникновении и широкой распространенности жизни и Разума во Вселенной. Антропный принцип, с точки зрения физики и философии, «отвергает» возможность уникальности земной жизни. Проблемы множественности миров неоднократно обсуждались на всех этапах человеческого общества. Например, Анаксагор выступил с идеей о гониометриях, каждая из которых содержит в себе все свойства Вселенной. Другой пример признания множественности миров дает нам Джордано Бруно, сожженный, как известно, инквизицией за эту идею.

В современном естествознании к этой идее приводит ОТО, одним из выводов которой является представление, что наш мир снаружи может выглядеть как микрочастица. Такие объекты наш соотечественник А.А. Марков назвал фридмонами. Дальнейшее развитие идей о множественности миров привело к пониманию, что Земля находится не в центре Солнечной системы. Х. Шекли показал, что и Солнце находится не в центре Галактики, а вблизи ее края. Хаббл и другие исследователи установили, что наша Галактика не только не является центром Вселенной, но и более того, у нашей Вселенной вообще нет пространственного центра - все ее точки эквивалентны. Как уже упоминалось, совсем недавно мы стали понимать, что состоим не из основной материи Вселенной. А расширение Вселенной на ранних стадиях означает, что наша Вселенная - не единственный из раздувшихся «шариков» (Помните наш пример с воздушными шариками?).

Анализ современных теорий физики элементарных частиц, данных астрофизики и космологии показывает необходимость одновременного выполнения некоторых соотношений относительно мировых констант в дополнение к упомянутым уже формулам (1.6.4 - 1.6.7):

(1.6.11)

Это само по себе в обычном понимании довольно противоречиво. Если, согласно [84], изобразить на плоскости Х, Y, где и , эти неравенства графически, то получается, что неравенствам (1.6.11) удовлетворяют две области (рис. ), соответствующие устойчивым структурам Вселенных. В области 1 образование сложных структур и жизни невозможно, так как минимальная масса в ней - порядка массы протона (m ~10^-5 г).

В области 2 будут выполняться условия для существования нашей Вселенной. В области 3 значения фундаментальных констант отличны от наших, но там тоже могут возникать сложные структуры. Однако зоны, где соблюдаются условия (1.6.11), соответствующие возникновению и наличию жизни, занимают предположительно незначительную часть области 3.

Заметим также, что фундаментальные константы играют важную роль в построении масштабов нашего мира. Они позволяют дать некую иерархическую картину структуры Вселенной. Это можно пояснить графически представлениями изменения размеров тел и расстояний, а также их масс (рис. , ). Действительно, наиболее естественными и наглядными квалификационными признаками являются размер объекта и его масса. Выделяют микромир с характерными размерами меньше чем 10^-8 м (элементарные частицы, ядра, атомы, молекулы), макромир (макромолекулы, кристаллы, жидкости, газы, живые организмы, человек, объекты техники, т.е. макротела) и мегамир (планеты, звезды, галактики). Понятно, что границы микро- и макромира подвижны, и не существует отдельного микромира и отдельного макромира. Естественно, что макрообъекты и мегаобъекты построены из микрообъектов и в основе макро- и мегаявлений лежат микроявления. И это наглядно видно на примере построения Вселенной из взаимодействующих элементарных частиц в рамках космомикрофизики. На самом деле мы должны понимать, что речь идет лишь о различных уровнях рассмотрения вещества. Микро-, макро- и мегаразмеры объектов соотносятся друг другу как макро/микро» мега/макро.

Кварки «являются» составной часть протонов и нейтронов, затем из них образуются ядра атомов. Атомы объединяются в молекулы. Если двигаться дальше по шкале разномерности тел, то мы приходим у обычным макротелам и далее - планетам и их системам, звездным скоплениям, галактикам и метагалактикам, т.е. можно представить переход от микро, макро и мега как в размерах, так и физических процессах (моделях). И именно фундаментальные мировые константы определяют масштабы иерархической структуры материи нашего Мира. Очевидно, что сравнительно небольшое их изменение и должно приводить к формированию качественно иного мира, в котором стало бы невозможным образование ныне существующих микро-, макро- и мегаструктур и в целом высокоорганизованных форм живой материи. Имеющая место «подгонка» мировых констант, т.е. определенные их значений и взаимоотношений между ними, по существу и обеспечивает структурную устойчивость нашей Вселенной. Поэтому проблема казалось бы абстрактных мировых констант имеет глобальное мировоззренческое значение.

