О вечном (редактированное)

Разговоры и рассуждения обо всём, что не подпадает под тематику специальных форумов.

Модератор: сергей.

Ответить
Rider
Site Admin
Сообщения: 887
Зарегистрирован: Вт апр 27, 2004 17:39
Откуда: Россия
Контактная информация:

О вечном (редактированное)

Сообщение Rider »

В последней трети прошлого века наши знания о ранней истории Вселенной, в которой мы живём, значительно расширились, а главное, космологические теории прошли проверку наблюдениями. О последних достижениях космологии и новых возможностях экспериментального подтверждения теории рождения горячей Вселенной рассказал на заседании Президиума РАН один из ведущих отечественных космологов И.Д. Новиков. Ниже публикуются текст его научного сообщения и материалы состоявшейся дискуссии.

ИНФЛЯЦИОННАЯ МОДЕЛЬ РАННЕЙ ВСЕЛЕННОЙ
И. Д. Новиков
НОВИКОВ Игорь Дмитриевич - член-корреспондент РАН, главный научный сотрудник Астрокосмического центра ФИАН, профессор Института им. Н. Бора, директор Центра теоретической астрофизики Копенгаген, Дания
Расскажу о рождении Вселенной и первых мгновениях её существования. В разработку этих идей существенный вклад внесли учёные Российской академии наук: В. Гинзбург, Я. Зельдович, Н. Кардашёв, Д. Киржниц, М. Марков, Л. Окунь, В. Рубаков, А. Сахаров, А. Старобинский, И. Халатников. Конечно, над теорией рождения Вселенной работали не только члены нашей академии, но и многие специалисты академических институтов и университетов. Всех перечислить я не смогу, упомяну только несколько имён, которые, думаю, совершенно обязательно должны быть названы: Э. Глиннер, А. Линде, А. Виленкин и В. Муханов.
Проблемой происхождения Вселенной занимается космология. В последней трети прошлого века в её статусе произошли существеннейшие изменения. В 1993 г. знаменитый английский физик С. Хоукинг писал: "Когда я начинал мои исследования в Кембридже в 1962 г., космология мыслилась как псевдонаука, где самые дикие спекуляции никак не ограничивались любыми возможными наблюдениями". Сейчас положение в корне изменилось. Теория рождения Вселенной и другие космологические проблемы ныне разрабатываются на основе последних достижений физики и проверяются точнейшими астрономическими наблюдениями. Никакие измышления в принципе в космологии невозможны.
Напомню о нескольких общепринятых фактах космологии. Уже около 70 лет известно, что мы живём в расширяющейся Вселенной. Этот факт теоретически предсказан российским учёным А. Фридманом и подтверждён результатами наблюдений, выполненными американским астрофизиком Э. Хабблом. Он установил, что галактики удаляются друг от друга, вся Вселенная расширяется.
Когда говорят о расширяющейся Вселенной, обычно проводят такую аналогию. Представим себе, что галактики - это отдельные метки на поверхности шара, и если этот шар раздувается, расстояния между галактиками увеличиваются. Можно представить себе, что данная двумерная аналогия - поверхность раздувающегося шара - это система координат Лагранжа, расширяющаяся вместе с расширением всего мира, всего вещества. Такая система координат очень удобна при компьютерных вычислениях.
Скорость удаления галактик хорошо измерена, а значит, определён и темп расширения Вселенной. Если он известен, мы можем сказать, когда примерно началось расширение. Оказалось, что это произошло около 15 млрд. лет назад. Материя в самом начале расширения была очень плотной, почти однородной, существовали лишь очень маленькие (по амплитуде) флуктуации в этом однородном распределении вещества по пространству. Они возникли вместе с рождающейся Вселенной.
Опишу кратко историю Вселенной. В самом начале вещество Вселенной было очень плотным, как я уже сказал, почти однородным и очень горячим, поэтому нашу Вселенную мы называем "горячей". Расширение началось примерно 15 млрд. лет назад. В ходе расширения Вселенной температура падала. После первых минут расширения, когда температура горячей материи упала примерно до 1 млрд. градусов Кельвина, произошёл синтез лёгких химических элементов. Тяжёлые химические элементы во Вселенной появились существенно позже, уже в звёздах, в ходе дальнейшей эволюции. По прошествии примерно 300 тыс. лет после начала расширения температура уменьшилась до 3 - 4 тыс. градусов Кельвина. Произошла так называемая рекомбинация горячей плазмы - плазма превратилась в нейтральный газ. Тогда никаких галактик, никаких звёзд, конечно, не было. Они возникли в эпоху, близкую к нам, поскольку в процессе эволюции нарастали неоднородности из-за гравитационной неустойчивости. Так, коротко говоря, развивалась Вселенная.
От той далёкой эпохи, когда Вселенная была горячей, остались существенные следы. Самый заметный из них - слабое электромагнитное излучение, которое приходит к нам со всех сторон примерно с одинаковой интенсивностью. Сегодня температура этого излучения составляет лишь 3 К, и именно оно несёт нам сведения о первых мгновениях существования нашей Вселенной.
