Гравитация, коллапс и «черные дыры»
Итак, почти не приходится сомневаться в том, что мы живем в расширяющейся Вселенной и наблюдаем разбегание звездных систем — галактик. Причем словечко «почти» — здесь всего лишь необходимая дань философской убежденности в относительном характере научных истин.
Что же касается геометрии расширяющегося мира, то в однородной изотропной Вселенной она целиком зависит от количества материи. Или, что то же самое, от ее средней плотности.
И от этого, в частности, целиком зависит конечность или бесконечность пространства.
Или — или… Третьего не дано!
Но, увы, даже в рамках этой теории возможность столь простого выбора между конечным и бесконечным в значительной степени обманчива. Ведь, помимо бесконечности пространственной, могут быть и другие бесконечности и притом куда более неопределенные.
Например, теория однородной изотропной расширяющейся Вселенной приводит к такой явно парадоксальной бесконечности — бесконечной плотности вещества до начала расширения. Современная астрофизика знает плотности до 100 миллионов тонн в одном кубическом сантиметре: таковы плотности нейтронных звезд-пульсаров. Еще выше плотность атомного ядра. Но бесконечно большая плотность?
Какое реальное состояние за этим скрывается, трудно сказать. А может быть, появление бесконечно большой плотности свидетельствует просто о неблагополучии теории?.. Может быть, все дело в том, что общая теория относительности, не учитывает квантовых эффектов, которые в области сверхвысокой плотности должны сильно возрастать?
Здесь астрофизика и космология непосредственно смыкаются с физикой микромира. Но эта проблема еще ждет своего решения.
Вернемся, однако, к геометрии. Она определяется средней плотностью материи. В однородной Вселенной. А если Вселенная неоднородна?
— Однородные изотропные модели, видимо, следует рассматривать лишь как одно из приближений к реальной картине мира, — утверждает Зельманов. — Есть веские основания полагать, что структура и свойства реальной Вселенной гораздо сложнее.
И поясняет свою мысль:
— Ведь если Вселенная в самом деле однородна, то из этого автоматически следует, что поведение и свойства мегаскопических характеристик в каждую данную эпоху везде одинаковы. Такое положение вещей не только допускает возможность безудержной экстраполяции, но прямо ее требует. Другими словами, любые данные, характеризующие охваченную наблюдениями область (например, средняя плотность вещества и т. п.), не только могут, по и должны быть распространены на бесконечную Вселенную. А такая экстраполяция вряд ли может быть оправдана!
Разумеется, это — соображения уже философского порядка. Но здесь как раз тот случай, когда вмешательство философии крайне необходимо. Ведь проблема, о которой идет речь, расположена вблизи самых границ современного знания. А именно в таких ситуациях философские соображения могут оказать незаменимую помощь в выборе наиболее правильного пути.
Впрочем, накопилось немало наблюдательных фактов, которые указывают на то, что материя во Вселенной распределена далеко не равномерно, в особенности если речь идет о сравнительно небольших областях пространства.
А если так, то о чем, собственно, может рассказать нам средняя плотность, даже если мы вычислим ее с предельной точностью? Ведь ото все равно, что, скажем, подсчитать средний годовой доход жителя какого-нибудь крупного города в капиталистической стране. Он может оказаться вполне приличным и даже впечатляющим. Но в действительности за этим «средним благополучием» наверняка будут скрываться самые разительные контрасты. Ведь в это среднее войдут, с одной стороны, ужасающая нищета десятков тысяч людей, а с другой — баснословные доходы нескольких мультимиллионеров.
У различных областей неоднородной Вселенной может быть своя средняя плотность. А значит, и своя кривизна. И своя геометрия.
Известный американский физик Р. Оппенгеймер рассмотрел в свое время любопытную теоретическую возможности Если очень большак масса вещества оказывается в сравнительно небольшом объеме, то ее сжатие под действием собственного тяготения может быть неудержимым. Наступит беспрецедентная катастрофа — гравитационный коллапс.
