Не было ни дня, ии ночн, пи неба, ни земли, ни п>мы, ни света, ничего дру| ого, за исключс-‘исм Одного, непостижимого разумом, что есть Бра­ман н Пуме (Дух) и Прадхапа (Изначальна): Ма­терия).

«Тайная Доктрина»

Кто знает, воистину, и кто может сказать, когда ото родилось, и когда свершился этот акт творе­ния? Богн появились юраздо |.озже сотворения этого мира. Кто же тогда знает, когда появился мир?

Ригведы «Песнь Творения»

В первые мгновения после сингулярности, в те ничтожные доли секунды, которые cooi летсгвуют адронной эре, Вселенная была очень горяча, давление излучения было невообразимо велико. На первый взгляд, может показаться, что именно это чудовищное давление и является причиной расширения подобно тому, как это имеет место при взрыве какого-либо заряда, кот да большое давление, возника­ющее в центре взрыва, разбрасывает окружающее вещество. Но на самом деле это не так. Для того чтобы произошел взрыв, важно не давление само по себе, а перепад давления. При взрыве бомбы этот перепад определяется разчостыо между высоким давлением горя­чего газа внутри быстро сгорающего взрывчатого вещества и низ­ким давлением окружающего воздуха. Именно этот перепад и со­здает силу взрыва. Но ведь Вселенная однородна и изотропна, дав­ление в каждой ее точке одинаково, перепад (или, как говорят физики, градиент) давления отсут :твует. Следовательно, давление не может быть причиной Большого взрыва. Более того, согласно общей теории относительности, давление создает пополнительное поле тяготения и, следовательно, только усиливает тормозящее дей­ствие гравитационных сил. Но все это относится к обычной мате­рии, состоящей из частиц вещества и различных физических полей. Однако на самом раннем этапе эволюции Вселенной, в эпоху близ­кую к планковскому времени Twl = 3-10"44 с (т. е в момент, отстоя­щий от теоретической фридмановской сингулярност и T = 0 на вели­чину 3 • Ю-44 с) материя, по-видимому, находилась в так называемом вакуумно-подобном состоянии. В свойствах этого состояния и надо искать причину Взрыва, причину расширения Вселенной Что та­кое вакуумно-подобное состояние? Здесь нам приде гея сделать еще одно отступление и познакомп гься с физическим вакуумом.

Физический вакуум опреде^шют как низшее состояние кванто­вых полей, при котором энергия поля минимальна, а все квантовые числа, характеризующие эти поля (электрический заряд, импульс и др.), равны нулю. Ьолее просто, хотя, может быть, несколько гру­бо, можно определить его так: физический вакуум это то, что оста­ется в некоторой области пространства, если убрать оттуда все час­тицы и все кванты любых физических полей. Но что же останется в таком случае в рассматриваемой области пространства? На первый взгляд, ничего не останется — будет абсолютная пустота. Но ока­зывается в этой «пустоте» постоянно рождаюiся и аннигилируют так называемые виртуальные частицы. От реальных частиц они от­личаются тем, что живут очень короткое время, столь малое, что их принципиально невозможно обнаружить за это время — не пото­му, что точность измерения времени мала, а потому что длитель­ность их жизни лежит за пределом обнаружения, допускаемого со­отношением неопределенностей квантовой механики. Виртуальные частицы рождаются парами: частица-античастица и, по истечении времени At аннигилируют’40. На образование частиц необходимо затратить определенную энергию, которая берется из «ничего», но по истечении времени At частицы аннигилируют и выделяющаяся при этом энергия возвращается в «ничто». Закон сохранения энер­гии выполняется А т ак как весь этот процесс рождения-аннигиля­ции часгиц остается вне наблюдения, то вроде бы ничего и не про­исходит; виртуальные частицы существуют и как бы не сущестзую] Зачем же тогда говорить о них? Дело в том, что хотя виртуальные част ицы невозможно зарегистрировать непосредственно, косвенно они проявляются: за короткое время своей жизни виртуальные час­тицы успевают прореагировать с реальными частицами и результа­ты этих взаимодействий обнаруживаются в физическом эксперимен те. Следовательно, физический вакуум это не пустота, а особое со­стояние материн. Оно характеризуется постоянным рождением и аннигиляцией частиц и античастиц, которое образно называют «ки­пением» вакуума.

Как и всякая физическая материя, вакуум обладает определен­ной плотностью энергии ек11. и соответствующей плотностью мас — сы 9«ж = гтУс1- 1еоретические оценки показывают, что вблизи планковского времени плотность вакуума могла составлять

1411 Время жизни виртуальных частиц Д/ — Л/тс2, где т — масса частицы Для Т = /и1 (масса электрона) время ^сизнн At ~ 10 21 с

Р.™ ~ Ю74+ 1094 г/см3. Так что эта «пустота» была необычайно плот­ной!

Важной особенностью физического вакуума является его урав­нение состояния. Уравнение состояния связывает плогноегь и дав­ление. Для обычной материи давление с ростом плотности моно­тонно возрастает. Значит, если увеличивать число частиц в каком-то объеме, то давление в этом объеме возрастает и оно стремится вы­толкнуть частицы из занимаемого объема. В вакууме все происхо­дит наоборот. Уравнение состояния вакуума имеет вид

PiUk = — £пак = ~ Ри.1кС •

То есть в отличие от обычной материи, давление вакуума отрица­тельно!

Посмотрим теперь, каковы гравитационные свойства вакуума. Если положительное давление обычной материи создает дополни­тельное поле тяготения, то можно ожидать, что отрицательное дав­ление вакуума уменьшает поле тяготения. В действит ельности, про­исходит более радикальное преобразование: сила притяжения транс­формируется в силу с ггалкивания.

