Тайны Мироздания. Начало начал

НАЧАЛО НАЧАЛ: ВЗГЛЯД НАУКИ НА СОТВОРЕНИЕ МИРА


Представь, что история Вселенной — это огромная карта неизведанных земель. Раньше белые пятна на ней заполняли мифами: «здесь живут боги», «здесь мир создал Творец». Всё было просто и понятно! Стоило появиться чему то новому и загадочному — и ему тут же находилось объяснение: «это воля Всевышнего, это всё от него», и белое пятно на карте закрашивалось. Мир казался предсказуемым, понятным и даже не мотивировал к поиску и открытиям.
Но учёных не устраивало такое положение дел, и они решили составить другую карту — основанную на фактах, опытах, наблюдениях и уравнениях.  Они стали искать ответы, которые не требуют сверхъестественных сил, а опираются на законы природы.  И тут — бац! Учёные замерли в изумлении: чем больше они узнавали, тем больше становилось неизвестного. Белые пятна не исчезали — они разрастались, как ветви кроны дерева познания, каждая из которых тянулась к новым загадкам. Получалось как в компьютерной игре: после прохождения уровня открывалась новая локация — ещё сложнее и интереснее. Вселенная словно игриво подмигивала и подбадривала их: «Думаете, это всё? А вот и нет! Готовы к следующему испытанию? А слабо вам разгадать меня целиком?»
«Хорошо, — сказали учёные, — раз Вселенная бросает нам вызов, мы его примем!» И они пригласили космического детектива, который с энтузиазмом взялся за самое величайшее расследование в истории — дело о рождении Вселенной!

РАССЛЕДОВАНИЕ ДЕЛО №2: «А БЫЛ ЛИ БОЛЬШОЙ ВЗРЫВ?»

Для сбора улик по факту её появления детектив решил отправиться в путешествие сквозь время — назад в прошлое на 13,8 миллиарда лет, к самому первому мгновению.
Его машина времени — это не фантастический аппарат, а телескопы и уравнения и конечно же сознание, логика, эрудиция и интеллект. С их помощью он нашёл три главных улики - доказательства, которые помогли создать научную версию рождения этого удивительного Мира, в котором мы живём:
Улика 1. Разбегание галактик. Тогда отсюда напрашивается вывод, что если все галактики отдаляются, значит, при «прокручивании киноплёнки назад», всё вещество, которое «разбежалось», когда то было собрано в одной крошечной точке! Чтобы найти эту улику пришлось обратиться за подсказками к трудам великих учёных. Вспомним их поимённо и вклад в наше расследование:
Весто Слайфер американский астроном первым измерил радиальные скорости галактик и обнаружил, что многие из них удаляются от Солнечной системы. В 1912–1914 годах он исследовал спектры излучения ближайших галактик, включая туманность Андромеды (M31), и обнаружил красное смещение линий в их спектрах. Это означало, что галактики удаляются от нас.
Альберт Эйнштейн, который в 1915 г. создал общую теорию относительности (ОТО) — фундамент для понимания гравитации и структуры Вселенной.  Его уравнения показали, что Вселенная может расширяться или сжиматься;
Александр Фридман, математически доказавший в 1922–1924 гг., что Вселенная не статична — она должна либо расширяться, либо сжиматься. Это был первый шаг к идее Большого взрыва!
Жорж Леметр - бельгийский астрофизик и священник.  Он первым в 1927 г. связал расширение с появлением материи и времени из одной точки - «первичного атома» — крошечной точки с бесконечной плотностью – начала нашей Вселенной.
Эдвин Хаббл американский астроном в 1929 году заметил нечто странное, все галактики не только удаляются от нас, но и чем дальше галактика, тем быстрее она летит прочь! Он экспериментально подтвердил зависимость между расстоянием до галактики и её скоростью удаления.
 
Улика 2. Реликтовое излучение, как эхо Большого взрыва. В 1946–1948 го-дах американский физик российского происхождения (эмигрант из Советского Союза) Георгий Гамов разработал концепцию «горячей Вселенной» и предсказал наличие реликтового излучения с температурой ;270 °C! — «остывающих углей» древнего космического «костра», который погас миллиарды лет назад. И Гамов был прав! В 1965 году бельгийские физики Арно Пензиас и Роберт Уилсон случайно поймали на свой радиотелескоп слабое микроволновое свечение, равномерно распределённое по всему небу. Им оказалось реликтовое излучение, предсказанное Гамовым. За это открытие бельгийские учёные (а не Гамов) получили Нобелевскую премию по физике в 1978 году.

