Современная космология: философские горизонты

Коллектив авторов

Ускоренное расширение Вселенной сравнивают с эпохой новой инфляции. Подсчитано, что удаленные галактики будут постепенно исчезать за горизонтом видимости, как бы уничтожая наблюдательные свидетельства Большого взрыва. Спустя 135 млрд. лет воображаемый наблюдатель на Земле увидит только ближайшие галактики, но затем уйдут и они. В сфере видимости останется только наша собственная Галактика, звезды в которой начнут потухать и рассеиваться в пространстве.

При анализе структуры рассматриваемого факта обнаружение нелинейной зависимости видимой яркости Сверхновых 1а от их расстояний (определенной, заметим, по статистической обработке сравнительно небольшого числа звезд) следует относить к уровню непосредственно данного. Далее должен следовать интерпретационный уровень, который включает несколько ступеней. Вывод об ускоренном расширении Вселенной — это первая ступень интерпретации. По вопросу о том, является ли такая интерпретация единственно возможной, идут споры, выдвигаются и другие интерпретации. Но большинство теоретиков-космологов убеждено, что объяснить наблюдаемую корреляцию можно только механизмом ускоренного расширения. Ее теоретическая нагруженность определяется сравнением со стандартной космологической моделью и выявлением

отклонений от нее. Этот уровень структуры эмпирического знания и следовало бы считать конституирующим важнейший для космологии факт. Многие космологи именно так и поступают. Но есть немало теоретиков, которые идут дальше, включая те же фактуальные знания также в интерпретацию причин расширения Вселенной как следующий подуровень интерпретации. Обычно говорят об открытии всемирного антитяготения.

А.Д. Чернин продолжил интерпретировать открытие ускорения Вселенной следующим образом: «В 1998–1999 гг. две группы астрономов-наблюдателей сообщили об открытии всемирного антитяготения». После открытия антитяготеющей среды, продолжает А.Д. Чернин, «для нее стали придумывать названия». Одно из них — темная энергия — получила распространение. Но сама эта среда может иметь разную физическую природу. Космологи говорят о моделях двух типов: -член (вакуум) и квинтэссенция. Кроме того, предложены модели, основанные на так называемой фантомной энергии. А.Д. Чернин является сторонником модели космического вакуума, которую он также рассматривает как открытие, сделанное современной космологией. По словам А.Д. Чернина, «наблюдательные данные все более указывают на то, что антитяготеющая среда — это вакуум Эйнштейна-Глинера, описываемый космологической константой» [63] .

63

Чернин А.Д. Всемирное антитяготение // Эйнштейн и перспективы развития науки. М., 2007. С. 196.

Чернин А.Д. Всемирное антитяготение // Эйнштейн и перспективы развития науки. М., 2007. С. 194.

См. Эйгенсон М.С. Внегалактическая астрономия. М., 1960.

Bondi II, Gold T. The Steady-state Theory of Expanding Universe // The Monthly Notices of the Royal Astronomical Society. V. 108, 1948.

Если факт ускоренного расширения Вселенной (его достоверность сейчас проверяется новыми, все более точными наблюдениями) мало зависит от какой-либо объясняющей теории, то с другими упомянутыми феноменами, которые рассматривают иногда как факты (темной энергией, вакуумом), дело обстоит иначе.

Во-первых, нельзя считать полностью доказанным фактом само существование темной энергии. Это — лишь следующая ступень интерпретации данных наблюдений, требующая дополнительного обоснования. Некоторые космологи выдвигают альтернативные модели, которые большинству кажутся маловероятными, но все же пока не исключены из рассмотрения. В противовес сценарию ускоренного расширения Вселенной был выдвинут альтернативный сценарий, в основе которого — отказ от принципа однородности. Считается, что расширение Вселенной все-таки происходит с замедлением, но темпы его различны в зависимости от области пространства. Возможно, окружающая нас область Вселенной содержит меньше вещества, чем необходимо, чтобы задержать расширение, и оно замедляется не такими темпами, как в других областях.