В ньютоновской теории тяготения сила тяготения пропорциональна плот мос ти вещества р Ull. В релятивистской теории тяготения (общей те­ории относительности) для любого вида физической материи сила тяго­тения пропорциональна величине р.,ф = р + 3Р/с2, где р — плотность материи, а р — давление В обычных условиях, I которыми мы сталкива­емся в физике и астрофизике, второе слагаемое очень мало по сравне­нию с первым. Так например, даже в цектре Солнца, где давление очень высоко, второе слагаемое составляет 10 5 от первого. Если взять Вселен­ную в целом, то для нее в современную эпоху можно с большой степенью точности положить р = 0, р = р = р|,сш. т Тяготение определяется плотно­стью вещества. В дорекомбинационную .J Ioxy (эра излучения) р = 0, Р. Ф = Зр/с здесь р — давление излучения. Уравнение состояния для из­учения имеет вид р = (1/3) е,11Л= (1/3) р,„, с2. Следовательно, P:K|, = P„,., Тяготение определяется и лет иостыо излучения. Но для вакуума р = — р^ с2, следовательно, р ф = — 2р11|к. Эффективная плотность оказывается отрица тельной’ Это означает, что сила тяготения паку} ма, по сравнению с обыч ной материей,’ меняет знак.

Если для обычной материи мы имеем гравитационное пригяжс ние, то в вакууме возникают силы гравитационного отталкивания. Это и есть те самые космологические силы отталкивания, которые

Такая материя называется пылевидной.

Эйнштейн ввел в свои уравнения с помощью Л-члена (см. п 2.2.1). Оказывается, он не зря это сделал! Для того чтобы силы гравитаци­онного отталкивания существенно превышали силы притяжения, необходимо выполнение условия рмк» р, 1де р — плотность обыч­ной материи. Состояние материи, для которого выполняется это условие, называется вакуумно-подобным.

Теперь мы можем вернуться к нашей Вселенной. В очень ранней Вселенной, в момент близкий к планковскому времени twl = 3 • 1О"44 с, при температуре Т= Тш = 1032 К и плотности равной р11Л = 10»4 г/см3 матеоия находилась в вакуумно-подобном состоянии. В этом состоя­нии сила гравитационного отталкивания вакуума намного превы­шала силу притяжения обычной материи. Она-то и послужила при­чиной Взрыва, создала тот Начальный Импульс, под дейст вием ко­торого Вселенная начала расширяться. Когда этот импульс исчерпался, расширение продолжалось по инерции.

В фридмановской космологии, которая справедлива для обыч­ной материи, плотность при расширении уменьшается. Это вполне естественно и понятно. Поразительное свойство вакуума состоит в том, чте его плотность остается постоянной[97]. Соответственно, не меняется со временем при расширении и сила отталкивания, дей­ствующая на фиксированном расстоянии. В этих условиях любые две частицы движутся друг относительно друга с нарастающей ско­ростью, и расстояние между ними изменяется по экспоненциально­му закону[98]:

/-(О = >У"; Ш

Такой закон расширения соответствует модели де Ситтера. Раз­мер Вселенной увеличивается очень быстро. Этот процесс получил Название раздувание (или инфляция), а модель, описывающая рас­ширение Вселенной под действием гравитационных сил вакуума, получила название инфляционной. Инфляционная модель, по су­ществу, является моделью де Ситтера. Только длится эта craj, ия не до современного момента и дольше, как полагал Ситтер, а заканчи — ьается значительно раньше.

Раздувание Вселенной началось при T = Tm = 3 • Ю-44 с из области размером порядка планковской длины г = 10 33 см и длилось в тече­ние времени At. Величина At в разных моделях инфляции различ­на. Coi ласно одной из первых моделей (см. Новиков И. Д. Как взор­валась Вселенная. — М.: Наука, 1988. С. 117-118), At = 109/,,,,, т. е. инфляция длилась примерно до T = 3 • 10 35 с. К концу этого пери­ода размер Вселенной увеличился в 104 1 раз, температура упала практически до абсолютного нуття (Т = 10 4 ,()" К). Плотность обыч­ной материи (не вакуума!), которая, как и в теории горячей Вселен­ной, убывает пропорционально г 4, уменьшилась в 1010′ раз и стала равной 10s4: 10’°’= 10lu г/см3. При такой плотности одна частица материи отстоит от другой на расстояние 10′ "’* св. лет, т. е. на рас­стояние в невообразимое число раз превышающее современный раз­мер Ме тагалактики! В это время Вселенная была практически пус­той для обычной физической материи Единственное, что оста­лось к концу стадии раздувания, это переохлажденное вакуумно-подобное состояние материи Но такое сос гояние явля­ется неустойчивым. При T = 3 • 10"35 происходит фазовый переход, связанный с распадом вакуумно подобного сос. ояния. Вакуум пе­реходит в состояние с очень малой плотностью. За счет освобо­дившейся энергии рождаются частицы и античастицы обычной ма­терии. Температура повышается до температуры великого объеди нения Т = 10 27 К, и Вселенная (после непродолжительной переходной стадии) начинает развиваться по законам горячей мо­дели. Частицы и античастицы, заполняющие Вселенную в — vry эпо­ху, возникают при распаде вакуумно подобного состояния. И если эта горячая плазма является первичной субстанцией нашей Все­ленной, то вакуум, из которого она возникает, можно назвать пра — материей физического мира.

