Наука робить загальні висновки на основі експерименту або фактів, отриманих на даний момент часу. Але величезна небезпека криється в екстраполяції вже зафіксованого, описаного в книгах знання, особливо коли йдеться про встановлення достовірності неверифікованої теорії.
Ньютонівська фізика чудово працює у світі великих тіл на малих відстанях. У Сонячній системі, наприклад. І то не завжди.
Але на мікродистанях у силу вступає квантова механіка, а при наближенні до дуже великих мас включаються принципи загальної теорії відносності Ейнштейна.
Однак якщо ми описуємо весь Всесвіт, тоді ми маємо потурбуватися про те, щоб теорія, яка описує його, виглядала фізично і математично точною. Якщо хочемо залишатися в рамках сучасної космології.
Або переглянути всі наші потрібні уявлення, якщо на те є фактичні та методологічні підстави.
Що таке простір-час?
Згідно із загальноприйнятою точкою зору, Всесвіт розширюється, охолоджується, стає все більш незграбним і менш щільним у міру свого старіння.
У найбільших космічних масштабах речовина однорідна; якби ви помістили коробку з цукерками за кілька мільярдів світлових років від Землі, то її щільність приблизно дорівнюватиме земній, з точністю ~99,997%.
І все ж, коли справа доходить до опису Всесвіту далекого майбутнього або далекого минулого, знадобиться лише перше рівняння Фрідмана. Передбачається, що воно застосовне до всього космосу.
У 1915-20-х роках загальна теорія відносності Ейнштейна швидко витіснила закон всесвітнього тяжіння Ньютона як провідну теорію гравітації. Якщо Ньютон припускав, що всі маси у Всесвіті притягуються одна до одної миттєво, відповідно до нескінченної "дії на відстані", то версія Ейнштейна була концептуально іншою.
Виявилося, що простір, замість того, щоб бути незмінним тлом для існування і руху мас, нерозривно пов'язаний із часом, оскільки ці два поняття сплетені в єдину тканину - просторовий час.
Ніщо не переміщується в просторі-часі швидше за швидкість світла, і що швидше ви рухаєтеся в просторі, то повільніше ви "пливете" в часі (і навпаки).
Скрізь, де присутня не тільки маса, а й будь-яка форма енергії, тканина простору-часу викривляється, причому величина викривлення безпосередньо пов'язана з напружено-енергетичним змістом Всесвіту в даному місці.
Коротше кажучи, кривизна простору-часу вказує матерії та енергії, як рухатися, а присутність і розподіл матерії та енергії вказує простору, як викривлятися.
У рамках загальної теорії відносності закони Ейнштейна забезпечують потужну основу для роботи. Але це також неймовірно складно: тільки найпростіші рівняння простору-часу можуть бути вирішені точно, а не чисельно.
Перше точне рішення було отримано в 1916 році, коли Карл Шварцшильд знайшов рішення для точкової нерухомої маси, яку ми сьогодні ототожнюємо з чорною дірою. Якщо ви вирішите помістити у свій всесвіт другу масу, ваші рівняння стануть нерозв'язними.
Однак відомо безліч точних рішень. Одне з найбільш ранніх було запропоновано Олександром Фрідманом ще 1922 року: якщо, міркував він, Всесвіт рівномірно заповнений якимось видом (видами) енергії - матерією, випромінюванням, космологічною постійною або будь-якою іншою формою енергії, яку можна уявити, - і цю енергію розподілено рівномірно в усіх напрямах і в усіх місцях, - то якісь рівняння мають давати точне рішення для еволюції простору-часу.
Але таке рішення за своєю природою нестабільне в часі. Якби Всесвіт почався зі стаціонарного стану і був наповнений цією енергією, він неминуче стискався б доти, доки не зруйнувався б від сингулярності.
Інша альтернатива полягає в тому, що Всесвіт розширюється, а гравітаційний вплив усіх різних форм енергії працює на протидію розширенню.
Диференціальне рівняння Фрідмана і проблема розширення Всесвіту
Неможливо переоцінити, наскільки важливі рівняння Фрідмана для сучасної космології. Можна стверджувати, що найважливіше відкриття у всій фізиці - математичне: диференціальне рівняння Фрідмана.
По суті, саме заклало основу сучасного розуміння початкового стану, з властивостями, які штучно обрані для найкращого представлення наявної в нас системи відліку. Та й системи понять теж.
Є частинки? Немає проблем; просто придумайте їхні положення, моменти, маси та інші властивості, що нас цікавлять.
Сила диференціального рівняння полягає в такому: воно говорить, як, ґрунтуючись на початкових умовах, розвиватиметься система до наступного моменту.
Потім, виходячи з нових положень, які завжди виводяться трансцендентально, можна підставити інші змінні, і перше рівняння Фрідмана скаже вам, як система доживе до наступного поворотного моменту.
Від законів Ньютона до рівняння Шредінгера, диференціальні розв'язки говорять нам, як еволюціонувати будь-якій фізичній системі в часі.
Але тут є обмеження: ви можете продовжувати цю гру тільки до певного часу. Щойно рівняння перестає описувати систему, виникає така штука, як екстраполяція за межі діапазону: наше мислення перебудовує під наші ж знання про фізичну реальність.
