http://polit.ru/article/2013/09/14/ps_penrose1/

Выходит в свет русское издание книги Роджера Пенроуза «Циклы времени: Новый взгляд на эволюцию Вселенной». Автор - известный английский физик и математик, дает в ней ответ на вопрос о том, что было до Большого взрыва. Благодаря любезному предложению издательства «БИНОМ. Лаборатория знаний» мы предлагаем читателям ProScience ознакомиться с несколькими главами этой книги.

Предисловие к русскому изданию

За короткое время, прошедшее с момента выхода в свет английского издания книги Cycles of Time в 2010 году, в космологии были получены новые интересные результаты, связанные с обработкой наблюдаемых данных. Эти результаты позволяют предположить, что излагаемые в книге «неожиданные», точнее непривычные, идеи могут использоваться для вполне ясного объяснения некоторых наблюдаемых астрономами эффектов.

Основная идея книги состоит в рассмотрении некой единой и полной фазы развития Вселенной (я называю эту единую фазу эоном), протекавшей до того момента, который мы привычно именуем Большим взрывом! Более того, предполагается, что каждый такой эон в действительности является одним из бесконечного ряда сменяющих друг друга эонов. Я понимаю, что эта идея может показаться просто странной, однако еще раз отмечу, что мое главное предположение состоит в том, что наблюдаемый нами этап эволюции Вселенной является лишь одним из бесконечной последовательности таких повторяющихся циклов-эонов. При этом в рамках каждого текущего эона наблюдается в основных чертах именно та общая картина, которая считается общепризнанной в современной астрофизике, то есть Вселенная возникает в результате очередного Большого взрыва и развивается вплоть до наблюдаемого экспоненциального расширения!

Совместно с моим армянским коллегой Ваге Гюрзадяном, о котором я упоминаю в книге, мы по-новому провели анализ космического излучения, сохранившегося сразу после Большого взрыва (знаменитого cosmic microwave background, CMB), которое должно было сохранить информацию относительно эонов, предшествующих нашему собственному. В разделе 3.6 книги я уделяю особое внимание возможности столкновения сверхмассивных черных дыр галактик в течение предыдущего эона, поскольку именно при таких событиях могут происходить слияния дыр, сопровождающиеся чудовищными выбросами энергии. При этом существенная часть массы и энергии дыр, до нескольких процентов, «выбрасывается» в пространство, становясь свое образными сигналами предыдущего эона, которые могут быть как-то зарегистрированы нами (наблюдателями из следующего эона) в виде особенностей спектра излучения CMB нашего собственного эона.

В настоящее время появляется все больше свидетельств того, что такие столкновения должны приводить к возникновению концентрических циклических нарушений на общих картинах (паттернах) спектра CMB. Проблема интерпретации нарушений пока не решена, однако я твердо верю, что вскоре будут получены более убедительные доказательства реального существования предполагаемых эффектов. Разумеется, будут предложены и другие объяснения таких «сигнальных» нарушений спектра CMB, однако уже имеющихся данных достаточно по крайней мере для того, чтобы рассматривать предложенные выше идеи в качестве возможности совершенно серьезных описаний реальных закономерностей, а не умозрительных теорий. Общий ход рассуждений основан, кстати, на одном из самых фундаментальных и загадочных представлений физики вообще (а именно на втором законе термодинамики), и, в любом случае, я убежден, что мы движемся к пониманию сущности рассматриваемых в книге исключительно важных проблем.

Российские ученые сыграли очень важную роль в развитии современной космофизики и астрофизики, и я горжусь тем, что книга Cycles of Time появится в русском переводе, что позволит развить дальнейшее сотрудничество между специалистами в этой важной области исследований и познания. Надеюсь, что книга будет интересна и широкому кругу читателей, желающих просто ближе ознакомиться с проблемами и достижениями современной астрофизики.

Роджер Пенроуз,
октябрь 2012

От автора

Одна из самых глубоких тайн Вселенной связана с проблемой ее собственного возникновения.

Когда в начале 1950-х годов я был студентом-математиком Кембриджского университета, в науке господствовала восхитительная космологическая теория, называемая моделью стационарной Вселенной. В соответствии с ней Вселенная существовала вечно и оставалась при этом стационарной, примерно одинаковой и однородной во времени и пространстве. Более того, Вселенная пребывала «почти в неизменном состоянии» даже при постоянном расширении, поскольку обусловленное ее расширением снижение плотности компенсировалось в этой модели непрерывным «порождением» нового вещества в виде крайне разреженного газообразного водорода. Моим учителем и другом в Кембридже был известный космолог Деннис Скиама, который не только разъяснил мне множество связанных с этой моделью новейших физических теорий, но и сумел внушить чувство восхищения красотой и эффективностью заложенных в модели представлений и идей.

