Текст книги "Современная научная картина мира"

1.3. Сингулярность

Породившая Вселенную космологическая сингулярность, имея размерность порядка планковской длины, характеризовалась планковской энергией ε_Pl= 4,64 × 10¹¹⁴ эрг/см³ и кривизной пространства-времени |R^iklm R_iklm| ~ = 1,47 × 10¹³¹ см^-4. Обладая плотностью не меньше планковской ρ_Pl = 5,16 × 10⁹³ г/см³, этот объект развивал настолько мощное поле тяготения, что останавливал для себя течение времени. С ним ничего не происходило. Поэтому следует считать, что момент его рождения совпадал с моментом его гибели (т. е. с распадом в Большом Взрыве; см. разд. 1.7).

Конечно, всякому пытливому уму мало знать сухие цифры, характеризующие объект, породивший Вселенную. Как же выглядела сингулярность? Ответ на этот вопрос дать крайне трудно. Не имея биографии во времени (поскольку оно стояло), сингулярность провела свой моментальный век, чуть обозначившись. Со стереометрической точки зрения ее форма едва ли могла развиться дальше элементарной точки, о которой нечего сказать. Кроме того, она была невидима – это совершенно несомненно, и вот почему.

Сингулярность напоминала «черную дыру», звезду, провалившуюся внутрь себя за гравитационный радиус, чрезвычайно уплотнившуюся и не выпускающую из себя даже света (что делает ее невидимой). Эти вероятные черты сингулярности привели к идее так называемой пространственно-временной пены [405; 140; 373, с. 47], согласно которой мироздание представляет собой скопище «черных дыр», то вспухающих, как наша Вселенная в прошлом, то опадающих, как она же в будущем. Недостаток этой идеи состоит в том, что она полагает для необозримого мироздания частные особенности нашего мира, что не выдерживает критики. Не исключено, что ближайшие к нашей Вселенной области Мироздания и впрямь наполнены «пространственно-временной пеной», однако остается вопрос: что находится за ее пределами? Подобная философская сторона проблемы выходит за рамки физики, но не является неразрешимой (см. разд. 1.7).

Самая поразительная особенность сингулярности заключалась не в ее физических параметрах, которые вполне осознаваемы. Труднее вообразить себе акаузальность (независимость от причинности), несомненно присущую сингулярности. Поскольку время для сингулярности стояло, события не происходили, а наши физические законы не выполнялись, то и не было никаких условий для действия закона причинности. Для его осуществления требуются течение событий и принципы сохранения. В сингулярности последние господствовали, однако первое отсутствовало. Здесь сразу же возникает новый парадокс. Господство принципов сохранения не должно было допустить распада сингулярности по соображениям каузальности (причинности). Однако парадокс состоял в том, что в сингулярности причинно-следственный закон не действовал, и потому она беспрепятственно распалась.

Может показаться, что рассуждения о причинности лишь запутывают проблему происхождения сингулярности вместо того, чтобы ее прояснить. Однако далее (см. разд. 1.7) мы увидим, что все обстоит как раз наоборот, хотя отнюдь и не просто.

1.4. Энтропия

Сингулярность являлась предельно упорядоченным объектом. Данное утверждение требует отдельного комментария. Упорядоченность – это повторяемость в состоянии объектов (в их размещении, динамике, симметрии и т. д.). Иными словами, упорядоченность предполагает множественность объектов. Сингулярность же (от лат. singularis – «одиночный») по самому своему понятию мыслится как «единичный» объект. В данном конкретном случае о его упорядоченности приходится говорить на том основании, что сингулярность послужила архетипом (образцом) для сонма суперструн, образующих Вселенную. В них она повторяется. Во всяком случае, о беспорядочности сингулярности вообще не приходится говорить.

Следовательно, распавшись и превратившись в расширяющуюся Вселенную, предельно упорядоченная сингулярность перешла в менее упорядоченное состояние. Отсюда следует, что ее энтропия (проще говоря, хаотичность) как замкнутой системы возросла. Это стало исходным воплощением Второго начала термодинамики в нашей Вселенной, которое означает [15], что всякая энергия в природе стремится перейти из более организованного состояния в менее организованное (тепловое, хаотичное) и что энтропия любой замкнутой системы со временем увеличивается (вернее, не убывает).