Как точно происходит инфляция — в настоящее время неизве стно. Существуют разные модели, которые отличаются длительно стыо инфляционной фазы и другими параметрами. Но общие чер­ты нарисованного сценария сохраняются. Раздувание происходит из вакуумно-подобного состояния за счет сил гравитационного отталкивания вакуума. Расширение иде т по экспоненциальному за кону. При этом плотность обычной материи быстро падает, а плот­ность вакуумно-подобного состояния практически не меняется. По окончании инфляционной стадии происходит фазовый переход, вакуумно-подобное состояние распадается, образуется горячая плаз­ма из обшчной материи, и Вселенная начинает расширяться по сте пенному закону (как в горячей модели). Силы гравитационного притяжения, которые теперь превосходят силы от1алкивания вакуу­ма, начинают тормозить расширение. Такое замедленное расшире ние будет продолжаться вплоть до тех пор, пока плотность обыч­ного вещества не станет меньше плотности «вакуумной материи», ос­тавшейся после распада вакуумно-подобного состояния. После этого Вселенная начнет расширяйся ускоренно. В самое последнее время (как уже упоминалось) появились данные о том, что Вселенная в со­временную эпоху расширяется ускоренно. Возможно, это связано с описанным процессом, а та «вакуумная материя», под действием ко­торой происходит ускоренное расширение и которая сост авляет пре обладающую долю «скрытой массы», и есть то, что осталось при рас­паде вакуумно подобного состояния в конце инфляции.

Итак, Большой взрыв представляет собой экспоненциальное рас ширение (раздувание) Вселенной под действием гравитационных сил вакуума — сил отталкивания, которые и являются причиной Перво­толчка. Наличие инфляционной стадии в эволюции Вселенной по­зволяет избежать неприятностей, связанных с обращением в нуль масштабного фактора при T = 0 (во фридмановской модели). При экспоненциальном расширении масштабный фактор обращается в нуль при Т=— йй. В любой конечный момент времени он отличен от нуля, соответственно, и плотность никоща не обр пцае гея в бесконечность. Означает ли это, что в инфляционной модели исчезает понятие син­гулярности? Hei, не исчезает, но претерпевает качественное измене­ние. Сингулярным сос тоянием современные космологи называют состояние, которое имеет место при T = Tn L. Как мы видели, в этом состоянии плотность материи очень высока, но не бесконечна Син­гулярность связана не с бесконечно большой плотностью, а с тем, что в этом состоянии перестают действовать все известные физичес­кие законы и, главное, понятия времени и пространства из за квап говых эффектов теряют смысл. По существу, сингулярное состояние является переходным к новым состояниям материн, которые еще не вошли в сферу изучения современной физики.

Помимо сингулярности, инфляционная стадия позволяет решить и другие важнейшие космологические проблемы. Одна из них проблема горизонта. В п 2.2.1 мы говорили о горизонте Вселенной или гори­зонте событий. По существу, он ограничивает размер причинно свя­занной области. В современную эпоху радиус горизонта по порядку ве­личины совпадает с радиусом Метагалактики. Но радиус горизонта из­меняется со временем пропорционально F, а радиус Метагалактики пропорционально /2/3 Поэтом) если мы будем двигаться назад в про­шлое, то радиус горизонта будет убывать быстрее, чем радиус Метага лактики, и горизонт событий будет охватывать все меньшую часть Ме­тагалактики. Так, при t = 10 ■I4 с (время Великого объединения) радиус Метагалактики составлял 30 см, I радиус горизонта 3 ■ 10 24 см. Следо­вательно, Метагалактика состояла примерно из 107|) отдельных причин­но не связанных областей. Между этими областями невозможно ника кое взаимодействие. Возникает вопрос — как же в этих условиях при отсутствии всякого обмена установилось однородное изотропное рас­пределение материи во Вселенной? В рамках фридмановской модели это невозможно объяснить и прихэдится принимать просто как посту лат, подтверждаемый наблюдениями реликтового излучения. В де сит — теровской модели проблема горизонта, вообще, не возникает, так как расширение Вселенной происходит значительно быстрее, чем рост го­ризонта. Это относится и к инфляционной модели. Более того, в ней раздувание происходит из причинно-связанной области размером 10~3′ см, которую, естественно, считать однородной и изотропной. Это свойство сохраняется и в процессе раздувания В конце инфляционной стадии невообразимо раздувшийся «вакуумный пузырь» распадается, пре­вращаясь в обычную материю При этом область, из которой возникла наша Метагалактика, составляет лишь ничтожную часть «лопнувшего пузыря». Поэтому нет ничего удивительного в том, что эта область оказывается однородной и изотропной В образовавшейся горячей Все­ленной расширение идет медленнее, чем рост горизонта, но это уже не может повлиять на однородность и изотропию той исходной области, с которой стартует модель горячей Вселенной.

Вторая проблема связана с критической плотностью. Мы уже отме­чали, что в современную эпоху средняя плотность материи во Вселенной по порядку величины близка к критической; она может отличаться от нее не более чем в тридцать раз, а с учетом скрытой массы — существен­но меньше Это в современную эпоху А что было раньше? Принимая во внимание характер изменения плотности со временем[99], нетрудно полу­чить, что в эпоху Великого объединения (t = 10 14 с) отичие плот ности от критической (рК[, — р)/р = 10 5U. Это поразительное совпадение! Ведь кри­тическая плотность определяется постоянной Хаббла и, следовательно, зависит от скорости расширения Вселенной в рассматриваемый момент времени Скорость определяется силой Большого взрыва. Почему же силу взрыва Природа подобрала таким образом, что критическая плот пость на ранней стадии расширения с величайшей точностью совпала с реальной плотностью материи в этот момент? В рамках космологии Фрид мана эта загадка остается неразрешимой. Инфляционная модель снимает проблему. Дело в том, что плотность вакуумо подобного состояния в точности равна критической. Когда в конце стадии раздувания вакуум­но-подобное состояние распадается и превращается в обычную мате­рию, плотность рик этого состояния переходит в плотность обычной ма Терии. Понятно поэтому, что последняя с величайшей точностью совпа­дает с критической плотностью в момент перехода.

