Что мы подразумеваем, когда говорим «Вселенная»? Что значат слова «Вселенная расширяется»? Был ли «Большой взрыв»? И если был, то что было «до него»?

Вселенная. Слова, слова… Как много разных слов мы произносим не задумываясь. И не только в обыденной жизни. Довольно часто и в физике некоторые, и даже очень многие, казалось бы хорошо определённые слова, используются неправильно и не к месту… И одно из этих слов — Вселенная. В результате приходится слышать так много утверждений, которые никогда бы не были сделаны, если бы люди всегда тщательно продумывали, что именно они произносят. И, может быть, и у широкой публики не возникали бы вопросы, не имеющие смысла. Но что уж пенять на широкую публику, если даже специалисты, которым сам бог велел, часто сами не понимают в точности, что говорят. Особенно это заметно в обсуждениях такой популярной темы, как возникновение Вселенной в результате Большого взрыва.

Какой же смысл мы вкладываем в слово «Вселенная»? Ясно, что вариаций значения этого слова довольно много. Особенно в обыденной речи. И это нормально. «Всю-то я вселенную проехал…» Ну кого озаботит гипербола в этой строчке песни? Не об этом здесь речь. А вот применительно к физике, и в популяризующих физические теории книгах или статьях, хотелось бы видеть определённость, отсутствие неясностей в смысле этого слова. Пожалуй, никто со мной особенно не будет спорить, что базовая функция слова «Вселенная» в физике — обозначение всего сущего, без изъятий. Только понимают это многие весьма специфически. И причиной является то, каким образом формируется еще в школе наше представление о пространстве и времени как о вместилищах, где существуем мы сами и окружающие нас вещи. Это представление автоматически расширяется с нашего маленького мирка на всё большее, окружающее этот мирок пространство, захватывает всё шире и прошлое его, и будущее. Таким образом создаётся представление, модель существования в пространстве последовательно всё больших островков сущего — человека или предмета, города, страны, планеты Земля, Солнечной системы, Галактики, Метагалактики и… Вселенной. Здесь и находится ядро проблемы, это представление становится барьером для правильного понимания и интерпретации как Большого взрыва как причины рождения Вселенной, так и особенности гораздо менее общей, черной дыры. Сейчас я сделаю одно «самоочевидное» утверждение и попытаюсь объяснить, почему оно не может быть правильным.

