Тэорыя Вялікага Выбуху як Стандартная мадэль сучаснай касмалогіі

“Напачатку быў…беспарадак, хаос,” – такой, стылізаванай пад тэкст Бібліі фразай адкрываецца прысвечаны касмалагічнай праблематыцы раздзел у кніжцы сучаснага французскага навукоўца А.Жакара “Матэрыя і жыццё”. Затым аўтар працягвае: “Узнікненне нашага Універсуму можна параўнаць з Big-Bang, з гіганцкім выбухам” [51, с.6]. Трэба адзначыць трапнасць і дасціпнасць згаданай рэмінісцэнцыі: набыўшы нестацыянарны (і, фактычна, эвалюцыйны) характар, рэлятывісцкая тэарэтычная касмалогія у спалучэнні з вынікамі астранамічных назіранняў наблізілася да пытання пра пачатак Сусвету (ці, прынамсі, магло ўзнікнуць такое ўражанне). Гэта выявілася ўжо ў 1931 г., калі Ж.Леметр дзякуючы памянёнаму спалучэнню прапанаваў тэорыю “першапачатковага атаму”[98]. Як вядома, дагэтуль згаданае пытанне вырашалася найперш пры дапамозе міфапаэтычных і метафізічна-філасофскіх сродкаў.

Калі даць веры меркаванню, згодна з якім навуковая касмагонія (вучэнне пра пачатак Сусвету) сапраўды магчымая, дык паўстаюць пэўныя сумненні: ці не парушае навука пры гэтым межы свайго легітымнага запытвання і ці не патрапляе ў праблемнае поле іншых духоўных формаў? І, апынуўшыся на чужой тэрыторыі, ці не зрабілася яна ахвярай уласнай неабачлівасці, дэградуючы і ператвараючыся ў дапаможны сродак для іншых тыпаў тэарэтычнага засваення рэчаіснасці? Сапраўды, станаўленне эвалюцыйнай касмалогіі – у падабенстве з эвалюцыйнай біялогіяй – выступіла, сярод іншага, як важная падзея і ў кантэсце развіцця ўзаемных стасункаў навукі і рэлігіі. У адрозненне ад біялагічнай эвалюцыйнай тэорыі, аднак, эвалюцыйны касмалагічны праект з неабходнай у яго рамках і небяспечнай для яго самога праблемай пачатковай сінгулярнасці нярэдка ўспрымаўся як навуковае пацвярджэнне рэлігійна-міфалагічнага светабачання. (Так, Ж.Леметру прыйшлося ўпарта змагацца супраць папрокаў у хітрай, згодніцкай пазіцыі ў кантэксце стасункаў навукі і рэлігіі, якая нібыта, была сапраўднай падставай ягоных тэарэтычных пошукаў і знаходак. Справа ў тым, што, як указвалася вышэй, ён спалучаў у сабе навукоўца-фізіка і каталіцкага святара-тэолага [77, c.249].)

Згаданая сітуацыя падштурхоўвае, аднак, і да зусім іншага пытання, да пытання пра слушнасць і апраўданасць знакамітага кантаўскага папярэджання, згодна з якім мы не ў стане вырашыць, мае ці не мае свет пачатак у часе (гэтаксама як і абмежаваны ці бязмежны ён у прасторы).[99] Ці не дыскваліфікавала яго развіццё навукі? Ці не належыць згаданае папярэджанне ў адзін шэраг з неасцярожным прадказаннем французскага філосафа- пазітывіста А.Конта (1798-1857), паводле якога людзі ніколі не змогуць даведацца пра тое, што адбываецца ўнутры зорак, і якое выклікае сёння ўсяго толькі іранічную ўсмешку? [70, c.133-134] У філасофскай літаратуры выказваюцца розныя меркаванні на гэты конт. Ва ўсіх выпадках, аднак, відавочна, што слушнага, адназначнага адказу нават на пытанне пра пачатак бачнага ўніверсуму (не кажучы пра абсалютны пачатак Усяго) сучасная навука пакуль што даць не можа (магчыма, у адрозненне ад пытання пра яго прасторавыя межы). Зрэшты, больш слушным падаецца весці гаворку ў дадзеным выпадку не пра пачатак універсуму, а пра пачатак пэўнага фізічнага працэсу – працэсу яго пашырэння. Усё гэта азначае, што кантаўскі падыход у гэтым, тэмпаральным сваім аспекце павінен і ў сучасных умовах успрымацца ўсур’ёз.

