2. Релятивістські космологічні моделі

Такий глибокий зв'язок між простором-часом і матерією, що розкрився теорією відносності, відразу ж дозволив поставити питання про глобальні властивості просторово-часової структури світу. Уже в 1916 році, після створення загальної теорії відносності, Альберт Ейнштейн сформулював першу релятивістську космологічну модель Всесвіту, в якій простір виявився замкнутим і, отже, скінченим. У дальшому розвитку знання про Всесвіт важливу роль відіграли праці Олександра Фрідмана і Георгія Гамова. Відкрито принципову неста-ціонарність глобальної просторово-часової структури світу. Увесь Всесвіт - певний динамічний об'єкт, що переживає власну історію. У сучасних умовах - це Всесвіт, який розширюється, що означає неухильне зростання об'єму просторово-часової структури і повсюдне збільшення відстаней між об'єктами у структурі. Розширення належить саме до глобальної просторово-часової структури - Метагалактики. Розширення є суворо ізотропним процесом і має абсолютно тотожний вигляд для споглядача, який знаходиться у будь-якій точці Всесвіту. Відносні швидкості розбігання достатньо далеких Галактик досягають колосальних, порівняно зі швидкістю світла, значень. Явище розширення Всесвіту природно поставило питання про початок такого процесу, що в силу особливостей математичного апарату загальної теорії відносності (використання диференційних рівнянь) - привело до уявлення про так званий Великий вибух з точки (що становить син-гулярність у рівняннях загальної теорії відносності), в ході якого, приблизно 18 млрд. років тому, і народився Світ. У момент, що передував вибуху, матерія перебувала у надщільному стані. Урахування квантових властивостей матерії дозволяє зрозуміти, що і точка, з якої народився Світ, і безкінечні значення основних фізичних величин, що характеризують Всесвіт у такому стані (щільність ма-си-енергії, маса, енергія, кривизна та ін.), зовсім не обов'язкові тому, що на певному етапі руху у минуле досягненню сингулярної точки і безкінечних значень фізичних величин перешкоджають квантові властивості поля тяжіння (а отже, і самої просторово-часової структури Світу). У дуже малих масштабах, що менші за 10'32 см, спостерігається флуктуація метрики простору-часу і виникає картина так званої просторово-часової піни — пузирів чотиримірної просторово-часової структури Свщіу, що виникають і зникають. У такому Світі, який описується суто імовірнісною мовою, вступаємо в галузь квантової гравітації і квантових концепцій виникнення Світу з нічого. Концепція Великого вибуху, представлена у так званій моделі виникнення Всесвіту, розробленій Георгієм Гамовим, давала деякі передбачення, що можна перевірити експериментально. Найважливіше з них - однорідне та ізотропне радіовипромінювання, що народилося в момент великого вибуху і заповнило увесь Всесвіт. Модель Георгія Гамова дозволила передбачити для сучасної епохи і деякі кількісні параметри випромінювання, названого реліктовим. Так, температура випромінювання за теорією повинна бути близько до 3 градусів Кельвінів. У 1965 році таке реліктове випромінювання, що безпосередньо свідчить про Великий вибух, який мав місце, дійсно знайдене, причому температура збіглася з теоретично передбаченою. В результаті немає сумнівів у тому, що весь Всесвіт, який спостерігається, з притаманною просторово-часовою структурою сам, як і все у Світі, має початок і кінець і існує не більше 18 млрд. років, виникнувши з якогось принципово іншого стану матерії.
Отже, час існування Всесвіту безсумнівно скінчений. Що ж до тримірного простору, то характер кривизни його також підлягає емпіричному визначенню, виходячи з релятивістських космологічних моделей. За умови, коли щільність маси-енергії у Всесвіті перевищує певне критичне значення (порядку 10'29 г/см3), тримірний простір має позитивну кривизну, а отже, замкнутий і скінчений. При реальній щільності маси-енергії у Всесвіті, що менша за вказане значення, тримірний простір має негативну кривизну, а йому слід приписати метричну безкінечність. Нарешті, у випадку збігу реальної щільності маси-енергії з критичною, тримірний простір буде плоским (евклідо-вим) і також буде безкінечний метрично. Експериментальні оцінки реального значення щільності маси-енергії у Всесвіті близькі до критичного, і достатньо однозначної і тому остаточної відповіді на питання про глобальні метричні властивості тримірного простору поки що немає. Та питання просторової скінченності або безкінечності Всесвіту втратило колишню гостроту. Справа у тому, що в теорії відносності фундаментальним об'єктом є чотиримірний простір-час, а тримірний простір є тільки частковий і відносний переріз простору-часу, що залежить від вибору системи відліку. Виявилася навіть така глобальна властивість, як метрична безкінечність тримірного простору також має відносний зміст і залежить від вибору системи відліку. Один і той же тримірний світ може виявитися безкінечним в одній системі відліку і скінченим в іншій.