Утверждение: Вселенная, как совокупность всех сущих вещей, занимающих все вместе некоторое пространство, существует во времени. Здесь неверно абсолютно всё. Больше того, в такой форме это утверждение, даже если оно применяется всего лишь к некоторой небольшой, компактной части Вселенной, верно только приближённо. Что такое время я уже говорил. Но здесь смысл понятия времени является ключевым, критическим для понимания вопроса. Поэтому повторюсь вкратце. Время — это всегда образ последовательности событий. События могут быть разные, поэтому и время для некоторой компактной, достаточно большой области мира можно определить по-разному. Поэтому времён для каждой такой выделенной части имеется много. Это может быть как время, определённое (измеренное!) как последовательность событий любой из меньших частей этой области (например, часы на руке, эталон времени в Москве, Лондоне или Париже), так и время, определённое как последовательность событий глобальных для всей области — для планеты Земля это могут быть сезоны (год) или некоторое усреднённое, эталонное время, распространённое на всю планету с помощью радио синхронизации. Таким образом, существование во времени для произвольной части мира — это в некотором смысле тавтология, поскольку само время и определяется как существование. Однако, из-за того, что времён много, возникает и утверждается идея именно существования во времени, во времени соседней части области и, что гораздо естественнее, во времени, общем для всей области. Наличие в рассматриваемой области более мелких частей, её составляющих создаёт также и идею пространства, этой областью занимаемого. Здесь же возникает и идея существования в пространстве, примером реализации которой служит существование любой, более мелкой части в пространстве, ассоциируемом с пространством всей области. Поскольку в мире естественным образом выделяется последовательность, матрёшка всё больших и больших областей, содержащих предыдущие как малые части — человек или камень, город, страна, планета, галактика — то формируется также идея неких общих, содержащих всё это, всеобъемлющих, пространства и времени. Делается предельный переход от конечной такой последовательности, которая вполне реальна, к гораздо менее обоснованному представлению о бесконечных пространстве и времени, которые будут содержать в себе всё сущее, как бы мы не расширяли свой кругозор. Вместо понятия о времени и пространстве как способах описания отношений между событиями, возникает представление о них как о независимых от чего бы то либо субстанциях. Хочу подчеркнуть, что в появлении идеи вмещающих всё и вся пространства и времени нет абсолютно ничего плохого. Наоборот, сама по себе идея вмещающих пространств весьма плодотворна и очень полезна при изучении свойств пространств, в них помещённых. Такое помещение иногда делает наглядными те свойства пространств, которые с внутренней точки зрения могут быть описаны только формально, с помощью тех или иных математических (физических) соотношений. Принципиально такая возможность гарантирована математикой. Для любого, сколь угодно экзотического математического пространства, можно найти некоторое его вмещающее евклидово пространство. Правда число измерений такого вмещающего пространства будет заведомо велико, часто намного больше числа измерений того пространства, которое нужно вместить. Я как раз собираюсь проиллюстрировать многие свои замечания именно таким образом, помещая модель Вселенной в привычное читателю трехмерное пространство. Важно только понимать, что просто потому, что мы сами являемся частями Вселенной, реально такой взгляд «со стороны» на Вселенную нам не доступен. Но посмотреть со стороны на модели Вселенной мы вполне можем. Если будем помнить, что это всего лишь модели, не соответствующие оригиналу в точности, и даже весьма не соответствующие. Вернёмся теперь к утверждению в начале этого параграфа. Сделаем сначала акцент на словах «Вселенная как совокупность всех вещей существует во времени». Вспомним, что есть время? Время есть последовательность событий. Но сама Вселенная — это ВСЕ события, без какого-либо исключения. В каком же таком времени может существовать Вселенная? Где они, те события, что задают шкалу времени для ВСЕЙ Вселенной? И что они такое? Они не часть Вселенной? А чего тогда они часть? Вот эти простые вопросы имеют только один разумный ответ — представление о времени для Вселенной как целого не имеет смысла. Время имеет смысл для частей Вселенной, но не для целого. Также, как и пространство. Вселенная как целое может мыслиться только как пространство-время, единый объект, но не как нечто в пространстве и времени. Так что утверждение в начале этого параграфа, чтобы иметь смысл, может быть и должно быть переформулировано только так: «Вселенная существует, как совокупность всех вещей, образующих единое целое — пространство-время«. Вот и задумайтесь, имеют ли какой-либо смысл утверждения «Вселенная расширяется», «Вселенная возникла в результате Большого Взрыва» или вопрос «А что было до Большого Взрыва, если время началось в момент этого взрыва?» По отношению к Вселенной делать такие утверждения просто бессмысленно…

Вы спросите, да как же так?! Неужели всё врут физики, они же говорят Вселенная расширяется, а доказывают это такие опытные факты как красное смещение, реликтовое излучение и что-то там ещё? Успокойтесь. Не собираюсь я опровергать все эти и другие опытные факты. Единственное, за что ратую, чтобы физики и популяризаторы науки не вводили читателя в заблуждение неправильно используемыми словами. Да и себя тоже. Потому как есть у меня большое такое подозрение, что очень уж часто те, кто пишут на эти темы сами плохо понимают, что же они пишут… «Расширение» есть, только не Вселенной, хотя правильнее было бы называть это явление не расширением. Может быть. Но ведь назвали уже. Красное смещение есть, но вот интерпретировать его можно многими способами. Большой Взрыв, как некая особая область (и даже точка!) во Вселенной мог бы быть, а мог бы и не быть. И так далее.

Мы можем изобразить из себя господа бога и поизучать возможные свойства Вселенной, как некоего цельного объекта, математической конструкции, пространства-времени. Насколько воображения хватит. Вдруг да и станет понятнее, что именно расширяется, и о чём это говорить может? Этим я сейчас и займусь. А для иллюстрации таких возможных свойств буду использовать модель, помещенную в трёхмерное евклидово пространство. Ясно, что такие модели не будут точными. Но всё-таки надеюсь на их полезность. Чтобы вместиться в трёхмерное пространство мои модели должны быть максимум двумерными, т.е. поверхностями. При двух измерениях, одно обязательно будет изображать время и для изображения пространства остаётся только одно измерение. В этих моделях разницы между временной и пространственной координатами вы конечно не увидите, хотя она, вообще говоря, существенна.

Всем знаком один более-менее замкнутый мир, который вполне может служить неплохой моделью Вселенной, если немного напрячь воображение. Речь идёт о нашей планете, точнее её поверхности. Вот двумерное изображение Земного шара, как он видится извне. Изображение это я взял из программы Google Планета Земля. Наше воображение уже достаточно привычно к тому чтобы ассоциировать такое двумерное изображение со сферой в трёхмерном пространстве. Изображения трёхмерных предметов на плоскости давно стали обыденностью, уж об этом-то в наше время хорошо позаботились кино и телевидение. Уверен, что большинство видело эту сферу извне по крайней мере в качестве школьного пособия — глобуса. Для краткости ниже я буду называть эту свою модель Вселенной сферической поверхностью Глобусом.