“Напачатку была касмалагічная сінгулярнасць,” – даводзіць нам выбудаваная на аснове ўсеагульнай тэорыі адноснасці і эмпірычнай фіксацыі чырвонага зрушэння ў спектрах аддаленых галактык касмалагічная мадэль. У вачах большасці навукоўцаў (пра гэта ўжо ішла гаворка – у параграфе 4.3.) сінгулярнасці дэтэктуюць мяжу ўжывальнасці рэлятывісцкай фізікі, мяжу нашых ведаў і нашага няведання. Таму яна можа разглядацца таксама і як пляма на рэпутацыі нестацыянарнай касмалагічнай тэорыі, якая зусім выпадкова атрымала назву тэорыі Вялікага Выбуху. (Так назваў яе англійскі астрафізік Ф.Хойл (1915-2001), які належаў да самых непрыхільных яе крытыкаў і таму ўжыў згаданы выраз, магчыма, з чыста іранічным падтэкстам [26, c.111; 43, c.127].) К.Ф.фон Вайцзэкер, напрыклад, піша пра няпэўнасць яе статусу: здольная яна быць строга даказанай ці асуджаная заставацца касмаганічным міфам адзначанай атамнай бомбай гістарычнай эпохі адназначна вырашыць на сённяшні дзень немагчыма [88, c.29]. Пры гэтым навуковец даводзіць пра свой скепсіс менавіта ў дачыненні да гіпотэз, што маюць сваім прадметам першапачатковыя фазы (“эры”) у эвалюцыі ўніверсуму. Ён абгрунтоўвае сваю скептычную пазіцыю ў дадзеным пытанні тым, што ў згаданых гіпотэзах тут і сёння адкрытыя законы прыроды прызнаюцца неабмежавана значнымі і для “нованароджанага” ўніверсуму ў першыя долі секунды яго існавання. У момант часу, аднак, які можна ахаратарызаваць як пункт нуль, гэтыя законы раптоўна губляюць моц і адбываецца татальная капітуляцыя ўсёй сучаснай фізікі. (Сапраўды, пачатак пашырэння ўніверсуму ў згодзе з рэлятывісцкай фізікай мусіць мець дзіўны, незвычайны, загадкавы характар, бо гаворка ідзе не пра яго ўзнікненне ў прасторы і часе, а пра яго ўзнікненне разам з прасторай і часам. Аднак час можа разглядацца як “перадумова сэнсу ўсіх нашых законаў і паняццяў” [88, c.30]!) Значна больш слушным у дадзенай сітуацыі быў бы, на думку навукоўца, падыход, засяроджаны на тых этапах у развіцці ўніверсуму, пра якія ёсць аб’ектыўныя сведчанні і пра якія мы можам, значыцца, гаварыць асэнсавана [88, c.30-31].

Неабходна адзначыць, што абцяжараны праблемай пачатковай сінгулярнасці нестацыянарны касмалагічны праект пэўны час не мог перамагчы ў барацьбе ідэй, якая адбывалася ў сферы касмалогіі. Зрэшты, не толькі праблема сінгулярнасці адштурхоўвала ад яе немалую колькасць навукоўцаў і змушала іх шукаць альтэрнатыўную гіпотэзу. Акрамя яе істотныя цяжкасці паўсталі і пры вызначэнні “ўзросту ўніверсуму”, магчымасць якога вынікала з тэорыі Вялікага Выбуху. Справа ў тым, што прадпрынятая Э.Хаблам спроба такога вызначэння прынесла ў найвышэйшай ступені нездавальняючы вынік: універсум мусіў існаваць усяго 2 млрд. гадоў. Гэта адназначна супярэчыла эмпірычным набыткам геалогіі: Зямля мусіла быць старэйшай за Сусвет [69, c.33].

