Тем самым возникает очевидная аналогия с элементарной частицей, для которой масса, заряд и спин также служат основными физическими характеристиками.
Разумеется, на данном уровне нащих знаний трудно сказать, что это только чисто внешнее сходство или отражение каких-то неизвестных нам глубинных зависимостей между микро- и мегакосмосом, но факт этот, бесспорно, заслуживает внимания. Тем более что несколько лет назад известным советским физиком-теоретиком академиком М. Марковым была предпринята интересная попытка. В ряде работ он показал, что даже в рамках современных физических теорий целая Вселенная при определенных условиях может со стороны казаться внешнему наблюдателю элементарной частицей, скажем протоном или нейтроном.
Но являются ли в таком случае вообще все наблюдаемые нами частицы гигантскими Вселенными? Вселенными, которые проявляют себя в нашем мире как элементарные частицы? Иными словами, и в мегамире, как и в микромире, в принципе меньшее может состоять из большего...
КАК ПОДОБРАТЬСЯ К ТОЧКЕ?
Если во Вселенной действительно много "черных дыр", то это означает, что в мировом пространстве имеется значительное количество точек, в которых плотность приобретает бесконечную величину. Такие точки называют сингулярными.
Интерес к сингулярности объясняется еще и тем обстоятельством, что, согласно теории расширяющейся Вселенной, она тоже "произошла" из сингулярности, грубо говоря, из точки. И каковы бы ни были различные варианты космологических моделей, устранить из них начальную сингулярность не удается. История Вселенной должна была либо начаться, либо периодически проходить через состояние точки с бесконечной плотностью, в которой любые объекты как бы прекращают свое существование.
Естественный вопрос: могут ли реальные физические величины обращаться в бесконечность?
Вообще говоря, бесконечности в физике могут быть не только "становящимися" или потенциальными, но и актуальными, т. е. "завершенными". В качестве примера актуальной бесконечности можно привести бесконечность пространства Вселенной, если она является незамкнутой.
Возникновение сингулярностей при гравитационном коллапсе вытекает из общей теории относительности. Однако к описанию физических процессов, происходящих вблизи сингулярных точек, современные физические теории, к сожалению, не применимы. Дело в том, что подобные состояния относятся не только к компетенции общей теории относительности. При больших плотностях должны возникать квантовые эффекты. А физической теории, которая объединила бы релятивистские и квантовые явления, пока что не существует.
В принципе не исключено, что поскольку общая теория относительности неприменима к описанию предсказанных ею же самой состояний с бесконечной плотностью массы в какой-то точке, то никаких сингулярностей вообще и не существует. Что касается их присутствия в теории, то это не что иное, как свидетельство неблагополучия, указание на то, что мы пытаемся применять общую теорию относительности за границами ее применимости. Но весь вопрос в том, где именно пролегают эти границы.
Идут споры о том, какой конкретно должна быть будущая общая физическая теория. Однако не вызывает сомнений необходимость четко выяснить границы применимости общей теории относительности в сильных гравитационных полях и вблизи сингулярностей.
По мнению многих крупных исследователей, построение квантовой гравитационной теории и квантовой космологии, которые работали бы при очень больших плотностях, а при плотностях умеренных переходили в обычную классическую теорию" в настоящее время является "задачей номер один" науки о Вселенной.
Проблема, о которой идет речь, самым тесным образом смыкается и с вопросом о физической природе нестационарных явлений, обнаруженных во Вселенной за последние годы. Речь идет о расширении звездных ассоциаций и скоплений галактик, активности ядер галактик и т. п.
И хотя в этих нестационарных явлениях мы прямо не сталкиваемся с сингулярностями, тем не менее большинство таких явлений связано с огромными концентрациями вещества и выделением колоссальных энергий.
Пока что удовлетворительно объяснить нестационарные явления в рамках современных физических теорий не удается. В принципе, возможны два пути. Быть может, с трудностями удастся справиться, объединив эйнштейновскую теорию гравитации с квантовой физикой. Но не исключено, что описать особые состояния материи во Вселенной (этой точки зрения придерживается академик В. А. Амбарцумян) можно, лишь допустив возможность нарушения известных законов физики в этих состояпиях.
В таком случае потребуется не только расширение границ применимости общей теории относительности на область микропроцессов, но и существенное изменение или обобщение этой теории в области макропроцессов, т. е. в той области, где она сегодня применяется.
В сингулярном состоянии Вселенная фактически сгановптся микрообъектом. Это обстоятельство еще раз свидетельствует о тесной связи между мегакосмосом и микромиром. И как подчеркивает ленинградский философ А. М. Мостепаненко, в связи с этим будущая теория эяементарных частиц вряд ли может быть построена без учета космологических обстоятельств, с другой стороны, нельзя понять закономерности строения Вселенной, не учитывая свойств микрообъектов, из которых она в конечном счете состоит.
Поэтому руководящей идеей на пути создания квантовой теории гравитации должна стать идея воздействия микромира на мегамир. В этой связи большой интерес приобретают теоретические исследования эффекта рождения элементарных частиц из вакуума в сильных гравитационных и электрических полях, в частности вблизи космологической сингулярности. Есть даже экзотическая гипотеза, по которой Вселенная, выйдя из "исходного" сингулярного состояния, поначалу вообще была пустой, а все вещество и излучение возникли из вакуума лишь в процессе ее дальнейшей эволюции.
Однако и в рамках такой гипотезы остаются существенные трудности, которые пока не удается преодолеть. Дело в том, что, согласно одному из фундаментальных законов физики, частицы могут рождаться только парами "частица" - "античастица".
Между тем, насколько сейчас известно, Вселенная в основном состоит из вещества. Очень может быть, что эффект рождения частиц из вакуума действует и в современной Вселенной в различных нестационарных процессах взрывного типа. Возможно, например, что электромагнитные поля некоторых космических объектов обладают достаточной энергией для того, чтобы вызывать рождение частиц. Но все эти проблемы требуют еще глубокого теоретического исследования.