И на плоском изображении Земли (картах), и на земном глобусе, помимо контуров материков и островов, которые являются неотъемлемыми частями земной поверхности (собственно они и являются самой земной поверхностью), как правило наносятся специальные линии — параллели и меридианы. Эти линии помогают ориентироваться на поверхности сферы. Это линии координатной сетки. Вот и на своём Глобусе я тоже хочу иметь координатную сетку. Но если на земном глобусе и вдоль параллелей, и вдоль меридианов измеряются длины, расстояния, то на моём Глобусе мне нужны координаты двух принципиально разных сортов. Мне нужны линии времени и линии пространства. Кроме того, пространство моей вселенной, Глобуса, будет одномерным, в отличие от пространства нашей Вселенной.

Будучи для Глобуса внешним наблюдателем, я могу наложить на него координатную сетку совершенно произвольно. Сделаю это точно также, как делают географы для земного глобуса. При этом буду считать меридианы всегда линиями времени, а параллели тогда будут давать мне мгновенные пространственные сечения моей Вселенной, которые естественно рассматривать как мгновенное состояние пространства, как целого. Заметьте. «Пространство» в моей модели есть не более, но и не менее как сделанное определённым образом сечение пространства-времени, а не нечто существующее само по себе. А именно, сечение это делается ортогонально к линии времени в любой данной точке. А можно было бы делать сечение иначе. Но я хочу так. Поскольку Глобус является сферой, то накрыть его всюду одной единственной ортогональной координатной сеткой линий «время-пространство» невозможно. Если всё же хотеть именно единственную сетку координат, то в ней неизбежно должны быть две особые точки, полюса, где все временные линии пересекаются, а пространство как таковое сжимается в точку, т.е. фактически исчезает. Мне и вам, как наблюдателям внешним, вполне очевидно, что полюса эти ничем особенным в Глобусе не являются. Это не более чем издержки нашего способа наносить координатную сетку на сферу. Полюса — особые точки описания, а не Глобуса, как такового. Точно также, как это верно для земной поверхности. Да, на Земном глобусе полюса координатной сетки помещаются в две действительно особенных точки земного шара, которые выделены на его поверхности воображаемым прохождением через неё воображаемой земной оси. Ось-то воображаемая, но вращение Земли как целого имеет место. Так что некоторая особенность в Земных полюсах, Северном и Южном, несомненно есть. Кроме того, эти точки очень далеки от мест обитаемых. Поэтому, помещать туда полюса сетки наших географических координат удобно. Но не обязательно. На земном глобусе все географы наносят сетку параллелей и меридианов всегда одинаково именно потому, что полюса все помещают в одни и те же места. На моём Глобусе изначально таких особых мест нет, поэтому легко представить множество таких сеток, с полюсами в произвольных местах сферического Глобуса.

Посмотрим теперь, как выглядят время и пространство для наблюдателя из моего Глобуса. Пусть это будет весьма продвинутый господин (или госпожа), который оказался способен собрать полную информацию о пространстве Глобуса в своём прошлом. Не только в том прошлом, где он сам существовал. Но и во всей той области его Вселенной, нашего Глобуса, которая в его шкале времени была до него. Уж как он это сумел, спрашивать не будем. Мы извне и так всё сразу видим. Господин этот тоже описывает свои время и пространство, как он их видит изнутри, с помощью координатной сетки, в которой в каждой её точке линия пространства ортогональна линии времени. Нетрудно понять, что сетка координат, им построенная, и есть в точности та сетка координат, которую мы наложили извне на Глобус. Точнее, одна из множества таких однотипных сеток меридианов и параллелей. И значит, всё, что наш господин может сказать о своей Вселенной, будет нам видно сразу, мы говорим с ним на одном языке. Время существования этого господина, естественно, является частью некоторого меридиана Глобуса. Я его пометил кусочком чёрной линии где-то в районе Памира. Направление времени, в будущее, указано стрелочкой. Соответственно, прошлое этого господина отслеживается по меридиану в направлении Северного полюса. А «пространства» в его прошлом это не что иное, как все параллели, расположенные в этом направлении.