У такіх умовах у якасці альтэрнатывы нестацыянарнай касмалагічнай мадэлі была прапанаваная тэорыя стацыянарнага стану. Дадзеная тэорыя грунтавалася на “дасканалым” – паводле словаўжывання яе стваральнікаў (Г.Бондзі (1919-2005), Т.Гольд (1920-2004), Ф.Хойл) – касмалагічным прынцыпе, згодна з якім матэрыя раўнамерна размеркаваная ў бясконцай прасторы і ў бясконцым часе. Феномен чырвонага зрушэння ў галактычных спектрах яе аўтары патлумачылі хоць і непрыкметным, але няспынным сінтэзам вадароду ва ўніверсуме, дастатковым для таго, каб новыя галактыкі адціскалі наяўныя адна ад адной.

Далейшае разгортванне касмалагічных даследаванняў, аднак, было больш спрыяльным для тэорыі Вялікага Выбуху. З аднаго боку, былі выяўленыя памылкі Э.Хабла, зробленыя ім пры разліках узросту ўніверсуму, а з іншага, – “дасканалы” касмалагічны прынцып не атрымаў эмпірычнага пацвярджэння. У розных спробах карэкцыі хаблавых разлікаў былі атрыманыя, праўда, розныя вынікі (ад 10 да 18-20 млрд. гадоў) [69, c.34-35]; ва ўсіх выпадках, аднак, яны не пярэчылі ўжо эмпірычным знаходкам геолагаў і астраномаў. Акрамя таго, прыхільнікі тэорыі стацыянарнага стану не змаглі знайсці ўцямны адказ на пытанне пра крыніцы сталага ўзнікнення вадароду ў нашым Сусвеце.

Распрацаваныя ў 30-х-40-х гадах мадэлі ўнутранай структуры зорак вырашылі праблему крыніцы іх энергіі (такой крыніцай з’яўляюцца рэакцыі тэрмаядзернага сінтэзу). Разам з тым, аднак, яны паставілі навукоўцаў перад новай загадкай: колькасць ядраў гелію ў нетрах Сонца і іншых зорак выявілася як занадта вялікая, каб быць сінтэзаванай толькі праз згаданыя вышэй рэакцыі. (Падобная сітуацыя склалася, зрэшты, і з дэйтэрыем.) У сувязі з гэтым у 1948 г. Р.Альфер (1921-2007), Г.Бетэ (1906-2005) і Г.Гамаў (1904-1968)[100] прапанавалі ідэю, згодна з якой на сваіх першапачатковых стадыях універсум знаходзіўся не толькі ў надзвычай сціслым (10²⁴ пратонаў і нейтронаў на 1 м³), але і ў надзвычай гарачым, распаленым стане: яго тэмпература павінна была складаць мільярды градусаў па шкале Кельвіна. (Дадзеная ідэя стасуецца, зрэшты, і з законамі тэрмадынамікі [34, т.2, c.869].) У такіх жахлівых, пякельных варунках якраз і павінны былі сінтэзавацца ядры гелію і дэйтэрыю, якія перавышалі ўнутраныя магчымасці зорак [18, c.80].

Мадэлюючы на грунце ядзернай фізікі і рэлятывісцкай касмалогіі разгортванне фізічных працэсаў на ранніх стадыях касмічнай эвалюцыі, Р.Альфер і Р.Херман (1914-1997) прыйшлі да высновы, што Сусвет павінен быць напоўнены рэліктавым халодным выпраменьваннем. У найпрасцейшай мадэлі (калі ардынарная матэрыя знаходзіцца ў стане тэрмічнай квазі-раўнавагі з выпраменьваннем і калі яны ахалоджваюцца ў працэсе пашырэння ўніверсуму без значных крыніц энергіі) згаданае выпраменьванне мусіла мець спектр, характэрны для абсалютна чорнага цела. На дадзенае прадказанне ніхто не звярнуў асаблівай увагі. Толькі ў 60-х гг. група прынстанскіх фізікаў, зацікавіўшыся мадэльлю Вялікага Выбуху, распачала падрыхтоўку да яго праверкі (распрацоўваўся адпаведны дэтэктар, балазе радыёастраномія дасягнула на гэты момант дастаткова высокага ўзроўню ў сваім самаразвіцці). Ім не пашанцавала, аднак, бо іх апярэдзілі два іншыя амерыканскія навукоўцы – А.Пензіяс і Р.Вільсан, якія, вырашаючы зусім іншыя задачы, выявілі згаданае выпраменьванне (і пазней атрымалі за сваё адкрыццё Нобелеўскую прэмію) [26, c.112]. Так, у 1965 г. абсалютна выпадковым чынам высветлілася дакладнасць зробленай Р.Альферам і Р.Херманам высновы. Дадзеная падзея схіліла шалі вагаў на бок тэорыі Вялікага Выбуху: большасць касмолагаў аддала перавагу менавіта ёй (спрацаваў эфект спраўджанага тэарэтычнага прадказання). Разам з тым яна ўзняла і аўтарытэт касмалогіі як навукі.