В теорії відносності простір сам по собі і час сам по собі перетворюються лише на тіні і тільки їх єдність - чотиримірний простір-час - має абсолютне значення. Тому принципово в проблемі про скін-ченність або безкінечність Всесвіту має питання про чотиримірну кривизну, що, відповідно, абсолютна, а не відносна. Чотиримірна кривизна завжди позитивна за умови, коли щільність маси-енергії в просторі-часі Всесвіту більша нуля. Щільність маси-енергії у Всесвіті, очевидно, більша нуля. Питання про метрику чотиримірної просторово-часової структури Всесвіту розв'язується повністю однозначно: відомо наперед, що чотиримірний світ подій скінчений. У природі не існує ні безкінечних чотиримірних інтервалів, ні безкінечного чотиримірного обсягу. Чотиримірний пузир Всесвіту, що роздувається, як відомо наперед, є скінченим! Але тут виникають два питання: по-перше, чи є сам кількісний (метричний) опис стану матерії у Всесвіті вичерпним і універсальним?; по-друге, якщо глобальні метричні властивості здаються наявністю і розподілом речовини і випромінювання, то чи вичерпуються - речовиною або випромінюванням - усі можливі стани і властивості матерії, чи в природі існує не тільки речовина і випромінювання?
Легко можна відповісти негативно, відштовхуючись від операціональної природи понять простору і часу, просторово-часових відносин і будь-якого метричного опису, основою якого є вимірювання просторових відстаней (довжини). Візьмемо універсальний характер процесів переходу речовини у випромінювання, що відбуваються у Всесвіті. Процеси радіоактивного розпаду речовини у Всесвіті відбуваються з незворотною втратою частини маси речовини за рахунок переходу її у випромінювання. За сучасними уявленнями, навіть протони - основа існування речовини -підлягають радіоактивному розпаду. В результаті легко зрозуміти таку ідеалізовану ситуацію у Всесвіті, коли процес вигорання речовини повністю завершиться і вся речовина перейде у випромінювання. Звичайно, такий граничний стан матерії вкрай нестійкий: фотони, взаємодіючи між собою і з вакуумом, здатні знову народжувати речовину у вигляді nap-часток. Та в такій ситуації бачимо: метричні просторово-часові співвідношення дійсно не універсальні, не загальні і жорстко пов'язані з наявністю у природі об'єктів з скінченною масою спокою. Дійсно, якби споглядач опинився у Всесвіті, заповненому лише одним випромінюванням, не в змозі ввести жодне просто-рове-часове поняття: відстань, напрямок, час та ін. Більш того, споглядач неспроможний визначити навіть власну систему відліку і таку, що рухається, і таку, що перебуває у спокої, оскільки має співвіднести (операціонально і фізично, наприклад, шляхом посилання і прийому відбитого сигналу) свій стан з яким-небудь іншим об'єктом у Всесвіті. А це можна зробити лише відносно об'єктів з скінченною масою спокою, що завжди рухаються зі швидкостями, меншими, ніж швидкість світла, і, отже, доступні для вимірювальних просторово-часових операцій над ними. Але фотон, позбавлений маси спокою, завжди рухається зі швидкістю світла і не може бути операціонально зафіксованим споглядачем у будь-якій точці простору за допомогою посилання і прийому відбитого від нього сигналу, оскільки у природі немає сигналів, що поширюються зі швидкістю, більшою за швидкість фотона. Відносно просторово-часового буття фотона можна коректно говорити про точку випромінювання і точку поглинання його у просторі. Але спочатку слід ввести самі поняття простору і часу! А між такими подіями фотон ніби випадає з просторово-часового буття, адже, будучи монохроматичною хвилею, фотон відразу ж займає весь безкінечний простір, будучи тоді ж часткою, що рухається зі швидкістю світла, повинен стиснутися до нуля відповідно до релятивістських перетворень для лінійних розмірів тіл, що рухаються. Нуль і безкінечність - пара досить красномовних символів для того, щоб зрозуміти, що фотон просто випадає з просторово-часового опису.