Вселенная представляется замкнутой системой (см. разд. 1.2). Разойдясь на бульон из суперструн, былая сингулярность избавилась от своей сверхплотности и от соответствующих ей релятивистских ограничений на течение событий и времени. Вселенная зажила во времени, которое применительно к столь высокому уровню явлений определяется как мера энтропии; ср. [146, с 211; 263]. Данная дефиниция согласуется с предшествующей (время – дистанция между событиями; см. разд. 1.1), поскольку вселенское время разворачивалось по мере расширения Вселенной и роста в ней общей энтропии. Однако расширение Вселенной – это и есть расширение дистанции между вселенскими событиями, в соответствии с чем расширялись и масштабы времени – в полном согласии с дефиницией для квантового мира (см. разд. 1.1), где сжатие суперструн от больших скоростей сопровождается сокращением амплитуд их колебаний и приличествующим сокращением масштабов времени, т. е. его торможением. Проще говоря, элементарная частица сокращается – время тормозится, Вселенная расширяется – время ускоряется. Мы видим согласованную картину на уровнях микро– и макромира.

Таким образом, сразу после Большого Взрыва в младенческой Вселенной самопроизвольно зародилось одно из двух условий действия причинно-следственного закона: течение событий во времени.

1.5. Закон сохранения

Элементарные частицы (суперточки-суперструны), возникшие как копии точечной сингулярности, до сих пор пребывают в движении с релятивистскими скоростями. Это означает, что собственное время для каждой из них стоит (см. разд. 1.1). По этой причине суперструны сохраняют характерные энергии, массы покоя, барионные числа (это указание на принадлежность или непринадлежность частицы к миру кварков-барионов), электрические и цветовые заряды (последние позволяют кваркам избегать квантовых ограничений на кучность), спины (собственные угловые моменты количества движения) и другие фундаментальные качества. Следует иметь в виду, что при этом речь не идет о неотторжимости свойства от частицы, а о неуничтожимости свойства при обмене им частицами, что объясняется их релятивистским сном во времени.

В итоге мы приходим к существенному выводу, что законы сохранения действуют во Вселенной не по метафизическим (трансцендентным, потусторонним), а по физическим причинам: в силу того, что фундаментальные кирпичики мира, снующие по Вселенной с релятивистскими скоростями, попросту заморожены во времени и сохраняют свои качества потому, что вообще не меняются, пока не испытают воздействие извне. Более крупные материальные объекты (атомы, молекулы, физические тела) перенимают начала сохранения из микромира.

Здесь мы находим второе условие действия причинно-следственного закона, нуждающегося, помимо течения событий во времени, в законах сохранения на всех уровнях бытия.

1.6. Причинно-следственный закон

В первые мгновения жизни Вселенной сочетание законов сохранения с энтропийным течением событий ввело в наш мир каузальность. На ее крыльях по Вселенной заскользили многочисленные законы «второго эшелона», число которых велико, но не бесконечно. Вселенная вообще ограничена: число барионов (стабильных протонов) в ней исчерпывается 10⁷⁸ [34, с. 61]. Ранняя Вселенная породила всего 4 или 5 базовых физических взаимодействий: гравитационное, сильное, электромагнитное, слабое и милли-слабое-сверхслабое (аксионы; см. разд. 1.1). Становление этих сил заняло первую секунду жизни Вселенной. Подобная скудость удивляет, поскольку степени свободы суперструн могли бы создать и более широкий спектр сил.

Запрет на их разнообразие был наложен крепнущим причинно-следственным законом, который благоприятствовал повторяемости явлений и сущностей и противодействовал их новациям. Устойчиво повторяющиеся связи явлений заблокировали расширение списка физических взаимодействий сверх 4 или 5 сил, успевших «пробиться» в первую секунду бытия. То же обстоятельство объясняет однообразную природу существующих физических взаимодействий, которые ограничиваются притяжением-отталкиванием и передачей фиксированного набора свойств, подчиняющихся законам сохранения (см. разд. 1.5). Добавим, что в первые 10^–43 с жизни Вселенной все силы были неразличимы в рамках Великого Объединения, т. е. исходное разнообразие мира выглядело совсем скромно. Мы видим, что относительная бедность и значительное однообразие физического бытия не являются какой-то случайностью природы – напротив, эти универсальные особенности кропотливо «выкованы» причинно-следственным законом на заре нашего мира.