Естественно, возникает вопрос: что было до начала горячей Вселенной? Точнее, возникают два принципиальных вопроса. Как родилась горячая Вселенная? Что послужило причиной начала расширения - тем первотолчком, от которого материя получила начальные скорости для расширения?
Неправильно было бы связывать начало расширения с тем фактом, что плазма была очень горячей и, значит, давление было огромным. Давление может послужить причиной возникновения гидродинамической силы, которая даст начальные скорости разлёта, если только существует перепад давления. Например, при взрыве бомбы в атмосфере чрезвычайно плотные горячие газы, имеющие очень большое давление, соседствуют с атмосферными газами, находящимися под практически ничтожным давлением, что и вызывает появление гидродинамической силы. Во Вселенной ничего подобного, конечно, не было. Никакого пространства вне Вселенной не существовало, материя была распределена практически однородно, и никаких перепадов давления не было. Следовательно, большая температура не может быть причиной появления начальных скоростей разлёта во Вселенной.
Первые догадки о том, что могло послужить причиной начала расширения Вселенной, были высказаны в середине 60-х годов Э. Глиннером. Он пришёл к космологам и высказал предположение, что в начале расширения материя находилась в так называемом вакуумном состоянии. Для него характерно огромное, но весьма своеобразное давление. По абсолютной величине оно равно плотности энергии, то есть плотности материи, умноженной на квадрат скорости света, но со знаком минус. Иными словами, в вакуумном состоянии материя имеет огромное отрицательное давление. Отрицательное давление - это просто натяжение, оно существует, например, в растянутой резине.
Огромное отрицательное давление, конечно, тоже было распределено во Вселенной равномерно. Никакой гидродинамической силы оно вызвать не могло, потому что везде было одинаково, как и положительное давление горячего вещества, о котором я уже упоминал. Но дело в том, что вакуумное состояние материи создаёт гравитационное отталкивание подобно тому, как между одноименно заряженными электрическими зарядами возникает электростатическое отталкивание. Вакуумная материя создаёт гравитационное отталкивание вместо гравитационного притяжения, которое существует в нормальных условиях. Именно гравитационное отталкивание и послужило, по идее Глиннера, причиной первотолчка, который привёл к появлению гигантских начальных скоростей расширения материи.
Тогда Глиннеру никто не поверил, да и не поняли его по существу. Но впоследствии оказалось, что развитие этих идей чрезвычайно плодотворно. Сейчас общепризнанно, что гравитационное отталкивание послужило причиной чрезвычайно мощного первотолчка. Вселенная начала расширяться с постоянным ускорением, всё быстрее и быстрее, так как эта сила продолжала действовать. Мы называем чрезвычайно быстрое, или экспоненциально быстрое, расширение инфляцией. Инфляционная стадия и предшествовала возникновению горячей Вселенной.
Тогда размер Вселенной, в которой мы ныне живём, был ничтожно маленький, всего 10 в (-) 33-ьей степени сантиметра, то есть на 20 порядков меньше размера атомного ядра. Плотность была гигантская – 10 в 93-ьей степени г/см3. Несмотря на такую гигантскую плотность, из-за малости размера полная масса материи, которая тогда существовала, составляла 10 в (-) 5-ой степени – 10 в (-) 6-ой степени грамма. И Вселенная расширялась. Темп её расширения был очень большим. Расширение характеризуется параметром Хаббла (H). Он зависит от плотности материи (р): Н = √Gp , где G - постоянная тяготения. Тогда параметр Хаббла равнялся 10 в 43-ьей степени в секунду, то есть расширение было чрезвычайно быстрым.
Объём Вселенной становился всё больше, а плотность фактически не менялась, она падала чрезвычайно медленно. Из-за этого масса материи во Вселенной всё возрастала. Соблюдался ли в таком случае закон сохранения массы и энергии? С новой массой рождалось и новое тяготение этой массы. Положительная энергия материи компенсировалась рождающейся отрицательной энергией гравитации, и в сумме закон сохранения энергии соблюдался.
Вакуумная материя неустойчива. Инфлантон, как называют вакуумную материю, через ничтожную долю секунды (10 в (-) 36-ой степени секунды) распался квантовым образом и превратился в горячую плазму - обычную материю. Это и был квантовый процесс рождения нашей горячей Вселенной. За это ничтожное мгновение, которое мы не в состоянии себе даже представить, Вселенная раздулась в невероятное число раз: 10 в 10-ой степени и ещё в 9-ой степени раз! Это единица с миллиардом нулей. И вся Вселенная стала гораздо больше, чем та её часть, которую мы можем сейчас видеть и исследовать. Таким образом, мы знаем, что перед началом расширения Вселенной был процесс инфляции. Это ничтожный промежуток времени, который определил очень многое из того, что существует сегодня во Вселенной.
Таковы выводы теории. Конечно, они основаны на современной очень сложной физико-математической теории, но, может быть, это просто её домыслы? Возможна ли какая-то проверка выводов этой теории? Да, возможна!
Во Вселенной сохранились явные следы очень ранней эпохи её эволюции. Наибольшую информацию содержит слабое электромагнитное излучение, которое называется реликтовым. За рубежом его часто называют космическим микроволновым фоновым, излучением. Оно несёт информацию о первых моментах расширения Вселенной, и, расшифровывая эту информацию, мы можем проверить выводы теории.