Легко видеть, что каждая параллель, представляющая собой окружность ортогональную к меридиану (линии времени), при отступлении в прошлое имеет всё меньшую длину. Пространство нашего господина в его шкале и направлении времени расширяется! А вот теперь вспомним, что нам свойственно отождествлять окружающее нас пространство со Вселенной. Я уже сказал, что это неправильно, но ведь делаем же мы это. Для отличия этой «неправильной вселенной» от правильной Вселенной, я буду писать её с маленькой буквы. Вот и господин наш тоже отождествляет своё пространство со вселенной. И кричит: «О! Моя вселенная расширяется!!!!» И это действительно так. Таким образом определённое пространство, его вселенная, расширяется с течением его времени. А вся его настоящая Вселенная, наш Глобус? Будучи вне Глобуса, не связанные с рамками времени и пространства этого господина, мы ясно видим, что говорить о расширении Глобуса в его терминах не имеет никакого смысла. Его терминология неудачна. Для него Глобус, его Вселенная, просто существует, все времена и пространства вместе, просто как пространство-время. Обращу ваше внимание на ещё один важнейший факт. Место на глобусе для моего продвинутого исследователя я выбрал произвольно. Нарисуйте на глобусе сами стрелочку для другого такого господина в любом месте и направлении, привяжите к ней новую, его собственную сетку меридианов и параллелей и всё будет выглядеть точно также. Так что любой наблюдатель Глобуса придёт к одинаковым выводам. Хорошо, скажете вы, теперь нам понятно, что имеется на самом деле ввиду, когда мы слышим или читаем, «вселенная расширяется»? Правда, вам понятно? И что же это за свойство Вселенной, которое так себя проявляет? Догадались? Да, это кривизна. Именно наличие у тех огромных областей пространства-времени (пространства-времени как единого объекта, а не у пространства или времени как отдельных его сечений), которые нам доступны для наблюдения, и чаще всего и называются вселенной (пусть так, но с маленькой буквы!), некоторой общей средней положительной (т.е. сферического типа) кривизны и проявляется для нас как расширение нашего пространства с течением нашего времени. Ну вот, надеюсь с пониманием того, что может лежать за словами «вселенная расширяется» мы немного разобрались.

А теперь на очереди Большой Взрыв. Логика, согласно которой строятся все теории Большого Взрыва, обескураживающе проста. Вселенная расширяется? Да, опытные факты говорят именно это. Материя — вещество и излучение вместе — как известно, сохраняется. Сколько материи есть сейчас, столько её и было в прошлом. Что из этого следует? Что раньше, в пространстве меньшем чем сейчас, материя была более плотной, просто потому, что занимала меньшее пространство. Смотрим на Глобус. Когда наш господин смотрит в своё прошлое вплоть до момента времени, попадающего на его меридиане на северный полюс, что он обнаруживает? Ой!!! Пространство сжалось в точку!!! Времени тоже уже нет!!! Большой Взрыв!!! Или наоборот. Вселенная родилась в результате Большого Взрыва, время пошло, пространство появилось и стало расширяться… Такой вывод может сделать наш наблюдатель в Глобусе. А вы читатель, наблюдающий Глобус извне? Какой вывод сделаете вы? Конечно, что всё это фикция, результат экстраполяции представлений нашего господина о строении его Вселенной со своей малой окрестности туда, где они уже не имеют места. Усугублённый неточной терминологией к тому же. Вы же точно знаете, что в Глобусе северный полюс абсолютно ничем не отличается от любой другой точки сферы. Всё дело в координатной сетке, которая имеет особенность. Подчеркиваю, особенность есть, но в способе описания Вселенной Глобуса, а не в структуре его. И со временем, и с пространством в этой области Глобуса, как и в любой другой, ровным счётом ничего не происходит. Локально можно определить и хорошее время, и хорошее пространство. Просто те координаты, которые использует наш господин, хорошие в его области, нельзя экстраполировать безнаказанно на любой из полюсов. Почему? Да потому, что пространство-время Глобуса кривое. Кстати, из-за отсутствия настоящей особенности в Глобусе, вопрос «что было до момента Большого Взрыва?» может казаться вполне осмысленным. Ведь меридиан-то проходит через полюс без проблем. Вот только беда, самого Большого Взрыва в нашей модели просто нет.

Большого Взрыва нет в нашей модели. Можно ли придумать модель Вселенной, в которой есть особенность, которую можно назвать Большим Взрывом? Пожалуйста — поверхность конуса. Его вершина моделирует Большой Взрыв. И даже некоторое подобие расширяющегося пространства имеется. Но такая модель всё-таки гораздо хуже согласуется с теми экспериментальными данными, из которых физики извлекли представления о расширении нашей вселенной, чем модель сферическая. Дело в том, что направления на конусе явно не равноправны, тогда как в нашей Вселенной они представляются равноправными, похоже на то, как это имеет место на сфере. По сути дела, практически все экспериментальные данные говорят нам, что средняя кривизна пространства-времени нашей Вселенной для всех доступных нашему наблюдению областей соответствует кривизне типа сферической. Мы не знаем, насколько она меняется от места к месту, но тип свой не меняет. А это говорит о том, что наблюдаемая нами часть Вселенной имеет тенденцию к тому, чтобы целое было замкнутым. Вот такой вот вывод можно сделать из наблюдаемого явления «расширения пространства».