Словно задыхаясь в тисках закона причин и следствий, Вселенная создала над суперструнами надстроечный мир из нуклонов, атомов, молекул и физических тел, подчиненных законам классической механики и химии. Причинно-следственный закон возобладал и здесь. Поэтому число оригинальных фундаментальных зависимостей макромира тоже ограничено. Если говорить об обобщениях высшего порядка, то в химии можно назвать периодический закон Менделеева, учитывающий всего 94 заметно стабильных элемента (от водорода до плутония). В астрофизике закон всемирного тяготения обусловливает формирование звезд, звездных систем, галактик и их скоплений. В математике мы имеем Грандиозную теорему конечных простых групп [30; 31], обнимающую все мыслимые множества вещей в природе. Планетарная геология земного типа описывается глобальной тектоникой плит (см. разд. 2.2). История жизни подчиняется дарвиновской теории естественного отбора, а эволюция не чужда направленности (см. разд. 2.3). Развитие материальной и духовной культуры людей также подчинено единому началу (см. гл. 3).

Мы вправе сделать важный вывод относительно происхождения уровней организации материи. В самом деле, почему материальный мир не ограничился уровнем микромира? Физике известны механизмы, позволяющие суперструнам формировать последовательные уровни организации макромира. Но что заставляет их работать? Вопрос этот имеет философский характер и требует ответа.

Из всего вышесказанного следует одна вероятная версия. Мы привели доводы в пользу того, что причинно-следственный закон в силу самой своей природы довольно негативно влиял на разнообразие Вселенной с первых мгновений ее существования. Поэтому основы микромира крайне ограничены в наборе. Стихийно движущиеся суперструны «искали» разнообразия за пределами своего уровня и последовательно выстраивали атомный, молекулярный и макроуровневые этажи. Это происходило потому, что на каждом этаже причинно-следственный закон создавал «драконовские» ограничения на разнообразие, и суперструнам приходилось взбираться все выше и выше по уступам бытия. Это обстоятельство объясняет, почему наш мир вообще подвержен тенденции к прогрессивному развитию вверх, при том, что вширь он жестко ограничен. Мы имеем в виду тот факт, что, вопреки казалось бы естественному порядку вещей, окружающее нас бытие не бесконечно разнообразно, а совсем наоборот. В итоге мы можем видеть, что закон причинности не только регулирует системность в поведении Вселенной, но и обусловливает ее фундаментальную фактуру (уровни элементарных частиц, атомов, молекул, физических тел, астрофизических образований, а также живой природы и человеческого общества).

В дальнейшем (см. разд. 1.8) мы увидим, что под влиянием каузальности сами законы природы подчиняются определенной матрице архетипов, среди которых преобладают принципы двойственности, симметрии, цикличности (симметрии во времени), асимметрии, иерархии. И это не так абстрактно, как кажется на первый взгляд.

1.7. Мироздание за пределами Вселенной

Мы подошли к наиболее интересной странице обзора физического мира. Негласно всегда считалось, что вопрос о природе Мироздания за пределами нашей Вселенной лишен смысла. Такая позиция зиждилась на изотропной модели космоса. Действительно, если Вселенная повсеместно однородна, то она не может иметь границ и каких-то «запредельных территорий». Изотропная Вселенная мыслилась как замкнутое на себя образование наподобие поверхности шара, по которой можно блуждать бесконечно, но при этом нельзя достигнуть края. Предполагалось, что Вселенную так искажает собственная гравитация, и в свете положений теории относительности это вполне возможно.