Инфляционная модель успешно решает и другие космологичес­кие проблемы: проблему магнитных монополей, начальных флу;- туаций плотности Все это можно рассматривать как косвенное под­тверждение ее справедливости. А нет ли прямых эксперименталь­ных доказательств справедливости этой модели? В теории горячей Вселенной такими экспериментальными подтверждениями являют­ся: реликтовое излучение, относительное обилие водорода и гелия, наблюдаемое отношение числа фотонов к числу частиц вещества (пфог/^нукл = Юу). А как обстоит цело ь инфляционной теории? В планковскую эпоху, согласно теории, в сверхсильных гравитацион­ных полях должны интенсивно рождаться кванты гравитационно­го поля — гравитоны. Рожденные на заре возникновения Вселен­ной они в дальнейшем не взаимодействуют с другими частицами и должны сохранить информацию об эпохе своего рождения. В со­временной Вселенной эти реликтовые ■ равитоны должны образо­вать фон гравитационного излучения подобно позднее возникше­му фону реликтовых нейтрино и фотонов. К сожалению, регистра ция реликтового гравитационного излучения находится пока за пределами экспериментальных возможностей.

Итак, согласно инфляционной модели, наша Вселенная возник­ла в момент /М1, раздуваясь из одной-единственной причинно-свя­занной области размером гт = 10~33 см Означает ли это, что все пространство физического мира в этот момент времени сводилось к столь ничтожной области? С точки зрения фридмановской кос­мологии, в рамках закрытой модели дело обстояло бы именно так. Современная космология исходит из других представлений.

Согласно этим представлениям, извечно существует бесконечное (вообще говоря, мноюмерное) пространство, заполненное физи­ческим вакуумом. В этой вечно-кипящей субстанции (вакуумной пене) непрерывно происходят квантовые флуктуации, в результате кото­рых могут рождаться трехмерные’45 планковские миры размером гт = КГ33 см с плот чостыо рпл = 10У4 г/см3. Большая часть их из-за квантовых флукгуаций тут же (за время порядка хО"44 с) возвращает­ся в состояние пены. Но небольшая доля, в результате длинной цепочки случайных флуктуаций, приобретает плотность заметно

,’15 Образование I рехмерного мнра га многомерного пространства, т. е. уменьше­ние размерности, происходит благодаря процессу компактификации. Современная теоретическая физика рассмафнваеттакнс процессы.

Отличающуюся от р„, (причем меньшую, чем рмл). Такие «пузырьки» уже не могут вернут [>ся в состояние исходной вакуумной пены Они то и составляют зародыши будущих вселенных. Материя в них на­ходится в вакуумно-подобном состоянии (рпак» р). Под действием сил гравитационного отталкивания они начинают раздаваться и после распада вакуумно-подобного состояния превращаются в го ря1’ие фридмановские вселенные. В одной из таких вселенных жи­вем мы. Эту вселенную, в отличие от других, мы и называем нашей вселенной, или Вселенной с большой буквы (подобно тому, как это имеет место для галактик), а часть нашей Вселенной, охваченную ас грономическими наблюдениями, мы по прежнему, будем назы­вать Метагалактикой.

Каждый из возникающих миров развивается из своей собствен­ной причинно-связанной области. Между собой они никак не вза­имодействуют, и это оправдывает название — вселенные. А как же тогда назвать совокупность всех этих вселенных и тот бесконечный в пространстве и времени Мир, из которою они возникают? Иног­да этот Mhd также называют Вселенной (с большой буквы), но тогла возникает путаница с нашей Вселенной. Философы используют понятие «Универсум», а физики пользуются термином «Большая Вселенная» в отличие от мини-вселенных, к которым принадлежит и наша. Можно также называть этот Мир Физическим Миром, или, используя древнее название, — Физическим Космосом.

Подавляющая часть его находится в состоянии сверхплотного ^ки­пящего» вакуума. Из него изредка отпочковываются «пузырм», кото­рые развиваются в самостоятельные вселенные. Если визникающие таким образом вселенные являются замкнут ыми, го по окончании стадии расширения они переходят в стадию ежа гия и в конце ее, сжав­шись до планковской плотности, возв| >ащаются вновь в состояние ва­куумной пены (сингулярное состояние), из которого рождаются но­вые вселенные. В этом смысле история каждой отдельной вселенной напоминает историк) водяной капли, испарившейся с поверхности Океана. После долгих «странствий» капля-вселенная возвращается в Океан, где она покоится в слитом состоянии, в неразрывном Един­стве с другими капля! Ih, до тех пор пока не придет срок нового путе­шествия, и она вновь не по’синет порог родного Дома. «У такого мира в целом нет начала и не будет конца Он вечен и юн одновре менно. Это картина взрывающейся Вечност и»[100].

Так современная космология вернулась к представлению о вечном и бесконечном Космосе. Когда было открыто расширение Метагалактики и построены первые космологические модели, показавшие, что расшире­нию подвержено все теоретическое пространство Вселенной, которое может намного превосходить объем Метагалактики и быть даже бесконеч ным (ь случае открытой модели) — возникло представление о конечной во времени Вселенной, расширяющейся из сингулярности. Причем в случае закрытой модели такая Вселенная (единственная в своем роде, тождествен­ная всему существ; ющему) оказывалась также конечной и в пространстве (хотя и беспредельной). Дальнейшее изучение эволюции ранней Вселен­ной и причин ее расширения привело к описанной выше картине Космо­са, в которой наша Вселенная является одной из многих, других вселен­ных, возникающих из вакуумной пены. Этот Космос не сводится ни к открытой, ни к закрытой модели, хотя содержит черты к той, и другой. Подобно открытой Вселенной, он пространственно бесконечен, но рождап рщиеся в нем вселенные могут бьпт> пространственно конечны. Этот Космос существует вечно, а вселенные могут иметь свою конечную исто рию[101].