Реликтовое излучение приходит с разных сторон на Землю с немножко разной интенсивностью. Вариации интенсивности крайне малы: примерно одна стотысячная доля самой температуры излучения (3К). Их очень трудно измерить. Первые попытки определить величины этих малых флуктуаций в зависимости от направления на небе были сделаны сразу после открытия самого реликтового излучения в 1965 г. (В 1978 г. за это открытие была присуждена Нобелевская премия). В нашей стране такие измерения были проведены со спутника "Реликт". Но уверенно эти малые флуктуации были зарегистрированы с американского спутника "Коби", запущенного в 1989 г. Сообщение о результатах первых измерений появилось в печати в 1992-м, который и считается годом открытия флуктуации реликтового излучения.
Угловое разрешение первых наблюдений было очень плохое, примерно 7°, поэтому информация о флуктуациях реликтового излучения была неполной. В последующие годы проводились такие же наблюдения с помощью, как наземных радиотелескопов, так и радиотелескопов, которые поднимались на воздушных шарах в верхние слои атмосферы. Наконец, весной 2000 г. были опубликованы два сообщения с результатами измерения интенсивности реликтового излучения. Первое имело отношение к проекту "Бумеранг", в рамках которого запускался радиотелескоп на баллоне. Угловое разрешение на представленной карте анизотропии реликтового излучения было гораздо лучше, чем в эксперименте на спутнике "Коби". Второе подтверждение теории, о которой я рассказывал, получено в эксперименте "Максима". Затем в течение года были опубликованы данные и других измерений.
Теория предсказывает определённую зависимость между размерами холодных и горячих пятен в интенсивности реликтового излучения. Зависимость очень своеобразная: в максимумах и минимумах этой кривой (в ширине, форме и высоте) заключена информация, которую можно расшифровать и получить заключение о процессах рождения Вселенной, о том, что происходило сразу после рождения, а также о параметрах сегодняшней Вселенной.
Я уже упоминал, что наблюдения вариаций реликтового излучения проводятся с поверхности Земли на многих радиотелескопах. В нашей стране имеется замечательный инструмент, который можно использовать для этой цели, - PATАН-600 с зеркалом диаметром 600 м. Есть и проект, который называется "Космический ген". Думаю, что такие наблюдения следует всячески поддерживать и поощрять, потому что процесс рождения Вселенной - это не только астрофизическая и физическая проблема, но и общечеловеческая, важная для всей науки вообще.
Кроме измерений интенсивности реликтового излучения с поверхности Земли, планируются и космические эксперименты. В 2007 г. предполагается запустить в космос радиотелескоп "Планк". Его угловое разрешение будет гораздо больше, а чувствительность примерно в 30 раз лучше, чем в эксперименте "Коби". И мы надеемся, что многие детали теории о начале существования нашей Вселенной будут выяснены. Но что перед этим будущим экспериментом мы можем сказать в подтверждение или опровержение этой теории?
Теория предсказывает ряд физических параметров, которые можно измерить и сопоставить с предсказанными величинами. Упомяну о двух из них.
Так называемый параметр Q характеризует общую кривизну трёхмерного пространства Вселенной. Он зависит от соотношения между плотностью материи и скоростью расширения Вселенной. Согласно теории, Q = 1, согласно наблюдениям (с точностью до ошибок наблюдений), Ω = 1,08 ± 0,06. Таким образом, наблюдения подтверждают предсказания теории.
Другой параметр n характеризует зависимость между размерами небольших неоднородностей, существовавших во Вселенной сразу после её рождения, и их амплитудой. Теория предсказывает, что относительная амплитуда этих неоднородностей не должна зависеть от их размеров, должна быть во всех масштабах одна и та же. Если это так, то параметр n должен равняться единице с точностью до ошибок измерений, и действительно n = 1,03 ± 0,08.
Думаю, можно достаточно уверенно утверждать, что основные параметры теории подтверждаются прямыми астрономическими наблюдениями, и в самом начале существования Вселенной был инфляционный период. Начался он, по-видимому, через 10-43 с после рождения Вселенной. Но тогда естественно возникает еще один вопрос: что было перед инфляцией Вселенной?
К сожалению, тут и теоретические, а тем более экспериментальные выводы гораздо более проблематичны, но, тем не менее, предварительные заключения возможны. По современным представлениям, инфляционному периоду предшествовал период квантового существования Вселенной. В этот период эволюции Вселенной промежутки времени, короче, чем 10 в (-) 43-ьей степени секунды, размеры Вселенной, меньше чем 10 в (-) 33-ьей степени сантиметра, не могли рассматриваться как непрерывное пространство и непрерывное время. Пространство и время распадались на отдельные кванты, и всё это находилось в состоянии, образно говоря, кипения вакуума, причём плотность вакуума была чрезвычайно большой – 10 в 93-ьей степени г/см кубический. В эту эпоху "самого начала" пространство - его размерность и топология - менялось наипричудливейшим образом, квантовым образом.