Наступны надзвычай важны крок у сцвярджэнні і развіцці тэорыі Вялікага Выбуху быў зроблены ў працэсе вывучэння рэліктавага выпраменьвання. Як даводзілася вышэй (4.3.), у рамках рэлятывісцкай касмалогіі дапускаецца, што ўніверсум у глабальных маштабах з’яўляецца гамагенным і ізатропным. Разам з тым ён мае структураваны характар, што змушае весці гаворку пра яго лакальную неаднародносць. У найпрасцейшай мадэлі ягоныя структуры з’яўляюцца вынікам дзеяння гравітацыі на невялічкай неаднароднасці, што магла ўзнікнуць у раннім універсуме. У сувязі з гэтым было зроблена прадказанне, што згаданая неаднароднасць павінна назірацца і ў рэліктавым халодным выпраменьванні (з вельмі маленькай амплітудай, роўнай 1/100000). Дадзенае прадказанне было дакладна пацверджана у выніку назіранняў, праведзеных у касмічнай прасторы пры дапамозе даследчага спадарожніка [18, c.82-83].

Высветліць прычыны ўзнікнення лакальнай неаднароднасці ў зусім маленькім універсуме ў самыя першыя долі секунды яго існавання – гэта надзвычай складаная задача, якая на сённяшні дзень дапускае толькі ў найвышэйшай ступені гіпатэтычныя рашэнні. Найбольш папулярным з такіх рашэнняў з’яўляецца т. зв. інфляцыйная мадэль, якая ў сваіх асновах выходзіць за межы ўсеагульнай тэорыі адноснасці і звяртаецца таксама да квантавай фізікі. Згодна з гэтай гіпотэзай у найпершыя долі секунды наш мікраскапічны па сваіх памерах універсум мусіў павялічыцца ў 10⁵⁰ разоў (доля павялічэння яго энтрапіі мусіла складаць пры гэтым 10²⁸)! [70, c.135]. Такое хуткае павялічэнне шматкроць перавышала, безумоўна, хуткасць святла, што не пярэчыць, аднак, прынцыпам рэлятывісцкай фізікі. Справа ў тым, што яна забараняе рух з больш імклівай, чым 300000 км/с, хуткасцю ў прасторы, але не для самой прасторы. Памянёнае скачкападобнае пашырэнне ўніверсуму адбывалася, згодна з інфляцыйнай гіпотэзай, не зусім раўнамерна (гэта цалкам стасуецца з духам і літарай задзейнічанай у ёй квантавай тэорыі). Адпаведныя мікрафлуктуацыі і стварылі падставу для лакальнай неаднароднасці Сусвету.