Однако модель стационарной Вселенной не выдержала испытания временем, и от нее пришлось отказаться в 60-х годах, когда Арно Пензиас и Роберт Уилсон (неожиданно для всех, включая и самих себя!) обнаружили в космосе пронизывающее всю Вселенную изотропное электромагнитное излучение, получившее название микроволнового фонового излучения cosmic microwave background (CMB). Позднее Роберт Дике показал, что оно представляет собой остаток, реликт события, описываемого теорией Большого взрыва или Биг-бэнга, в соответствии с которой Вселенная возникла в результате чудовищного взрыва, по-видимому, примерно 14 млрд лет назад. Сама возможность такого события впервые была предсказана монсеньором Георгом Леметром в 1927 году при обсуждении уравнений Эйнштейна специальной теории относительности (1915 г.) и первых экспериментальных данных, свидетельствующих о расширении Вселенной. Когда существование космического фонового излучения было установлено с достаточной точностью, Деннис Скиама с большим достоинством публично и честно отказался от своих прежних взглядов, а затем активно поддержал теорию Большого взрыва.

За последующие десятилетия космология значительно изменилась, превратившись из умозрительного занятия в зрелую и точную науку. Огромную роль в этих революционных преобразованиях сыграли высокоточные измерения параметров фонового излучения, полученные в результате множества великолепных экспериментов. Однако в космологии оста лось большое количество нерешенных задач и тайн, дающих богатую пищу для размышлений и гипотез. В предлагаемой книге я описываю не только основные модели классической релятивистской космологии, но и многие проблемы, возникшие при ее развитии. Главные из них связаны, прежде всего, с необычными следствиями второго закона термодинамики, а также с непонятной природой происхождения самого Большого взрыва. В этой связи я излагаю в книге ряд собственных гипотез и предположений, которые позволяют установить новые закономерности в наблюдаемом нами поведении Вселенной.

Мой собственный, неортодоксальный подход к этой теме возник еще летом 2005 года, а затем был дополнен и детализирован в последующих работах. Он основан на геометрических соображениях, но я не включил формулы и сложные математические выкладки в основной текст книги, а собрал их в приложениях, которые предназначены специалистам. Хотел бы отметить, что (хотя общая схема и выводы могут показаться читателю необычными) сама теория в целом базируется на вполне серьезных геометрических и математических идеях. Интересно, что, несмотря на существенные различия, в предлагаемой теории странным образом обнаруживаются «отголоски» старой модели стационарного состояния Вселенной!

Интересно, что бы сказал по этому поводу Деннис Скиама?

Пролог

Слегка прищурившись, чтобы защититься от струй дождя, Том с удовольствием разглядывал открывающуюся перед ним картину, где стекающая с вершины горы бурная речка энергично крутила колесо маленькой старой, но отлично сохранившейся водяной мельницы. Мальчика привезла сюда на отдых тетя Присцилла, профессор астрофизики Кембриджского университета.

Вау! воскликнул Том, как здорово все работает! Неужели все эти древние механизмы и колеса всегда крутятся так быстро?

Не думаю, что все работает так всегда, ответила тетя, стараясь перекричать шум речного потока. Просто сегодня из-за дождливой погоды течение намного сильнее обычного. Заметь, что большая часть воды перетекает через запруду, а не проходит через мельницу. Обычно река выглядит намного спокойнее, а сегодня у нее гораздо больше энергии, чем нужно для нормальной работы мельницы.

Том вгляделся в поток, восхищаясь причудливыми узорами сверкающих струй и брызг, после чего, немного подумав, сказал:

А я что-то вообще не вижу какой-то большой энергии в этом течении. Просто я думаю, что кто-то очень сообразительный пару столетий назад понял, как можно использовать силу воды для того, чтобы все эти механизмы задвигались и начали выполнять работу вместо людей, например, заставляя трудиться большие ткацкие станки. Но я не понимаю, откуда берется энергия, которая заставляет всю эту воду собраться на вершине горы.

Солнечное тепло испаряет воду в океане, пары поднимаются в атмосферу, а затем выпадают в виде дождя, в результате чего где-то высоко в горах вдруг оказывается очень большое количество воды. Так что в действительности колесо мельницы вращает именно энергия Солнца, ответила Присцилла.

Как часто случалось при беседах с тетушкой, Том почувствовал себя немного озадаченным, но попробовал отнестись к сказанному с обычным скептицизмом. Он не очень представлял себе, каким образом вода может подниматься куда-то вверх и как это связано с нагревом. И вообще, о каком нагреве говорит тетя, если сегодня прохладно?

Впрочем, вчера было довольно жарко, сказал Том неохотно, хотя я не чувствовал, чтобы Солнце что-то поднимало.