Приведу один из многочисленных результатов таких расчётов, выполненных в системе координат, которая раздувается вместе с веществом. Из-за квантовых флуктуаций в различные моменты времени случайным образом происходит превращение "кипящего вакуума" в отдельные пузыри раздувающихся вселенных. Каждая из них подобна нашей Вселенной, однако, разные вселенные могут иметь разные физические свойства и могут развиваться по-разному.
Время от времени в отдельных местах случайным образом возникают пузыри - расширяющиеся вселенные. Они расширяются крайне медленно по сравнению с вакуумными областями. Потом возможен коллапс отдельных пузырей, и они снова перейдут в квантовое кипение. И даже без коллапса за гигантские промежутки времени отдельные вселенные из-за квантовых флуктуаций рано или поздно перейдут в квантовое состояние "кипящего вакуума". Такая картина не имеет ни границ, ни пределов. Это вечное кипение, вечное рождение новых вселенных и вечное их умирание.
Вернёмся вновь к компьютерным расчётам с использованием системы отсчёта, которая раздувается вместе с расширяющимся веществом. Приведу результат расчёта распределения плотности в гигантских пространственных масштабах в некоторый момент времени. Видны пики - области "кипящего вакуума" и долины. В одной из этих затерянных долин находится область нашей Вселенной, в которой мы живём, - область, доступная нашим наблюдениям. Вот такая картина вырисовывается на основе последних достижений физики и астрофизики, касающихся процесса рождения Вселенной и судьбы всей Сверхвселенной.
В самом начале истории современной космологии, когда Хаббл открыл, что наша Вселенная действительно расширяется, многие астрономы и физики встретили это открытие с сильным скептицизмом. Им казалось, что оно неизбежно ведёт к заключению о внезапном возникновении Вселенной из ничего. Такой вывод представлялся очень далеким от естественной науки. Знаменитый английский астроном того времени А. Эддингтон писал: "Мне кажется, что наиболее удовлетворительной была бы теория, которая делает картину начала мира не столь неэстетически оборванной".
Сегодня мы можем сказать, что это пожелание в какой-то степени сбылось. Последующее развитие космологии показало, что наша Вселенная вечна. Она - один из пузырьков во Сверхвселенной. А Линде заметил "В этом сценарии Вселенная как целое бессмертна. Каждая отдельная часть Вселенной может отделиться от сингулярности этого кипящего вакуума когда-то в прошлом, она может закончиться в сингулярности когда-то в будущем. Однако нет конца эволюции всей Вселенной". Такой предстаёт перед нами современная космология.
После выступления И.Д. Новиков ответил на вопросы
Академик В.Е. Фортов: Где находится современный эксперимент на шкале времени, по которой вы "путешествовали"? Вы знаете, что сейчас ведутся опыты по мощным ударным волнам, скажем, при помощи лазеров, подземных ядерных взрывов удается получать температуру порядка 100 кэВ и давление в несколько сотен миллиардов атмосфер. При столкновении тяжёлых ионов достигается температура порядка 700 МэВ. Насколько мы далеки по энергии от начала инфляции? И второй вопрос. Если представить, что в земных условиях будет получена энергия, сопоставимая с энергией инфляции, к чему такая неустойчивость приведёт?
И.Д. Новиков: Если говорить о температуре во Вселенной, то на шкале времени 1 минута соответствует примерно 1 млрд. градусов Кельвина, 3 х 10 в 5-ой степени лет - примерно 3 - 4 тыс. градусов, а сейчас во Вселенной температура всего лишь 3 К. Детально рассчитываются процессы рождения плазмы из инфлантона при температуре выше 1 млрд. градусов Кельвина.
Теперь о том, что получится, если мы попытаемся заключить сверхплотную материю в очень маленьком объеме. Идея создания искусственной Вселенной в лабораторных условиях высказывалась, но осуществить её не так просто. Во-первых, плотности, которые при этом требуются (10 в 93-ьей степени г/см кубический), никакая технология не позволит достичь. Во-вторых, чтобы родить новую Вселенную, надо взять ничтожный кусочек материи массой 10 в (-) 5-ой степени грамма, сжать до плотности 10 в 93-ьей степени г/см кубический, создать инфлантон, который начнёт расширяться. Но оказывается, что материя, очень сильно сжатая в маленьком объёме, будет находиться внутри чёрной дыры. Вместе с конденсацией материи возникает чёрная дыра. Если это удастся сделать, тогда, как мы думаем, начнётся инфляция, расширение Вселенной, но не в нашем пространстве, а внутри чёрной дыры, в другом, если можно так выразиться, пространстве-времени. Катастрофы с нашей Вселенной не произойдёт - можно спать спокойно. Такие гипотезы серьёзно теоретически обсуждались.
Академик Ю.А. Израэль: Игорь Дмитриевич, спасибо за ваш доклад, который больше похож на лучшие рассказы Рэя Бредбери. Меня интересуют соображения космологов по поводу соседних вселенных.
И.Д. Новиков: Согласно теории, другие вселенные существуют, однако физические законы в них могут кардинально отличаться от законов нашего мира. Скажем, набор элементарных частиц будет другой, законы взаимодействия будут другие и т.д. Мы можем в какой-то степени расчетным путём дать статистические предсказания о свойствах таких разных ансамблей миров. Но можем ли мы, если не сейчас, то в будущем, выйти за границы нашего пузыря, нашей Вселенной, и исследовать другие вселенные?
