Занимательная астрофизика - Виктор Комаров

Как известно, одним из важнейших выводов теории относительности А. Эйнштейна является знаменитое соотношение Е = тс2 — энергия Е, эквивалентная некоторой массе вещества, равна произведению этой массы т на квадрат скорости света с.

Физическим процессом, при котором такая «полная» энергия может выделяться, является аннигиляция вещества и антивещества.

Но если будет доказана нестабильность протона, это не только послужит важным свидетельством в пользу теории «Великого объединения», но будет также означать, что обычное вещество, хотя и медленно, может распадаться и без помощи антивещества выделять всю заключенную в нем энергию.

Многие фундаментальные характеристики Вселенной зависят и от того, какими свойствами обладает элементарная частица нейтрино. Поэтому особого внимания заслуживает то обстоятельство, что согласно теории «Великого объединения» нейтрино в принципе могут обладать ненулевой массой, доступной измерению, а также изменять свои свойства во время движения.

В результате экспериментов, проведенных в Институте экспериментальной и теоретической физики АН СССР, ученые пришли к выводу, что масса нейтрино около 25 электронвольт. Для сравнения напомним, что масса электрона эквивалентна 500 тысячам электронвольт. Но если нейтрино действительно обладают даже столь малой конечной массой, то их общий вклад в массу нашей Вселенной окажется весьма внушительным.

Как и всякий фундаментальный физический эксперимент, эксперимент по определению массы нейтрино нуждается в тщательнейшей проверке. По мнению самих экспериментаторов, вероятность того, что полученный ими результат соответствует действительности, составляет около 50 %. Однако до сих пор опровергнуть этот результат никому не удалось.

В настоящее время предпринимаются попытки разработки и такой единой теории поля, которая объединила бы не только сильные, электромагнитные и слабые взаимодействия, но и гравитационные.

В расширяющейся Вселенной

В одной из своих статей В. Л. Гинзбург так формулирует основную проблему современной космологии: изучить структуру пространства в больших масштабах и найти закон эволюции Вселенной во времени.

Теперь, когда мы познакомились с некоторыми выводами общей теории относительности, в частности, с искривлением пространства и черными дырами, мы можем еще раз обратиться к одному, из самых поразительных явлений окружающего нас астрономического мира — расширению Вселенной.

Астрономические данные свидетельствуют о том, что мы живем в мире разбегающихся галактик. Воображаемый наблюдатель, в какой бы галактике он ни находился, отметил бы, что все остальные звездные системы от него удаляются. Таким образом, «разбегание» оказывается как бы всеобщим свойством нашей Вселенной. Но если галактики разбегаются, то что было много миллиардов лет назад? Логично предположить, что современное состояние Вселенной возникло из состояния более плотного. В пользу подобного предположения говорят не только наблюдения (разбегание галактик) — к такому же выводу приводит и теория.

Одно точное решение уравнений теории Эйнштейна мы уже рассмотрели. Оно описывало гравитационное поле, создаваемое статической массой вещества, и привело нас к заключению о возможности существования «черных дыр». Это решение было получено К. Шварцшильдом в 1916 г. и носит его имя.

Не менее важным и фундаментальным является решение уравнений общей теории относительности в предположении об однородности и изотропности Вселенной, полученное советским ученым А. А. Фридманом в 1922 г. На основе этого решения была построена модель развития астрономического мира во времени, объясняющая разбегание галактик. В этой модели исходным является сверхплотное состояние материи, существовавшее 10–20 млрд. лет назад.

Выяснение физического состояния вещества, в результате расширения которого образовалась наша Метагалактика, — одна из фундаментальных проблем современного естествознания. Формально решения уравнений дают бесконечную плотность вещества в такой первичной конденсации. Однако бесконечное значение плотности не имеет физического смысла, и поэтому обычно говорят о сингулярности — необычном состоянии, резко отличающемся от «привычных» состояний материи. Во всяком случае считается, что это было состояние чудовищной плотности, достигавшей 1093-1095 г/см3, что на 79–81 порядок выше плотности атомного ядра. О подобных суперплотных состояниях мы пока мало что знаем. К описанию физических явлений, которые протекают в таких условиях, современные фундаментальные физические теории неприменимы.