В какой мере нарисованная картина соответствует действитель­ности? Поскольку мы приблизились к переднему краю науки, мно­гие вопросы здесь остаются пока неразработанными, многие про­блемы не решенными. Но общий контур картины представляется верным. По словам И. Л. Розенталя, этот контур предстает перед нами, «как абрис стройного здания, освещенного полыхающими отблесками далеких ночных зарниц»14".

Позволим себе небольшое философское отступление. Одной из не вполне ясных проблем является природа физического вак) ума, из которого возникает Вселенная. Вспомним, что вакуум представ­ляет собой состояние материи, в котором постоянно рождаю тся и аннигилируют виртуальные частицы. Но откуда берутся эти части­цы? Физики говорят, что — из «ничего». Поэтому они считают, что Вселенная также возникает из «ничего». Крупнейший советский физик и космолог академик Я. Б. Зельдович одну из своих после­дних статей так и назвал «Рождение Вселенной из "ничего"»’49. Зель­дович подчеркивает, что рождение замкнутого мира из «ничего» не противоречит закону сохранения энергии, поскольку масса веще — ггва такого мира и связанная с нею положительная энергия полно­стью компенсируется отрицательной гравитационной энергией связи этой массы. Конечно, математически ноль всегда можно предста­вить как сумму положительного и отрицательного количеств. Но физически очень трудно представить себе возникновение чего-либо из ничего. Касаясь этой проблемы, А. М. Мостепаненко замечает, что, когда говорят о возникновении Вселенной из ничего, то, «по сути дела, имеют в зиду либо вакуум современной квантовой теории поля, либо еще более глубокий вакуум, природа которого еще не стала предметом изучения современной теории»[102].

Вернемся к виртуальным частицам. На их образование необхо­димо затратить определенную энергию. Считается, что она берется из «ничего». Физиков это не смущает, поскольку виртуальные час­тицы честно возвращают заимствованную ими энергию обратно в «ничто». Более того, физический «контролер» не успевает и прин­ципиально не может успеть зафиксировать этот акт займе гвования — отдачи энергии. Поэтому исходя из положения «не пойманный — не вор», он считает, что никаких «нарушений» не происходит. Но раз мы знаем о заимствовании энергии, мы должны поинтересо­ваться, от куда она берется. I [евозможно получить что-то из ничего. Поэтому «за пределами» вакуума должно бьпь НЕЧТО, рождаю­щее виртуальные частицы, НЕЧТО, откуда берется энергия, необ­ходимая на их рождение, и куда она затем возвращается. Это НЕ­ЧТО лежит вне пределов физической реальности, т. е. представляет собой состояние материи, не описываемое современными физичес­кими теориями. Значит, вакуум можно определить как пограничное состояние материи, отделяющее физическую реальность от того мира, который лежит за ее пределами. Так как этот мир — вне физи­ческой реальности, то, с точки зрения физики (но только с этой точки зрения!), он, действительно, представляет собою ничто (физическое ничто), хотя и является вполне материальным. Возможность существо­вания иных миров, сложенных из неизвестных нам видов материи, должна приниматься во внимание при обсуждении проблемы внезем­ного разума, ибо нельзя исключит^ того, что какие-то формы разум­ной жизни могут быть связаны с такими видами материи.

Теперь, познакомившись с представлениями о том, как рожда­ются и начинают расширяться вселенные, мы можем вернуться к нашей Вселенной, которую мы оставили в предыдущем пункте в предверии образования в ней сложной структуры.

2.2.4. Образование структуры Вселенной,, Согласно древним мифам, наш Мир произошел из Хаоса, т. е. из совершенно беспо­рядочной, бесформенной материи. Таково, в действительности, было вещество Вселенной, образовавшееся после ядерных реакций и рекомбинаций. Может ли бесструктурная материя сама из себя Выделить определенные структуры? Современная наука о самоорга­низации — синергетика отвечает на этот вопрос положительно. Самоорганизация это и есть появление макроскопически упорядо­ченных crpv ктур в первоначально бесструктурной среде. В резуль­тате самоорганизации система переходит из однородного бесструк­турного состояния в неоднородное, обладающее определенной структурой («структурированное») состояние. Иными словами, она переходит от Беспорядка к Порядку, от Хаоса к Плану. Начальное и конечное состояния системы — устойчивые, а сам процесс пере­хода, процесс самоорганизации — существенно неравновесный. Он осуществляется б iaro деря тому, что в системе возникают микроско­пические взаимодействия между частицами, в результате чего их дви­жение становится взаимосогласованным. Таким образом, самоор­ганизация проявляется как согласованный коллективный процесс.

Классическим примером самоорганизации является образование яче­истой структуры в ситиконовом масле. Если сосуд с маслом подогревать снизу, то в плоском горизонтальном слое масла возникают беспорядоч­ные неоднородности плотности. Развитие этих начальных неоднородно — стей приводит к тому, что, независимо от фирмы и размера сосуда, об­разуется вполне упорядоченная структура в виде шестигранных ячеек. Жидкость поднимается в центре каждой ячейки и опускается вблизи ее граней. Исхолное состояние системы — однородная бесструктурная жид­кость, конечное состояние — шестигранная струк гура. Существенным моментом в этом процессе является то, что для образования структуры необходим приток тепла снизу.