К сожалению, непосредственно это сделать нельзя. Дело в том, что границы каждого пузыря расширяются со скоростью, большей скорости света. Границы нашего пузыря, границы нашей Вселенной, удаляются быстрее любого сигнала, который мы можем послать к границе. Следовательно, выйти за его пределы мы не можем, так как не можем двигаться со скоростью, большей скорости света.
Академик К.С. Демирчян: В последнее время появились довольно интересные работы относительно превращения или даже остановки фотонов. Не могли бы вы рассмотреть такое положение: красное смещение - это результат не разбегания галактик, а инфляции самого фотона, который, проходя через огромную толщу материи, вакуума с такими свойствами, действительно, может терять энергию и "краснеть". И второй вопрос: какова ваша точка зрения относительно теории осциллирующей вселенной Маркова?
И.Д. Новиков: Предположения о том, что фотон в какой-то степени может стареть и поэтому становиться всё более красным, чем и объясняется красное смещение, были высказаны сразу же после открытия расширения Вселенной самим Эдвином Хабблом и многими другими исследователями. Но последующие наблюдения показали, что всё это заведомо не так. Если бы фотон старел, то наряду с красным смещением наблюдались бы и другие побочные эффекты, например, расплывались бы изображения далеких галактик. Таким образом, экспериментально установлено, что красное смещение объясняется Допплер-эффектом. Следовательно, это явление вызвано тем, что галактики от нас удаляются.
Вселенная, возникшая из квантовой пены, может в какой-то степени осциллировать. Мы живём в стадии её расширения. Потом Вселенная, если не наша, то другая, может остановиться в своём расширении и начать сжиматься. В этом случае она сжимается до гигантских плотностей, порядка квантовой флуктуации, и позднее эта квантовая флуктуация вновь может родить другой пузырь, другую вселенную.
К.С. Демирчян: В вашу систему осциллирующая вселенная вполне вписывается?
И.Д. Новиков: Да, но при этом она должна пройти через квантовый период.
Академик Г.С. Голицын: Я вижу, что от теории Гамова ничего не осталось. Может быть, вы прокомментируете эту ситуацию. И второе. Проверялся ли закон сохранения импульса, по крайней мере, для нашей Вселенной?
И.Д. Новиков: Гамов выдвинул теорию горячей Вселенной и предсказал существование реликтового излучения. Экспериментаторы на это не обратили никакого внимания, сознательно поиски реликтового излучения в то время не велись. А история и предыстория этих событий очень интересная. В нашей стране были сделаны измерения излучения, которое приходит из Вселенной на Землю, без знания теории Гамова. Это излучение было зарегистрировано примерно лет за семь до открытия его американскими инженерами. К сожалению, никто и на это открытие не обратил внимания. И только в 1965 г. (уже не случайно!) обнаружили это удивительнейшее излучение.
Что касается закона сохранения импульса, то по отношению ко всей Вселенной импульс равен нулю, и нуль сохраняется. А внутри Вселенной, насколько я знаю, в любых измерениях, которые до сих пор проводились, закон сохранения импульса строго соблюдается.
Академик Н.А. Шило: Известно, что когда Хаббл набрал весь ряд своих наблюдений, он сделал вывод, что наблюдениям соответствуют два варианта Вселенной: стационарный и нестационарный. Он колебался в выборе вариантов и в конце концов остановился на нестационарном. Как относиться к выбору Хаббла, если он сам колебался? И другой вопрос. Поскольку признано, что Вселенная расширяется, то где находится центр, от которого происходит это расширение?
И.Д. Новиков: Математически Вселенная могла быть рассмотрена и расширяющейся, и сжимающейся, и даже на какое-то время стационарной, как думал на первых порах Эйнштейн. Это зависит от начальных условий, в которых пребывала или возникала материя. Если мы знаем начальные условия, дальше мы можем вести расчёт. И Фридман в своих теоретических моделях именно предсказал, что могут быть разные варианты. Он опубликовал их, Эйнштейн не сразу понял. Но как только Хаббл открыл, что галактики удаляются, сразу стало ясно, что наша Вселенная расширяется. Модель была выбрана по данным наблюдений, а не каким-то произволом.
Теперь насчёт центра Вселенной. Никакого центра у Вселенной нет. Дело в том, что когда мы говорим "центр", мы думаем, что есть какой-то шар в пустом пространстве, и он пустое пространство расширяет. Ничего подобного! Вселенная, в том числе пузырь нашей Вселенной, в принципе такого центра не имеет. Когда мы говорим об отдельных пузырях, всё не так просто, потому что пространство искривлено. Вселенная может быть бесконечна с самого начала в пространстве и нигде у неё никакого центра нет. Она может быть замкнута, это может быть трёхмерный шар, но и в нём никакого центра нет.
Академик А.Ф. Андреев: Не могли бы вы подробнее сказать про квантовую гравитационную область в связи с тем, что прямое квантование эйнштейновских уравнений приводит к некоему нормированию теории.