По-видимому, в подобной ситуации меняется смысл, который мы вкладываем в такие фундаментальные понятия, как «пространство», «время», «одновременность», «раньше», «позже» и т. п.

Вообще говоря, наука допускает экстраполяцию тех или иных теоретических представлений и на области явлений, лежащие за границами применимости данной теории. При такой экстраполяции общая теория относительности приводит к выводу, что Вселенная возникла из бесконечно малого (точечного) объема при моменте времени, равном нулю.

Проблема сингулярности составляет одну из центральных проблем современной космологии. С одной стороны, эйнштейновская ОТО с неизбежностью приводит к сингулярности. Однако, с другой стороны, состояния с бесконечной плотностью физически неосуществимы. Складывается впечатление, что появление сингулярности в ОТО является следствием того, что ОТО неприменима к состояниям с очень большой плотностью, что она Здесь выходит за границы своей применимости.

Каким образом может быть устранено возникающее противоречие? Над решением этой задачи упорно работают современные теоретики — физики и астрофизики. Возможно, удастся показать, что возникающая с точки зрения ОТО в процессе эволюции Вселенной сингулярность не является все же в рамках этой теории абсолютно неотвратимой, что при определенных условиях от нее можно избавиться. Другое направление связано с возможностью существования так называемой «фундаментальной длины», т. е. некоей минимальной протяженности, которая определяет границы применимости известной нам физики. Возможен, однако, и третий вариант: не исключено, что границы применимости ОТО определяются возникновением квантовых явлений. Согласно существующим представлениям, такой границей служит временной интервал порядка 10-43 с, протяженность порядка 1,6·10-33 см и плотность порядка 5·1093 г/см3. В связи с этим предпринимаются попытки создания квантовой гравитационной теории и квантовой космологии. Этой теории предстоит решить целый ряд принципиальных проблем: о взаимодействии вещества и вакуума, который, судя по всему, представляет собой особую, скрытую форму существования материи, о рождении частиц из вакуума, о взаимосвязи микро- и макропроцессов. Именно это направление теоретического поиска сейчас является основным.

Первичная сингулярность — состояние, резко отличающееся от современного состояния Вселенной. Таким образом, Вселенная изменяется во времени: ее прошлое отличается от настоящего, а настоящее — от будущего. Это — фундаментальный вывод современного естествознания, имеющий важнейшее значение для человечества.

Решение Фридмана, соответствующее современному состоянию Вселенной, распадается на три подкласса решений, соответствующих трем возможным математическим моделям или трем возможным путям грядущего развития астрономического мира. Первый вариант — это так называемая замкнутая модель, второй — открытая модель и третий — промежуточный случай. В случае открытой модели расширение нашего мира должно продолжаться неограниченно. При этом общий его «вид» будет длительное время сохраняться. Лишь постепенно, через очень большие промежутки времени, состояние материи во Вселенной изменится.

В случае же замкнутой модели фаза расширения Вселенной должна со временем смениться на противоположную — фазу сжатия, а затем вновь произойдет расширение — и так без конца. Исследуя возможные свойства и закономерности подобных «циклических» Вселенных, ученые занимаются конструированием различных теоретических моделей.

Еще около тридцати лет назад знаменитый математик К. Гёдель попытался построить модель Вселенной, которая периодически точь-в-точь повторяет саму себя. Ситуация, весьма заманчивая для авторов научно-фантастических романов.

Если бы модель Гёделя соответствовала действительности, то это означало бы, что все наблюдаемое нами в окружающем мире уже когда-то было. И не один раз…

Однако повторяющая себя Вселенная в духе Гёделя пока что остается всего лишь неопределенной идеей, возможностью, которая и не подтверждена и не опровергнута. Более детально разработаны другие варианты циклических моделей. В этих моделях Вселенная пульсирует, то сжимаясь, то расширяясь и периодически проходя при этом через стадию чудовищно плотной горячей плазмы.