В настоящее время положение дел изменилось. Выше мы привели ряд фундаментальных фактов, в свете которых привлекательной становится анизотропная модель Вселенной с центром, периферией и, соответственно, внешними границами. При этом пограничная плотность вещества Вселенной автоматически оценивается как низкая. Она не способна обеспечить гравитационную замкнутость нашего мира на себя в том смысле, о котором говорилось выше. Отсюда следует, что край нашей Вселенной представляет собой стандартные границы определенной физической системы, за пределами которых расположены иные физические системы. В результате мы сталкиваемся с необходимостью ответить на вопрос: что может лежать за этими границами, и от каких физических систем они нас отделяют? Наблюдательные данные на этот счет пока отсутствуют, и на первый взгляд кажется, что вопрос по-прежнему не имеет практического смысла. Однако пессимизм такого рода неоправдан. Если за пределами нашей Вселенной имеется некое Мироздание, то оно неизбежно должно было наложить определенный отпечаток на наш мир. Задача состоит в том, чтобы вычленить и истолковать этот отпечаток, и мы рискнем за это взяться, прибегнув к фактам и логике.

Сингулярность не знала причинно-следственного закона. Отсюда вытекает, что породившее ее Мироздание относилось к причинности «без сердца». Положение дел в нем было на тот момент произвольным, и оно где подчинялось, где не подчинялось каузальности. В результате свойства подобного Мироздания варьировались бы в неограниченных пределах. Это был бы мир вечных превращений, Вечно Изменяющийся Мир (ВИМ). Диалектические особенности нашей Вселенной надо расценивать как его реликты.

Этот вывод уже перспективен, поскольку, несмотря на то что Гераклит Эфесский открыл диалектические свойства мира 2500 лет назад [104, с. 176–257], о происхождении диалектики природы и по сей день не известно ничего. В основе гераклитовского учения лежало представление о том, что существующие формы вещей являются их крайними состояниями, а подспудно все без исключения варианты объектов способны плавно перетекать друг в друга, в том числе в противоположные себе варианты. Например, прямые и кривые линии с очевидностью противоположны друг другу. Однако в больших масштабах их отрезки неразличимы. Горячее становится холодным, сухое – влажным и т. д. Почему мир устроен именно так, не ясно. Однако, если диалектика природы является отголоском ВИМа, где из минусов могли бы беспричинно вытекать плюсы в силу необязательности строгой причинности, то все становится на свои места. Подчеркнем, что своими силами наша Вселенная, подчиненная причинно-следственному закону, никогда не произвела бы противоречивую диалектику. Значит, ее источник действительно лежит вне нашей Вселенной, и это косвенно подкрепляет гипотезу Вечно Изменяющегося Мира, пропитанного контрастами.

Обладая чересполосицей то сравнимых, то несравнимых свойств, ВИМ не мыслится как единое целое. В противоположность нашей однообразной Вселенной, он обязательно распался бы на враждебные области, домены, внутри которых господствовали бы собственные логики или алогичности, несопоставимые с соседскими. Поэтому общая структура ВИМа представляется ячеистой, а ячеистость нашей Вселенной – наследием, полученным от ВИМа. Эти допущения позволяют составить некоторые представления относительно доменов ВИМа, непосредственно породивших Вселенную. По-видимому, из ВИМа происходят краеугольные свойства мира, не находящие объяснения внутри нашей Вселенной (т. е. конкретная скорость света и постоянная Планка, необходимые для фундаментальных расчетов в квантовой механике).

У нас стремительность взаимодействий любых объектов ограничена потолком скорости света. Можно представить, что в Вечно Изменяющемся Мире, бесконечном по возможностям, нашелся бы домен с неограниченными темпами контактов своих объектов. В подобном домене все представимые события произошли бы моментально, и больше ничего не случалось бы. Тогда сложилась бы область вечного покоя, напоминающая нашу сингулярность до ее распада.

Мыслится и домен другого типа. В нашей Вселенной дробность размерностей, масс, единиц времени, плотности и энергии определяется постоянной Планка и не углубляется ниже ее пределов. Это обстоятельство объясняет, почему все объекты нашей Вселенной обладают относительно устойчивыми формами и не подвергаются бесконечному дроблению (ср. гл. I, 1 о «демиурге»), что можно присовокупить к списочному составу антропного принципа [78], предполагающего фундаментальные константы нашего мира в вариантах, благоприятных для зарождения жизни во Вселенной.

В ВИМе мог бы существовать домен, в котором не существует ограничений на квантование вещей, а их составляющие способны быть бесконечно малыми. Поскольку реальная бесконечность недостижима, этот домен пребывал бы в процессе вечного дробления, которое никогда не завершится.