Тетя Присцилла рассмеялась:

Все обстоит совсем по-другому. Просто вода в океане состоит из крошечных частиц, которые называются молекулами и двигаются совершенно случайным, хаотическим образом. Солнце нагревает молекулы и придает им дополнительную энергию, благодаря чему они начинают двигаться все быстрее, а наиболее «горячие» молекулы при этом даже покидают поверхность воды и «выскакивают» в атмосферу. Число таких молекул относительно мало, но моря и океаны настолько огромны, что в атмосфере практически всегда находится очень большое количество паров воды, из которой могут образовываться облака, время от времени выпадающие в виде дождя, и тогда в высокогорье вдруг сразу оказываются большие объемы воды.

Том был слегка озадачен услышанным. Он немного понял, как образуются дожди, но продолжал сомневаться:

Тетя, как же так, ведь дождь вовсе не теплый?

Конечно. Как я сказала раньше, тепловая энергия Солнца сперва превращается в энергию очень быстрого и хаотического движения молекул воды, в результате чего часть этих молекул начинает двигаться настолько быстро, что они могут «выскакивать» в атмосферу, образуя пары воды. При подъеме вверх энергия движения молекул превращается в другую энергию, которая называется энергией гравитационного потенциала. Представь, что ты бросаешь вверх мячик. Чем энергичнее и с большей скоростью ты его бросишь, тем большей высоты он достигнет, а затем начнет опускаться. Так и с молекулами воды. Рано или поздно они достигают максимально возможной высоты подъема, при которой вся энергия движения (вспомни, что эту энергию они получают от теплоты Солнца) полностью превращается в гравитационную потенциальную энергию, соответствующую высоте над поверхностью планеты. Затем молекулы воды выпадают в виде дождя, «скатываются» вместе с речной водой с горы, и их потенциальная энергия вновь обращается в энергию движения, которая и приводит в действие все эти интересно устроенные механизмы мельницы.

Так, значит, вода совсем не должна нагреваться при этом? спросил Том.

Именно так, милый. Поднимаясь вверх в атмосфере, молекулы воды постепенно замедляются и могут даже просто «замерзнуть», образуя снежинки в виде крошечных частиц льда (из них, кстати, и состоят облака), в результате чего вся энергия их теплового движения полностью превращается в потенциальную энергию. Поэтому дождь и состоит вовсе не из горячей, а скорее из охлажденной воды, которая дополнительно остывает при «падении» с высоты, преодолевая сопротивление воздуха.

Как здорово!

Конечно, все это занятно, сказала тетя Присцилла, обрадованная интересом племянника, но на самом деле стекающая по горному склону холодная вода все еще содержит молекулы с высокой тепловой энергией. Они еще обладают большой скоростью и энергией хаотического движения, что и позволяет таким молекулам ниже по течению энергично двигаться, совершать работу и создавать стремительные завихрения потока!

Боже мой, и я должен во все это поверить? Том был сильно удивлен. Подумав несколько минут, он затем вдруг воскликнул:

Тетя, у меня появилась прекрасная идея! Почему бы нам не построить мельницу особого типа, которая могла бы напрямую использовать всю энергию движения молекул воды, например, просто в обычном озере? В такой мельнице можно придумать множество маленьких лопастей с крошечными «чашечками» на концах, чтобы молекулы воды могли вращать их независимо от направления потока. Это было бы похоже на миниатюрную ветряную мельницу, но работающую прямо в воде под действием ударов отдельных молекул. Такое устройство напрямую преобразовало бы энергию движения молекул и позволило бы приводить в

действие разнообразные механизмы!

Прекрасная идея, Том, но, к сожалению, такое устройство точно не будут работать... Должна тебе сказать, что существует фундаментальный физический принцип, называемый вторым законом термодинамики, в соответствии с которым любая такая система с течением времени будет «дезорганизовываться» или, другими словами, постепенно разрушаться. Конкретно для твоего устройства, Том, второй закон можно сформулировать в виде следующего условия: нельзя создать устройство, получающее полезную энергию за счет использования случайного, то есть хаотического движения молекул в любом (неважно, холодном или горячем) теле. Ученые даже придумали для такого воображаемого, но невозможного устройства особый термин, назвав его «демоном Максвелла».

Не говори так, тетя, ты же знаешь, что дедушка дразнит меня «маленьким демоном» каждый раз, как только я предлагаю новую потрясающую идею! И вообще, продолжил Том с привычным скептицизмом, этот второй закон кажется неприятным и мне трудно поверить в его справедливость. Надо просто придумать какую-нибудь замечательную идею, которая позволила бы «перехитрить» все неприятные правила. Например, я понял, что именно энергия горячего Солнца нагревает молекулы воды в океанах и придает им столько энергии хаотического движения, что они могут потом достигать горных вершин, а затем скатываться вниз, вращая колесо водяной мельницы.