1.6.6.

Ньютоновская модель развития Вселенной

Антропный принцип требует также, чтобы средняя плотность вещества Вселенной ρ_ср была бы близка к критической ρ_кр', так как при ρ_ср<<ρ_кр время существования нашего Мира было бы настолько мало, что за это время жизнь не могла бы возникнуть. Такой взгляд коррелирует с моделью развития Вселенной, построенной на положениях классической динамики Ньютона.

Как мы уже видели в главе 1.3 из упомянутого закона всемирного тяготения Ньютона, по аналогии с электромагнитным полем вводится напряженность гравитационного поля Е и потенциал этого поля φ lns:o="urn:schemas-microsoft-com:office:office" xmlns:w="urn:schemas-microsoft-com:office:word" xmlns="http://www.w3.org/TR/REC-html40">

φ

:

(1.6.12)

Если учесть, что размеры Метагалактики ~ 10²³ км, а размеры крупных скоплений Галактик 10²⁰-10²¹ км, то Метагалактику можно считать однородной и изотропной с большой точностью (~0,1-1%). Тогда можно рассматривать динамику Метагалактики как поведение однородного изотропного шара в собственном гравитационном поле. Используя стандартное уравнение Ньютона

(1.6.13)

подставляя значение силы из основного уравнения динамики и считая, что m = const, получим

(1.6.14)

Если Е > 0, то скорость v = dR/dt > 0. Следовательно, для этих условий получается, что Метагалактика открыта и всегда расширяется. Если же Е < 0, то существует момент времени, когда v = 0 и расширение сменяется сжатием. Эти условия соответствуют закрытой Метагалактике. Скорость разлета галактик друг от друга, как мы уже знаем, определяется законом Хаббла (1.6.1). Подставляя (1.6.14) в (1.6.1) и учитывая, что , получим

(1.6.15)

где

(1.6.16)

Отсюда делается вывод, что если Вселенная открыта (Е > 0), то ρ_кр>ρ_ср', если закрыта (Е < 0), то ρ_кр<ρ_ср. Кстати, если Е = 0, то из решения (1.6.13) - (1.6.16) следует, что

(1.6.17)

Однако современная наука не дает однозначного ответа, какое из этих отношений между ρ_кр и ρ_ср справедливо, поскольку предполагается, что часть вещества находится в «невидимом» состоянии. Оценка же дает близкие значения ρ_кр≈10^-29 г * см^-3 и ρ_ср≈10^-30 г * см^-3. Заметим, что из приведенных рассуждений следует, что уже в рамках ньютоновской механики следует возможность нестационарной, или, как мы уже знаем, пульсирующей Вселенной. Из таких вариантов эволюции Вселенной можно сделать следующий вывод: Вселенную в целом можно рассматривать как открытую систему, в которой происходят, необратимые и неравномерные процессы. Тогда ρ_кр>ρ_ср. Во всяком случае ρ_кр и ρ_ср близки по своим значениям и, следовательно, антропный принцип выполняется. Заметим также, что радиус R в уравнениях (1.6.13) - (1.6.16) не должен быть больше критического R = 2GM/c², поскольку в нашем миропонимании и признании ОТО скорость разбегания галактик не должна превышать скорость света. Теорией было также показано, что при ρ_ср≈ρ_кр пространство может считать псевдоевклидовым и число пространственных измерений опять же сводится к трем. Это вообще неудивительно, так как модель развита в рамках теории Ньютона. Заметим еще один интересный результат, полученный в 20-х годах П. Эренфестом: при четном числе пространственных координат не должно существовать замкнутых орбит планет и невозможна передача информации путем волн, что может служить дополнительным свидетельством в пользу, трехмерности пространства и правильности антропного принципа.

1.6.7.

Антивещество во Вселенной и антигалактики

Дата добавления: 2015-09-28