Во-вторых, если признается, что существование антитяготения представляет собой доказанный факт, то дальнейшая интерпретация этого факта все-таки неоднозначна. Существование космологического вакуума, являясь дальнейшей ступенью интерпретации все тех же данных о кинематических особенностях Сверхновых Iа, погружено в объясняющую теорию, которой выступает инфляционная космология. С точки зрения этой теории космологический вакуум — наиболее вероятный «кандидат» на роль среды, способной породить инфляцию в ранней Вселенной. Обычно предполагается, что вакуумное состояние соответствует одному или нескольким скалярным полям. Как показал Я.Б. Зельдович, вакуум эквивалентен материи, обладающей плотностью и отрицательным давлением. Флуктуации вакуума способны порождать «пузыри», раздувание которых приводит к возникновению целых вселенных. Плотность энергии вакуума составляет = 7•10^{– 30}г/см³, что выше плотности всех других форм вещества и энергии во Вселенной. Никаких прямых наблюдательных данных, подтверждающих существование космологического вакуума, нет. Он вводится на основе критерия когерентности знания, позволяющего свести воедино кое-что из известного о ранней Вселенной. Но все же существование этого типа вакуума едва ли стоит уже сейчас считать установленным фактом. Оно вполне может подтвердиться, но может и не подтвердиться. Об открытии космологического вакуума говорить пока рано (если не отступать от общепринятого смысла термина «открытие»). Эта интерпретация ускоренного расширения буквально «растворяется» в контексте объясняющей теории.

В-третьих, природа антитяготения пока не прояснена с необходимой достоверностью. Вот почему не следует, на мой взгляд, полностью сбрасывать со счетов и модели ускоренного расширения, альтернативные основанной на -члене. Как отметили Д.С. Горбунов и В.А. Рубаков: «Отличная от нуля космологическая постоянная — далеко не единственная возможная причина ускоренного расширения Вселенной в современную эпоху. Природа темной энергии — одна из главных загадок современного естествознания» [64] . Довольно влиятельной альтернативой является особая, непривычная форма материи (энергии) — квинтэссенция [65] . Под ней понимают скалярное поле, способное создавать антитяготение, которое и вызывает ускоренное расширение Вселенной. Еще одна альтернатива — «фантомная энергия». Эмпирический выбор между этими альтернативами возможен, хотя и на основе косвенных данных. Необходимо измерить параметр . (средняя плотность массы Вселенной, отнесенная к плотности критической). Если он окажется точно равным 1, будет подтверждаться гипотеза о -члене, т. е. космологическом вакууме, если же он имеет другое значение — придется выбирать между гипотезами квинтэссенции и фантомной энергии. Измерения до сих пор приводят к значениям , очень близким к 1.

64

Горбунов Д.С., Рубаков В.А. Введение в теорию ранней Вселенной. Теория горячего Большлго взрыва. М., 2008. С. 99.

65

Krauss L.M. The Fift Essence. NY, 2000.

Таким образом, эмпирически обоснованным фактом в космологии является ускоренное расширение Вселенной. Очень вероятно, можно сказать почти (но все же не до конца) эмпирически доказано существование темной энергии как наиболее вероятной интерпретации наблюдательных данных. Но ее природа пока не ясна. Был ли до начала расширения нашей Вселенной вакуум или какой-то другой тип поля, пока остается открытой проблемой или, если угодно, гипотезой, а не фактом в рассматриваемом смысле.

Итак, анализируя формирование фундаментальных фактов в космологии, к сожалению, никак не могу согласиться с высказыванием А.Д. Чернина, выражающим наиболее распространенный взгляд: «Замечательно, что три из четырех крупнейших наблюдательных открытий были предсказаны теоретиками. Расширение Вселенной предсказал Александр Александрович Фридман в 1922 г. Предсказание реликтового излучения — заслуга Георгия Антоновича Гамова (1940-50 гг.)… Существование же всемирного антитяготения предвидел А. Эйнштейн (1917 г.). Только темная материя явилась в космологии неожиданно».

3. Контекст подтверждения современных космологических теорий: факты и внеэмпирические критерии

Неклассическая космология остро нуждается в фактах, как истинах, хотя и относительных, но достоверных. Сейчас объем фактуальных эмпирических знаний быстро растет, но и альтернативные теоретические структуры к ним непрерывно адаптируются. Проблема выбора теории, особенно в космологии ранней Вселенной, сохраняет остроту. Эта сфера познания чаще других прибегает к разного рода внеэмпирическим критериям при обсуждении приемлемости теоретических выводов. Возник даже взятый из политики специальный термин «конкорданс» («сердечное согласие»), который означает меру согласия между космологами, дополняющего собственно эмпирические нормативы оценки знания. Феномен конкорданса как тип аргументации обнаруживает себя на разных стадиях современного космологического исследования.

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•10⁹ лет. 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 10³² К. 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] .

66

Зельдович Я.Б., Новиков И.Д. Строение и эволюция Вселенной. М., 1975. С. 149.