Революции в науке часто происходят в процессе исследования, казалось бы, неразрешимых парадоксов. Фокусировка на них и, в конечном итоге, нахождение решения, является именно тем процессом, который привел нас ко многим важным прорывам.
Любопытно будет перечислить те из парадоксов, которые связаны с современными представлениями о космологии. Вполне возможно, что их решение приведет к прорыву и выработке представлений о строении Вселенной следующего поколения.
Юрий барышев из Санкт-Петербургского Государственного Университета работает как раз над вопросами современной космологии. Результатом его деятельности является список парадоксов, основанный на хорошо известных идеях и наблюдениях о происхождении Вселенной.
Возможно, самый драматичный и, в тоже время, самый важный для космологии парадокс связан с одним из величайших достижений этой науки – утверждением о том, что Вселенная расширяется.
И основан он на следующих наблюдениях.
Мы знаем, что другие галактики удаляются от нас. Доказательством данного факта является то, что свет от этих галактик имеет красное смещение, и чем больше расстояние — тем оно сильнее.
Астрофизики интерпретируют этот факт как свидетельство того, что более далекие галактики удаляются от нас с большей скоростью и последние исследования подтверждают это.
Что на самом деле интересно, так это то, что для подобного расширения должны быть созданы соответствующие условия — пространство и вакуум. Но как это происходит, нам до сих пор не понятно. Создание пространства еще не описано в космологии, это новое явление, существование которого не было подтверждено нами в лабораторных условиях.
Ко всему прочему, в заданном объеме вселенной может существовать только соответствующий ему объем энергии. Если мы наблюдаем увеличение размера Вселенной, то и общее количество энергии, соответствующее ему, тоже должно возрасти. Но если обратиться к физике, то Закон Сохранения Энергии гласит: энергия не может появиться из ниоткуда и исчезнуть в никуда.
Британский космолог, Тед Харрисон комментирует это следующим образом: «Подводя итоги, нравится нам это или нет, становится очевидно: энергия во вселенной не сохраняется».
Данная проблема хороша известна специалистам по исследованию космоса, но если спросить их об этом прямо, они будут только переминаться с ноги на ногу и молча уткнутся взглядом в пол. Очевидно, что любой теоретик, который сможет решить данную проблему, обеспечит себе светлое научное будущее в космологии.
Природа энергии, связанной с вакуумом все еще остается загадкой. Данное явление называют по-разному: или энергией нулевых колебаний, или Планковской вакуумной энергией. Квантовые физики потратили достаточно времени в попытках вычислить ее.
Результаты их работы показывают, что плотность энергии вакуума огромна, порядка 1094 г/см3. Так как энергия эквивалентна массе, она должна оказывать гравитационное воздействие на Вселенную.
Космологи искали этот гравитационный эффект (космологическую постоянную) и рассчитали его значение исходя из своих наблюдений. Согласно расчетам, плотность энергии вакуума (в широких массах более известная как «Тёмная энергия») составляет около 10-29 г/см3.
Полученные учеными цифры трудно совместить, так как их значения отличаются на 120 порядков. По какой причине возникает данное противоречие никто объяснить не может, что крайне смущает всех до единого космологов.
В космологии есть еще одна загадка — красное смещение, упоминаемое выше. Физики приписывают это явление эффекту Доплера, сравнивая его с изменением высоты звука полицейской сирены, когда машина проезжает мимо.
Эффект Доплера возникает из-за относительного перемещения объектов. Но в нашем случае космологическое красное смещение отличается тем, что по мнению космологов движется само пространство в ходе расширения вселенной, а галактики остаются неподвижны.
Исходя из математических обоснований, скорость расширения вселенной не может превышать скорость света принятой в классической физике, что хорошо. Но в теории, это значение может быть любым, в том числе и выше скорости света.
Интересно, что природа красного смещения позволяет нам проводить проверки в ходе наблюдения за объектом в течении нескольких лет. Еще одна интересная мысль заключается в том, что при помощи красного смещения мы сможем исследовать самые удаленные объекты, которые со временем становятся все дальше и дальше от нас. Для удаленных квазаров изменение смещения может быть не более одного сантиметра в секунду за год, но мы сможем исследовать их при помощи более крупных телескопов нового поколения.
И напоследок упомянем еще один парадокс. Он берет начало в одном из допущений Общей Теории Относительности Эйнштейна о том, что если наблюдать вселенную с достаточного удаления, то она должна быть одинакова во всех направлениях.
Понятно, что предположение об однородности не применимо на локальном уровне. Наша галактика, Млечный путь, является частью сверхскопления Девы, которое так же является частью более крупного сверхскопления.
Подобное устройство предполагает фрактальность структуры Вселенной, т.е. Вселенная состоит из кластеров вне зависимости от точки ее наблюдения.
Проблема в том, что это противоречит одной из основных идей космологии — Закону Хаббла, наблюдению, что красное смещение объекта линейно пропорционально при его удалении от Земли.
Закон Хаббла глубоко интегрирован в структуру современной космологии. На данный момент он является наиболее распространенной теорией и гласит, что расширение Вселенной имеет линейный характер. И все хорошо, если Вселенная является однородной и, как следствие, линейной при больших масштабах.
Но доказательства этой теории являются парадоксальными. Астрофизики измерили линейность согласно Закона Хаббла на расстоянии в несколько сотен мегапарсек. И как оказалось, кластеры при подобном масштабе измерения доказывают, что Вселенная не однородна.
Таким образом утверждение о линейности Вселенной согласно Закону Хаббла не выдерживает никакой критики. И современным космологам опять становиться неловко из-за этого провала.
Иногда это наталкивает на мысли, что астрофизики более или менее защитили свою теорию Большого Взрыва и все, что мы видим в космосе, ей соответствует. Но это далеко не так. Космологи латают дыры в своих теориях таким образом, чтобы почувствовать вкус успеха на некоторое время. Но это чувство, безусловно, иллюзия.
Но так и должно быть. Если ученые действительно начинают думать, что приблизились к полному и окончательному описанию реальности, то простой список парадоксов может оказать им огромную услугу и вернуть с небес на землю.