Теперь представим, что домен бесконечных скоростей соприкоснулся с доменом бесконечной дробности. В силу несопоставимости их свойств, взаимопроникновения областей не наступило бы, и они тут же отошли бы друг от друга, оставив точечный след контакта. Этот след обладал бы смешанными свойствами, извлеченными частью из одного, частью из другого домена, а также из самого их взаимодействия, осуществившегося в виде последовательного притяжения и отталкивания, что стало характерно для суперструн нашего мира, поскольку в описываемых событиях мы предполагаем его начало в виде точечной сингулярности.

Сингулярность как след доменного контакта пришла бы в колебательное движение, характерное для суперструн. Его амплитуда принялась бы расширяться, догоняя отступающие домены. Наследуя дробность одного из них, сингулярность колебалась бы с мириадами степеней свободы, расширяющихся в разных пропорциях. Самые убористые породили бы суперструны. Более пространные – вселенскую мировую поверхность виртуальных частиц. Промежуточные – образования крупномасштабной структуры Вселенной, несущие приметы развернутых измерений Первовселенной (см. разд. 1.1). Крохотные обитатели такого мира (т. е. люди) констатировали бы, что живут внутри расширяющейся Вселенной.

От родительских областей ВИМа Вселенной достались бы средние величины скоростей взаимодействия и дробности, которые мы связываем со скоростью света и постоянной Планка. Они должны содержать указания, почему через 12,73 млрд лет после Большого взрыва расширение стало сменяться сжатием под влиянием истончения мировой поверхности и побеждающей внутренней гравитации. Поясним причину, по которой нашей Вселенной достались средние величины скоростей взаимодействия и дробности материи.

Скорость света в пустоте ограничена противодействием, встречаемым фотонами со стороны виртуальных частиц (см. разд. 1.1): чем их больше на единицу объема пространства, тем ниже предельная скорость света. Количество виртуальных частиц зависит от частоты их спонтанного рождения, а та, в свою очередь, определяется планковским квантом времени, поскольку виртуальные частицы не могут возникать чаще, чем раз в планковский квант времени. Если последний почему-либо сократится, виртуальные частицы станут рождаться чаще, а скорость света упадет из-за их возросшего противодействия.

Величина планковского кванта времени положительно зависит от постоянной Планка (кванта действия): чем она меньше, тем меньше и планковский квант времени. Одновременно возрастает средняя частота спонтанного рождения виртуальных частиц, а скорость света, наоборот, снижается. Отсюда следует очевидный вывод, что скорость света в пустоте пропорциональна постоянной Планка, а их соотношение отвечает некой мировой константе, которую еще предстоит определить.

Высказанные предположения поддаются экспериментальной проверке. На стадии расширения и разуплотнения Вселенной сопротивление мировой поверхности фотонам падает, а скорость света закономерно возрастает. Напротив, на стадии сжатия и сгущения Вселенной сопротивление мировой поверхности нарастает, а скорость света, соответственно, снижается. Следовательно, долговременная серия точных определений локальной скорости света в окрестностях Земли может эмпирически показать, в какой Вселенной мы живем: в еще расширяющейся или в уже сжимающейся.

Поскольку агломерат Рыб – Кита, в котором находится Земля, явно сжимается вокруг Великого Аттрактора (см. разд. 1.2), можно предсказать, что локальная скорость света в агломерате будет снижаться. Пропорционально сократится и постоянная Планка. Эмпирическая оценка нашего предсказания – вопрос времени. При этом следует помнить, что за пределами агломерата Рыб – Кита Вселенная все еще по инерции расширяется, и там скорость света и постоянная Планка по-прежнему растут. Проще сказать, что там, где во Вселенной преобладает фиолетовое смещение в спектрах галактик, свидетельствующее об их сближении (агломерат Рыб – Кита, окрестности Великого Аттрактора), скорость света и постоянная Планка убывают, а там, где во Вселенной доминирует красное смещение в спектрах галактик, свидетельствующее об их удалении (Вселенная за пределами агломерата Рыб – Кита), скорость света и постоянная Планка, наоборот, прибывают.