Неабходна адзначыць, што гіпотэза інфляцыйнага ўніверсуму, як і іншыя тэарэтычныя пабудовы падобнага кшталту, шмат хто з навукоўцаў успрымае з вялікай доляй скепсісу ці ўвогуле з іранічнай усмешкай. (Вышэй ужо згадвалася пазіцыя К.Ф.фон Вайцзэкера ў гэтым пытанні.) Для грунтоўнага аналізу праблем, звязаных з тымі стадыямі ў развіцці нашага Сусвету, калі ён быў неймаверна маленькім, сціслым і гарачым, фізікам бракуе найперш надзейных тэарэтычных падстаў. Калі для вывучэння адносна больш позніх яго этапаў такія падставы ствараюць малекулярная, атамная фізіка, фізіка элементарных часціц, дык даследаванне самых ранніх касмічных падзей магло б разгортвацца на аснове квантавай тэорыі гравітацыі. Сапраўды, квантавыя і гравітацыйныя эфекты мусяць разам прысутнічаць і выяўляцца ў гэтых падзеях. (Навукоўцы мяркуюць, што адпачаткова усе тыпы фізічных узаемадзеянняў увогуле ўтваралі непадзельнае адзінства.) Аднак квантавай тэорыі гравітацыі ў распараджэнні даследчыкаў пакуль што няма: праблема сінтэзу квантавай і рэлятывісцкай фізікі, як вядома, не знайшла яшчэ свайго грунтоўнага рашэння (4.6).

Акрамя таго, вывучэнне ранняга космасу сутыкаецца з грунтоўнымі цяжкасцямі і ў эмпірычным плане. Як указвалася вышэй (1.3.2), касмічныя сістэмы ўвогуле, як правіла, успрымаюцца ў іх мінулым стане, бо навукоўцы назіраюць іх праз іх выпраменьванне, а яно не можа дасягнуць зямных і размешчаных у касмічнай прасторы тэлескопаў імгненна. Чым далей, значыцца, размешчаны аб’ект, тым больш раннія этапы касмічнай эвалюцыі фіксуе інфармацыя, што ідзе ад яго. Самыя раннія з іх, аднак, (магчыма, першы мільён гадоў) мусяць заставацца ўвогуле недаступнымі для нас, бо наш універсум быў тады непразрыстым. Справа ў тым, што толькі ў гэты час (прыкладна мільён гадоў пасля пачатку пашырэння) пачалі ўтварацца атамы, якія ў адрозненне ад зараджаных часцінак не перашкаджалі ўжо распаўсюджванню выпраменьвання (дадзены шанец і выкарыстала халоднае рэліктавае выпраменьванне, якое бярэ пачатак менавіта ў той час і менавіта дзякуючы ўтварэнню атамаў) [77, c.252-253].

Неабходна адзначыць, што выправіць згаданую сумную сітуацыю фізікі спадзяюцца пры дапамозе Вялікага адроннага калайдэра, на якім яны плануюць прасімуляваць пэўныя эпізоды загадкавай ранняй гісторыі нашага ўніверсуму. Гэта вельмі красамоўны факт, ён яскрава паказвае, што касмалогія (вывучэнне гіганцкіх касмічных структур) не можа абысціся без фізікі, што вывучае найменшыя матэрыяльныя ўтварэнні, без фізікі элементарных часціц. (Даследаванне найвялікшага немагчымае без даследавання мікраскапічна малога – хіба не важкі аргумент на карысць дыялектычнай метадалогіі?) Таму паўстае надзея, што прысвечаныя найбольш раннім стадыям пашырэння бачнага ўніверсуму касмалагічныя гіпотэзы не фатальна асуджаныя заставацца дзіцячым лепетам.

Дарэчы, у іншым – звязаным з зямной фізікай – сваім аспекце яны ва ўсіх выпадках павінны ўспрымацца ў найвышэйшай ступені сур’ёзна. Да гэтага змушае іх высокі эўрыстычны патэнцыял: яны нацэльваюць тэарэтычную і эксперыментальную фізіку на дасягненне новых мэтаў, падштурхоўваюць іх да рашэння новых задач (напрыклад, да стварэння адзінай тэорыі грунтоўных фізічных узаемадзеянняў, даследавання ўласцівасцяў квантавага вакуўму ці атрымання свабодных кваркаў). Акрамя таго, выносячы вердыкт згаданым гіпотэзам, не варта забывацца і на тое, што высокая ступень гіпатэтычнасці – гэта прыроджаная хвароба ўсіх касмалагічных пабудоў.