Система відліку пов'язана із споглядачем, уже має фізичний зміст до будь-яких вимірювальних операцій у класичній ньютонівській механіці. Адже ньютонівський споглядач, взятий сам по собі, або рухається, або перебуває у спокої відносно абсолютного ньютонівсь-кого простору. Зовсім інша справа - релятивістський споглядач. Хоча з ним і можна зв'язати систему відліку як з об'єктом з конечною масою спокою, але залишається абсолютно невизначеною до співвіднесення релятивістського споглядача з яким-небудь іншим об'єктом з скінченною масою спокою. Тільки після можна визначити пов'язану з ним систему відліку, що рухається і перебуває у спокої. Така принципова відмінність двох концепцій простору: абсолютного простору -вмісту і реляційного простору як системи відносин. Отже, старі уявлення про загальність простору і часу, простору-вмісту для усього існуючого повинні бути залишені назавжди. У підсумку можемо вказати на таку - нехай і ідеалізовану - ситуацію, за якою існує споглядач і навколо світ - Всесвіт, що складається з одного випромінювання, та все одно в такій ситуації споглядач не в змозі вести і фізично верифікувати жодне з просторово-часових понять. Це свідчить про те, що не матерія існує у просторі-часі, а, навпаки, простір і час творяться певним станом матерії - станом диференційованості її і наявністю об'єктів з скінченною масою спокою. Але це те, чого і слід чекати, з реляційної точки зору на природу простору і часу.
Фізична реальність: МІНЮвання? У пошуках відповіді на питан-речовина і випромінювання ня візьмемо деякий обмежений обсяг у просторі, скажімо, куб з ребром в 1 м. і виберемо з нього все, що можна вибрати. Легше за все зрозуміти віддалену від простору речовину, оскільки утворюється деякими корпускулами - елементарними частками з скінченною масою спокою. І хоча технічно такий глибокий вакуум досягти неможливо, все ж легко уявити таку ситуацію, коли в обмеженому просторі число часток речовини дорівнює нулю і простір заповнений одним випромінюванням. Для того, щоб тепер розглянути можливість виключення випромінювання з обмеженого обсягу у просторі, згадаємо запис енергії для квантового осцилятора: Е =п + ^)hv . Тут Е - енергія квантового осцилятор; п - число збуджених рівнів осцилятора (тобто число часток випромінювання, або квантів поля); h - постійна Планка; u - частота.
Вилучення випромінювання з об'єму, що розглядається, досягається дорівнюванням числа квантів випромінювання нулю. Та, очевидно, не досягаємо порожнечі! У просторі, з якого вилучені усі частки речовини, а тепер вилучені і кванти поля (або частки випромінювання), залишається дещо. Про це свідчить ненульове значення енергії для нульового осцилятора: Насамперед, вираження Ео = hv означає, що після того, як послідовно вилучили з розгляду речовину і випромінювання, все ж порожнеча не досягається, або, якщо завгодно, порожнеча має деякі фізичні властивості, зокрема, здатна, до спонтанного енергетичного прояву. Спонтанний енергетичний прояв експериментально зафіксований у так званому лембівському зсуві -зміщенні рівнів енергії зв'язаних станів електрона у зовнішньому полі (наприклад, у полі ядра атома, зумовленому спонтанними флуктуаціями вакууму). Другим експериментальним підтвердженням явищам нульового поля є ефект поляризації вакууму, що призводить до часткової екранізації власного заряду, поміщеної у вакуум частки (наприклад, заряду ядра атома та ін.). Щоправда, може здаватися, що так званій порожнечі-просторі, в якій немає ні речовини, ні випромінювання - слід приписати деяку енергію, що дорівнює напів-кванту енергії для кожної частоти коливань будь-якого квантового поля! Та слід відразу ж застерегти проти наївно реалістичного тлумачення такого запису для енергії нульового осцилятора. Річ в тім, що будь-яка спроба тлумачення запису як безпосереднього вираження деякого реального запису енергії відразу ж приводить до абсурдних наслідків: порожнеча повинна мати безкінечний запас енергії, тому що інтегрування за всіма частотами дає саме такий результат. Отже, у порожнечі повинна зосереджуватись і безкінечна маса, безкінечна щільність та ін. Наявність фізичного вакууму абсолютно неминуча для будь-якого виду квантових полів, відомих у фізиці і ще невідомих. У порожнечі слід очікувати прояв ефектів адитивності усіх квантових полів, якщо їм приписати безпосередню реальність.
