Неопределенная Вселенная

Но если в космологии мы действительно не можем проводить подобный анализ, то необходимо задать вполне законный вопрос о природе космологии как науки. Мы должны либо допустить, что физические феномены на большой шкале космических расстояний (такие, как зарождение Вселенной) происходят только один раз, и именно они и являются предметом изучения космологии, либо, наоборот, предположить, что подобные события не уникальны, даже если мы не можем их наблюдать, и тогда эти события находятся вне сферы интересов космологии, поскольку ее методы не приспособлены для изучения классов объектов.

Некоторые ученые пытаются обойти эти проблемы, отрицая уникальность Вселенной. Они предполагают наличие множества вселенных (many universes), что само по себе противоречит общепринятому определению Вселенной как вместилища всего сущего. Так или иначе, принимая предположение о существовании множества вселенных, мы можем применять концепции статистических вероятностей к этим гипотетическим объектам, рассматривая их как чрезвычайно удаленные области пространства с различными характеристиками, как в теории хаотических инфляций (chaotic inflation), или как совершенно разделенные вселенные без какой-либо физической связи между ними. В обоих случаях степень спекулятивности выходит далеко за рамки допустимого в науке.

Поскольку до сих пор не доказано, что другие вселенные существуют или, по крайней мере, могут существовать, мы должны оставаться на позициях, что наша Вселенная уникальна, по крайней мере с нашей точки зрения, и, таким образом, нам придется согласиться с философскими последствиями такого утверждения.

Глава 5

Вселенная в пространстве и времени на большой шкале

Проблемы, возникающие из признания уникальности Вселенной, осложняются ее огромными размерами и протяженностью в пространстве и времени. Именно это составляет серьезное препятствие на пути ее изучения и ставит космологию в незавидное положение. Таким образом, помимо наблюдений и теоретических выкладок возникает необходимость в разработке рабочих моделей, позволяющих поддержать теоретические выкладки и позволить верно предвидеть результаты будущих наблюдений с достаточной степенью точности.

Для того чтобы понять, в чем заключается проблемы наблюдения Вселенной на большой шкале, давайте проанализируем расстояния, с которыми мы имеем дело.

Так, расстояние до ближайшей крупной галактики Андромеды таково, что свету требуется около двух миллионов лет, чтобы долететь от нее до Земли, и это при том, что скорость света – триста тысяч километров в секунду.

В настоящее время размеры наблюдаемой Вселенной примерно в пять тысяч раз больше расстояния до галактики Андромеды. Эти огромные масштабы накладывают значительные ограничения на наши возможности наблюдать удаленные области Вселенной (и конечно же, лишают какой либо возможности экспериментировать с ними). Таким образом, уникальность космологии заключается в том, что она имеет дело с наибольшими расстояниями, в пределах которых мы можем что-либо обозревать. Астрономические наблюдения ограничены так называемым понятием «past null cone» — линией наблюдения объектов, теряющих отчетливость с расстоянием. Мы можем эффективно наблюдать вселенную на космологической шкале, только приняв во внимание, что то, что предстает перед нами, случилось «там и тогда», и не можем наблюдать, что происходит там сейчас. Мы не можем знать, что происходит в галактике Андромеда сейчас. Мы способны видеть лишь те явления и события, которые обозревал бы локальный наблюдатель два миллиона лет назад. То есть мы неизбежно смотрим назад во времени, и чем большее расстояние до объекта нашего наблюдения, тем длиннее период времени, отделяющий нас от наблюдаемых нами событий. С одной стороны, это дает уникальную возможность заглянуть в прошлое нашей Вселенной, с другой стороны, это ограничивает наши возможности проанализировать, что представляет собой Вселенная в настоящий момент. В космологии неопределенность растет со временем и расстоянием.

Вместе с тем огромная шкала Вселенной предполагает, что мы можем эффективно наблюдать ее только из одного пункта – «здесь и сейчас». Мы не можем улететь со скоростью света на десять тысяч световых лет и понаблюдать вселенную оттуда. Но даже проделав такое огромное расстояние, мы не покинем нашу галактику, и с космологической точки зрения такое перемещение пункта наблюдения не будет иметь смысла. И даже если бы мы смогли поставить долгосрочный астрономический эксперимент длиной в двадцать тысяч лет, этого все равно совершенно недостаточно для принятия каких-либо космологических выводов, где временные шкалы измеряются миллиардами лет (в настоящее время считается, что возраст Вселенной равен 13,7 миллиардам лет, если понятие возраста вообще применимо в отношении к такому объекту, как Вселенная). Таким образом, космология весьма отличается от географических наук, изучая которые, мы можем путешествовать и делать непосредственные наблюдения за интересующими нас объектами. Принимая во внимание возможный истинный размер Вселенной, та часть, которую мы можем наблюдать, сравнима с панорамой, открывающейся с невысокого холма. На основании того, что мы видим с холма, космология пытается делать вывод о размерах и форме Земли. Увы, обзора окружающих наш холм видов отнюдь недостаточно для таких выводов.

Кроме того, мы можем наблюдать Вселенную только на основе анализа электромагнитного излучения, приходящего к нам в виде радиоволн, инфракрасных волн, света, ультрафиолетовых волн, рентгеновского излучения и жесткой радиации (последние два по большей части не доходят до Земли благодаря ее атмосфере, и для их изучения необходимо проводить наблюдения на орбите или в верхних слоях атмосферы).

Так же мы можем анализировать элементарные частицы, которые прилетают к нам из космоса, но все они подвержены той же проблеме ограничения скорости передачи информации скоростью света. Хотя в квантовой физике и рассматриваются феномены мгновенной передачи информации между парой фотонов [21], практического применения в астрофизике это не имеет.

Несмотря на то что мы не можем проанализировать вещество удаленных астрономических объектов в лаборатории, мы все же получаем достаточно информации о их природе только на основе анализа излучения и элементарных частиц, прибывающих к нам от этих объектов. Мы можем получать визуальные изображения, спектральный анализ [22] и так далее. В будущем, возможно, мы сможем делать выводы об удаленных объектах по анализу нейтрино, частицы, которую весьма трудно уловить [23] а также по анализу гравитационных волн (возможность определения которых – пока только гипотеза).

Однако все наши наблюдения будут подвержены тем же ограничениям, которые были обсуждены выше. Как следствие мы всегда будем обречены сталкиваться с указанными проблемами в интерпретации астрономических наблюдений.

Звезды находятся от Земли во много раз дальше, чем Луна, планеты, Солнце. Определить расстояние до ближайшей к нам звезды удалось русскому ученому В. Я. Струве. Это было более ста лет назад. Для этого ему пришлось наблюдать ее не с концов земного диаметра, а с концов прямой линии, которая в 23 600 раз длиннее. Где же он мог взять такую прямую линию, которая на земном шаре не может уместиться? Оказывается, эта линия существует в природе. Это диаметр земной орбиты. За полгода земной шар переносит нас на другую сторону от Солнца. Зная диаметр земной орбиты (а он вдвое больше среднего расстояния до Солнца), измерив углы, под которыми наблюдается звезда, можно вычислить расстояние до нее. Такой метод может быть применен только для определения расстояния до относительно близких звезд. Самые близкие к нам звезды – Проксима Центавра и Альфа Центавра – находятся в 270 000 раз дальше от Земли, чем Солнце. Лучу света от этих звезд приходится лететь до Земли 4,5 года. Однако добраться до них при современных скоростях космических кораблей займет пятьдесят тысяч лет.