Улика 3. Водород и гелий. В 1948 году расчёты Георгия Гамова, в соавторстве со своим аспирантом Ральфом Альфером и Робертом Германом  показали,  что сразу после Большого взрыва Вселенная была такой горячей,  что в ней могли образоваться только самые лёгкие элементы водород и гелий в определённых пропорциях и это экспериментально подтвердилось.
После сбора всех улик у нашего детектива не оставалось никаких сомнений: во всём виноват Большой взрыв! Всё должно было бы начаться с него! Звучит как спецэффект из блокбастера, правда?  Но это официальная научная теория.
Что это значит? Давным давно — примерно 13,8 миллиарда лет назад — не было ни галактик, ни звёзд, ни планет… Даже пространства и времени ещё не существовало. А потом — БУМ…!!!.. — произошёл самый грандиозный взрыв в истории. Из него появились: пространство, время, материя, законы физики и вся Вселенная, в которой мы родились и живём!
«Стоп, - скажешь ты, - разве такое может быть». А что же тогда было, когда ничего не было??? И что тогда могло взорваться, чтобы породить Вселенную, если и взрываться, то было нечему??? Да и кто устроил этот грандиозный взрыв, о котором говорят учёные? Сплошные вопросы – один круче другого… Интересно??? Будем дальше проводить расследование?
Хорошо, продолжим распутывать эту детективную историю. Мы уже ранее здесь рассматривали объяснения появления Вселенной мировыми религиями, древнегреческими философами и в мифах народов мира. Исходя из этих знаний и утверждения учёных о Большом взрыве у нас вообще всё перепуталось и возникло ещё больше вопросов: «Неужели какой-то космический разум или Творец Мироздания взорвал некое первородное космическое «яйцо» для создания Вселенной? И даже если это так, то разве от взрыва может получиться такой идеальный порядок — с галактиками, планетами, законами физики и самой жизнью?»
Мы спросили у современных учёных: «Что же это за яйцо такое было?»  Учёные, улыбнувшись, предложили нам не менее удивительную их версию, заменив яйцо как было у древних, на нечто совсем невероятное и абсолютно непонятное: в самом начале вся Вселенная была сжата в точку, которую физики называют сингулярностью. Эта точка такая маленькая, что её нельзя даже представить. А мы всё-таки попробуем это представить.
Если всё что мы видим изначально помещалось в одной точке, то запустим ка мы кино в обратную сторону от сегодняшнего дня. Представим, что вся наша огромная Вселенная с её галактиками, звёздами, чёрными дырами, планетами, воздухом и светом и, даже с нами, начнёт сжиматься: сначала она станет размером с наш Млечный путь, потом с Солнечную систему, затем с Землю, дальше с горошину, пылинку, атом, кварк и наконец превратится в нечто бесконечно маленькое и невероятно плотное – это и есть сингулярность. Хотя нечто бесконечно маленькое и невероятно плотное тоже, наверное, не очень точно, поскольку это нечто тоже предмет в пространстве. А тут не было никакого «снаружи», куда можно было бы смотреть. Не было «рядом» и «далеко». Не было даже «до» и «после», потому что времени ещё не существовало. Это как пытаться измерить температуру у самого слова «холод»: слово — не вещь, у него нет температуры.
Неужели такое возможно??? А если возможно, то, что же мы получим в этой точке??? На эти вопросы пока нет окончательных ответов. Современная физика упирается в границы своих возможностей, и привычные законы физики там не работают. И, возможно, именно тебе предстоит найти ответы на эти вопросы! А мы постараемся ответить на них в рамках наших знаний.
Современная физика работает пока по старым правилам, которые придумал великий учёный Альберт Эйнштейн в рамках уравнений своих Общей Теории Относительности (ОТО) и Специальной Теории Относительности (СТО).  ОТО и СТО — это набор правил, которые объясняют, как устроено пространство-время и как работает гравитация. Благодаря им мы понимаем, почему планеты вращаются вокруг звёзд, как искривляется свет рядом с чёрными дырами и многое другое. Об этих теориях подробнее мы поговорим позже. Сейчас же мы, рассматривая сингулярность, отмечаем, что в ней эти правила дают сбой, потому что в уравнениях с нулевой кривизной пространства-времени, то есть с их отсутствием, исчезает сама система отсчёта. Если координаты пространства: длина, ширина и высота равны нулю, то при этом уравнения ОТО не имеют смысла, поскольку измерять то нечего.
Получается парадокс: математика теории Эйнштейна сама неумолимо приводит нас к точке сингулярности с бесконечными температурой и плотностью и нулевым объёмом, и сама же ОТО перестаёт работать в этой точке. Это как карта мира, которая отлично показывает города и дороги, но, когда ты приближаешься к Северному полюсу, карта начинает деформироваться: все меридианы сходятся в одной точке, координаты «схлопываются». В самой точке полюса карта рвётся — там нет ни широты, ни долготы, ни расстояний. Так и ОТО в точке сингулярности при Большом взрыве или в чёрной ды-ре, её «карта пространства времени» достигает предела — координаты исчезают, уравнения дают бесконечность плотности и температуры, а само пространство имеет нулевое значение. Физика и математика «рвётся», поскольку нем может работать с бесконечностями и на ноль, как мы уяснили в школе, делить нельзя.