И.Д. Новиков: Действительно, квантовая теория Вселенной самым непосредственным образом связана с теорией квантовой гравитации, с теорией квантования всех физических полей, включая гравитационное. Такой общепринятой теории сейчас нет, она "в муках рождается", и мы пока не знаем окончательных её форм. Тем не менее, некоторые предсказания об основных свойствах этой теории сделать можно.
Я уже говорил и хочу повторить, что выводы о квантовом кипении мы можем делать только по порядку величины на основе наших знаний фундаментальных констант и фундаментальных законов, в том числе и великого объединения всех сил природы, которые сейчас разработаны. Но вы правы, окончательных выводов здесь сделать нельзя.
Вопрос из зала: Если Вселенная расширяется с огромной скоростью, то меняются гравитационные поля. Не скажется ли это на размере Солнечной системы? Следит кто-нибудь за её размерами?
И.Д. Новиков: Когда мы рассматриваем огромный объём во Вселенной, где много галактик и скоплений галактик, то в таком объёме гравитационное поле изменяется, влияя на динамику расширения Вселенной. Но если мы рассматриваем отдельные объекты, гравитационно связанные, - галактики, а тем более звёзды и планетные системы, в том числе и нашу Солнечную, то законы их движения, динамика и прочее определяются только гравитацией в пределах этой системы. В среднем гравитационное поле в равномерно распределённой материи всей Вселенной никакого гравитационного эффекта на эти маленькие объекты не оказывает. Поэтому их судьба зависит только от внутренней эволюции.
Академик Н.П. Лякишев: Что представляла собой материя в физическом смысле с плотностью 10 в 93-ьей степени г/см кубический?
И.Д. Новиков: Это состояние некого вещества, которое определяется отрицательным давлением. Более точно сказать, что представлял собой инфлантон, пока нельзя. Тут возможны варианты, в том числе совершенно уникальные. Например, наше пространство-время может иметь много скрытых размерностей, которые не проявляются. Вдаваться в детали я сейчас не могу.
ПЕРЕДНИЙ КРАЙ ФИЗИЧЕСКОЙ НАУКИ
ОБСУЖДЕНИЕ В ПРЕЗИДИУМЕ РАН
Академик Ю.Н. Парийский: В своей профессиональной деятельности я связан с экспериментом и думаю, что большинство наблюдателей и экспериментаторов разделяют мою экстремистскую позицию. Считаю, что отношение между теорией и экспериментом можно определить как отношение между знанием и верой. Может быть, комбинация слов и не очень удачная, но наблюдатель поверит в красивую теорию только тогда, когда увидит сам, что все её предсказания работают и существуют.
Красивые идеи всегда вели к эксперименту и привлекали крупные силы, которые создавали уникальные устройства и установки, требуя минимальных денег для этого, потому что они тоже удовлетворяли свое любопытство. То, что рассказывал Игорь Дмитриевич Новиков, относится к этому классу идей. Весь экспериментальный мир сейчас пытается найти технологические решения, чтобы проверить предсказания инфляционной теории Вселенной. Упоминалось здесь и о нашем эксперименте "Космологический ген" на радиотелескопе PATАН-600, который до сих пор остается самым крупным в мире рефлекторным телескопом.
Так получилось, что как раз для этой задачи PATАН-600 весьма приспособлен, потому что он "видит" малые контрасты поверхностной яркости неба. Мы установили недавно уникальную многоступенчатую матрицу. Она уже накапливает данные по флуктуациям неба по многочисленным фоновым излучениям, которые позволят проверить теорию. Сейчас мы испытываем радиометры нового поколения. Новая технология с использованием гетероструктур и транзисторов высокого качества позволила уменьшить в миллионы раз объём оборудования, в сотни раз сделать его дешевле, в тысячу раз снизить энергозатраты. Мы уже устанавливаем матрицы из таких радиометров.
В 2000 г. Академия наук, наконец, начала финансировать наш проект, и я надеюсь, что мы получим результаты значительно раньше, чем будет выполнен эксперимент "Планк" - самый мощный в XXI столетии.
Академик Р.А. Сюняев: Для меня в некотором смысле сегодня был праздник - я увидел интерес Президиума РАН к проблемам космологии. В своё время в этом зале я слушал доклады Я.Б. Зельдовича и А.Д. Сахарова по этой проблематике. Но сейчас произошёл прорыв, и космология ныне находится примерно в такой же ситуации, как география перед плаванием Магеллана. То есть после запуска спутника "Планк" мы узнаем точно топологию Вселенной и что будет с нею дальше. И это счастье, что мы дожили до того времени, когда космология стала экспериментальной наукой.
С другой стороны, мне очень грустно. Я один из участников эксперимента на спутнике "Планк", запуск которого запланирован на 2007 г. Однако я уверен, что до 2007 г. проблема будет закрыта. И, скорее всего, она будет решена с помощью баллонов. НАСА выпускает сейчас пять высотных баллонов в год, чтобы исследовать распределение реликтового излучения на небе. И баллон, принесший первые подтверждения теории инфляционной Вселенной, летал в Антарктиде, где дуют широтные ветры. Точно такие же широтные ветры есть вокруг Северного полюса, и трассы высотных баллонов проходят и над нашей территорией.
