Наука - изучение моделей окружающего мира приближенными методами. Ю.Н. Кузьмин (эпиграф редакции)

За годы своего существования космология стала вполне зрелой опытной наукой, способной не просто теоретизировать, но и находить эмпирические обоснования своим математическим выводам и обобщениям. Следует отметить, однако, что космология является ареной острого соперничества теорий и моделей, исходящих из различных, нередко совершенно противоположных посылок.

Сложившееся здесь эмпирическая ситуация такова, что с ней так или иначе можно согласовать множество теоретических схем отличающихся (нередко значительно и существенно) друг от друга по своей концептуальной и методологической структуре, но претендующих на описание одного и того же объекта. Поэтому традиционные методы подтверждения теории в этой науке не всегда эффективны.

Гейзенберг считал, что понятие физического закона вообще неприменимо к Вселенной, а потому "космология не может ставить перед собой задачу изучать законы космоса в целом. Мы изучаем законы природы в конечных областях, допустимых нашему наблюдению или эксперименту." [1]

Противоборство различных теоретических моделей Вселенной, сформулированных зачастую в пределах одной и той же исследовательской программы - только одна сторона критической познавательной ситуации, сложившейся в научной космологии к настоящему времени.

Другая сторона - конфронтация методологических установок, лежащих в самом философско-мировоззренческом основании соперничающих исследовательских программ. Явление взрывного расширения Вселенной, математически предсказанное А. Фридманом (1922 г.), астрономически обнаруженное Э. Хабблом в 1929 г. и физически осмысленное Леметром, приобрело статус обоснованного научного факта в релятивистской космологии.

В 1948 году Г. Бонди, Т.Гоулдом и Ф.Хойлом была выдвинута новая модель, известная как модель "постоянного состояния". Она описывала постоянно расширяющуюся Вселенную, не имеющую ни начала, ни конца.

Открытие А.Пензиасом и Р.Вильсоном в 1964 году микроволнового излучения было расценено как самое убедительное доказательство того, что Вселенная возникла в результате горячего Большого Взрыва.

Джайант В. Нарликара (профессор космологии Института фундаментальных исследований Тата, Бомбей) считает, что микроволновый фон в конечном счете не имеет реликтового характера. Фоновое излучение заполняет Вселенную на всех длинах волн - от радиоволн до рентгеновских и гамма-лучей. Оно может представлять собой переработанное излучение, поступающее главным образом от звезд. Такая переработка может осуществляться частицами пыли, если они в небольших количествах присутствуют в межгалактическом пространстве.

Теория такого процесса способна найти правдоподобное объяснение микроволнового фона и позиции космологии Большого Взрыва будут существенно ослаблены, а теория постоянного состояния получит новое подтверждение. По мнению других ученых появление теории сингулярности - скорее отражение неполноты нашего понимания природы, чем описание физической реальности.

Таким образом, необходимо исходить из следующего гносеологического факта: известные законы физики, как и законы других естественных наук, сформулированы на базе обобщения тех результатов познания, которые получены в пределах крайне малой пространственной области и практически в одно мгновение истории космоса. В связи с этим возникают следующие вопросы:

Во-первых, возможно ли исходя из нашего, геоцентрического и ограниченного во времени познавательного опыта, полученного в ходе изучения локального поведения материи "здесь" и "теперь", адекватно судить о глобальном поведении Вселенной в целом или даже Метагалактики, отличающейся от привычного нам макромира чрезвычайно большими пространственно-временными масштабами и масс-энергетическими характеристиками?

Во-вторых, насколько обоснована сама процедура познавательного скачка - логического перехода от знания об одной предметной области к знанию о другой, несравненно более широкой?

Именно эти фундаментальные вопросы и стали предметом глубоких размышлений космологов в дискуссиях 30-60-х годов. Э.Милн составил перечень вопросов, на которые релятивистская космология , по его мнению, не дает однозначного ответа:

1. В каком состоянии находится реальная Вселенная - статичном или динамичном?
2. Имеет ли она конечную или бесконечную пространственную протяженность?
3. Число ее частиц конечно или бесконечно?
4. Ее пространственная структура плоская или искривленная?
5. Конечна она во времени или бесконечна?
6. Однородна Вселенная или нет?