В общем случае процесс самоорганизации в открытых системах мож­но представить следующим образом. Поток энергии через первоначаль­но однородную среду выводит ее из равновесного состояния. В системе начинают развиваться неустойчивости, т. е. возникают случайные (сто­хастические) движения частиц. Благодаря взаимодействию частиц их движения, по крайней мере частично, становятся согласованными. Та­кое состояние называется динамическим хаосом. От истинного хаоса оно отличается наличием коллективного эффекта — согласованным движе­нием частиц. В случае истинного хаоса дчижения частиц полностью ие — Зависимы. Другое отличие динамического хаоса от истинного состоит в том, что его свойства зависят от времени Если время наблюдения мень­ше некоторого характерного времени, называемого временем переме­шивания, то движения отдельных частиц коррелированы (согласованы) между собой — в системе наблюдается определенная структура То есть динамический хаос состоим из струю ур, которые постоянно сменяют друг друга по истечении времени перемешивания. В качестве аналогии можно представить себе узоры, возникающие в калейдоскопе при его вращении Рели сфотографировать эти узоры с экспозицией, значитель­но превышающей время изменения узоров (время перемешивания), то на фотографии получим чисто хаотическую картину. Но каждый момен­тальный снимок даст опредетенную структуру, которая будет меняться от снимка к снимку. (Для истинного хаоса нобой снимок с самой корот­кой экспозицией даст полностью бесструктурную картину.)

Таким обра:,ом, если развитие неустойчивостей в системе приводит к возникновению хаоса с очень большим временем перемешивания, много большим времени наблюдения (как еслн бы мы на некоторое время оста новили вращение своего калейдоскопа), то будет наблюдаться опреде­ленная структура С этой точки зрения, процесс самоорк анизации мож­но рассматривать как рождение определенной структуры из хаоса воз­можных структур.

Очень заманчиво применить эти нден в астрономии для интерпрета ции различных космических структур. Астросипергетнка делает пока только первые шаги, но она уже добилась определенных успехов[103].

Нас интересует образование структуры Вселенной из первона­чально бесструктурной материи ^Космического хаоса). Решающую ноль в этом процессе играло тяготение. В однородном веществе всегда существуют хотя бы небольшие ф. [уктуации плотности При определенных условиях они под действием тяготения начинают уплотняться (мы касались этого вопроса в пункте, посвященном об­разованию звезд), в результате однородное вещество распадается на отдельные сгустки. Этот процесс называется ггавитационной неус­тойчивостью. Именно гравитационная неустойчивость и ответствен­на за образование структуры Вселенной.

Во Вселенной первичные флуктуации плотности образовались с самого начала, еще при распаде вакуумно-подобного состояния. Они н явились теми семенами, из коюрых позднее образовались скоп­ления галактик и отдельные 1алактики. В процессе эволюции Все­ленной до эпохи рекомбинации все неоднородности с малой мае сой затухают, и в нейтральном веществе, оказавшемся после реком­бинации, остаются только массивные неоднородности. Из них-то и образуются галактики и скопления галактик. Надо отметить, что величина отклонения плотности от среднего значения в этих флук — гуациях Ар/р в момент рекомбинации очень мала (это следует из наблюдений реликтового излучения), так что вещество практичес­ки является однородным. Но под влиянием гравитации неодно­родности начинают уплотняться — развивается гравитационная не устойчивость. Из теории, развитой Л. Б. Зельдовичем и его сотруд­никами, следует, что в результате сжатия образуются тонкие плоские образования, которые авторы назвали «блинами». Масса «блинов» порядка массы скоплений галактик. Вероятно, они представляю"- собой протоскопления. Линии пересечения «блинов» образуют плотные волокна, а пересечение волокон — плотные узлы. Из них обра |уются сверхскопления и самые богатые скопления галактик. Эволюция «блина» приводит к тому, что в его центральных частях вещество распадается на сгустки порядка массы галактик, а во вне­шних частях остается нагретый газ, который входит в состаь фор­мирующегося скопления.

Разумеется, это очень грубая картина. Существуют и другие ва рианты теории. Процесс формирования структуры Вселенной до конца не ясен. Но каковы бы ни были детали этого процесса, ясно, что в основе его лежит гравитационная неустойчивость.

Мы видели, что в процессе самоорганизации в открытых системах неустойчивость, развитие которой приводит — к образованию определен­ной структуры, возникает за счет притока энергии извне. Вселенная не является открытой системой, поэтому в ней развитие неустойчивостей может происходить только за счет внутренней энергии. Конечно, такой энергией служит энергия гравитационного пола Следует отметить одно важное обстоятельство. По мере развития гравитационной неустойчиво­сти и образования все новых и новых структур энтропия Вселенной воз растает При этом рост чнтропии сопровождается появлением все новых и новых структур, и процессы не замирают, как можно было бы ожп дать, а развиваются. За счет чего это происходит? Счастливое для Все ленной (и для нас с вами) обстоятельство состоит в том, что гравитаци­онная энергия отрицательна В процессе уплотнения сгущений потенци альная гравитационная энергия уменьшается (модуль ее растет, а сама энергия, будучи отрицательной, уменьшается). А так как полная энергия системы, равная сумме потенциальной и кинетической, сохраняется, то уменьшение потенциальной энергии сопровождается ростом кинетичес кой. Положительная кинетическая энергия (не даром ее назвали «живая сила») может переходить в другие виды энергии и, следовательно, слу­жить источником самых разнообразных процессов. Поэтому рост энт­ропии, сопровождающий развитие гравитационной неустойчивости, не приводит к замиранию процессов во Вселенной.

Развитие гравитационной неустойчивост и во Вселенной означа­ет, что в ней развивается динамический хаос. «Бели Вселенная нахо­дится в состоянии динамического хаоса, — отмечает И. К. Роз — гачева, — то ей с) ждена эволюция с бесконечной сменой структур, которые могут оказаться более совершенными, чем наблюдаемые нами галактики, звезды и живые существа. Встав на эту точку зре­ния, можно не согласиться с замечанием С. Вайнберга, что "чем постижимей представляется Вселенная, тем более она кажется бес смысленной". Конечно же в имеальном хаосе нет ни смысла, ни гар­монии. В космическом же хаосе есть "законы, охраняющие сокро­вища жизнн, коюрыми украшает себя Вселенная" (Гете)»[104].