Баллонный способ - самый лучший и дешёвый. Американцы пускают баллоны с территории Канады, европейцы - с территории Швеции, и чтобы зафиксировать флуктуации фонового радиоизлучения из космоса, баллон должен несколько раз пролететь вокруг Северного полюса по широтным ветрам. В первых числах февраля 2001 г. французский баллон с 22 баллонометрами, охлаждаемыми до температуры несколько сотен градусов Кельвина, был посажен нами в приполярном Урале. Он шёл на юг и, по мнению некоего ведомства, южнее определённой широты его трасса не должна была пролегать. Естественно, французам сообщили, что погода испортилась, и мы вынуждены были посадить баллон. Я участвовал в безрезультатных переговорах с ведомством в этот момент.
Думаю, что Президиум РАН, Совет РАН по космосу должны получить официальное разрешение на пролёт таких баллонов над нашей территорией.
Академик Н.П. Лаверов: Должен дать разъяснение по поводу баллонов. В прошлом году был реализован озоновый эксперимент, в котором использовался и высотный баллон, так что мне приходилось решать с Генеральным штабом эту проблему. Должен вам сказать, что на тот период она была решаемой. Думаю, и в дальнейшем Академия наук найдёт взаимопонимание с Генштабом в подобных вопросах.
Академик Н.С. Кардашев: Здесь уже коллеги обратили внимание на то, что радикально меняется основная философская концепция. Очень вероятно, что Вселенная не одна, вселенных много, появляется возможность исследовать их не только умозрительно, но и экспериментально: строить модели, думать о том, что из этих моделей может следовать. В частности, могут существовать пузыри, которые намного старше нашей Вселенной, а значит, ограничение не 15 млрд. лет, а много больше. Какое развитие вещества может происходить в таких пузырях, как это отражается на нашем пузырьке, на нашей Вселенной, - вот вопросы, стоящие на переднем плане огромного поля исследований, которое открывается на рубеже столетий. Важно, что на этом будет акцентировано внимание.
В настоящее время главной причиной ускоренного расширения Вселенной, как было установлено экспериментами, является отрицательное давление вакуума. Если мы размажем то сконденсировавшееся вещество, которое окружает нас (звёзды и планеты) и определим среднюю плотность, то доминирующей плотностью окажется оставшаяся от первоначального взрыва плотность вакуума. Мы не знаем, почему плотность вакуума, которая в настоящее время сохранилась, имеет такую величину. Не знаем мы, как она связана с физикой элементарных частиц, с физикой всего, что нас окружает, и это огромная проблема на ближайшие годы.
Есть много разных экспериментов, связанных не только с далекими объектами, но и с объектами очень близкими, которые призваны подтвердить фундаментальные положения современной теории происхождения Вселенной. Я хочу поддержать отечественные эксперименты, и прежде всего эксперименты на телескопе PATАН-600, поскольку они позволят построить более точно спектр пространственных флуктуации непрерывного микроволнового излучения.
Планируется ещё один интересный эксперимент в той же самой северокавказской обсерватории: экспериментально показать, что действительно происходила рекомбинация Вселенной. Оказывается, что в далеком прошлом происходила рекомбинация водорода из плазменного состояния в нейтральное, и следы процесса должны сохраниться в спектральных линиях. Это было давно, когда Вселенная была примерно в 1000 раз более сжатой, чем сейчас. Спектральные линии, оставшиеся с давних времен, можно попытаться наблюдать. Подготовка такого эксперимента уже началась.
Академик А.А. Боярчук: Мы в течение нескольких лет проводили переговоры с американцами о баллонных экспериментах. Суть дела такова: для того чтобы над нашей территорией летали баллоны, необходимо получить много виз. И вот они собраны. Представитель одного из ведомств в этот момент заявил: "Хорошо, мы не будем заключать соглашения на много полётов, а будем вам давать разрешение на каждый такой полёт".
Должен сказать, что согласованием занимались Академия наук и Совет РАН по космосу. Но теперь, поскольку Российское космическое агентство стало Росавиакосмосом, оно решило заняться этими вопросами. Мы тоже не отстраняемся, но главную роль в получении разрешений на полёты баллонов НАСА над нашей территорией будет играть Росавиакосмос. Конечно, полёты баллонов имеют очень большое научное значение, и нужно добиться подобного рода разрешений.
Н.П. Лаверов: Но эту задачу мы решили.
А.А. Боярчук: Да, но для отдельных полетов.
Теперь перехожу к космологии. Игорь Дмитриевич прекрасно изложил суть вопроса. Но, естественно, мы не должны обольщаться тем, что у него всё получилось гладко. На самом деле в космологии огромная масса нерешённых проблем. Когда у нас нет эксперимента, мы предъявляем требование к любой теории, чтобы она была развита и внутренне не противоречива. Многие теории квантования еще не развиты до такой степени, чтобы можно было делать вывод, что они внутренне не противоречивы. Работа кипит, и это передовое направление усиленно развивается.