Результаты своих исследование Милн подытожил следующими словами: "Кинематический анализ свидетельствует, что ответы на вышеперечисленные вопросы зависят от принятой шкалы времени, а принятие соответствующей шкалы времени - произвольный акт исследователя". [2]

Авторы взяли на себя смелость подхватить эстафетную палочку дискуссии прошлых лет и попытались развить, в некоторых случаях даже переосмыслить фундаментальные противоречия космологии.

Теория Большого Взрыва (ТБВ), как известно, построена на фридмановском решении некорректированных уравнений Эйнштейна. Последние используют четырехмерный пространственно-временной континуум (ПВК), являющийся атрибутом материи. Именно здесь и начинаются неприятности:

1. Процесс Большого Взрыва описан с точностью до мельчайших долей секунды. Вопрос: какой секунды - земной, марсианской, галактической? Это ведь эталонируемая единица, каков же эталон? Тем более, что уравнения Эйнштейна подчеркивают зависимость длины и времени от величины гравитационного поля, которое в сингулярной праВселенной, видимо, очень и очень велико! Не окажется ли тысячная после взрыва микросекунда много больше теперешнего миллиона лет? Что получится из уравнений Эйнштейна, если аргументы в них вдруг окажутся нелинейными функциями решений?

2. Сингулярный первоисточник Большого Взрыва содержал в себе всю материю (включая вакуум Дирака) - следовательно, вне его не было ни пространства, ни времени. Вопрос: в чем расширялась Вселенная?

3. Как только время стало одной из осей координат ПВК, понятия "процесс, развитие, динамика" стали бессмысленными. В ПВК сосуществуют все так называемые стадии и состояния, в нем нет "было", "есть", "будет". Все эти три слова означают только различные значения временной координаты. К тому же, не определен масштаб, а общепринятое упорядочение не обязательно единственное. Вопрос: о каком же расширении, собственно, идет речь?

4. Вся теория относительности основана на постоянстве скорости света (опыты Ремера, Майкельсона), измеренной в условиях Солнечной системы. Вопрос: такова ли она в центрах галактик или между ними, где гравитационное поле отличается от нашего на несколько порядков? Не слишком ли смелая экстраполяция? (Черные дыры, полученные тем же способом, что и ТБВ, останавливают свет!) А ведь постоянная Хаббла вычислена для нашей скорости света и нашей гравитации.

5. Не будем касаться измерения расстояний до звезд, тем более галактик, обратим внимание лишь на то, что свет удаленных источников тем более "древний", чем дальше мы забираемся своими инструментами. Вообще говоря, можно было бы ожидать, что при радиальном расширении из одной точки свойства пространства будут закономерно, но нелинейно меняться со временем. Забравшись вглубь истории Вселенной, мы могли бы ожидать некоих различий. Мы их не видим - значит, либо их нет, либо мы неверно интерпретируем увиденное.

Резюмируя сказанное, мы вынуждены прежде всего отдать себе отчет в следующем:

ТБВ по нашему мнению не удовлетворяет этим требованиям и в основе его популярности лежат две причины, исподволь влияющие на людей (порознь или обе вместе):

Предлагая вниманию читателя другие гипотезы, авторы учитывают свою и своих современников психологическую склонность к мистике чисел (подобную средневековой вере в мистику заклинаний) и намерены всячески избегать расчетов, чтобы не оказывать на читателей психологического давления.

Гипотеза старения света.

Гипотеза старения света впервые была высказана известным советским астрономом Козыревым и, говоря об экспериментальной базе ТБВ, нельзя не отметить, что доплеровский механизм красного смещения света звезд экспериментально обоснован ничуть не более, чем козыревское "старение" света. Между тем последнее больше соответствует "бритве Оккама" - "не умножать сущности без необходимости".

Соблюдая обещание не злоупотреблять "магией чисел", мы приведем эту гипотезу в изложении Дэвида Джоунса по книге "Изобретения Дедала" [3].

..."Обычно красное смещение интерпретируется как доплеровский сдвиг частоты, возникающий из-за того, что галактика удаляется от нас с кажущейся скоростью V = Нd. Под скоростью распространения излучения vизл обычно понимают скорость света в вакууме; однако поскольку межзвездный газ в действительности имеет коэффициент преломления, не равный 1 (n ~ 1,000138), следовало бы принять vизл = c/n, где n - показатель преломления среды. Считая эту зависимость линейной для небольших (по космическим масштабам) расстояний, мы можем принять d = dl, тогда: -dn/n = nHdl/c. Обозначив величину c/nH через L, получим -dn/n = dl/L.