Из сказанного, между прочим, следует, что в древности скорость света во Вселенной была ниже нынешней, а впоследствии возросла. Это должно создавать впечатление, что прежние расстояния между астрономическими объектами превышали теперешние, а красные смещения от удаляющихся галактик выглядели бледнее современных, что в сумме создало бы впечатление более медленного расширения Вселенной, нежели это присуще ей в наши дни. Такое положение вещей дает мнимые факты в пользу идей об ускорении расширения Вселенной с течением времени, об «отталкивающей силе» и «темной энергии» (см. разд. 1.2). Однако, как представляется нам, в основе перечисленных явлений лежат совсем другие причины.

Связь постоянной Планка с величиной скорости света сложилась, по всей видимости, на заре времен. Например, если бы названные величины проистекали от соприкосновения доменов ВИМа, то бесконечно большая скорость взаимодействий одного из них, столкнувшись с бесконечной дробностью материи и бесконечно малым квантом действия другого домена, – эта бесконечно большая скорость взаимодействий автоматически упала бы до конечных значений, так как стала бы измеряться в бесконечно малых величинах планковских длин. Это отвечало бы схеме, в соответствии с которой прежде скорость света была N бесконечно больших планковских длин в секунду, впоследствии грозила стать N бесконечно малых планковских длин в секунду, но закономерно сделалась N средних планковских длин в секунду, что идентифицируется нами как конкретная скорость света в пустоте (299 792 ± 0,4 км/с). Параллельно произошел бы автоматический рост планковской длины и планковского кванта времени от бесконечно малых величин до более существенных, что выразилось бы и в подъеме бесконечно малой постоянной Планка до заметных значений, идентифицируемых нами как наличный квант действия.

Эти зависимости, объясняя взаимосвязанную конечность скорости света и постоянной Планка, свидетельствуют в пользу нашего понимания генезиса Вселенной из Вечно Изменяющегося Мира в результате столкновения его доменов с указанными неограниченными свойствами (с бесконечно большой скоростью взаимодействий и с бесконечно малым квантом действия).

Разбег доменов ВИМа как причина расширения Вселенной – привычная нам условность. В реальности Вселенная испаряется по направлению к удаляющимся доменам ВИМа примерно в силу тех же причин, по которым ветер высушивает и охлаждает некую поверхность. Его дуновения вводят в контакт ненасыщенный и прохладный воздух, который поддерживает испарение с поверхности контакта и ее остывание. Окружающие нас домены ВИМа тоже обновляются ежесекундно: в одном случае из-за неограниченно быстрых взаимодействий, в другом – из-за неограниченно глубокого дробления своей фактуры.

Наследие, полученное от краткого контакта этих доменов, представлено в нашей Вселенной геометрией и основными константами. Два измерения вселенской геометрии – это площадь контакта доменов ВИМа, а третье измерение – направление движения наших границ вслед за расходящимися доменами, засасывающими нас и вызывающими вселенское расширение. Основные константы нашего мира – это средние величины бесконечно больших скоростей взаимодействий и бесконечно малых масштабов дробления материи. Они дали, соответственно, планковскую длину как поперечник площади контакта доменов ВИМа и скорость света как быстроту начального расширения Вселенной. Первое запечатлено в вероятной размерности сингулярности, а второе – в вероятной скорости разбегания границ Вселенной.

Первоначально было множество мод колебаний суперструн, однако причинно-следственный закон позволил уцелеть лишь некоторым, известным нам как наличные суперструны и их квантовые числа (свойства вроде масс, зарядов и пр.). Это обстоятельство служит одним из проявлений асимметричностей нашего мира (см. разд. 1.8).

Если Вселенная находится в недрах какого-то Вечно Изменяющегося Мира и ведет свое начало от его коллизий, то, как и прочие домены, она стоит там особняком. Отчужденность ВИМа исключает физическую связь с ним для нашей Вселенной. Единственное, что может обнаружить его реальность, – это расхождение скорости сжатия Вселенной со скоростью ее расширения, что указало бы на влияние внешнего Мироздания, ускоряющего процесс в случае близости домена неограниченных скоростей и замедляющего в случае соседства с доменом бесконечной дробности, препятствующей сплочению Вселенной.