Но одно ясно уже и сейчас. Какой бы ни стала будущая квантовая теория гравитации, она самым существенным образом изменит наши представления о пространствевремени.
Необходимо также заметить следующее. Метод построения различных теоретических моделей является одним из весьма эффективных способов изучения Вселенной. Такими моделями являются, например, "Вселенная Фридмана" - теоретическая модель однородной изотропной расширяющейся Вселенной или "Вселенная Зельманова" - модель неоднородной анизотропной Вселенной. В основе втих и других моделей лежат современные фундаментальные физические теории, прежде всего общая -теория относительности.
Однако всегда следует помнить, что модель - это еще не сама Вселенная, а только попытка отразить некоторые ее аспекты. Поэтому автоматически отождествлять выводы той или иной модели с реальностью было бы ошибочным.
Подтвердить справедливость той или иной модели могут только наблюдения. С другой стороны, даже самые экстравагантные теоретические построения заслуживают известного внимания, поскольку они могут вскрыть некоторые определенные свойства реального мира.
ОТ ЭЛЕМЕНТАРНЫХ ЧАСТИЦ
ДО МЛЕЧНЫХ ПУТЕЙ
Взаимосвязь микро- и макропроцессов - одно из конкретных выражений диалектики природы, всеобщей взаимосвязи ее явлений.
Уже сейчас в ряде случаев трудно разделить, где космология и где теория элементарных частиц. В центре внимания современной астрофизики находятся космические объекты, отличающиеся чрезвычайно высокой плотностью, а иногда и очень малыми размерами.
Так, среди различных решений уравнений общей теории относительности, описывающих свойства и эволюцию Вселенной, как мы уже знаем, есть решение типа сингулярности (когда.в некоторой точке плотность достигает бесконечной величины). По существу, сингулярностьэто некий аналог элементарной частицы. Вселенная в начальном сингулярном состоянии фактически превращается в элементарную частицу.
Возникает вопрос: нельзя ли с помощью уравнений общей теории относительности объяснить и некоторые свойства элементарных частиц, а наши знания о свойствах элементарных частиц использовать для выяснения физической сущности тех или иных явлений космического порядка, в частности закономерностей эволюции Вселенной?
Одной из самых жгучих проблем современной астрофизики и естествознания вообще является проблема происхождения звезд и звездных островов-галактик.
На этот счет в современной астрофизике существуют две противоположные концепции. Согласно одной из них, наиболее распространенной (ее обычно называют классической), космические объекты, в том числе звезды и галактики, формируются путем сгущения, конденсации диффузной материи газа и пыли.
Другая концепция, развиваемая академиком В. А. Амбарпумяном и его школой и получившая название Бюраканской (по названию обсерватории), наоборот, исходит из того, что эволюция космических объектов идет от более плотных состояний к менее плотным и что, в частности, "зародышами" звезд и галактик являются гипотетические сверхплотные объекты весьма малых размеров, взрывной распад которых и ведет к образованию различных небесных тел.
В настоящее время между сторонниками обоих направлений ведется острая дискуссия, и отдать кому-либо из них окончательное предпочтение пока не представляется возможным. Это объясняется, с одной стороны, недостатком наблюдательных данных, с другой - возможностью различного, иногда прямо противоположного истолкования одних и тех же фактов. В частности, никто никогда еще не наблюдал ни процесса сгущения диффузной материи в звезды, ни гипотетических сверхплотных тел.
В связи с этим известный советский астрофизик Б. А. Воронцов-Вельяминов не так давно высказал интересное предположение о том, что, быть может, в какой-то степени правы сторонники обеих точек зрения: не исключено, что в бесконечно разнообразной Вселенной совершаются как процессы концентрации материи, так и ее распада.
Интересная попытка построить космогоническую модель, которая в известной мере объединяла бы обе существующие концепции образования звезд и галактик, была предпринята советским физиком-теоретиком Р.Мурадяном.
Основная идея Мурадяна состоит в том, чтобы для выяснения физ.ической сущности явлений космического порядка, в частности закономерностей эволюции Вселенной, использовать некоторые свойства элементарных частиц.
В физике микромира на основе весьма общих теоретических соображений все элементарные частицы делятся на три класса: первый класс включает в себя фотон - порцию электромагнитного излучения, второй - электрон и нейтрино, третий класс - адроны - самый многочисленный (их известно сейчас несколько сотен). К этому классу относятся, в частности, протон, нейтрон и мезоны-частицы с массами промежуточными между массой электрона и массой протона. Значительная часть адронов - нестабильные частицы с очень коротким временем жизни. Особо коротко живущие частицы получили название резонансов.
Среди них имеются частицы, массы которых в несколько раз превосходят массу протона. И есть предположение, согласно которому "спектр масс" элементарных частиц вообще простирается до бесконечности. Если подобное предположение справедливо, то это значит, что при определенных условиях в ультрамалых пространственно-временных областях могут рождаться макроскопические и даже космические объекты. Во всяком случае, современная теория элементарных частиц такую возможность допускает.
Не являются ли в таком случае сверхплотные тела академика Амбарцумяна адронной формой существования материи? Подобная, на первый взгляд, весьма неожиданная идея, выдвинутая Р. Мурадяном, открывает интересные перспективы к построению единой теории образования космических объектов. Согласно новой гипотезе Метагалактика образовалась в результате распада сверхтяжелого суперадрона с массой Ю56 г. Это и был тот "первоатом", тот сверхплотный сгусток материи, который дал начало наблюдаемой Вселенной. Его распад на более мелкие адроны привел к образованию протоскоплений галактик, а последующие распады на адроны с еще меньшими массами - к образованию галактик.