Если понимать это выражение как меру "усталости" света (т.е. считать, что при прохождении в среде расстояния dl частота света уменьшается на dn), то, проинтегрировав его, мы получим выражение для уменьшения частоты на конечном пути l: n = n0exp(-l/L). Здесь n0 - исходная частота света, а n - его частота после прохождения пути l в преломляющей среде.

Частота света уменьшается в е раз на пути l = L; L поэтому можно назвать "характеристическим космическим расстоянием", Lхаракт.

Аналогично можно ввести характерный масштаб, на котором частота света уменьшается вдвое: L0,5 = Lхарактln2 = 0,69 c/nH.

Поскольку n очень близко к 1, это хорошо согласуется с L0,5 = 0,6 c/H, полученной из формулы для доплеровского сдвига с релятивистской поправкой."

Иначе говоря, расчеты Дэвида Джоунса прекрасно объясняют красное смещение, тем более, что уменьшение скорости электромагнитных волн в межзвездной среде не только экспериментально доказано, но и используется астрономами для определения расстояния до пульсаров [4].

Метод основан на дисперсии радиоволн в межзвездной среде: кратковременный импульс электромагнитного излучения представляет собой широкий спектр волн, скорость которых в среде различна. Поэтому по мере распространения импульс "растягивается", более короткие волны уходят вперед и по величине этого опережения можно оценить пройденное волнами расстояние. (Это хорошо знают радисты по распространению импульсов в кабелях).

Так, например, импульс пульсара СР1919 на волне 7,5 м (~ 40 Мгц) добирается до Земли на 8 с дольше, чем тот же импульс на волне 10 см (3000 Мгц) при общем времени 13 Гс (гигасекунд).

"Меркаторская" гипотеза.

Экспериментально проверено искривление световых лучей, проходящих вблизи тяготеющей массы (Солнца). Так как Вселенная заполнена гравитационным полем, абсолютное значение напряженности которого мы не можем измерить (мы ощущаем и измеряем его неоднородность), следует допустить, что метрика* нашего пространства не евклидова, а, например, Лобачевского, и наше трехмерное пространство искривлено.

*Читатель должен отдать себе отчет в том, что эта бесконечно тонкая в радиальном направлении поверхность и есть наше трехмерное пространство, а координата, в которой показан радиус кривизны - четвертое измерение, но отнюдь не пространственная в нашем обыденном представлении (см., например, рисунок на обложке ВМ N 1 1996 г.). Примерное представление можно получить из рассмотрения рис. 1.



Рис. 1. Четырехмерный гиперкуб в метрике Лобачевского (1а) и одна из его трехмерных гиперграней (трехмерный куб 1б).

На рис. 1а изображен (на двумерной плоскости) четырехмерный гиперкуб с метрикой Лобачевского. Если длину ребер этого гиперкуба, соответствующих четвертой координате положить равной 0, то гиперкуб выродится в трехмерный куб той же метрики (рис. 1б). (Прим. редактора)

Допустим также, что наша Вселенная - это бесконечный, но ограниченный домен Гипервселенной, который для наглядности (но и только) мы изобразим (рис. 2) сферической поверхностью большого, но конечного радиуса. Все наблюдаемые нами события происходят внутри (в "толще") этой поверхности, и, разумеется, подчиняются метрике Лобачевского. Мы же, существа, приученные своим локальным опытом к евклидовой метрике, проецируем поверхность сферы на плоскость так, как это показано на рисунке. При этом диаметрально противоположная нам точка Р будет восприниматься нами как бесконечность, а длина дуги аb заменится более длинной прямой a'b'. Такое же искажение претерпит и длина волны.

На этом рисунке S, S' - истинное и вычисленное по параллаксу положение звезды (сильно преувеличено), aa' - диаметр земной орбиты.

Авторы в настоящее время пытаются поставить себя на место "надвселенческого" шестимерного субъекта. Если и как только это им благополучно и без последствий удастся сделать, читатели немедленно будут извещены о том, как все мы выглядим с этой точки зрения.

Литература.

1. Гейзенберг В. Космология, элементарные частицы, симметрия. - "Природа", 1969, N 2, с. 78.
2. Miln E. Cosmological Theories, - "Astrophysical Jornal", 1940, vol. 91, N 2, р. 157.
3. David E. H. Jones. The Inventions of Daedalus. W.H. Freeman & Company. Oxford and San Francisco, 1982.1
4. В.Л. Гинзбург, Пульсары, "Знание", 1970.