2.2.5. Будущее Вселенной. Как бы интересна ни была история Вселенной — она уже состоялась, и мир, в котором мы живем, су­ществует. А какова дальнейшая суцьба этого мира и населяющих его разумных существ, каково будущее Вселенной? В отличие от про­шлого, которое оставило свои следы, помогающие воссоздать исто­рию Вселенной, будущее не имеет следов в нашем мире Изучение ето может основываться только на экстраполяции протекающих се­годня процессов. Зная законы механики, мы можем на много лет вперед нредвычислять положение планет, предсказывать солнечные затмения и т. д. Точно так же, зная законы развития Вселенной, можно предсказать ее будущее. Чем точнее мы знаем законы эволю ции, и чем ближе по времени рассматриваемый момент к современ­ной эпохе — тем точнее будут наши предсказания. Не исключено, что в будущем (в реальной Вселенной, а не в нашей идеальной моде­ли!) возникнут такие условия, при которых проявятся неизвестные нам законы природы. Тогда наши предсказания, основанные на известных сегодня законах, окажутся неточными, а для далекого будущего — неверными. Все это надо иметь в виду при изучении будущего Вселенной. С учетом этих оюворок рассмотрим, какова картина будущего, вытекающая из установленных на сегодня фун­даментальных законов физики, какова судьба окружающего нас физического мира.

Мы видели, что будущее развитие Вселенной зависит от плотно­сти материи. Если средняя плотность физической материи меньше или равна критической, Вселенная будс1 расширяться неограничен­но; если она больше критической — расширение сменяется сжати­ем. Рассмотрим оба сценария в отдельности. Начнем с открытой модели.

В своей увлекательной книге «Как взорвалась Вселенная» И. Д. Новиков приводит слова одного из создателей современной космологии бельгийского астронома Ж. Лемсгра: ^Эволюцию мира можно сравнить со зрелищем фейерверка, который мы зас­тали в момент, кслда он уже кончается: несколько красных уголь­ков, пепел и дым. Стоя на ос. ывшем пепле, мы видим медленно угасающие солнца и пытаемся воскресить исчезнувшее великоле­пие начала миров»’53. Похоже, что аббат Леметр несколько сместил акценты. Наша Вселенная, скорее всего, находится в самом рас­цвете своего развития. Но несомненно, что в будущем, когда ис­черпаются запасы ядерного горючего в звездах, они перестанут светить, превратившись в холодные черные карлики (см. п. 2.1.3). Это произойдет через 1014 лет. Любопытно, что длительность (вез — дной стадии эволюции Вселенной по порядку величины совпадает с Махакальпой (см. стр. 258).

По окончании звездной стадии галактики будут состоять из ос­тывших звезд и черных дыр, образовавшихся при вспышках сверх новых. Сами галактики также постепенно разрушаются. Это проис­ходит из-за того, что отдельные звезды в результате гравитационно­го взаимодействия с другими звездами (очень редко, но все же1 приобретают большую скорость, при которой они покидают га­лактику. Этот процесс аналогичен медленному испарению воды при комнатной "температуре. В результате тако. о «испарения» зве. тды будут постепенно уходить из галактики, а ее центральная часть бу­дет понемногу сжима п»ся. В конце концов, около 90 % всех звезд рассеются в npoci ранстис, а оставшиеся в центральной части галак­тики поглотятся черной дырой, нгходящейся в галактическом ядре. Процесс завершится через 10’v лег. К концу этого периода Вселен­ная будет состоять из рассеянных в пространстве остывших звезд, планет и черных дыр с массой от нескольких масс Солнца до 10’° М@. Останется также крайне разреженный межзвездный газ, масса

Is.? Цитируется по книге: Новиков И Д. Как пяорналлсь BcfridMto —М.: Наука, 1988. С. 162-1.63.

Которого составляет около 1 % от всей массы Вселенной. Этой, ка­залось бы, незначительной составляющей в дальнейшем суждено сыграть важнейшую роль в эволюции Вселенной.

Что же произойдет дальше? Во Вселенной идет очень медлен­ный, но неуклонный процесс разрушения самого вещества, связан­ный с распадом протона. Время жизни прогона порядка 1032 лет. Оно невообразимо велико по сравнению с современным возрастом Вселенной, поэтому протон считается очень стабильной частицей. Но все же оно не бесконечно! Через 1032 лет все вещество звезд и планет полностью распадется. Образующиеся в процессе распада позитроны аннигилируют с элекгронами, в результате остаются толь­ко фотоны и нейтрино. Что касается межзвездного газа, то при его распаде из-за крайней разреженности вещества вероятность столк­новения электрона и позитрона очень мала, поэ тому анниг иляция не происходит, и, наряду с фотонами и нейтрино, образуется очень разреженная электрон-позитронная плазма.

Остаются еще черные дыры, но основная масса Вселенной пос­ле распада вещества будет сосредоточена в излучении (фотонах и нейтрино"54). В теории горячей Вселенной мы видели, что плот­ность излучения убывает быстрее, чем плотность вещества. Поэто­му через 1033 лет плотность материи будет определяться массою ве­щества, а не излучения. Вещество в это время будет состоять из элек- трон-позитронной плазмы и черных дыр, в которых и будет сосредоточена основная масса Вселенной. Но и это еще не конец. Оказывается, черные дыры тоже не вечны. Около черных дыр про­исходит рождение квантов излучения. Это приводит к уменьшению массы черной дыры — черная дыра «испаряется», превращаясь в фотоны, нейтрино и гравитоны. Процесс этот чрезвычайно мед­ленный, но тоже не бесконечный. Черная дыра с массой 10 М@ «испарится» за 1064 лет, а сверхмассивная черная дыра с массой 10"’ Ме — за 1096 лет. По истечении этого времени все черные дыры превратятся в излучение, и оно вновь станет доминирующим по массе. Однако вследствие расширения Вселенной, так как плотность излу­чения, как уже неоднократно отмечалось, падает быстрее плотнос­ти вещества, то уже через 10")() лет плотность излучения станет нич­тожно малой по сравнению с плотностью электрон-позитронной плазмы.