Можно попробовать представить ОТО и сингулярность как ситуацию с автомобилем: допустим у тебя есть авто марки «ОТО», который умеет: разгоняться почти до скорости света; объезжать гравитационные ямы; точно рассчитывать орбиты планет. Ты едешь на нём по трассе познания Вселенной. Дорога идёт всё круче, условия становятся всё экстремальнее. И вдруг впереди: предупреждающие знаки: «Бесконечная плотность» и «Объём = 0»; а прямо на дороге — шлагбаум с табличкой: «Движение для автомобилей „ОТО“ запрещено». Ты пытаешься проехать — но колёса пробуксовывают на месте, двигатель глохнет, приборы выдают ошибку: «Невозможно измерить пространство — оно исчезло».
Что делать? Можно сказать: «Сингулярностей не существует», разворачиваться и ехать назад. Можно попытаться протаранить шлагбаум, но машина сломается. Но лучше – это понять, что этот автомобиль не предназначен для таких дорог, и поискать новый транспорт — например, «космический мотоцикл квантовой гравитации». На нём ты сможешь проехать дальше в ещё неизвестную нам локацию «Сингулярность» — туда, где законы физики работают совсем иначе! И стать первооткрывателем новой физики. Но для этого надо изобрести этот «космический мотоцикл квантовой гравитации» - только и всего!
Сам Альберт Эйнштейн не хотел верить в сингулярность и относился к этой концепции со скептицизмом и недоверием. В 1939 году он опубликовал статью, в которой попытался доказать, что сингулярности это математические артефакты, а не реальные физические объекты.  Он аргументировал это тем, что для такого сжатия частицам пришлось бы двигаться быстрее скорости света, что противоречит основам его теории. 
Эйнштейн полагал, что в природе должен существовать механизм, предотвращающий образование таких точек с бесконечной плотностью и нулевой кривизной пространства-времени. Но как показала жизнь - гении тоже могут ошибаться: уже в том же 1939 году физики Роберт Оппенгеймер и Хартланд Снайдер опубликовали работу, в которой смоделировали гравитационный коллапс массивной звезды, исчерпавшей ядерное топливо. Их расчёты показали, что такой коллапс неизбежно приводит к образованию чёрной дыры с сингулярностью в центре. В дальнейшем чёрные дыры были реально обнаружены в нашей Вселенной в центрах фактически всех спиральных галактик и не только.
Описанные парадоксы сингулярности и ОТО для лучше восприятия можно показать ещё и на таком примере: ты в очках, изготовленных по чертежам ОТО. Предположим, у тебя в руках реальные геометрические фигуры деревянный куб и стеклянный шар. Через эти очки ты отлично видишь их грани и углы — можешь измерить длину, ширину, высоту куба или диаметр шара. Теперь начинаем их сжимать, сжимать и сжимать… Фигуры становятся всё меньше и меньше. В какой-то момент ты перестаёшь различать свои фигуры и далее у тебя всё сливается в одну точку…
Тебе говорят: «Измерь длину куба!»
Ты отвечаешь: «Я не вижу куба!
«Ну тогда диаметр шара?»
«И шара нет! Всё слилось в какую-то чёрную точку. В этой точке нет ни длины, ни ширины, ни высоты… Пространство просто исчезло… измерять нечего!!!
«Но фигуры же у тебя в руках!»
«Действительно странно! По весу вроде бы я чувствую, что фигуры ещё у меня в руках, но ни объёма, ни их размеров не ощущается…»
«Да точно, у тебя фигуры!»
«Если это так, — говоришь ты, — то, наверное, мои очки ОТО уже не могут их увидеть в таком состоянии. Мои очки рассчитаны на обычное пространство время, и значит здесь оно, наверное, как-то „сломалось“, какое-то иное: нет координат, нет объёма, нет кривизны. Наверное, мне нужны другие очки?». Ты снимаешь «Очки ОТО» и надеваешь новые очки — «Очки квантовой гравитации». 
- И… ОПА!!! Теперь ты снова видишь фигуры — но это уже не просто куб и шар. А это какие-то сложные квантовые объекты, да и само ощущение пространства и время как-то изменилось, всё мерцает и флуктуирует, вместо точки с нулевыми размерами, какой-то сплошной бурлящий клубок из разноцветных квантовых нитей, каждая нить то появляется, то исчезает, словно дышит; вокруг них искрят крошечные вспышки — это квантовые флуктуации пространства времени. В общем всё как в сказке: и ни, словом сказать, ни пером описать… Ты наконец начинаешь догадываться, что новые очки открыли тебе возможность видеть и понимать, что происходит внутри сингулярности! Круто (но такие очки надо ещё изобрести)!!!
И тут ты вспоминаешь фильм «Интерстеллар»: когда Купер (главный герой) попадает в тессеракт (пятимерное пространство) и может общаться с дочерью Мёрф через пространство-время — он передаёт ей информацию с помощью гравитации, аккуратно двигая стрелки часов.

Это конечно пока научная фантастика, но возможно вот так же и новые «очки квантовой гравитации» позволят увидеть то, что скрыто от старой теории ОТО — настоящую структуру сингулярности, где законы физики работают совсем иначе! 
И может быть, именно ты станешь учёным, который изобретёт такие очки и создаст эту новую теорию — и мы наконец узнаем, что же на самом деле скрывается внутри чёрных дыр, как возникла Вселенная в момент Большого взрыва и какие тайны ещё хранит пространство время!
Теперь самое время рассмотреть, что же это за такие загадочные объекты – чёрные дыры, где ломаются и не работают известные нам законы физики…