Конечно, открытие и исследование реликтового излучения сразу внесло какую-то основу в представления об определённых этапах развития Вселенной, и мы теперь можем проверять теорию с помощью наблюдений. Игорь Дмитриевич не сказал, что существует ещё один метод экспериментальной проверки - наблюдение плотности вещества Вселенной. Но чтобы знать плотность вещества, мы должны хорошо знать расстояние до ближайших объектов и до очень далёких. Прежде чем померить плотность, мы должны установить шкалу расстояний. Это одна из задач, которая с космологией непосредственно не связана.
Если бы мы знали хорошо шкалу расстояний до всех наблюдаемых галактик, мы сразу могли бы определить плотность вещества и сказать, она критическая или не критическая, будет ли Вселенная сжиматься, или будет разлетаться. Такие наблюдения проводятся Словом, интересная и всех интригующая космология, которая пытается объяснить, откуда всё взялось, бурно развивается. И мы должны пожелать успехов всем нашим астрономам и специалистам по ядерной физике, работающим в этой области.
Академик Ж.И. Алфёров: Прежде всего, хочу сказать, что Игорь Дмитриевич Новиков сделал блестящий доклад. А ещё я хочу отметить: мы на самом деле обладаем уникальной экспериментальной базой, что следует и из выступления Ю.Н. Парийского. Другого такого радиотелескопа, как РАТАН-600, в мире нет. У него специфическая область применения: только вместе с земным шаром его можно вертеть и направлять куда-то. Но сам по себе - это уникальный инструмент, для которого в последнее время создается хорошая технологическая база.
Астрофизические исследования сегодня - самая, наверное, бурно развивающаяся область и физики, и астрономии, которая на самом деле даёт очень много, в том числе и для понимания элементарных процессов. И здесь у нас очень хорошая школа, созданная многими поколениями. И я бы хотел, чтобы Академия наук в своих программах уделяла большее внимание астрофизическим исследованиям.
Академик А.Ф. Андреев: Уровень познания человека в астрономии и астрофизике традиционно служит показателем уровня его культуры. Ещё лет 50 назад академик И. В. Обреимов сформулировал три вопроса, на которые каждый культурный человек должен знать ответ.
Первый вопрос: в чём причина невесомости на искусственном спутнике Земли? (Ответ неграмотного человека - потому что притяжение к Земле компенсируется притяжением к Луне.)
Второй вопрос: отчего происходит смена времён года? (Ответ неграмотного человека - оттого, что Земля ближе или дальше от Солнца.)
Третий вопрос: отчего возникают различные фазы Луны? (Ответ неграмотного человека - причина - тень Земли на Луне.)
И до сих пор среди нефизиков и неастрономов есть люди, которые думают, как неграмотный человек, что весьма печально.
Релятивистская астрофизика появилась как экспериментальная наука не так давно, а как теоретическая - давно, в начале прошлого века. Отношение к ней многих даже культурных людей - это что-то очень сложное, подождём, "рассосётся" и всё будет опять просто и доходчиво. Так вот, не рассосётся! Не рассосётся точно так же, как не рассосалась квантовая механика, как не рассосалась теория относительности. Релятивистская астрофизика - наша гордость. Я говорю "наша" как представитель физической епархии в Российской академии наук.
В своё время великий физик Вернер Гейзенберг приводил пример физического утверждения, которое очень легко себе представить, но которое абсолютно бессмысленно. Это утверждение о том, что наряду с нашим миром существует ещё другой мир, который, однако же, с нашим никак не связан. Нынешнее достижение не в том, что люди догадались, что могут быть и другие вселенные. Это тривиально. Нетривиальность в том, что появились реальные способы увидеть и доказать, что некоторые явления, наблюдаемые в нашей Вселенной, свидетельствуют о существовании соседних вселенных, соседних "пузырьков". Это огромное достижение физики и вообще науки.
Релятивистская астрофизика - самый передний край физической науки, и мы должны всячески помогать тем, кто проводит исследования на мировом уровне по одной из самых крупных проблем современной физики. Конечно, я поддерживаю эксперименты на PATАН-600.
В физике, и особенно в ядерной физике, существенный прогресс всё больше связан с крупными международными установками, ускорителями. Мы участвуем и в экспериментах в Европейском центре ядерных исследований, и в строительстве Международной космической станции. И в этих случаях возникают проблемы, связанные с секретностью, но они успешно преодолеваются. Я не могу себе представить, что высотные баллоны, пролетающие над нашей территорией, дадут несравненно большую информацию о том, что творится, например, на Северном Урале, чем спутники или космические станции. Все мы хорошо знаем, с каким разрешением они фотографируют объекты на земной поверхности. И Академия наук должна не только стараться снять ограничения на пролёт научных баллонов над нашей территорией, но и добиться разрешения на любой такой полёт. Нельзя бояться, что это подорвёт безопасность нашей страны.
Я считаю, что сегодняшнее заседание Президиума РАН благодаря прекрасному докладу показало, что есть такая дисциплина, как релятивистская астрофизика, и Президиум РАН должен помочь её развитию.
Материалы обсуждения
подготовила к печати
Т. В МАВРИНА,
прислал Евгений Вериго

Ответить

Кто сейчас на конференции

Сейчас этот форум просматривают: нет зарегистрированных пользователей и 10 гостей