Для першого рівняння Фрідмана необхідно, щоб вміст вашого всесвіту залишався постійним. Матерія залишається матерією, випромінювання залишається випромінюванням, космологічна постійна залишається космологічною постійною, і немає жодних перетворень від одного виду енергії до іншого.
Також необхідно, щоб всесвіт залишався ізотропним і однорідним. Якщо він набуває переважного напрямку або стає занадто неоднорідним, ці рівняння перестають працювати. Цього достатньо, щоб припустити: рівняння, яке говорить нам про те, як Всесвіт розширюється з часом, - помилкове.
Якщо це так, то відразу ж виникають кілька запитань.
- Чи існує краща система відліку?
- Чи обертаються галактики за годинниковою стрілкою частіше, ніж проти годинникової?
- Чи є докази того, що квазари існують тільки на кратних значеннях певного червоного зміщення?
- Чи відхиляється космічне мікрохвильове фонове випромінювання від спектра чорного тіла?
- Чи існують структури, які є занадто великими для пояснення у Всесвіті, що в середньому однорідний?
- Відповіді на ці питання є не що інше, як гіпотези, і їх необхідно постійно перевіряти і тестувати. Але цього не робиться; фізики й астрономи вірять, що світіння, яке з'явилося після Великого вибуху, - однорідне за температурою.
Але галактики з однаковою ймовірністю можуть бути як "лівосторонніми", так і "правосторонніми".
Червоні зміщення квазарів безумовно не квантовані.
Випромінювання космічного мікрохвильового фону є найдосконалішим чорним тілом, яке ми коли-небудь вимірювали.
А виявлені нами великі групи квазарів, найімовірніше, є лише псевдоструктурами, а не гравітаційно пов'язаними разом об'єктами в будь-якому значущому сенсі.
Як сьогодні розширюється Всесвіт
Однак якщо всі наші припущення залишаються в силі, то ми можемо зазирнути як у віддалене минуле, так і в майбутнє. Усе, що вам потрібно знати:
- як швидко розширюється Всесвіт сьогодні;
- які різні типи і щільності матерії та енергії, які присутні сьогодні.
Виходячи з цієї інформації, можна екстраполювати вперед або назад як завгодно далеко, тобто ми в змозі встановити, якими були і будуть розміри, швидкість розширення і щільність спостережуваного Всесвіту в будь-який момент часу.
Наприклад, сьогодні, як вважають космологи, наш Всесвіт складається приблизно на 68% із темної енергії, 27% темної матерії, приблизно 4,9% звичайної матерії, приблизно 0,1% нейтрино, приблизно 0,01% випромінювання і мізерно мала кількість усього іншого.
Екстраполюючи ці дані як назад, так і вперед у часі, ми уявляємо, як Всесвіт розширювався в минулому і буде розширюватися в майбутньому.
Але чи є такі висновки надійними, чи ми прагнемо до спрощених припущень, які не виправдані?
Візьмемо дещо інші вихідні дані:
- Зірки існують, і коли вони спалюють своє паливо, перетворюють частину своєї енергії маси спокою (нормальної матерії) на випромінювання, змінюючи склад Всесвіту.
- Виникає гравітація, і нові структури створюють неоднорідний Всесвіт з великими відмінностями в щільності від одного регіону до іншого, особливо там, де присутні чорні діри.
- Нейтрино спочатку поводяться як випромінювання, коли Всесвіт гарячий і молодий, а потім "перетворюються" на матерію, коли Всесвіт розширюється і остигає.
- У ранній історії Всесвіту космос був наповнений еквівалентом космологічної сталої, яка повинна була розпастися (що означало кінець інфляції) на матерію та енергію, які наповнюють простір сьогодні.
- Можливо, дивно, але тільки четверте припущення відіграє істотну роль в історії нашого Всесвіту.
Причина цього проста: ми можемо кількісно оцінити вплив інших і побачити, що Всесвіт розширюється на рівні ~0,001% або нижче.
Крихітна кількість матерії, яка перетворюється на випромінювання, справді спричиняє зміну швидкості розширення, але поступово і в малому ступені; тільки невелика частина зірок коли-небудь перетворюється на випромінювання.
Вплив гравітації було добре вивчено й оцінено; і хоча вона може злегка впливати на швидкість розширення в локальних космічних масштабах, глобальних змін, спровокованих "всесвітнім тяжінням", не спостерігається.
Аналогічно, ми можемо врахувати нейтрино в точності до межі мас спокою, тож тут немає жодної плутанини.
Єдина проблема полягає в тому, що якщо ми повернемося на порівняно короткий проміжок часу, то ми зафіксуємо різкий перехід у щільності енергії Всесвіту, що підтвердить "штучність" першого рівняння Фрідмана.
Дуже важко робити висновки про те, як працюватиме Всесвіт у режимах, які лежать за межами наших спостережень, вимірювань та експериментів.
Усе, що ми можемо зробити, це звернутися до вже відомої теорії, провести вимірювання і спостереження, а це, своєю чергою, можливо тільки на основі того, що нам відомо.
Але ми завжди повинні пам'ятати про те, що Всесвіт дивував нас у минулому і, ймовірно, здивує в майбутньому. Коли це станеться, ми повинні бути готові відмовитися від старих академічних припущень.
Як і до того, що частина наших сучасних знань - правильна. На скільки - залежить від свободи наукового мислення.
