Пульсирующая Вселенная - Николай Николаевич Горькавый
Мы знаем сегодняшнюю Вселенную: далекие галактики, убегающие от нас; космическое микроволновое фоновое излучение[1]; распространенность химических элементов и свидетельства в пользу темной материи и темной энергии. Мы имеем относительно простую теорию расширения примерно с семью параметрами, которая очень хорошо описывает наблюдения. Но некоторые загадки остались, и речь идет не только о темной материи, темной энергии и квантовой гравитации. Возможно, пора провести еще немного мысленных экспериментов.
Что, если нынешняя Вселенная перестанет расширяться, скажем, потому что темная энергия имеет уравнение состояния, которое нам неизвестно, или, может быть, она не то, что мы думаем? Что случится с объектами, которые мы видим сегодня? Как они будут себя вести, если будут собраны вместе в каком-то гигантском сжатии? Будут ли звезды раздавлены и измельчены, испарятся ли в облака элементарных частиц или они упадут в черные дыры и исчезнут из поля зрения? Будут ли черные дыры поглощать все, включая темную материю, которую мы считаем найденной? Что может остановить этот коллапс, если это вообще возможно? Будет ли коллапс иметь достаточную симметрию, чтобы Вселенная снова стала гладкой, или она разделится на отдельные части вроде черных дыр? Другими словами, сможет ли наша нынешняя Вселенная испытать отскок, а потом перестать расширяться и снова сколлапсировать? Что происходит с энтропией — она продолжает расти или, может быть, мы не знаем, как вычислить энтропию бесконечной системы?
Или какая предыдущая Вселенная может совершить такой отскок, чтобы создать нашу Вселенную? Идея отскока Вселенной очень старая, и именно она стояла за поиском космического микроволнового фонового излучения Робертом Дикке. Идея отскока является интересной альтернативой инфляционной теории. Как мы можем различить их экспериментально?
И связанный с этим вопрос: что происходит с общей скоростью расширения по мере того, как гравитационная масса меняет форму, переходя между энергией покоя, кинетической энергией, энергией излучения, черными дырами и гравитационными волнами? В частности, полна ли формулировка Эйнштейна, связывающая кривизну с тензором[2] энергии-импульса, и дает ли гравитационное излучение вклад в тензор энергии-импульса, а также и в дополнительную кривизну? Жерар 'тХоофт пишет[3]: «Я подчеркиваю, что любая модификация уравнений Эйнштейна во что-то вроде
Возможно, нам нужно разделить (по крайней мере, мысленно) члены космологической кривизны нулевой частоты от высокочастотных членов кривизны, представляющих распространяющиеся гравитационные волны. Тогда мы могли бы представить плотность энергии в виде распространяющихся волн как эквивалентный источник, который естественным образом заменил бы импульсно-энергетические члены материальных полей и черных дыр по мере их превращения. Это не было бы уходом от общей теории относительности, а только разделением нулевых или низкочастотных членов от высокочастотных членов. Если 'тХоофт полностью прав, то это должно быть эквивалентно нелинейным частям исходного уравнения.
Например, когда сливаются две черные дыры, энергия гравитационной волны распространяется наружу, а масса новой черной дыры меньше массы сливающихся партнеров, по крайней мере по всем вычислениям общей теории относительности, которые вполне соответствуют наблюдениям. Должны ли мы увидеть внезапное радиальное ускорение по мере прохождения мимо нас расширяющейся оболочки гравитационного излучения? Аналогичная идея была высказана недавно Филипом У. Андерсоном[4]...
Если бы Земля внезапно уменьшила массу, мы ожидали бы изменение гравитационного притяжения к ней. Мы открыли поперечные гравитационные волны, но как насчет монопольного члена? Об этом было много дискуссий в контексте общей теории относительности. Знаем ли мы, как применить к этой ситуации теорему Биркгофа? Аналогично, и это, вероятно, уже известно, что происходит с энтропией и информацией в черных дырах, когда они сливаются? И, кроме чистой теории, существует ли какой-либо возможный эксперимент, который можно было бы осуществить, чтобы проверить эти предсказания? Кстати, будут ли другие теории гравитации давать различающиеся прогнозы?
Часть I. Рождение феникс-космологии (1755–1965)
Дебаты о том, как возникла наша Вселенная, проходили в течение всей известной нам истории.
Глава 1. Краткая история циклической космологии до 1915 года
Этот космос, один и тот же для всех, не создал никто из богов, никто из людей, но он всегда был, есть и будет вечно живой огонь, мерно возгорающийся, мерно угасающий.
Идея цикличности Вселенной встречается в целом ряде древних текстов и у многих античных авторов. Например, блестящий диалектик и язвительный мизантроп Гераклит Эфесский (V–VI в. до н. э.), учивший о важности существования противоположных начал в природе, говорил: «Все составилось из огня и в огонь разрешается. Все совершается по судьбе и слаживается взаимной противобежностью...Начало есть огонь, все есть размен огня и возникает путем разрежения и сгущения...Все возникает по противоположности и всею цельностью течет как река. Вселенная конечна, и мир един. Возникает он из огня и вновь исходит в огонь попеременно, оборот за оборотом, в течение всей вечности...» (из книги «О жизни, учениях и изречениях знаменитых философов» Диогена Лаэртского). Ипполит пишет, что Гераклит «пугает нас, и грозит, что некогда Вселенная будет испепелена, поскольку она разложится в то, из чего возникла». («Фрагменты ранних греческих философов», 1989). Рассуждения Гераклита дошли до нас только в пересказе других авторов, но они убедительно свидетельствуют о том, что философской идее о цикличности Вселенной уже тысячи лет.
Историю современного естествознания часто начинают с трудов Исаака Ньютона (1642–1727), который открыл законы гравитации и создал современную динамику и небесную механику. Начало научной космологии можно отсчитывать с 1755 года, когда Иммануил Кант (1724–1804) выпустил свою знаменитую книгу по астрономии.
1.1. Иммануил Кант и Вселенная-феникс (1755)
Через всю бесконечность времен и пространств мы следим за этим фениксом природы, который лишь затем сжигает себя, чтобы вновь возродиться юным из пепла...
Иммануил Кант был гением, намного опередившим свое время. Этот трудолюбивый домосед из Кёнигсберга (ныне Калининград) прославился как великий философ, но его вклад в астрономию не менее впечатляющ. В 1755 году Иммануил Кант опубликовал труд «Всеобщая естественная история и теория неба», в котором выдвинул и развил удивительно прозорливые положения о формировании и динамике небесных