Следующим этапом был распад на адроны с массами меньпгими Ю34 г. Это был своеобразный "фазовый переход" от адронной формы к ядерной. При этом возникли объекты типа нейтронных звезд. Дальнейшие распады, по мысли Мурадяна, должны были привести к образованию диффузного облака, внутри которого в результате конденсации вещества сначала возникли сгущения "протозвезды", а затем процесс образования звезд протекал в соответствии с обычной классической схемой.
Однако если в обычной классической картине образования космических объектов диффузная среда состоит из водорода и гелия, то в модели Мурадяна она может иметь различный химический состав в зависимости от особенностей распада предшествующих ей объектов. А это значит, что тяжелые химические элементы могут возникать не только за счет взрывов сверхновых звезд, как сейчас принято считать, но и в результате деления еще более тяжелых частиц. Это весьма важно, так как классическая теория происхождения тяжелых элементов встречается с рядом серьезных трудностей.
Таким образом, если в обычной классической астрофизике эволюционный процесс идет от объектов более разреженных к менее разреженным и от "беспорядка" к "порядку", то в модели Мурадяна на весьма значительном интервале существования Метагалактики эволюция, наоборот, идет от объектов более плотных к менее плотным и от более упорядоченных к менее упорядоченным.
Нетрудно заметить, что в этой части эволюционная схема Мурадяна хорошо согласуется с идеями Амбарцумяна. Однако с момента фазового перехода от адронной материи к ядерной она ближе к классической космогонии.
Разумеется, пока еще трудно говорить о том, в какой мере оригинальная модель Мурадяна соответствует реальной действительности, - разработка этой модели только начинается. Но новый подход к решению проблемы весьма интересен, поскольку сделана попытка объединить микроявления и космические процессы.
Как известно, одним из важных критериев справедливости той или иной теоретической модели служит ее способность предсказания определенных явлений. Если гипотеза Мурадяна верна и Метагалактика действительно возникла в результате распада суперадрона, то она должна обладать собственным вращением, поскольку собственным вращением обладал исходный суперадрон. Так что открытие вращения Метагалактики явилось бы если и не подтверждением модели Мурадяна, то, во всяком случае, важным свидетельством в ее пользу.
Иногда высказывается мысль о том, что вообще любые космогонические модели, в том числе и гипотеза Мурадяна, являются чисто умозрительными, поскольку они не могут быть проверены наблюдениями.
Однако соображения подобного рода нельзя признать убедительными. Современная космогония стоит на прочной наблюдательной основе. Все более совершенные и мощные средства астрономических исследований позволяют изучать все более удаленные космические объекты. Но, как известно, чем дальше расположен тот или иной космический объект, тем в более глубоком прошлом мы его наблюдаем. А это означает, что вопрос о соответствии тех или иных космогонических моделей реальной действительности в принципе может быть решен наблюдательным путем.
МИР КАК ОН ЕСТЬ
Поскольку речь идет о строении и эволюции Вселенной, о научной картине мироздания, естественно возникает вопрос: почему мир такой, какой он есть? Именно такой, а не какой-нибудь другой?
Однако получить достаточно определенный ответ на таким образом поставленный вопрос вряд ли возможно.
Проблема сформулирована слишком расплывчато.
И видимо, не случайно, затрагивая ту же проблему, А. Л. Зельманов ограничился лишь утверждением о том, что Вселенная существует в том виде, в каком она есть, в силу внутренней необходимости.
Для того чтобы получить на интересующий нас вопрос исчерпывающий ответ, нам надо было бы выйти за рамки наблюдаемой Вселенной и охватить мир во всем его бесконочном разнообразии. А это, увы, невозможно как в принципе, так и по причинам чисто практическим,
Попробуем, однако, сузить задачу. Ограничить ее в такой мере, чтобы она приобрела реальный физический смысл. Очевидно, речь должна идти только о наблюдаемой Вселенной и тех ее свойствах, которые определяются известными нам закономерностями.
Что касается самого вопроса, на который мы хотим получить ответ, то он теперь будет выглядеть примерно таким образом: случайно ли то, что непосредственно окружающий нас мир обладает именно такими свойствами, а не какими-нибудь другими?
В подобной форме проблема становится вполне правомерной, поскольку именно тот вариант Вселенной, который мы наблюдаем, далеко не самый вероятный среди всех мыслимых вариантов.
Разобраться в этом необходимо еще и потому, что, как утверждают религиозные теоретики, стройность мироздания есть результат деятельности творца.
"Достаточно взглянуть на окружающую нас природу, - пишет русский православный священник Л. Гайдукевич. - Везде царит удивительный порядок. Каждое явление начиная с простейшей былинки и кончая мириадами звезд устроено целесообразно, разумно и совершенно. Все носит на себе печать постоянного попечения Вседержителя - Творца".
Прежде всего следует заметить, что определенную картину мира мы наблюдаем благодаря тому, что именно такая картина обеспечивает возможность жизни. Как остроумно заметил А. Л. Зельманов, мы являемся свидетелями процессов определенного типа, потому что процессы иного типа протекают без свидетелей.
В частности, мы совсем не случайно живем именно в расширяющейся Вселенной и наблюдаем красное смещение в спектрах галактик. Взаимное удаление галактик и смещение их излучения в сторону длинных волн ослабляет энергию электромагнитных излучений, пронизывающих космическое пространство. Если бы галактики не разбегались, а сближались, в их спектрах наблюдалось бы не красное смещение, а фиолетовое - сдвиг в сторону высоких частот и жестких, коротковолновых излучений. Плотность излучения в такой Вселенной была бы столь высока, что исключала бы возможность существования биологической жизни...
Каковы наиболее распространенные формы тех космических объектов, которые нас окружают? Это звезды, пыль, газ. Что касается пыли и газа, то в газовых и пылевых туманностях сосредоточена значительная доля вещества Вселенной. Но это переходные формы.
Судя по всему, в современной Вселенной одной из наиболее устойчивых форм обособленных космических объектов является звездная форма. Случайно ли то, что в самых различных уголках наблюдаемой Вселенной материя концентрируется именно в звезды?
У известного американского писателя-фантаста Роберта Шекли есть остроумный рассказ, в котором описывается, как некая космическая строительная фирма по заданию неких "заказчиков" создавала... Метагалактику. Гавумеется, это шутка, и подобный прием понадобился писателю для того, чтобы выявить некоторые закономерности, своеобразные правила игры.
Вот в этих-то "правилах игры" - вся суть дела. Если у нас есть мяч и игроки, это еще далеко не все. С одним и тем же мячом можно играть в самые различные игры. Чтобы игра приобрела определенный смысл и характер, необходимо подчинить ее тем или иным правилам.
Поставим себя на место фантастических конструкторов Вселенной. Прежде чем приступить к ее созданию, нам пришлось бы пе только установить главные свойства ее основных элементов, но и разработать некий свод законов, определяющих поведение и взаимодействие всех без исключения материальных объектов.
Каковы же те законы, благодаря которым в реальной Вселенной преимущественным правом на существование пользуются именно звезды?
В живой природе, как известно, действует естественный отбор. Выживают только те организмы, которые наилучшим образом приспособлены к условиям внешней среды.
Похоже, что своеобразный естественный отбор действует и во Вселенной. В процессе движения материи могут возникать самые разнообразные объекты, но большинство из них оказываются неустойчивыми и быстро разрушаются.
И вместе с тем некоторые космические объекты, в основном звезды, почему-то являются достаточно устойчивыми и способными существовать довольно долго. Почему это так?
Видимо, дело в том, что во Вселенной действует некий "всеобщий регулятор". Есть соображение в пользу того, что этот регулятор - так называемая обратная связь.
В наше время, в эпоху бурного развития кибернетики, электроники и всевозможных автоматических процессов, этот термин широко известен. Обратная связь исполвзуется-для управления полетом ракет, работой станков и механизмов, без нее не было бы радиоприемников и телевизоров и многого другого.
Если говорить просто, обратная связь - это корректировка тех или иных действииГ в зависимости от того эффекта, который они вызывают.
В кибернетике дается более точное определение. Представьте себе некую систему, скажем: автомобиль или самолет, мозг человека или космический корабль или, наконец, Солнце. Остановимся, к примеру, на самолете. Управляя самолетом, пилот переводит рычаги, нажимает те или иные кнопки это входные сигналы. И всякий раз самолет как-то реагирует на подобные действия: увеличивает или уменьшает скорость полета, набирает или теряет высоту, делает вираж или мертвую петлю. Это выходные сигналы. Обратная связь действует тогда, когда выходные сигналы влияют на входные, изменяя их соответствующим образом. Скажем, самолет чересчур круто теряет высоту, и пилот, заметив это, слегка берет штурвал на себя, уменьшая угол снижения.
Человек пользовался обратной связью задолго до того, как ученые сформулировали это понятие и стали применять его в различных технических системах. Предпринимая любое действие, мы не только обязательно учитываем его последствия, но и на ходу вносим необходимые поправки.
Нечто подобное происходит и в природе. Именно наличие обратной связи в целом ряде явлений окружающего мира и обеспечивает устойчивый, стабильный характер многих природных процессов. Простой пример: так называемый физический маятник. Всякое его отклонение от положения равновесия вызывает появление силы, которая возвращает маятник к этому положению.
Обратная связь проявляется не только в живой, но и в неживой природе. С саморегулирующимися системами мы встречаемся и в мире звезд, и в химических превращениях, и в электрических процессах - словом, чуть не на каждом шагу.
Характерный пример-наше Солнце.
Согласно современным физическим представлениям (которые, несмотря на неожиданные результаты нейтрпнных и некоторых других наблюдений, пока еще не отвергнуты и являются общепринятыми), могучая энергия нашего светила рождается в его глубоких недрах, где бурлит и клокочет термоядерная реакция. Человек, как известно, тоже овладел подобной реакцией и научился извлекать энергию, выделяющуюся при объединении ядер водорода в ядра гелия. Но пока что искусственная термоядерная реакция протекает мгновенно, а вся энергия киделяется в форме взрыва. Солнце же расходует энергию постепенно и неторопливо, поддерживая работу своей ядерной топки на строго определенном уровне.
Но как это - "поддерживая"? Ведь у Солнца нет ни собственного разума, ни "пульта управления", на котором работали бы какие-то разумные существа. Вот здесь-то мы и встречаемся с обратной свзью и саморегулированием.
Судя по всему, термоядерный синтез водорода протекает в самой центральной области светила. Эта зона окружена со всех сторон чудовищными массами вещества. Могучее тяготение влечет их к центру Солнца, но этому препятствует колоссальное давление газов, рожденных в пламени термояда. Тем самым достигается относительное равновесие.
Но вот по какой-то причине интенсивность термоядерной реакции несколько падает. Тогда понижаются температура и давление, и под напором окружающего вещества зона реакции начинает сжиматься. Сжатие повышает давление и температуру, и реакция входит в норму. И наоборот, если почему-либо интенсивность синтеза возрастает, избыток энергии расширяет звезду. Расширение вызывает охлаждение центральной зоны, которое продолжается до тех пор, пока реакция не войдет в свою обычную колею.
Солнце - это частный случай, звезда, одна из конкретных форм существования материи. Но уже давно ученые подметили и некоторые общие закономерности - свидетельство того, что принцип обратной связи является одним из фундаментальных свойств мира.
Одна из таких закономерностей была найдена русским физиком Э. X. Ленцем (1804-1865) в электромагнитных явлениях. В школьных учебниках она излагается в виде "правила Ленца", которое имеет чисто практическое значение, - оно позволяет определять направление тока индукции. В действительности это один из случаев, иллюстрирующих принцип обратной связи. Всякое изменение магнитного поля вызывает возникновение тока индукции, магнитноe поле которого в свою очередь противодействует изменениям, вызвавшим этот ток.
Разумеется, на данном уровне нащих знаний трудно сказать, что это только чисто внешнее сходство или отражение каких-то неизвестных нам глубинных зависимостей между микро- и мегакосмосом, но факт этот, бесспорно, заслуживает внимания. Тем более что несколько лет назад известным советским физиком-теоретиком академиком М. Марковым была предпринята интересная попытка. В ряде работ он показал, что даже в рамках современных физических теорий целая Вселенная при определенных условиях может со стороны казаться внешнему наблюдателю элементарной частицей, скажем протоном или нейтроном.
Но являются ли в таком случае вообще все наблюдаемые нами частицы гигантскими Вселенными? Вселенными, которые проявляют себя в нашем мире как элементарные частицы? Иными словами, и в мегамире, как и в микромире, в принципе меньшее может состоять из большего...
КАК ПОДОБРАТЬСЯ К ТОЧКЕ?
Если во Вселенной действительно много "черных дыр", то это означает, что в мировом пространстве имеется значительное количество точек, в которых плотность приобретает бесконечную величину. Такие точки называют сингулярными.
Интерес к сингулярности объясняется еще и тем обстоятельством, что, согласно теории расширяющейся Вселенной, она тоже "произошла" из сингулярности, грубо говоря, из точки. И каковы бы ни были различные варианты космологических моделей, устранить из них начальную сингулярность не удается. История Вселенной должна была либо начаться, либо периодически проходить через состояние точки с бесконечной плотностью, в которой любые объекты как бы прекращают свое существование.
Естественный вопрос: могут ли реальные физические величины обращаться в бесконечность?
Вообще говоря, бесконечности в физике могут быть не только "становящимися" или потенциальными, но и актуальными, т. е. "завершенными". В качестве примера актуальной бесконечности можно привести бесконечность пространства Вселенной, если она является незамкнутой.
Возникновение сингулярностей при гравитационном коллапсе вытекает из общей теории относительности. Однако к описанию физических процессов, происходящих вблизи сингулярных точек, современные физические теории, к сожалению, не применимы. Дело в том, что подобные состояния относятся не только к компетенции общей теории относительности. При больших плотностях должны возникать квантовые эффекты. А физической теории, которая объединила бы релятивистские и квантовые явления, пока что не существует.
В принципе не исключено, что поскольку общая теория относительности неприменима к описанию предсказанных ею же самой состояний с бесконечной плотностью массы в какой-то точке, то никаких сингулярностей вообще и не существует. Что касается их присутствия в теории, то это не что иное, как свидетельство неблагополучия, указание на то, что мы пытаемся применять общую теорию относительности за границами ее применимости. Но весь вопрос в том, где именно пролегают эти границы.
Идут споры о том, какой конкретно должна быть будущая общая физическая теория. Однако не вызывает сомнений необходимость четко выяснить границы применимости общей теории относительности в сильных гравитационных полях и вблизи сингулярностей.
По мнению многих крупных исследователей, построение квантовой гравитационной теории и квантовой космологии, которые работали бы при очень больших плотностях, а при плотностях умеренных переходили в обычную классическую теорию" в настоящее время является "задачей номер один" науки о Вселенной.
Проблема, о которой идет речь, самым тесным образом смыкается и с вопросом о физической природе нестационарных явлений, обнаруженных во Вселенной за последние годы. Речь идет о расширении звездных ассоциаций и скоплений галактик, активности ядер галактик и т. п.
И хотя в этих нестационарных явлениях мы прямо не сталкиваемся с сингулярностями, тем не менее большинство таких явлений связано с огромными концентрациями вещества и выделением колоссальных энергий.
Пока что удовлетворительно объяснить нестационарные явления в рамках современных физических теорий не удается. В принципе, возможны два пути. Быть может, с трудностями удастся справиться, объединив эйнштейновскую теорию гравитации с квантовой физикой. Но не исключено, что описать особые состояния материи во Вселенной (этой точки зрения придерживается академик В. А. Амбарцумян) можно, лишь допустив возможность нарушения известных законов физики в этих состояпиях.
В таком случае потребуется не только расширение границ применимости общей теории относительности на область микропроцессов, но и существенное изменение или обобщение этой теории в области макропроцессов, т. е. в той области, где она сегодня применяется.
В сингулярном состоянии Вселенная фактически сгановптся микрообъектом. Это обстоятельство еще раз свидетельствует о тесной связи между мегакосмосом и микромиром. И как подчеркивает ленинградский философ А. М. Мостепаненко, в связи с этим будущая теория эяементарных частиц вряд ли может быть построена без учета космологических обстоятельств, с другой стороны, нельзя понять закономерности строения Вселенной, не учитывая свойств микрообъектов, из которых она в конечном счете состоит.
Поэтому руководящей идеей на пути создания квантовой теории гравитации должна стать идея воздействия микромира на мегамир. В этой связи большой интерес приобретают теоретические исследования эффекта рождения элементарных частиц из вакуума в сильных гравитационных и электрических полях, в частности вблизи космологической сингулярности. Есть даже экзотическая гипотеза, по которой Вселенная, выйдя из "исходного" сингулярного состояния, поначалу вообще была пустой, а все вещество и излучение возникли из вакуума лишь в процессе ее дальнейшей эволюции.
Однако и в рамках такой гипотезы остаются существенные трудности, которые пока не удается преодолеть. Дело в том, что, согласно одному из фундаментальных законов физики, частицы могут рождаться только парами "частица" - "античастица".
Между тем, насколько сейчас известно, Вселенная в основном состоит из вещества. Очень может быть, что эффект рождения частиц из вакуума действует и в современной Вселенной в различных нестационарных процессах взрывного типа. Возможно, например, что электромагнитные поля некоторых космических объектов обладают достаточной энергией для того, чтобы вызывать рождение частиц. Но все эти проблемы требуют еще глубокого теоретического исследования.
Но одно ясно уже и сейчас. Какой бы ни стала будущая квантовая теория гравитации, она самым существенным образом изменит наши представления о пространствевремени.
Необходимо также заметить следующее. Метод построения различных теоретических моделей является одним из весьма эффективных способов изучения Вселенной. Такими моделями являются, например, "Вселенная Фридмана" - теоретическая модель однородной изотропной расширяющейся Вселенной или "Вселенная Зельманова" - модель неоднородной анизотропной Вселенной. В основе втих и других моделей лежат современные фундаментальные физические теории, прежде всего общая -теория относительности.
Однако всегда следует помнить, что модель - это еще не сама Вселенная, а только попытка отразить некоторые ее аспекты. Поэтому автоматически отождествлять выводы той или иной модели с реальностью было бы ошибочным.
Подтвердить справедливость той или иной модели могут только наблюдения. С другой стороны, даже самые экстравагантные теоретические построения заслуживают известного внимания, поскольку они могут вскрыть некоторые определенные свойства реального мира.
ОТ ЭЛЕМЕНТАРНЫХ ЧАСТИЦ
ДО МЛЕЧНЫХ ПУТЕЙ
Взаимосвязь микро- и макропроцессов - одно из конкретных выражений диалектики природы, всеобщей взаимосвязи ее явлений.
Уже сейчас в ряде случаев трудно разделить, где космология и где теория элементарных частиц. В центре внимания современной астрофизики находятся космические объекты, отличающиеся чрезвычайно высокой плотностью, а иногда и очень малыми размерами.
Так, среди различных решений уравнений общей теории относительности, описывающих свойства и эволюцию Вселенной, как мы уже знаем, есть решение типа сингулярности (когда.в некоторой точке плотность достигает бесконечной величины). По существу, сингулярностьэто некий аналог элементарной частицы. Вселенная в начальном сингулярном состоянии фактически превращается в элементарную частицу.
Возникает вопрос: нельзя ли с помощью уравнений общей теории относительности объяснить и некоторые свойства элементарных частиц, а наши знания о свойствах элементарных частиц использовать для выяснения физической сущности тех или иных явлений космического порядка, в частности закономерностей эволюции Вселенной?
Одной из самых жгучих проблем современной астрофизики и естествознания вообще является проблема происхождения звезд и звездных островов-галактик.
На этот счет в современной астрофизике существуют две противоположные концепции. Согласно одной из них, наиболее распространенной (ее обычно называют классической), космические объекты, в том числе звезды и галактики, формируются путем сгущения, конденсации диффузной материи газа и пыли.
Другая концепция, развиваемая академиком В. А. Амбарпумяном и его школой и получившая название Бюраканской (по названию обсерватории), наоборот, исходит из того, что эволюция космических объектов идет от более плотных состояний к менее плотным и что, в частности, "зародышами" звезд и галактик являются гипотетические сверхплотные объекты весьма малых размеров, взрывной распад которых и ведет к образованию различных небесных тел.
В настоящее время между сторонниками обоих направлений ведется острая дискуссия, и отдать кому-либо из них окончательное предпочтение пока не представляется возможным. Это объясняется, с одной стороны, недостатком наблюдательных данных, с другой - возможностью различного, иногда прямо противоположного истолкования одних и тех же фактов. В частности, никто никогда еще не наблюдал ни процесса сгущения диффузной материи в звезды, ни гипотетических сверхплотных тел.
В связи с этим известный советский астрофизик Б. А. Воронцов-Вельяминов не так давно высказал интересное предположение о том, что, быть может, в какой-то степени правы сторонники обеих точек зрения: не исключено, что в бесконечно разнообразной Вселенной совершаются как процессы концентрации материи, так и ее распада.
Интересная попытка построить космогоническую модель, которая в известной мере объединяла бы обе существующие концепции образования звезд и галактик, была предпринята советским физиком-теоретиком Р.Мурадяном.
Основная идея Мурадяна состоит в том, чтобы для выяснения физ.ической сущности явлений космического порядка, в частности закономерностей эволюции Вселенной, использовать некоторые свойства элементарных частиц.
В физике микромира на основе весьма общих теоретических соображений все элементарные частицы делятся на три класса: первый класс включает в себя фотон - порцию электромагнитного излучения, второй - электрон и нейтрино, третий класс - адроны - самый многочисленный (их известно сейчас несколько сотен). К этому классу относятся, в частности, протон, нейтрон и мезоны-частицы с массами промежуточными между массой электрона и массой протона. Значительная часть адронов - нестабильные частицы с очень коротким временем жизни. Особо коротко живущие частицы получили название резонансов.
Среди них имеются частицы, массы которых в несколько раз превосходят массу протона. И есть предположение, согласно которому "спектр масс" элементарных частиц вообще простирается до бесконечности. Если подобное предположение справедливо, то это значит, что при определенных условиях в ультрамалых пространственно-временных областях могут рождаться макроскопические и даже космические объекты. Во всяком случае, современная теория элементарных частиц такую возможность допускает.
Не являются ли в таком случае сверхплотные тела академика Амбарцумяна адронной формой существования материи? Подобная, на первый взгляд, весьма неожиданная идея, выдвинутая Р. Мурадяном, открывает интересные перспективы к построению единой теории образования космических объектов. Согласно новой гипотезе Метагалактика образовалась в результате распада сверхтяжелого суперадрона с массой Ю56 г. Это и был тот "первоатом", тот сверхплотный сгусток материи, который дал начало наблюдаемой Вселенной. Его распад на более мелкие адроны привел к образованию протоскоплений галактик, а последующие распады на адроны с еще меньшими массами - к образованию галактик.