Начиная с этого момента дальнейшая трансформация материи во Вселенной прекрати. ся. Вселенная будет состоять из электронов и позитронов, концентрация которыч будет уменьшаться с расширени­ем Вселенной. При T = 10,uo лет плотность электрон-позитронной плазмы будет соответствовать одной частице на обьем, равный ]0’85 объемам наблюдаемой сеюдня Вселснной (!), и эта плотность будет еще убывать со временем Воображение теряется перед такими вели­чинами! И все же означает ли это, что в той невообразимо далекой Вселенной невозможны никакие формы жизни и разума?

«Конечно, с нашей сегодняшней точки зрения, — пишет И. Д. Новиков, — все процессы в будущем будут чрезвычайно за­медлены. Но это с нашей точки зрения! Ведь и пространственные масштабы тода буд)т несравненно грандиознее современных. На­помним, что в самом начале расширения «пашей» Вселенной, кода температуры были, например, 1027 К и происходили процессы рож­дения вещества, текли бурные реакции, продолжительность кого рых исчислялась КГ34 с, а масштабы 10 24 см С точки зрения тех процессов, сегодняшние события в «нашей» Вселенной, в том чис­ле наша жизнь, это нечто невероят но протяженное в пространстве и очень медленное. Вселенная ие считается с нашими вкусами. В будущем жизнь «нашей» Вселенной будет продолжаться, хотя и в весьма своеобразных формах»’55. Это очень поучительное рассуж­дение, приучающее нас к осознанию относительности наших при­вычных представлений, когда речь идет о категориях Космоса.

Но не все космологи согласны с таким рассуждением. Они дума­ют, что если жизнь и возможна в таких условиях, то это будет жизнь в темном и очень скучном мире. Поэтому они называют эту эпоху темной, и то1да наша эпоха — эпоха сущест вования биоло! ической жизни — предел авляется как очень тонкий во времени переходный слой от Инфляции и Большою взрыва к Темному времени[105].

Будет ли «темное время» длиться бесконечно? Если бы А-член был равен нулю, то так бы оно и было — расширение Вселенной в открытой модели с А = 0 замедляется под действием фавитации, но длится бесконечно (см. рис. 2 2.3). Но, как мы уже отмечали, наблюдения свидетельствуют, что в нашей Вселенной А член не ра­вен нулю — в ней присутствует «вакуумная материя» (вероятно, ос­тавшаяся от фазы инфляции), которая приво [ит к тому, что Все­ленная в современную эпоху расширяется ускоренно. Что же будет с ней дальше? Под влиянием ускоренного расширения плотность обычной материи будет быстро убывать, а плотность «вакуумной материи» (ее еще называют «квинтэссенцией») будет оставаться по­стоянной. И вот в этих условиях возможна ситуация, когда вновь начнется инфляция, которая приведет к рождению новой мини — вселенной. Начнется новый круг эволюции. Образовавшаяся в кон це инфляции плазма будет развиваться по законам горячей модели. Эра излучения сменится эрой вещества, образу ются ] алактики, звез­ды. возникнет жизнь и разум. Затем все повторится вновь. Если это так — история Вселенной будет сосюять из периодов существова­ния биологической (или иной?) жизни, разделенных эпохами «тем­ного» времени. Это очень напоминает представления древнеиндий­ской космологии о чередовании манвантар (периодов активного существования Вселенной, когда она проявляется из непроявленно — го состояния) и пралай (когда все процессы на доступном нам пла­не Бытия замирают).

Рассмотрим сценарий развития для замкнутой Вселенной После того как будет достигнуто максимальное значение радиу са, Вселен­ная начне! сжиматься. Полное время ;ущес] вования замкнутой Все­ленной (период расширения-сжатия от сингулярности до сингуляр­ности) меньше длительности звездной стадии Вселенной. Из-за это­го звезды не успевают спокойно закончить свой век. Они будут разрушены в результате бурных процессов, сопровождающих сжа­тие Вселенной на последних этапах. Примерно за миллион лет до новой сингу. шрности начнут разрушаться звезды главной после­довательности. За 100 с до сингулярности разрушатся белые карли­ки, за 10"4 с — нейтронные звезды. Когда до новой сингулярности останется меньше чем 10"35 с, вероятно, должны произойти фазовые лереходы в вакууме, приводящие к возникновению сверхплотного ва­куумно-подобного состояния. Сдновременно степенной (фридма — новский) закон сжа(ия Вселенной должен смениться на экспоненци — гльный, соответствующий де-ситтеровской модели. То есть конец Все­ленной является как бы зеркальным отражением ее начала. В конечном итоге, замкнутая Вселенная, возникающая из вакуумной пены, вновь возвращасгся в нее. И из этой «пены» рождаются новые вселенные. Мы уже отмечали, что история каждой отдельной вселенной напо­минает историю водяной капли, испарившейся с поверхности Океа­на и после долгих «странствий» вновь возвратившейся в него. В этом вечно бурлящем Космосе постоянно рождают^ новые вселенные и поэтому в нем, как подчеркивает И. Д. Новиков, всегда будут суще­ствовать достаточно большие области (подобные нашей Вселенной), способные поддерживать жизнь известного нам типа.

Насколько достоверны рассмотренные нами сценарии? И. Л. Ро — зенталь замечает в этой связи, что любой сценарий весьма далек от отснятого фильма. «Все же, — пишет он, — представляется, что мы достаточно продвинулись в понимании качественной картины… однако наших знаний недостаточно, чтобы количественно оценить детали этой картины»[106]. Это — задача будущей науки. И хотя она пока не создана, некоторые черты ее предугадываются, просматри­ваются уже в настоящее время.