О РАЗВИТИИ НЕКОТОРЫХ КОНЦЕПЦИЙ СОВРЕМЕННОГО ЕСТЕСТВОЗНАНИЯ

© Е.П.Гора
© Государственный музей истории космонавтики им. К.Э. Циолковского, г. Калуга
Секция "К.Э. Циолковский и проблемы образования"
2009 г.

Космология изучает Вселенную как единое целое, в том числе ее «судьбу». Небезынтересна «судьба Вселенной» была и для К.Э. Циолковского. Основоположник теоретической космонавтики в своих научных трудах касался вопросов рождения, развития и «вечной юности Вселенной».

Первый этап в истории космологии был связан с изобретением в XVII веке телескопа. С его помощью Галилео Галилей, основываясь на работах выдающихся астрономов Н. Коперника и И. Кеплера, сделал космос предметом серьезных научных исследований. Кульминацией развития космологии на этом этапе стали работы И. Ньютона, который сформулировал фундаментальные законы, управляющие движением небесных тел. Стало ясно, что на все тела действуют силы, которые можно измерить и подсчитать.

Начало второго этапа в истории космологии было положено изобретением больших телескопов с рефлектором диаметром в 250 см. В 1920-е годы при помощи такого гигантского телескопа астроном Э. Хаббл опроверг вековые догмы, гласившие, что Вселенная неизменна и вечна. Он показал, что галактики удаляются от Земли с невероятными скоростями – Вселенная расширяется. Это подтвердило положения общей теории относительности А. Эйнштейна, в которой архитектура пространства-времени представала не плоской и линейной, а динамичной и искривленной. В результате появилась версия, согласно которой Вселенная произошла в результате «Большого Взрыва». Новаторская работа Дж. Гамова и его коллег, приверженцев теории Большого Взрыва, а также работа Ф. Хойла, посвященная происхождению химических элементов, способствовали выстраиванию общей картины эволюции Вселенной.

В настоящее время космология находится на третьем этапе своего развития. Он был вызван современным прогрессом технологий (появлением целого арсенала новых приборов, таких, как космические спутники, лазеры, детекторы гравитационных волн, рентгеновские телескопы и высокоскоростные суперкомпьютеры), а также новейшими открытиями в теоретической физике. На данный момент мы располагаем сведениями о природе Вселенной, ее возрасте, составе и тенденциях развития. Известно, что Вселенная стремительно расширяется, ускоряя это движение и постепенно становясь все холоднее и холоднее. Если этот процесс будет продолжаться, то мы столкнемся с перспективой «Большого Охлаждения».

После работ Эйнштейна первым крупным достижением в физике стали теория суперструн и М-теория. На протяжении последних 30 лет своей жизни Эйнштейн пытался создать единую теорию поля: дать общее объяснение всем известным силам во Вселенной. Но ему никак не удавалось объединить силы гравитации и электромагнетизма. Согласно общей теории относительности, сила гравитации является результатом искривления самой структуры пространства и времени.

Последние 100 лет физики пытались создать теорию всего – единый набор уравнений для описания материи и всех сил во Вселенной. В 1973 году ученые вывели математическую формулу, в которой объединялись электромагнитная, сильная и слабая силы. Известная под названием теории великого объединения, она дала по-настоящему космическое видение фундаментальных сил природы. Согласно данной теории, все три силы когда-то были частью одной «суперсилы», управлявшей Вселенной после «Большого Взрыва». По мере того, как Вселенная охлаждалась, эти три силы распались и создали Вселенную такой, какой она является сейчас.

Следующей важной вехой в развитии теории великого объединения было открытие «суперсимметрии». Это математическое свойство, с помощью которого объединяют частицы, составляющие материю (например, электроны и протоны), с теми, которые переносят силы (к примеру, фотоны).

Некоторые теоретики пытались объяснить силу гравитации при помощи квантовой теории поля. Так, по мнению С. Хокинга, занимающего кресло Лукасовского профессора математики в Кембриджском университете, наследуя на этом посту И. Ньютона и П. Дирака, квантовая гравитация, по-видимому, имеет глубокую связь с термодинамикой (к сфере которой относится понятие энтропии) и может проявлять голографические свойства. Но, как и Эйнштейн, теоретики сталкиваются с труднопреодолимыми проблемами в математике.

