Нерешенные проблемы космологии

Альтернативные космологические модели. Вообще говоря, в самом начале своего существования Вселенная могла быть весьма хаотична и неоднородна; следы этого мы, возможно, наблюдаем сегодня в крупномасштабном распределении вещества. Однако период хаоса не мог длиться долго. Высокая однородность космического фонового излучения свидетельствует, что Вселенная была очень однородна в возрасте 1 млн. лет. А расчеты космологического ядерного синтеза указывают, что если бы по истечении 1 с после начала расширения существовали большие отклонения от стандартной модели, то состав Вселенной был бы совсем иным, чем в действительности. Однако о том, что было в течение первой секунды, еще можно спорить. Кроме стандартной модели Большого взрыва, в принципе существуют и альтернативные космологические модели:

1. Модель, симметричная относительно материи и антиматерии, предполагает равное присутствие этих двух видов вещества во Вселенной. Хотя очевидно, что наша Галактика практически не содержит антивещества, соседние звездные системы вполне могли бы целиком состоять из него; при этом их излучение было бы точно таким же, как у нормальных галактик. Однако в более ранние эпохи расширения, когда вещество и антивещество были в более тесном контакте, их аннигиляция должна была рождать мощное гамма-излучение. Наблюдения его не обнаруживают, что делает симметричную модель маловероятной.

2. В модели Холодного Большого взрыва предполагается, что расширение началось при температуре абсолютного нуля. Правда, и в этом случае ядерный синтез должен происходить и разогревать вещество, но микроволновое фоновое излучение уже нельзя прямо связывать с Большим взрывом, а нужно объяснять как-то иначе. Эта теория привлекательна тем, что вещество в ней подвержено фрагментации, а это необходимо для объяснения крупномасштабной неоднородности Вселенной.

3. Стационарная космологическая модель предполагает непрерывное рождение вещества. Основное положение этой теории, известное как Идеальный космологический принцип, утверждает, что Вселенная всегда была и останется такой, как сейчас. Наблюдения опровергают это.

4. Рассматриваются измененные варианты эйнштейновской теории гравитации. Например, теория К. Бранса и Р. Дикке из Принстона в общем согласуется с наблюдениями в пределах Солнечной системы. Модель Бранса – Дикке, а также более радикальная модель Ф. Хойла, в которой некоторые фундаментальные постоянные изменяются со временем, имеют почти такие же космологические параметры в нашу эпоху, как и модель Большого взрыва.

5. На основе модифицированной эйнштейновской теории Ж. Леметр в 1925 построил космологическую модель, объединяющую Большой взрыв с длительной фазой спокойного состояния, в течение которой могли формироваться галактики. Эйнштейн заинтересовался этой возможностью, чтобы обосновать свою любимую космологическую модель статической Вселенной, но когда было открыто расширение Вселенной, он публично отказался от нее.

Темная энергия

 

Несмотря на впечатляющие успехи космологии, явление разбегания галактик, происходящее со скоростью, растущей по мере удаления от некоего центра и вместе с тем от наблюдателя, не получило пока разумного объяснения. Астрофизики наших дней пытаются объяснить этот феномен существованием в природе новой, ранее не известной субстанции – тёмной энергии-материи.

Всемирное антитяготение – новый физический феномен, открытый в астрономических наблюдениях на расстояниях в 5-8 млрд. световых лет. Антитяготение проявляет себя как космическое отталкивание, испытываемое далёкими галактиками, причём отталкивание сильнее гравитационного притяжения галактик друг к другу. По этой причине общее космологическое расширение происходит с ускорением.

Общая картина распространения света позволяет выяснить, при каких условиях в расширяющемся мире можно измерять не только скорости, но и ускорения галактик. Таким путем было найдено[44], что до расстояний примерно в 7 млрд. световых лет эти ускорения положительны: скорость удаления галактик возрастает со временем. Но на еще более далеких расстояниях ускорение, как оказалось меняет знак – там оно отрицательно и, значит, на этих сверхбольших расстояниях скорость разбегания галактик уменьшается.

Антитяготение создаётся не галактиками или какими либо другими телами природы, а не известной ранее формой энергии-массы наблюдаемой вселенной. На макроскопическом уровне тёмная энергия описывается как особого рода непрерывная среда, которая заполняет всё пространство мира; эта среда обладает положительной плотностью и отрицательным давлением.

Физическая природа тёмной энергии и её микроскопическая природа неизвестны – это одна из самых острых проблем фундаментальной науки наших дней (см. Приложение 2).

 

 

РАЗДЕЛ 6. ФИЗИКА И СОЗНАНИЕ

11. Некоторые вопросы познания в современной

физике

В этом разделе речь пойдет о познавательных возможностях современной физики, направленных главным образом на объяснение явлений микромира, и проблеме объяснения феномена сознания с помощью физики.