Немецкий профессор физики заново открывает Вселенную

Со времени Большого взрыва Вселенная непрерывно расширяется, причём с ускорением.  Данная гипотеза, активно поощряемая Нобелевским комитетом,  нынче общепринята среди космологов. Однако с этим не согласен профессор из Института теоретической физики Гейдельбергского университета  Христоф Веттерих: Вселенная вовсе не расширяется, а совсем наоборот…

В начале был Большой взрыв.  Он случился 13 миллиардов 800 миллионов лет назад. С тех пор Вселенная, бесконечная по определению, неутомимо разлетается во все концы неизвестно чего.  В более близком к нам космическом прошлом этот процесс пошёл даже с ускорением. Так,  в сильно упрощённом виде,  выглядит функционирующая уже более ста лет Стандартная космологическая модель, которая описывает возникновение и эволюцию Вселенной.

И вот теперь немецкий профессор ставит эту теорию под сомнение. В своём недавнем исследовании он предлагает радикально иную интерпретацию всех тех наблюдений, которые и привели к ныне общепринятой картине событий во Вселенной.

61-летний профессор физики из Гейдельбергского университета специализируется на астрофизике, физике частиц и гравитации. Известности в профессиональных кругах на международном уровне он  добился своими работами, посвящёнными тёмной энергии.  В 1987 году он выдвинул теорию, согласно которой квинтэссенцией всего во Вселенной является некая динамическая тёмная энергия.

Та таинственная сила, которая якобы растаскивает Вселенную во все концы и все пределы и тем самым льёт воду на мельницу Стандартной модели, до сих пор не найдена.  И вот теперь нестандартно (или антистандартно по отношению к пресловутой модели) мыслящий физик выдвинул чрезвычайно необычную теорию. Он предполагает, что Вселенная вовсе не расширяется, а, наоборот, сжимается. А масса всех частиц во Вселенной со времени Большого взрыва увеличилась.

Пять опор Стандартной модели

Стандартная модель космологии покоится на пяти столпах, возведённых с помощью  астрономических наблюдений. Важнейшим из них является красное смещение. Оно является прямым следствием расширения Вселенной: поскольку пространство непрерывно расширяется, свет от всех небесных объектов на своём пути к Земле растягивается. То есть его волны становятся длинней. А более длинные волны смещают цвета света в красную область спектра. Одновременно расширяющееся пространство захватывает с собой галактики и уносит их дальше от Земли.

Этот эффект обнаружил в 1929 году американский астроном Эдвин Хаббл. Измеряя расстояния до отдалённых туманностей, он заметил, что красное смещение их света увеличивается пропорционально их удалению. И получалось, что галактики разлетаются по отношению друг к другу, как осколки разорвавшейся бомбы. Теория о расширении Вселенной, которую некоторые исследователи уже до этого разработали на базе общей теории относительности А. Эйнштейна, считалась отныне доказанной.

Позднее бельгийский священник и физик Жорж Леметр, просчитав космическое расширение до самого его начала, теоретически пришёл к такому состоянию, когда вся Вселенная состояла из одной единственной частицы, названной им «праатомом». Это была первичная форма теории Большого взрыва. 

Масса массе рознь

Источником излучения звёзд, космической пыли и целых галактик являются содержащиеся в небесных телах атомы. Они поглощают и излучают свет на характерных для них частотах. Таким образом,  свойства атомов определяют цвет излучаемого космическими телами света.  И если они удаляются от нас, то их излучение сдвигается в красную область спектра, а когда приближаются к Земле, то сдвиг происходит в синюю часть спектра.

Характерные для каждого атома частоты в основном зависят от его массы, точнее сказать, от масс его составных частей, таких, например, как электроны в атомной оболочке.  Если масса этих составных частей атома увеличивается, они начинают излучать более насыщенный энергией свет.  А высокие энергии фотонов (частиц света) сопровождаются  более короткими волнами и более высокими частотами, что сдвигает цвет света в синюю часть спектра.  И, наоборот, свет становится более красным, когда частицы теряют в массе и становятся легче.

Глядя в бесконечность, астрономы одновременно заглядывают и в прошлое

Скорость света конечна. И чем дальше какая-нибудь галактика находится от Земли, тем дольше её свет добирается до нас. В итоге нам приходится наблюдать звёздные острова в том состоянии, в каком они находились в момент излучения света, наконец-то добравшегося до нас.

Аналогичный эффект мы могли бы наблюдать, если б масса всех объектов во Вселенной была когда-то незначительной, а затем неуклонно стала расти. И тогда свет далёких галактик, в сравнении с более близкими  к нам и, значит, несущими уже больше информации о своём утяжелении небесными телами, казался бы нам смещённым в красную область спектра, причём пропорционально их удалению от нас.  По этой причине красное смещение создавало бы впечатление, что галактики удаляются от нас, даже если они этого и не делали. И если эту альтернативную интерпретацию красного смещения выразить математически, получится совершенно новая картина космологии.

В первые доли секунды после Большого взрыва события не отличаются от предлагаемых Стандартной моделью: Вселенная переживает краткую фазу экспоненциальной инфляции. Этот сценарий разработал американский физик Алан Гут ещё в 1980 году. Согласно его модели, Вселенная, первоначально бывшая меньше субатомной частицы, в доли секунды раздулась до величины мяча для гольфа.

А другие версии инфляционной теории идут значительно дальше. По их предположениям, пространство затем расширилось гораздо больше, чем занимает нынче вся наблюдаемая нами Вселенная. А вызвано было столь безудержное расширение неким таинственным энергетическим полем, которое физики нарекли «инфлатоном».

В модели профессора Веттериха нет никакой космической экспансии

Этим и заканчивается сходство Стандартной модели с  новой гипотезой немецкого физика.

