Коллектив авторов - Современная космология: философские горизонты

Теории и факты: стандартный сценарий. Сам термин конкорданс для космологии новый, но стоящий за ним тип деятельности работает в ней давно. Вспомним, например, ситуацию 30-50-х годов. Постоянная Хаббла в законе красного смещения была величиной, определяемой на основе не прямых, а косвенных измерений — по цефеидам. Ее значение оказалось сначала завышенным почти в 10 раз. Возраст Вселенной (Метагалактики), определяемый как величина 1/Н, получался значительно меньшим, чем возраст Земли. Затем возникло аналогичное противоречие между возрастом Вселенной и наиболее старых звезд. Это вызвало у многих наблюдателей крайнее недоверие к теории расширяющейся Вселенной (идеологические споры вокруг нее вовсе не были главным камнем преткновения). Недоплеровские интерпретации красного смещения были еще очень влиятельными, лишь подтверждая сомнения в отношении теории. Но некоторая часть физиков-теоретиков поддерживала фридмановскую космологию, несмотря на ее очевидный конфликт с тем, что тогда считалось установленным фактом. Они исходили как раз из конкорданса, считая, вслед за Эйнштейном, что теория тяготения основывается на более глубоких основаниях, чем теория звездной эволюции, и противоречие будет устранено. В дискуссиях по поводу расширяющейся Вселенной иногда проскальзывал такой аргумент: кто «хорошо понимает» ситуацию, не сомневается, что верх одержит теория, а кто сомневается — тот «ничего не понимает». И ведь все так и случилось! Новые оценки постоянной Хаббла позволили устранить противоречие. Конкорданс между физиками-теоретиками себя оправдал.

Теория Фридмана в своем современном состоянии вполне адекватно описывает эволюцию Вселенной от первой секунды после Большого взрыва до настоящего времени, т. е. 13,7∙10 9лет. В этих временных пределах теория подтверждается такими фактами, как закон Хаббла, реликтовое излучение, крупномасштабная однородность Метагалактики и некоторые другие. В контексте фридмановской модели надежно обоснована модифицированная теория горячей Вселенной. Согласно этой теории, Вселенная родилась из сингулярности в процессе Большого взрыва как сверхгорячий «огненный шар» с температурой до 10 32К. При этой температуре четыре известных физических взаимодействия были объединены в суперсилу. По мере расширения Вселенной происходило падение температуры, сопровождавшееся рядом фазовых переходов: расщеплением гравитации и электрослабого взаимодействий, затем расщеплением электрослабых сил на слабые и электромагнитные, формированием кварк-глюонной плазмы, конфайнментом кварков и первичным нуклеосинтезом, затем образованием атомов, которое сопровождалось появлением космического фонового излучения; его температура составляла 3000 К, а сейчас упала до 2,7 К.

По словам Я.Б. Зельдовича и И.Д. Новикова, «теория горячей Вселенной как теория огромного этапа эволюции Вселенной в настоящее время установлена окончательно. Решающим аргументом является существование и свойства РИ. Те уточнения, которые могут последовать (в силу того, что точность всех проделанных измерений не абсолютна), не изменят основного вывода о горячей Вселенной, а дадут информацию о деталях процессов, которые протекали в прошлом». В рамках теории горячей Вселенной остается еще много невыясненных вопросов, но «объяснять отклонения можно (и нужно) будет в рамках теории горячей Вселенной…» [66] Зельдович Я.Б., Новиков И.Д. Строение и эволюция Вселенной. М., 1975. С. 149. .

Одновременно с триумфом стандартного сценария (теории расширяющейся Вселенной) выяснилось, что в нем есть серьезные затруднения, носящие характер парадоксов. Их возникло больше десятка [67] Линде А.Д. Физика элементарных частиц и инфляционная космология. М., 1990. . Наиболее впечатляющими были проблемы сингулярности, плоскостности пространства, крупномасштабной однородности и анизотропии Вселенной, горизонтов, барионной асимметрии, реликтовых монополей, единственности Вселенной. Эти затруднения (парадоксы) вызывали большую заботу среди космологов-теоретиков.

Факты и внеэмпирические аргументы в теориях сверхранней Вселенной. Наиболее длительную концептуальную историю имеет проблема сингулярности, поставленная еще Фридманом и Леметром. Кому-то ситуация может показаться не столь драматичной, но С. Хокинг думает иначе. По его словам, если законы физики нарушаются в сингулярности, они могут нарушаться и в любом другом месте. Хокинг говорил также, что многие космологи «питали отвращение к самой идее сингулярности, оскорбляющей красоту теории Эйнштейна» 3. Впрочем, с математической теоремой трудно поспорить, добавлял он. Одним из «наиболее мучительных вопросов», стоящих перед космологией, назвал сингулярность А.Д. Линде. Вот почему не будет преувеличением сказать, что в течение многих десятилетий космологи вели с сингулярностью настоящую «войну». Были предприняты многочисленные попытки выяснить: существовала ли в эволюции нашей Вселенной некая реальная особенность, которой соответствует сингулярность в решениях космологических уравнений? Этот вопрос разбивается на три части: а) неизбежна ли сингулярность в теории А.А. Фридмана; б) можно ли ее устранить, перестроив космологические теории или их принципы; в) какая космологическая теория — с сингулярностью или без нее — лучше соответствует фактам. На языке эпистемологии проблема приобретает следующую форму: конструктивно ли введена сингулярность в уравнениях Фридмана? Процедура конструктивного обоснования абстрактных объектов теоретических схем, после того, как они введены в качестве гипотез, согласно B.C. Степину, состоит в их адаптации к реальной экспериментально-измерительной практике через посредство эмпирических схем. Необходима внутренняя согласованность всех определяющих признаков абстрактных объектов теоретической схемы. В этом контексте и были многократно поставлены вопросы о сингулярности.

В рамках самой модели однородной изотропной Вселенной некоторые исследователи пришли к выводу, что в общем случае сингулярность необязательна. Но в исследованиях С. Хокинга и Р. Пенроуза были доказаны теоремы, из которых следует, что сингулярность в этой теории неизбежна, т. е. введена конструктивно. Наиболее радикальным подходом, позволявшим обойтись без сингулярности, была теория стационарной Вселенной Хойла-Бонди-Голда (1948 г.). Один из ее исходных принципов состоял в том, что свойства Вселенной не должны зависеть от «начальных условий». В теории предполагалось существование особого скалярного поля с отрицательной плотностью энергии («творящего поля» или С-поля), которое вызывает спонтанное рождение вещества в форме атомов водорода. Этот процесс как бы компенсирует расширение Вселенной, так что в целом она стационарна, и для наблюдателя всегда имеет один и тот же вид. Начальная сингулярность в ней отсутствует. Теория стационарной Вселенной пришла в противоречие с некоторыми фактами (например, пространственным распределением удаленных радиогалактик), не смогла удовлетворительно объяснить природу микроволнового фонового излучения. Но абстрактный объект скалярное «творящее поле» с отрицательным давлением был затем переосмыслен в инфляционной космологии (т. е. конструктивно введен в ее концептуальную схему), и в этой новой форме получил среди космологов большое признание.