Впрочем, это было лишь чисто теоретическое исследование, построенное по принципу: «рассмотрим некоторую воображаемую ситуацию и попытаемся выяснить, что из нее получается…»
Одним из первых советских ученых, попытавшихся применить идею гравитационного коллапса к реальным объектам, был профессор Кирилл Петрович Станюкович.
Кирилл Петрович — доктор технических наук. Но в то же время ему принадлежит ряд оригинальных работ по теоретической физике.
— Хорошо известно, — говорит Кирилл Петрович, — что в конце прошлого века некоторым казалось, будто развитие науки закончено. И уж никто не мог представить себе, что на протяжении жизни одного поколения могут возникнуть такие науки, как квантовая механика и теория относительности, вызвавшие революцию в образе мышления физиков. Казалось бы, эта поучительная история должна была бы отбить охоту утверждать, что физическая наука может когда-нибудь закончиться. Однако время от времени высказывается мнение, что физика в один прекрасный день может исчерпать свой предмет.
Разумеется, профессор Станюкович с подобным мнением активно не согласен.
— Вспомним Бора, Лобачевского, Ньютона, Эйнштейна, — продолжает он, — и других основоположников науки о пространстве, времени и материи, которые не только исходили из известных им фактов, но, используя свою фантазию, выдвигали и исследовали гипотезы, прямо-таки противоречащие установившимся теориям. Так стоит ли нам канонизировать их мысли? Стоит ли подгонять под их уравнения всю наблюдаемую Вселенную вместо того, чтобы использовать их успехи прежде всего как поучительные образцы умения думать, умения привнести в теорию о Вселенной нечто от себя.
Сам Станюкович старается следовать именно этому принципу.
Из-под его «теоретического» пера и родилось любопытное образование — «планкеон». Так назвал его Кирилл Петрович в честь знаменитого физика Макса Планка.
По существу, речь идет о «микроколлапсе». Оказывается, для его возникновения масса порядка одной стотысячной доли грамма должна обладать радиусом порядка 10-33 см, что во много раз меньше радиуса электрона. Плотность подобного образования будет поистине чудовищна — в каждом кубическом сантиметре 1095 г! Для сравнения можно напомнить, что средняя плотность вещества Земли составляет всего 5 г/см3.
По существу, «планкеоны» — это замкнутые в себе эйнштейновские микровселенные. Находящиеся внутри планкеонов частицы движутся не по прямым линиям, а по замкнутым траекториям, которые нигде не выходят за пределы их поверхности.
Планкеоны независимо от их массы можно считать своеобразными элементарными частицами. Впрочем, точнее, их надо было бы назвать «мертвыми» или «спящими» — законсервированными частицами.
Подсчеты, проделанные Станюковичем, показывают, что планкеоны больших энергий должны встречаться во Вселенной чрезвычайно редко — приблизительно один планкеон на 10 тысяч кубических километров пространства.
Однако планкеонов, в которых заключены небольшие энергии, может быть значительно больше. Не исключена возможность, что они входят в состав протонов и нейтронов в качестве центральных ядер этих частиц. Но это, разумеется, лишь самое предварительное предположение.
Есть и другая гипотеза, согласно которой планкеоны — это не что иное как кварки — гипотетические фундаментальные частицы с дробными электрическими зарядами, из которых построены многие элементарные частицы и поисками которых сейчас заняты физики.
Однако может оказаться, что связь между планкеонами и обычными элементарными частицами носит совсем иной характер.
Академик М. А. Марков и профессор Станюкович высказали оригинальную гипотезу, согласно которой обычные элементарные частицы представляют собой не что иное, как наблюдаемую часть планкеонов. Эти частицы с очень большой частотой, если можно так выразиться, периодически «высовываются» из своих планкеонов и «прячутся» обратно.