Ты понял совершенно правильно. Второй закон лишь утверждает, что Солнце не может производить работу самостоятельно. Для работы мельницы необходимо, чтобы атмосферные слои над горами были настолько холодными, чтобы в них могли конденсироваться атмосферные пары. А Земля не сохраняет всю энергию, полученную от Солнца!

Том взглянул на тетю с нескрываемым удивлением:

Почему? А зачем тогда нужны эти холодные слои в верхней части атмосферы? Разве слово «холодный» не означает лишь то, что они содержат меньше энергии, чем какие-то другие, которые мы можем назвать горячими? Для чего нужна эта не очень-то большая разница в энергии? Я тебя совсем не понимаю, мне кажется, что ты сама себе противоречишь, возразил Том, обретая некоторую уверенность. Сперва ты говорила, что мельницу заставляет работать Солнце, а теперь вдруг заявляешь, что Земля вообще не берет энергию от Солнца!

Но это так! Подумай, ведь в противном случае температура нашей Земли становилась бы все выше и выше, до тех пор, пока вся жизнь на планете стала бы невозможной. В действительности всю получаемую днем от Солнца энергию Земля почти полностью ночью возвращает в холодное космическое пространство. Механизм этой теплопередачи основан на том, что Солнце представляет собой совершенно особый объект, исключительно горячий и яркий на фоне холодного и темного космического простора.

Том начал терять нить рассуждений, но его поразила заключительная фраза тети: « и таким образом, нас «спасает»от действия второго закона только какая-то очевидная упорядоченность самого Солнца, то есть организованность солнечной энергии». Том был совершенно ошеломлен и взглянул на тетю Присциллу с нескрываемым удивлением:

Я совсем перестал тебя понимать и даже не могу сообразить, что означает второй закон по-настоящему? Откуда может взяться какая-то организованность внутри Солнца? Ведь с течением времени, как ты говорила чуть раньше, беспорядок структуры Солнца должен непрерывно возрастать именно благодаря второму закону! Получается, что в момент образования Солнце должно было обладать какой-то немыслимой организованностью, чтобы в дальнейшем «тратить свою упорядоченность» из-за действия второго закона?

Именно так, и все связано с тем, что Солнце представляет собой немыслимо горячее и яркое пятно на темном фоне окружающей нас Вселенной. Огромная разница в температуре создает необходимую упорядоченность, то есть организованность всей системы в целом.

Том взглянул на тетю с некоторым пониманием:

Ты говорила мне об организованности и что ее можно подсчитать, хотя я и не все понял. Предположим, что все это верно, но мне неясно, откуда возникает странное, интересное свойство упорядоченности вещества. Из-за чего вообще появляется организованность?

Она появляется вследствие того, что газ (при конденсации которого возникло когда-то наше Солнце) был до этого очень однородно распределен в пространстве, а затем гравитационные силы образовали в нем «комки» в виде звезд, которые мы видим. Очень давно Солнце выглядело именно как огромный «кусок» конденсированного вещества, который по мере сжатия разогревался все сильнее.

Ты рассказываешь мне все более и более раннюю историю мира, тетя, но я спрашивал тебя лишь о том, откуда в самом начале взялось то, что ты называешь организованностью или упорядоченностью.

О, в самом начале был Биг-бэнг чудовищный по масштабам Большой взрыв, в результате которого и возникла вся наша Вселенная!

Тетя, но ведь гигантский взрыв вовсе не похож на то, из чего может возникнуть что-то упорядоченное. Я просто не могу поверить, что взрыв способен породить организованность вещества!

Ты не одинок в своих сомнениях. Множество людей не понимают и не воспринимают идею о том, что Вселенная началась с чудовищного взрыва. Связь организованности с Большим взрывом и само возникновение какого-то реального порядка в природе одна из самых великих загадок космологии.

А может, до этого Большого взрыва уже существовало что-то еще более упорядоченное?

Некоторые исследователи предлагают что-то подобное и создают теории, согласно которым наша расширяющаяся при взрыве Вселенная до этого переживала фазу коллапса, которая при каком-то «отскоке» превратилась в Большой взрыв. Есть и другие теории, из которых, например, следует, что маленькие «кусочки» предыдущей Вселенной обратились в то, что мы сейчас называем черными дырами. Некоторые даже думают, что эти «кусочки» предыдущего мира сами могут «отскакивать», превращаясь в некие зародыши или, образно говоря, семена будущих расширяющихся Вселенных. Другие ученые полагают, что такие новые Вселенные превращаются в какие-то объекты, которые можно назвать «фальшивым вакуумом».

Тетя, но эти их идеи и теории кажутся просто безумными!

Конечно! Давай, я расскажу тебе об одной из самых новых теорий

Продолжение следует.