В 1970-х годах теоретики обнаружили, что частицы являются не просто точками, а маленькими многомерными струнами, размер которых приближается к размеру длины М. Планка 10-35 см (масштаб, в котором разрушаются обычные понятия пространства и времени под воздействием квантовых эффектов). Объединив струны с суперсимметрией, они получили суперструны.

В 1984 году ученые заявили, что смогут объединить силу гравитации с другими силами с помощью суперструн, которые должны существовать... в десяти измерениях. Однако, и это еще не все. К концу 1980-х годов теоретики разработали не менее пяти теорий суперструн и не знали, какую из них выбрать. Стало ясно, что теория струн не дает законченной картины. Как выяснилось, струны – лишь один из элементов широкого класса объектов, которые могут иметь более одного измерения. П. Таунсенд, сотрудник факультета прикладной математики и теоретической физики в Кембриджском университете, который во многом заложил основу для изучения таких объектов, стал называть их «р-бранами». Такая р-брана имеет протяженность в р направлениях. Так, при р=1 брана является струной, а при р=2 – поверхностью или мембраной. Все р-браны можно найти как решения уравнений теории супергравитации в 10 или 11 измерениях.

В 1995 году Э. Виттен, сотрудник Института перспективных исследований в городе Принстоне, показал, что все пять теорий суперструн являются лишь примерными описаниями одной общей идеи, которую он назвал М-теорией, от слова «мембрана». Тогда пять теорий суперструн оказываются многомерными «гранями» 11-мерных мембран, из которых все, кроме четырех, свернуты до таких маленьких размеров, что их невозможно увидеть. М-теория является главным кандидатом на роль теории всего, в которой может быть выявлена скрытая связь между микромиром субатомных частиц и космическим мегамиром. Однако в настоящее время проблема заключается в избытке решений уравнений теории суперструн. В некоторых вычислениях получается 1 с 500 нулями, и в каждом описывается совершенно отличная от других Вселенная.

Некоторые теоретики полагают, что, возможно, наш мир с его разнообразными силами и частицами, является лишь частью гигантского «мультимира», состоящего из бесчетного количества миров, у каждого из которых свои законы. Если это так, то не имеет смысла спрашивать, какое из уравнений теории суперструн правильно. Они все могут быть верными описаниями различных частей мультимира. Что до доказательств, в 1925 году Э. Шредингер вывел уравнение, согласно которому каждую частицу можно описать на основе огромного количества волн, в каждой из которых отражается разное возможное состояние частицы, то есть частицы одновременно существуют в огромном количестве различных состояний. Между тем, в реальном мире частицы появляются лишь в одном состоянии.

В 1957 году было сделано предположение, что огромное количество различных волн свидетельствует об одновременном существовании частиц в огромном количестве параллельных миров. При этом мы видим лишь одно состояние из бесчетного числа возможных, поскольку существует лишь одно состояние для каждого параллельного мира. Полагают, что существование других миров может оказывать влияние на то, что мы видим. Волны внутри них оказывают воздействие на волны в нашей Вселенной, создавая эффект интерференции. Известно, что конечной точкой эволюции миллиардов умирающих звезд-гигантов являются черные дыры. Эйнштейн, который считал, что черные дыры – явление в природе слишком невероятное, показал возможность существования в недрах черных дыр пространственно-временных порталов. Эти порталы современные физики считают «вратами» в другие измерения. В 1935 году А. Эйнштейн и его студент Н. Розен представили физическому миру теорию порталов. Современные космологи предполагают, что мост Эйнштейна-Розена может служить «вратами» между двумя Вселенными.

Конечно, все не так просто. Ведь мир физиков-теоретиков – это мир математических формул. У теоретиков пока нет наблюдений, объяснение которых требовало бы дополнительных измерений. Однако есть вероятность того, что они могут появиться на Большом андронном коллайдере LHC в Женеве.

В свете нынешних представлений, нашу Вселенную можно сравнить с пузырьком воздуха. Согласно этой концепции, вселенные образуются непрерывно, словно пузырьки при кипении воды, и разлетаются по гиперкосмическому пространству, обладающему одиннадцатью измерениями.

В 1999 году участников конференции на тему квантовых вычислений в институте Исаака Ньютона в Кембридже, который в этом году отмечает свое 800-летие, спросили, что они обо всем этом думают. Из 90 человек, выразивших свое мнение, 33% придерживались точки зрения множественности миров.