Тым не менш у спаборніцтве тэарэтычных праектаў ёсць пераможаныя і ёсць пераможцы. Навуковая супольнасць вылучае пэўныя з іх – тыя, што найлепш адпавядаюць дасягнутаму ўзроўню ведаў, надаючы ім парадыгматычны статус. У сучасных умовах ролю парадыгмы выконвае мадэль Вялікага Выбуху. Справа ў тым, што ідэя, згодна з якой бачны Сусвет, які ў аддаленым мінулым знаходзіўся ў надзвычай сціслым і распаленым стане, у працэсе пашырэння і ахалоджвання даў пачатак разнастайным матэрыяльным структурам, найлепш стасуецца з вынікамі эмпірычных даследаванняў.

Тым не менш застаецца цэлы шэраг пытанняў, на якія яна не можа даць адказу. Вышэй шмат гаварылася пра яе недзеяздольнасць у апісанні самых ранніх стадый пашырэння ўніверсуму. Ніяк не лепшая сітуацыя мае месца, аднак, і ў сувязі з пытаннем пра яго прышласць. Справа ў тым, што яно можа быць вырашана толькі на аснове дакладнага вымярэння тых (супрацьлеглых) сіл, што, з аднаго боку, выклікаюць разыходжанне галактык, а з іншага, – супрацьдзейнічаюць яму. На дадзены момант здзейсніць такія вымярэнні немагчыма. Таму немагчыма і высветліць, якая са згаданых вышэй (4.3) фрыдманаўскіх мадэляў адпавядае рэчаіснасці. Недасканаласць Стандартнага касмалагічнага праекту выяўляецца і ў тым, што шмат якія з яго ўнутраных параметраў вызначаюцца не на аснове яго ўласных прынцыпаў, а на аснове назіранняў. Таму ў навукоўцаў застаецца шырокае поле для далейшых пошукаў, і можна з пэўнасцю сцвярджаць, што яны прынясуць яшчэ шмат цікавых знаходак.

Такім чынам, эвалюцыйная рэлятывісцкая касмалогія з неабходнасцю сутыкнулася з пытаннем пра пачатак працэсу пашырэння ўніверсуму. У згодзе з ёй дадзены пачатак мусіць мець дзіўны характар: гаворка ідзе не пра яго ўзнікненне ў прасторы і часе, а пра яго ўзнікненне разам з прасторай і часам. Сучасная фізіка пакуль што не ў стане апісаць такі працэс. Таму нестацыянарная рэлятывісцкая касмалогія (мадэль Вялікага Выбуху) не магла адразу перамагчы ў барацьбе за прыхільнасць навукоўцаў, шмат хто з якіх шукаў больш слушную гіпотэзу. У працэсе далейшых даследаванняў выявілася, аднак, што яна найлепш стасуецца з вынікамі эмпірычных даследаванняў. Акрамя таго, прадказанае на яе аснове існаванне ў нашым універсуме рэліктавага халоднага выпраменьвання было пацверджана ў 1965 г., што рэзка ўзняло яе навуковы статус. У працэсе далейшых даследаванняў яна ўзбагацілася новымі гіпотэзамі і ідэямі. Так, да ўяўлення пра сціслы і гарачы ўніверсум дадалася ідэя яго інфляцыйнай стадыі. Падобныя тэарэтычныя канструкцыі маюць на дадзены момант, аднак, надта гіпатэтычны характар. Тым не менш яны выконваюць важную эўрыстычную ролю (і найперш у дачыненні да “зямной” фізікі).

ПЫТАННІ І ЗАДАННІ

1. Прааналізуйце ўзаемадачыненні фізікі і касмалогіі ў кантэксце распрацоўкі і развіцця мадэлі Вялікага Выбуху.

2. Прааналізуйце набыткі і недахопы мадэлі Вялікага Выбуху. Што, на Вашу думку, пераважае?

3. Як Вы лічыце, чаму выпадкова ўжыты выраз (“Вялікі Выбух”) трывала замацаваўся за Стандартнай мадэльлю сучаснай касмалогіі?

4. Падумайце, якім філасофскім плыням і кірункам Стандартная мадэль сучаснай касмалогіі асабліва блізкая.

Поиск по сайту: