Текст книги "Эволюционизм. Том первый: История природы и общая теория эволюции"

Согласно теории, суперструны могли образоваться на ранних стадиях существования Метагалактики. Они могут иметь длину в миллионы световых лет обладать колоссальными массами, не уступающими галактикам. Обнаружить же эти струны невозможно из-за микроскопического диаметра их поперечника, размеры которого варьируются от величины кварков до величины атомов. Как и чёрные дыры, суперструны можно обнаружить лишь по косвенным эффектам, например, по гравитационному возмущению, оказываемому на окружающее вещество, либо по отклонению света, т. е. эффекту гравитационной линзы. Конечно, соблазнительно объяснить невидимую материю наличием тонких струн, играющих роль демиурга космических систем. Но это объяснение чересчур притянуто за волосы (точнее, за струны), чтобы быть истинным. Скрытая материя, скорее всего, связана с искривлениями пространства-времени в целом, а не с колебаниями струн, вибрирующих в этом пространстве-времени. Колебательные эффекты, по-видимому, создают не струны, а внутренние, чрезвычайно тонкие структуры пространственно-временного «листа», на котором эволюционирует материя Метагалактики.

Наряду с невидимой материей в Метагалактике, как оказалось, действует и скрытая энергия, направленность которой диаметрально противоположна невидимой материи. Она была открыта лишь в самом конце XX века. В 1998 г. американский астрофизик из Чикаго Майкл Тернер назвал эту энергию «тёмной». Это название обосновано не только скрытостью механизма действия этой энергии на материю, но и непонятностью её природы.

До обнаружения скрытой энергии считалось, что пространство-время Метагалактики после Большого Взрыва расширяется как бы по инерции, в соответствии с заданным Взрывом могучим однократным импульсом-толчком. Антигравитация считалась чисто теоретическим изобретением, она признавалась возможной в других мирах, но в нашей Метагалактике с присущим ей законом всемирного тяготения антигравитации, казалось, просто не оставалось места. Не обнаружена она была и в астрономических наблюдениях.

И лишь на рубеже теперь уже прошлого двадцатого и нынешнего XXI века было обнаружено и доказано, что если для различных частей нашей Вселенной присущ закон всемирного тяготения, то для Метагалактики в целом свойственен закон всемирного отталкивания. Доказательства существования скрытой энергии астрономы собрали сразу по двум направлениям: исследуя вспышки сверхновых звёзд и анализируя космическое фоновое излучение.

В 1998 г. исследования целого ряда сверхновых звёзд, обладающих одинаковой светимостью, показали, что эти звёзды светят слабее, чем если бы их движение определялось только силой гравитационного притяжения. А значит, поскольку светимость падает по мере удаления светящегося объекта, они находятся от нас значительно дальше и удаляются с определённым ускорением. Но задавать такое ускорение, преодолевая притяжение, могла только скрытая энергия, основанная на антигравитации.

Американский астроном Адам Райс при изучении снимков, полученных с помощью знаменитого орбитального телескопа имени Хаббла, выявил существование самой далёкой от нас сверхновой звезды. Светимость этой звезды, находящейся от нас на расстоянии 10 млрд. световых лет, оказалась точно соответствующей теоретическим расчётам, построенным на основе представлений об ускоренном удалении такого объекта от наблюдателя. Это было сочтено экспериментальным подтверждением существования «выталкивающей силы», обусловливающей такое значительное ускорение.

По мнению Райса, эволюция Метагалактики проходила попеременно под определяющим действием сначала гравитации, а затем антигравитации. Борьба этих двух начал предопределила крупномасштабную структуру нашей Вселенной, её строение на основе чередования заполненных светящейся и невидимой материей пространств с колоссальными пустотами – войдами. Около пяти миллиардов лет назад, т. е. приблизительно к началу формирования планеты Земля, скрытая энергия одержала окончательную победу над силой гравитации, и с тех пор наша Вселенная расширяется со всё возрастающей скоростью.

Разумеется, исследования сверхновых не давали прочной основы для определения роли и значения скрытой энергии в эволюции Метагалактики, оценки её силы и содержания в нашей Вселенной. Исследования фонового излучения, проходившие одновременно с исследованиями сверхновых, не только подтвердили выводы астрономов о существовании скрытой энергии, но и позволили оценить количественно её содержание в Метагалактике. Согласно компьютерному анализу данных, собранных на основе этих исследований, Метагалактика на 70 % состоит из антигравитирующей скрытой энергии, на 25 % – из невидимой материи и только на 5 % – из видимого, светящегося и ярко блистающего в темноте вещества. Конечно, эти оценки вступают в противоречие с вышеприведенными оценками количества невидимой гравитирующей материи, в соответствии с которыми она составляет не менее 95 % массы нашей Вселенной. Это вопрос спорный. Но наличие в Метагалактике скрытой энергии огромной мощи, приводящей к ускорению расширения пространства-времени, в настоящее время никто не осмеливается оспаривать. Доказательства приведены достаточно веские и разносторонние: на основе поведения и местонахождения сверхновых звёзд, фонового излучения и газовых облаков. В 2002 г. к этим доказательствам добавились выводы исследований квазаров и так называемых космических мазеров, наблюдаемое поведение которых вполне укладывается в картину ускоренного расширения Метагалактики под действием скрытой энергии.

Соответственно сложились две конкурирующие версии дальнейшей эволюции нашей Вселенной. По одной из них, экстраполирующей нынешнее состояние на будущее, Метагалактика будет и дальше ускоренно расширяться, вследствие чего через приблизительно 30 млрд. лет рассыплется и распадётся на всё более мелкие части. По другой версии, вслед за эпохой господства скрытой энергии вновь придёт эпоха доминирования гравитации, и тогда Метагалактика замедлит своё расширение либо даже начнёт сжиматься, подобно тому, как пульсирует сердце человека.

Открытым остаётся и вопрос о причинах и источниках скрытой энергии. В отличие от невидимой массы, строение которой так же дискретно и иерархично, как строение светящейся материи, скрытая энергия распределена в пространстве однородно. Это предопределило попытки отождествить скрытую энергию с энергией вакуума. Однако расчёты теоретиков показали, что плотность энергии, порождаемой виртуальными квантовыми процессами, гораздо ниже той, которая развивается скрытой энергией. По существу, скрытая энергия может рассматриваться как пятый по счёту и весьма специфический тип фундаментального взаимодействия.

Одним из наиболее логичных способов объяснения источника и происхождения скрытой энергии является её обусловленность свойствами пространства-времени.

Как известно, А. Эйнштейн, создавая основы релятивистской космологии в 1917 г. путём распространения общей теории относительности на представления о строении и эволюции Вселенной, задумался о космологических свойствах пространства-времени. Поскольку общая теория относительности связывала гравитацию с кривизной пространства-времени, Эйнштейну показалось уместным ввести в формулу так называемую космологическую постоянную – силу, которая уравновешивала гравитацию и позволяла Вселенной эволюционировать независимо от плотности и образующего её вещества. По существу, речь шла об энергии, присущей пространству-времени как некоей отельной от вещества материальной субстанции. Для того времени это была уж слишком безумная идея, и сам Эйнштейн не просто от неё отказался, но даже называл её своей непростительной ошибкой и величайшей глупостью. Сейчас же, в связи с открытием скрытой энергии забытая константа эйнштейновской космологии снова обретает актуальность. Немецкий физик Гюнтер Хазингер, проводивший исследования скрытой энергии, в своей речи при получении премии имени Лейбница за 2005 г. назвал введение этой константы последним триумфом Эйнштейна.

Действительно, слишком многое в научных открытиях конца XX, а теперь уже и начала XXI века показывает, что пространственно-временная структура Метагалактики есть не просто гладкая дорога для перемещения тел, не просто форма для местопребывания, взаиморасположения и последовательности протекания процессов во Вселенной. Во всяком случае, эта «дорога», эта форма обладает своими собственными, отличными от наполняющих её вещественных телесных образований материальными характеристиками. Она искривляется, прогибаясь под тяжестью гравитирующих масс, обладает собственной энергией, действующей как антигравитация. В противоположность гравитации, представляющей собой с точки зрения общей теории относительности положительную кривизну, выпуклость пространства-времени нашей Метагалактики, антигравитация образуется отрицательной кривизной, вогнутостью пространственно-временного «листа» метагалактики. Соответственно можно предположить, что с изнаночной части этого «листа» находится какая-то другая, смежная Метагалактика, пространственно-временной «лист» которой постоянно сужается и для которой присущ закон всемирного отталкивания. Обе смежные Метагалактики сообщаются между собой и обмениваются веществом и энергией через чёрные, белые и серые дыры в пространстве-времени обоих «листов». Однако возможно и прямое действие обоих пространственно-временных «листов» друг на друга, возникающее при «наползании» нашей расширяющейся Метагалактики и уступающей свои позиции не без сопротивления смежной Метагалактики, энергетический потенциал которой исчерпан и она постепенно приходит в упадок.

Всё это означает, что пространство не образуется наполнением его телами, как считалось в классической науке. Материя пространственно-временного «листа» и материя вещественных образований взаимно воздействуют друг на друга, и это взаимодействие участвует в формировании порядка в нашей космической системе, именуемой Метагалактикой.

Пространственно-временная непрерывность является одной из важных предпосылок формирования порядка, свободного перемещения вещественных образований и их взаимодействия друг с другом. На этой основе образуется структурность материи, её способность к созданию мобилизационных структур различного уровня, а значит, и способность к преобразованию возникающих порядков. Пространственно-временной «лист» является не только ареной действия эволюционирующих структур, но и участником этого действия, и мощным щитом, защищающим космический порядок в Метагалактике от вторжений из других космических миров.

Понятие поля возникло в физике вследствие того, что наглядное механистическое объяснение движения прямым контактным воздействием одних движущихся тел на другие оказалось неприменимым к явлениям гравитации, электричества и магнетизма, в которых воздействие возникает без непосредственного механического контакта. Пространство, охватываемое таким воздействием, и было названо полем. Соответственно материя с физической точки зрения выступает в трёх проявлениях – в качестве вещества, поля и физического вакуума. Все эти три проявления глубочайшим образом связаны.

Одним из способов установления закономерностей порядка во Вселенной является единая теория поля, попытки создания которой предпринимаются со времён Эйнштейна. Последние годы своей жизни Эйнштейн потратил на выработку теории, объединяющей ОТО и квантовую механику. Квантовые эффекты Эйнштейн пытался объяснить флуктуациями пространства-времени, стремясь сформулировать теорию квантовой гравитации. Но безуспешно. Задача, поставленная Эйнштейном, оказалась непосильной даже для этого великого преобразователя естествознания не только из-за недостатка знаний, накопленных в период его исканий в данном направлении. Мегамир и микромир уже в тот период проявили свои принципиальные отличия, которые отмечал Нильс Бор в его постоянной полемике с Эйнштейном. Эйнштейн же, который внёс колоссальный вклад в развитие квантовой механики, стремился всеми силами свести закономерности микромира к открытым им закономерностям мегамира. В этом проявилась и креационистская ориентация мировоззрения этого гениального учёного, который был убеждён, что открыл в сформулированной им теории относительности замысел Творца, в соответствии с которым был создан мир. Отсюда – отрицание Эйнштейном множественности и разнообразия миров, стремление вопреки фактам перестроить квантовую механику в соответствии с теорией относительности.

Предпосылкой поисков возможностей создания единой теории поля явилась теория Максвелла, уравнения которой позволили объединить электричество и магнетизм в единую модель электромагнитного взаимодействия.

Источником веры в обоснованность современных поисков в сфере создания единой теории поля являются следующие обстоятельства. Во-первых, каждый из типов поля, связанный с тем или иным типом фундаментального взаимодействия, имеет в своей основе определённый тип квантов, обусловливающих дискретность поля и определяющих движение в нём. Так, квантами сильного взаимодействия являются восемь глюонов, квантами слабого – три бозона, квантами электромагнитного – фотоны, не имеющие массы покоя и электрического заряда, что обеспечивает линейный характер и неограниченный радиус действия электромагнетизма. Наконец, квантом гравитационного поля считается гравитон, существование которого вызывает в настоящее время большие сомнения.

Во-вторых, мировые константы, определяемые характером фундаментальных взаимодействий, имеющие между собой чрезвычайно значительные количественные различия, по современным представлениям на ранних стадиях эволюции Метагалактики могли быть равны. А раз так, то константы не являются абсолютно постоянными, они изменяются по мере эволюции порядка во Вселенной и приобретают то или иное постоянство в зависимости от стадии и состояния эволюционного процесса. Считается, что в экстремальных условиях горячей и сверхплотной Метагалактики все четыре константы были едины и едины все четыре типа полей. Отсюда делается вывод, что все четыре типа сил, образуемых четырьмя типами полей, являются лишь проявлениями одной единой суперсилы. Строятся проекты создания в ускорителях условий, приближенный к условиям раннего этапа эволюции Метагалактики, что позволит в эксперименте проследить действие суперсилы и выявить конкретику функционирования единого поля, объединяющего характеристики всех четырёх типов полей.

Математические расчёты показывают, что то или иное объединение четырёх фундаментальных взаимодействий должно происходить при очень высоких температурах и, соответственно, энергиях в зависимости от уровня этих энергий. При энергии величиной в 100 млрд. электрон-вольт объединяются электромагнитное и слабое взаимодействие. Такая энергетика, как полагают, была присуща Метагалактике в силу её чрезвычайно горячего состояния всего через 10^-10 секунды после Большого взрыва. При энергии 10¹⁵ млрд. электрон-вольт объединяются слабое и электромагнитное взаимодействия с сильным. Наконец, при энергии 10¹⁹ млрд. электрон-вольт все четыре типа взаимодействий сливаются воедино.

По мере остывания и соответствующего снижения энергетического уровня вещества Метагалактики произошло, как полагают, расщепление единого универсального взаимодействия (суперсилы), которое продолжает оставаться в основе всех четырёх типов фундаментальных взаимодействий.

Соответственно этим теоретическим предпосылкам происходил поиск возможностей для создания единой теории поля, в котором приняли и принимают участие многие учёные и целые научные коллективы из самых различных стран мира.

В 50-е годы XX века Р. Фейнман, Ю. Швингер и С. Томогава независимо друг от друга создали квантовую электродинамику, построив её путём определения связи квантовой механики с эффектами, вытекающими из теории относительности. Это позволило объяснить ряд феноменов, проявившихся в физических экспериментах над атомами и их излучениями. Однако видные российские (тогда – советские) физики Л. Ландау, Е. Фрадкин и И. Померанчук показали ограниченную применимость квантовой электродинамики, поскольку на расстояниях в 10^-35 см все заряды обращаются в нуль и возникают неустранимые противоречия, аномалии и расходимости физических величин.

В конце 70-х годов XX века С. Вайнберг, А. Салам и Ш. Глэшоу сумели объединить в теории электромагнитное и слабое взаимодействия, предложив в 1967 г. модель электрослабого взаимодействия. Тем самым были заложены основы так называемой стандартной модели микромира, которая находится в тесной связи со стандартной (эталонной) моделью эволюции Метагалактики и в зависимости от неё.

В качестве переносчиков слабых взаимодействий авторы стандартной модели определили группу частиц, названных промежуточными векторными бозонами. Это исходное звено теории электрослабого взаимодействия было подтверждено экспериментально в 1982–1983 годах. Изучение эффектов, возникающих при столкновениях на ускорителе встречных пучков протонов и антипротонов показало следы промежуточных бозонов, количество которых находилось в близком согласии с предсказаниями теории.

Теория Вайнберга-Салама-Глэшоу, получившая название квантовой хронодинамики, была построена на допущении, что электромагнитное и слабое взаимодействия возникают под действием единой электрослабой силы. Соответственно в качестве носителей сильного взаимодействия были определены кварки, накрепко связанные глюонами и подвергнутые так называемому конфайнменту (от англ. слова, обозначающего пленение). На этих идеях и была построена стандартная модель элементарных частиц.

В 80-е годы XX века при опоре на стандартную модель стали предприниматься попытки объединения сильного, слабого и электромагнитного взаимодействия в одно базисное взаимодействие, которому присуща безразмерная константа. Такое приведение в единство трёх типов взаимодействий получило название Великого объединения. В настоящее время известно множество конкурирующих моделей Великого объединения, каждая из которых имеет свои космологические следствия, но напоминает прокрустово ложе, в которое авторы моделей пытаются уложить и втиснуть всё разнообразие и противоречивость фактов, полученных в экспериментальных исследованиях.

Ещё более трудную задачу представляет воссоединение трёх фундаментальных взаимодействий с четвёртой – гравитацией. Такое воссоединение получило название суперобъединения. Но гравитация как наиболее фундаментальная форма «космической инженерии» явно сопротивляется попыткам подчинить её потребностям суперобъединения.

На помощь приходит теория супергравитации, оперирующая гравитонами как квантами гравитационного поля, его переносчиками, которые сами не имеют массы, т. е. не участвуют в гравитационном взаимодействии. Гравитационное же поле образуется на основе их направленного движения. Теория супергравитации стремится объединить теорию тяготения, вытекающую из общей теории относительности, с современными представлениями о физическом вакууме.

В вакууме рождается и тут же исчезает в «ткань» пространства огромное множество виртуальных частиц, которые своей массой создают дополнительное поле тяготения и соответственно образуют дополнительные искривления пространства-времени. Соответственно геометрические свойства пространства-времени подвергаются бесчисленным мелким случайным изменениям – флуктуациям. С этой точки зрения гравитон, объединяющий в себе свойства элементарной частицы и волны, пронизывает пространство-время и придаёт ему квантованность, разрывность, которая гасится на макроуровне. Сторонники теории супергравитации считают, что на ранних этапах эволюции Метагалактики её пространство-время было дискретным, квантованным, и лишь по прошествии ряда этапов возникала единая непрерывность – пространственно-временной континуум. Флуктуации пространства-времени в настоящее время могут образовывать вакуумные конденсаты – сгущения виртуальных частиц, нарушающие состояние вакуума как среды, в которой среднее значение энергии любых физических полей равно нулю.

Физики, занимающиеся проблемами суперобъединения, претендуют на создание на её основе теории всего сущего (ТВС). Время покажет, насколько состоятельны претензии единой теории поля на описание и объяснение всех видов полей. Что же касается теории всего сущего, то она невозможна по трём причинам. Во-первых, эволюция и формируемый ею порядок бесконечно разнообразны и они не могут быть охвачены одной теорией раз и навсегда. Во-вторых, невозможно создать теорию всего, исходя исключительно из физического уровня движения материи. В-третьих, невозможно создать даже максимально обобщенную, абстрактную теорию всего, не обращаясь к общей теории эволюции. Тем не менее попытки создания физической теории всего могут привести к весьма важным для науки результатам.