Схильність мови і мислення людини до традиційного і, по суті, класичного об'єктивування будь-яких фізичних сутностей у просторово-часових термінах виявляється в тому, що вакуум зрозумілий у вигляді чогось, вкладеного у простір: деякої нової фізичної суті поряд з полями і речовиною. Фізична суть розуміється у вигляді поля, що заповнює увесь простір середовища з певними фізичними властивостями та ін. Іноді навіть на такому ґрунті намагаються пояснити квантові ймовірності у поведінці мікрооб'єктів: електрон постійно підпадає під впливи з боку флуктуацій вакууму, і тому його поведінка піддається лише імовірнісному опису. Та при такому підході питання про природу квантових ймовірностей не розв'язується, а тільки переноситься далі, тобто глибше. Якщо б ймовірності, представлені псі-функцією електрона походили від настільки зовнішнього, настільки неорганізованого і ніяк не пов'язаного з електроном джерела, то такі красиві ефекти у поведінці електрона (квантові кореляції та інтерференційні ефекти) були б у принципі неможливі. Очевидно, уявлення такого роду надто класичні, щоб бути правильними.
Дійсно, запис нульової енергії квантового осцилятора треба розуміти не як вказівку на існування деякого фізичного дечого, що має реальну енергію, а як повну відповідність з імовірнісною інтерпретацією квантової механіки, що принципово не усувається і не зводиться до нуля, імовірнісні народження так званих віртуальних порцій h-ft (квантів поля), або пар часток у порожнечі. Чому ж мають імовірності народження часток квантів поля і чому їх не можна усунути? Відповідь є вже в основній ідеї квантової механіки, пов'язаній з допущеннями планківської константи h. Ця ідея визнає унікальність властивості цілісності і нерозкладності світу на безліч яких-небудь елементів у субквантовому рівні. Унікальна властивість цілісності світу і зв'язана з нею (від неї похідна) неповна розкладність світу на безліч елементів, що не усувається і завжди зберігається -об'єктивна основа існування у порожнечі імовірності народження часток і квантів поля, що не усувається і не зводиться до нуля. Тут є спільне джерело імовірнісної природи квантових об'єктів і первинного характеру імовірностей в квантовій картині світу. Непряме підтвердження такого пояснення фізичного вакууму - у концепції віртуальних часток, що використовуються у фізиці як технічний засіб опису вакууму, взаємодії реальних часток між собою. Віртуальні частки - це кванти релятивістських хвильових полів, що беруть участь у вакуумних флуктуаціях, мають такі ж фізичні характеристики (так звані квантові числа), як і звичайні реальні частки і відрізняються від звичайних реальних тим, що для них не виконується співвідношення спеціальної теорії відносності між енергією частки Е, імпульсом р і масою т: Е2 = с2р2 = 7П2С4 ■ Частки не можуть фізично спостерігатися і не є реальними частками у звичайному розумінні. Але саме віртуальні частки є переносниками усіх видів взаємодії у квантовому світі, а також через них реалізується взаємодія реальних часток з вакуумом. Спочатку ці частки виникли як чисто математичний прийом опису взаємодії у суб'ядерному світі. Та пізніше частки набули деякого проміжного статусу між реальністю і можливістю і у квантовому світі. Явне урахування фундаментальної суб-квантової властивості світу як неподільної одиниці, властивості скінченної нерозкладності його на елементи і множини, виступає джерелом імовірностей спонтанного народження часток і полів