Следующим этапом был распад на адроны с массами меньпгими Ю34 г. Это был своеобразный "фазовый переход" от адронной формы к ядерной. При этом возникли объекты типа нейтронных звезд. Дальнейшие распады, по мысли Мурадяна, должны были привести к образованию диффузного облака, внутри которого в результате конденсации вещества сначала возникли сгущения "протозвезды", а затем процесс образования звезд протекал в соответствии с обычной классической схемой.
Однако если в обычной классической картине образования космических объектов диффузная среда состоит из водорода и гелия, то в модели Мурадяна она может иметь различный химический состав в зависимости от особенностей распада предшествующих ей объектов. А это значит, что тяжелые химические элементы могут возникать не только за счет взрывов сверхновых звезд, как сейчас принято считать, но и в результате деления еще более тяжелых частиц. Это весьма важно, так как классическая теория происхождения тяжелых элементов встречается с рядом серьезных трудностей.
Таким образом, если в обычной классической астрофизике эволюционный процесс идет от объектов более разреженных к менее разреженным и от "беспорядка" к "порядку", то в модели Мурадяна на весьма значительном интервале существования Метагалактики эволюция, наоборот, идет от объектов более плотных к менее плотным и от более упорядоченных к менее упорядоченным.
Нетрудно заметить, что в этой части эволюционная схема Мурадяна хорошо согласуется с идеями Амбарцумяна. Однако с момента фазового перехода от адронной материи к ядерной она ближе к классической космогонии.
Разумеется, пока еще трудно говорить о том, в какой мере оригинальная модель Мурадяна соответствует реальной действительности, - разработка этой модели только начинается. Но новый подход к решению проблемы весьма интересен, поскольку сделана попытка объединить микроявления и космические процессы.
Как известно, одним из важных критериев справедливости той или иной теоретической модели служит ее способность предсказания определенных явлений. Если гипотеза Мурадяна верна и Метагалактика действительно возникла в результате распада суперадрона, то она должна обладать собственным вращением, поскольку собственным вращением обладал исходный суперадрон. Так что открытие вращения Метагалактики явилось бы если и не подтверждением модели Мурадяна, то, во всяком случае, важным свидетельством в ее пользу.
Иногда высказывается мысль о том, что вообще любые космогонические модели, в том числе и гипотеза Мурадяна, являются чисто умозрительными, поскольку они не могут быть проверены наблюдениями.
Однако соображения подобного рода нельзя признать убедительными. Современная космогония стоит на прочной наблюдательной основе. Все более совершенные и мощные средства астрономических исследований позволяют изучать все более удаленные космические объекты. Но, как известно, чем дальше расположен тот или иной космический объект, тем в более глубоком прошлом мы его наблюдаем. А это означает, что вопрос о соответствии тех или иных космогонических моделей реальной действительности в принципе может быть решен наблюдательным путем.
МИР КАК ОН ЕСТЬ
Поскольку речь идет о строении и эволюции Вселенной, о научной картине мироздания, естественно возникает вопрос: почему мир такой, какой он есть? Именно такой, а не какой-нибудь другой?
Однако получить достаточно определенный ответ на таким образом поставленный вопрос вряд ли возможно.
Проблема сформулирована слишком расплывчато.
И видимо, не случайно, затрагивая ту же проблему, А. Л. Зельманов ограничился лишь утверждением о том, что Вселенная существует в том виде, в каком она есть, в силу внутренней необходимости.
Для того чтобы получить на интересующий нас вопрос исчерпывающий ответ, нам надо было бы выйти за рамки наблюдаемой Вселенной и охватить мир во всем его бесконочном разнообразии. А это, увы, невозможно как в принципе, так и по причинам чисто практическим,
Попробуем, однако, сузить задачу. Ограничить ее в такой мере, чтобы она приобрела реальный физический смысл. Очевидно, речь должна идти только о наблюдаемой Вселенной и тех ее свойствах, которые определяются известными нам закономерностями.
Что касается самого вопроса, на который мы хотим получить ответ, то он теперь будет выглядеть примерно таким образом: случайно ли то, что непосредственно окружающий нас мир обладает именно такими свойствами, а не какими-нибудь другими?
В подобной форме проблема становится вполне правомерной, поскольку именно тот вариант Вселенной, который мы наблюдаем, далеко не самый вероятный среди всех мыслимых вариантов.
Разобраться в этом необходимо еще и потому, что, как утверждают религиозные теоретики, стройность мироздания есть результат деятельности творца.
"Достаточно взглянуть на окружающую нас природу, - пишет русский православный священник Л. Гайдукевич. - Везде царит удивительный порядок. Каждое явление начиная с простейшей былинки и кончая мириадами звезд устроено целесообразно, разумно и совершенно. Все носит на себе печать постоянного попечения Вседержителя - Творца".
Прежде всего следует заметить, что определенную картину мира мы наблюдаем благодаря тому, что именно такая картина обеспечивает возможность жизни. Как остроумно заметил А. Л. Зельманов, мы являемся свидетелями процессов определенного типа, потому что процессы иного типа протекают без свидетелей.
В частности, мы совсем не случайно живем именно в расширяющейся Вселенной и наблюдаем красное смещение в спектрах галактик. Взаимное удаление галактик и смещение их излучения в сторону длинных волн ослабляет энергию электромагнитных излучений, пронизывающих космическое пространство. Если бы галактики не разбегались, а сближались, в их спектрах наблюдалось бы не красное смещение, а фиолетовое - сдвиг в сторону высоких частот и жестких, коротковолновых излучений. Плотность излучения в такой Вселенной была бы столь высока, что исключала бы возможность существования биологической жизни...
Каковы наиболее распространенные формы тех космических объектов, которые нас окружают? Это звезды, пыль, газ. Что касается пыли и газа, то в газовых и пылевых туманностях сосредоточена значительная доля вещества Вселенной. Но это переходные формы.
Судя по всему, в современной Вселенной одной из наиболее устойчивых форм обособленных космических объектов является звездная форма. Случайно ли то, что в самых различных уголках наблюдаемой Вселенной материя концентрируется именно в звезды?