Серьёзное отличие проявляется уже в подходе к версии Большого взрыва. Согласно стандартной модели,  правзрыв начался с сингулярности. Так называют физики состояние, в котором искривление пространства-времени становится бесконечно большим, как и значения температуры и плотности. Однако с точки зрения физики понятие сингулярности совершенно бессмысленно, поскольку в материальном мире не существует бесконечных величин.

По этой причине исследователи очень хотели бы как-то избавиться от сингулярности и заменить её конечными величинами. Бесконечности вытекают из Общей теории относительности, которая, однако, не в состоянии описать Большой взрыв. В этом пункте её уравнения терпят крах. Состояния в момент Большого взрыва могла бы изобразить квантовая теория. Однако чтобы получить полное описание Вселенной, физики должны объединить обе теоретические системы в общей формуле, которая бы и стала давно вожделенной и искомой универсальной формулой.  Увы, обе теории настолько разнятся в своём математическом аппарате, что учёные до сих пор не в состоянии их объединить и создать нечто цельное.

Модель, предложенная гейдельбергским исследователем Веттерихом,  обходит эти препятствия. Она опирается на Большой взрыв, но отвергает сингулярность. Вместо неё правзрыв расширяется в течение  бесконечно долгого времени в прошлое. После последовавшего Большого взрыва  рождённая им Вселенная расширялась лишь в инфляционной фазе.  А с тех пор она замерла или даже начала снова сжиматься. Так что никакой космической экспансии ныне не существует.

Теория выглядит захватывающе, однако её нельзя проверить

Работа Веттериха ещё официально не опубликована и поэтому пока не подверглась принятой в науке тщательной проверке. Тем не менее,  в одной из статей журнала «Nature» идеи немецкого физика уже начали обсуждать его коллеги. И ни один из процитированных в журнале учёных не отверг самоё идею и не обнаружил ошибок в лежащем в её основе математическом аппарате.

Тем не менее,  гипотеза имеет фундаментальную проблему: она принципиально не поддаётся проверке, ибо масса не является абсолютной величиной и определяется лишь в сравнении с другими массами. На Земле это делается с помощью эталонного килограмма,  который в виде цилиндра из сплава платины и иридия хранится в Международном бюро мер и весов в Париже. И если бы масса всех материальных объектов во Вселенной, включая и эталонный килограмм, в течение эпох и эонов как-то выросла, это было бы невозможно определить.

Однако профессор Веттерих считает данный аргумент неосновательным. Его работа во многом открывает возможность разрабатывать различные космологические модели таким же образом, каким это делает квантовая физика при различных интерпретациях квантовой механики с адекватным математическим обоснованием. По мнению Веттериха, главным преимуществом его модели, когда речь идёт о Большом взрыве,  является отсутствие в ней понятия сингулярности.

Идея о статичности Вселенной существовала и прежде

Однако сторонники этой идеи вынуждены были сдавать свои позиции всякий раз, когда новые результаты наблюдений ей серьёзно противоречили. Такое случилось и с Эйнштейном. Из его Общей теории относительности вытекало, что массы во Вселенной из-за своего взаимного притяжения должны были бы лететь друг к дружке и в конце концов сойтись все вместе в одной единственной точке. Однако астрономические наблюдения демонстрировали практически неизменную Вселенную.

Поэтому Эйнштейну пришлось ввести в свои формулы новую силу, действующую отталкивающе и тем самым уравновешивающую гравитацию. Он назвал её «космологической константой» (сокращённо «лямбда»). Однако когда американский астроном Хаббл в 1929 году обнаружил космическое расширение, эйнштейновская лямбда оказалась не у дел. Эйнштейн изъял её из своих формул и назвал её изобретение самой большой глупостью в своей жизни.

Ещё одно похожее предположение: Steady-state-theorie (Cтационарная теория)

Позднее британский астроном Фред Хойл вместе со своими коллегами Томасом Голдом и Германом Бондом выдвинул так называемую Стационарную теорию. Она, правда, предполагала, что Вселенная расширяется. Однако у неё не было начала и она существовала вечно.  В такой ситуации материя должна была бы радикально раствориться, разбавиться в бесконечном пространстве, чего в действительности с очевидностью не наблюдается.

Поэтому Хойл придумал, что во Вселенной  должна была бы постоянно возникать из самой себя новая материя и именно в таких количествах, чтобы с одной стороны продолжать расширение Вселенной, а с другой — сохранять плотность материи в неизменном состоянии.

По иронии судьбы, именно отрицавший Большой взрыв Бойл и придумал это название (по-английски «bigbang») во время радиопередачи на Би-би-си в феврале 1950 года. Он хотел этим термином дискредитировать  тезис о первоначальном взрыве, но на самом деле взвинтил его популярность среди коллег с силой, почти эквивалентной этому самому Большому взрыву.

Мнения экспертов по поводу гипотезы Веттериха разделились

Разумеется, после статьи в журнале «Nature» не обошлось без скептических высказываний. Однако практически все они базируются на констатации того факта, что космологи в своём подавляющем большинстве придерживаются теории расширения Вселенной потому, что она лучше всего на сегодня объясняет красное космическое смещение.

Другие учёные заинтересовались идеей немецкого физика, подчёркивая, что она помогает исследователям не зацикливаться на протоптанных тропинках познания.

«Поле зрения космологов сегодня сконцентрировано исключительно на Стандартной модели, которая, в свою очередь, зациклена на Большом взрыве с его сингулярностью, — пишет физик Арджун Берера из Шотландского университета в Эдинбурге. – Но прежде чем с удобствами упокоиться на этой модели, очень важно  посмотреть, а нет ли какого-нибудь альтернативного объяснения, которое бы согласовалось с известными нам наблюдениями».