А теперь ещё раз по поводу Большого взрыва. Нам хорошо известно, что события, образующие ткань Вселенной, которые мы называем материей, рассматривая их как связанные цепочки, заполняют Вселенную, по крайней мере, известную нам её часть отнюдь не равномерно. Где густо, а где и пусто. Причём есть места, где ой как густо — звёзды, ядра галактик, например. Поэтому я и говорю о средней кривизне пространства-времени. И если поставить вопрос так — «а нет ли во Вселенной такой области, где действительно при приближении к некоторой её точке плотность материи устремляется в бесконечность?», то в такой форме вопрос о реальности Большого Взрыва становится вполне осмысленным. И поиски таких областей во Вселенной, которые мы, по необходимости, можем вести только в прошлом, становятся тоже осмысленными. С соблюдением правильной терминологии, конечно. Надо заметить, что помимо Большого Взрыва, этот вопрос накрывает также и еще одно модное порождение некритического использования результатов Общей Теории Относительности. Я говорю о чёрных дырах. Там тоже время исчезает, пространство объекта (слава богу, не всей Вселенной) сжимается в точку, а плотность материи устремляется в бесконечность. Правда ведь, что и в случае чёрных дыр в их окрестности всё очень похоже на то, что мы только что рассмотрели выше? Один к одному. Я не собираюсь ставить под сомнение возможность существования областей во Вселенной, где плотность материи может достигать огромных величин. Такие области заведомо есть. Упоминал уже звёзды, ядра галактик, еще могу добавить квазары. Но по моему мнению, наиболее вероятно, что во Вселенной в любой области плотность материи может достигать только конечных величин. Чуть ниже поясню, почему я так думаю. Как я уже говорил, измыслить непрерывное пространство-время (Вселенную), имеющее особую точку, да даже и бесконечное их число не составляет никакой проблемы. Даже мой пример Глобуса можно модифицировать так, что в нём появится особая точка. Возьмите Глобус за северный полюс, и вытяните его так, чтобы с этой стороны Глобус был уже не вполне приличной сферой, а одна её часть превращалась в острую пупочку, в подобие конуса с достаточно острой вершиной. Вот вам и почти всюду почти сферическая модель Вселенной, в которой есть настоящий Большой Взрыв. Как вы понимаете, и в любой такой модели, вопросы, «что было до Большого Взрыва?», «родилась ли Вселенная в результате Большого Взрыва?» тоже остаются неправильно поставленными. Потому что вопросы «до» и «после» применительно ко Вселенной смысла не имеют, независимо от её устройства.

Остановлюсь теперь на тех причинах, которые заставляют меня полагать, что в нашей Вселенной наличие особенности типа Большого Взрыва маловероятно. Для меня ткань, субстанция Вселенной, пространство-время не является вместилищем чего-либо. События, материя — поля и частицы — не находятся в пространстве-времени, а формируют его, являются его составными частями, в пределе — его точками. А при таком взгляде на вещи всякое событие есть не что иное как особая точка в ткани Вселенной. А те точки, где событий нет (ну, пусть нет и частиц) — обычные, неособые. Так что, если Большой Взрыв точка, то чем эта особая точка отличается от всех других особых, но таких обычных точек? Максимум, что можно сказать по этому поводу, что Большой Взрыв это не точка, а область таких точек, очень близко расположенных, сгущающихся непрерывно к одной точке, которую тогда и назовём Большим Взрывом. Если не непрерывно, то плотность в этой области будет конечной. Непрерывно. И куда тогда деть достижения двадцатого века, квантовую теорию? Бог с ней, с теорией. Но результаты экспериментов, из которых эта теория выросла, нам говорят — события отделимы одно от другого. Не бывает непрерывных цепочек событий. Вот поэтому-то мне и представляются рассуждения о бесконечной плотности материи в одной точке, будь то Большой взрыв, или чёрная дыра, результатом экстраполяции классических представлений о непрерывности событий на область, где эти представления просто не имеют никакого смысла. В той же степени, как представление о Вселенной как всего лишь части ещё чего-то большего.

© Гаврюсев В.Г.
Опубликованные на сайте материалы можно использовать при соблюдении правил цитирования.