У известного американского писателя-фантаста Роберта Шекли есть остроумный рассказ, в котором описывается, как некая космическая строительная фирма по заданию неких "заказчиков" создавала... Метагалактику. Гавумеется, это шутка, и подобный прием понадобился писателю для того, чтобы выявить некоторые закономерности, своеобразные правила игры.
Вот в этих-то "правилах игры" - вся суть дела. Если у нас есть мяч и игроки, это еще далеко не все. С одним и тем же мячом можно играть в самые различные игры. Чтобы игра приобрела определенный смысл и характер, необходимо подчинить ее тем или иным правилам.
Поставим себя на место фантастических конструкторов Вселенной. Прежде чем приступить к ее созданию, нам пришлось бы пе только установить главные свойства ее основных элементов, но и разработать некий свод законов, определяющих поведение и взаимодействие всех без исключения материальных объектов.
Каковы же те законы, благодаря которым в реальной Вселенной преимущественным правом на существование пользуются именно звезды?
В живой природе, как известно, действует естественный отбор. Выживают только те организмы, которые наилучшим образом приспособлены к условиям внешней среды.
Похоже, что своеобразный естественный отбор действует и во Вселенной. В процессе движения материи могут возникать самые разнообразные объекты, но большинство из них оказываются неустойчивыми и быстро разрушаются.
И вместе с тем некоторые космические объекты, в основном звезды, почему-то являются достаточно устойчивыми и способными существовать довольно долго. Почему это так?
Видимо, дело в том, что во Вселенной действует некий "всеобщий регулятор". Есть соображение в пользу того, что этот регулятор - так называемая обратная связь.
В наше время, в эпоху бурного развития кибернетики, электроники и всевозможных автоматических процессов, этот термин широко известен. Обратная связь исполвзуется-для управления полетом ракет, работой станков и механизмов, без нее не было бы радиоприемников и телевизоров и многого другого.
Если говорить просто, обратная связь - это корректировка тех или иных действииГ в зависимости от того эффекта, который они вызывают.
В кибернетике дается более точное определение. Представьте себе некую систему, скажем: автомобиль или самолет, мозг человека или космический корабль или, наконец, Солнце. Остановимся, к примеру, на самолете. Управляя самолетом, пилот переводит рычаги, нажимает те или иные кнопки это входные сигналы. И всякий раз самолет как-то реагирует на подобные действия: увеличивает или уменьшает скорость полета, набирает или теряет высоту, делает вираж или мертвую петлю. Это выходные сигналы. Обратная связь действует тогда, когда выходные сигналы влияют на входные, изменяя их соответствующим образом. Скажем, самолет чересчур круто теряет высоту, и пилот, заметив это, слегка берет штурвал на себя, уменьшая угол снижения.
Человек пользовался обратной связью задолго до того, как ученые сформулировали это понятие и стали применять его в различных технических системах. Предпринимая любое действие, мы не только обязательно учитываем его последствия, но и на ходу вносим необходимые поправки.
Нечто подобное происходит и в природе. Именно наличие обратной связи в целом ряде явлений окружающего мира и обеспечивает устойчивый, стабильный характер многих природных процессов. Простой пример: так называемый физический маятник. Всякое его отклонение от положения равновесия вызывает появление силы, которая возвращает маятник к этому положению.
Обратная связь проявляется не только в живой, но и в неживой природе. С саморегулирующимися системами мы встречаемся и в мире звезд, и в химических превращениях, и в электрических процессах - словом, чуть не на каждом шагу.
Характерный пример-наше Солнце.
Согласно современным физическим представлениям (которые, несмотря на неожиданные результаты нейтрпнных и некоторых других наблюдений, пока еще не отвергнуты и являются общепринятыми), могучая энергия нашего светила рождается в его глубоких недрах, где бурлит и клокочет термоядерная реакция. Человек, как известно, тоже овладел подобной реакцией и научился извлекать энергию, выделяющуюся при объединении ядер водорода в ядра гелия. Но пока что искусственная термоядерная реакция протекает мгновенно, а вся энергия киделяется в форме взрыва. Солнце же расходует энергию постепенно и неторопливо, поддерживая работу своей ядерной топки на строго определенном уровне.
Но как это - "поддерживая"? Ведь у Солнца нет ни собственного разума, ни "пульта управления", на котором работали бы какие-то разумные существа. Вот здесь-то мы и встречаемся с обратной свзью и саморегулированием.
Судя по всему, термоядерный синтез водорода протекает в самой центральной области светила. Эта зона окружена со всех сторон чудовищными массами вещества. Могучее тяготение влечет их к центру Солнца, но этому препятствует колоссальное давление газов, рожденных в пламени термояда. Тем самым достигается относительное равновесие.
Но вот по какой-то причине интенсивность термоядерной реакции несколько падает. Тогда понижаются температура и давление, и под напором окружающего вещества зона реакции начинает сжиматься. Сжатие повышает давление и температуру, и реакция входит в норму. И наоборот, если почему-либо интенсивность синтеза возрастает, избыток энергии расширяет звезду. Расширение вызывает охлаждение центральной зоны, которое продолжается до тех пор, пока реакция не войдет в свою обычную колею.
Солнце - это частный случай, звезда, одна из конкретных форм существования материи. Но уже давно ученые подметили и некоторые общие закономерности - свидетельство того, что принцип обратной связи является одним из фундаментальных свойств мира.
Одна из таких закономерностей была найдена русским физиком Э. X. Ленцем (1804-1865) в электромагнитных явлениях. В школьных учебниках она излагается в виде "правила Ленца", которое имеет чисто практическое значение, - оно позволяет определять направление тока индукции. В действительности это один из случаев, иллюстрирующих принцип обратной связи. Всякое изменение магнитного поля вызывает возникновение тока индукции, магнитноe поле которого в свою очередь противодействует изменениям, вызвавшим этот ток.