Коллектив авторов - Современная космология: философские горизонты

• Название: Современная космология: философские горизонты
• Автор: Коллектив авторов
• Издательство: Издательство «Канон+»
• Жанр: Прочая научная литература
• Год: 2011
• ISBN: 978-5-88373-257-7

Книга представляет собой исследование некоторых философских и эпистемологических проблем космологии. Проанализированы философские позиции классиков космологии XX века (А.А. Фридмана и др.), а также ряда выдающихся современных космологов. Космология вовсе не является одной из «иронических наук», какой ее иногда изображают. Физическая реальность в космологии проявляется как выраженная в языке науки фиксация результатов взаимодействия наблюдателя с исследуемым объектом (осуществляемым через средства и условия познания). Смысл этого понятия в контексте данного типа научной рациональности раскрывается истинной теорией. Показано, что космология, по сути, переходит от традиционных методов исследования к нетрадиционным, т. е. совершаются изменения в ее основаниях, навязываемые новыми типами исследуемых объектов. Отмечена необходимость коренного изменения смыслов традиционных понятий в космологии, таких как пространство, время, бесконечность. Проанализированы условия и границы их применимости в рамках новых космологических теорий. Особое внимание уделено новым фундаментальным понятиям, появившимся в космологии за последние годы: Мультиверс (Метавселенная), космологический вакуум, темная материя, темная энергия, ускоренное расширение Вселенной и др. По некоторым проблемам, находящимся на переднем крае современной космологии, ведется дискуссия между авторами книги. Сделана попытка показать эвристическую роль философии в осмыслении указанных проблем.

Книга рассчитана на философов, космологов и всех, интересующихся философскими проблемами современной науки.

---

Гораздо лучше в этом смысле обстоят дела с теми областями современной космологии, которые исследуют не далёкое прошлое, а настоящее нашей Вселенной, поскольку именно эта «часть» космологии богата эмпирическим материалом, который нуждается в теоретическом осмыслении. Речь идёт о проблеме скрытой массы и тёмной энергии.

Своими корнями эта проблема восходит ещё к первым работам Фридмана и его моделям, физическая реализация которых зависит от средней плотности материи во Вселенной (её отличия от критической плотности). Величина плотности, отнесённая к критической (относительная плотность равная Ω. = ρ/ρкрит), является одним из основных космологических параметров современной космологии.

После получения решений Фридманом и отказа космологов от Λ-члена под плотностью материи подразумевалась, прежде всего, плотность её вещественных форм. Доступные наблюдения ещё в 70-х годах XX столетия давали величину плотности, по крайней мере, в несколько раз меньше критической, что соответствовало фридмановской открытой модели. «… Значение критической плотности ρкрит ~ 10-29 / 5х10-30 г/см-3 (в настоящее время эта величина оценивается в ρкрит ~ 8x10-30 г/м-3 — Т. Я.). Достаточно надёжно установлено, что средняя плотность материи во Вселенной ρ0 не меньше, чем ρ0 = 3х10-31 г/см-3. Эта величина ρ0 определяется массой материи, входящей в галактики, и не учитывает массы межгалактического вещества… Не исключено, однако, что на самом деле плотность вещества больше — в частности, за счёт межгалактического ионизированного водорода или других труднонаблюдаемых видов материи[331]. В дальнейшем действительно такие вещественные формы материи были обнаружены и получили название «тёмного вещества» или «скрытой массы». Однако в оценку современной плотности материи во Вселенной даже не они дают основной вклад. Впервые о возвращении в космологию Λ-члена заговорили ещё в конце 60-х — начале 70-х годов XX столетия в связи с обнаружением концентрации квазаров на определённом, достаточно большом от нас расстоянии[332]. Для объяснения этого феномена и было предложено рассматривать космологиче-ские модели с Λ-членом, который в качестве физического содержания предполагает наличие «сил» отталкивания, «противодействующих» гравитационному притяжению. На протяжении почти трёх десятилетий такие модели фигурировали в теоретических работах, однако «не делали» в теоретической космологии «погоды», проблема квазаров предполагала и другие решения, а космологические модели с Λ-членом удовлетворяли не всем наблюдательным данным.

Ситуация коренным образом изменилась в 1998 г. В этом году две группы учёных, одна из Италии, другая из США, работая независимо, сообщили об одном и том же открытии — ускоренном расширении Вселенной[333]. И та, и другая группы наблюдали удалённые сверхновые, т. н. стандартные свечи. Процесс энерговыделения в них хорошо изучен, и на любом расстоянии они легко отождествляются. Расстояние до этих «свечей» (сверхновые Iа) было установлено по яркости вспышки, однако оно не совпало с расстоянием, вычисленным по эффекту Доплера. А это могло быть только в том случае, если они, принимая участие в крупномасштабном расширении Вселенной, удаляются от нас не с замедлением, как считалось ранее, а с ускорением. Отсюда как будто следовало, что во Вселенной присутствует некий феномен, «сила», которая не притягивает, как гравитация, а отталкивает друг от друга, и соответственно ускоряет космологические объекты. Эта «сила» отталкивания получила название «тёмной энергии». «Энергия» — из-за способности отталкивать и ускорять формы материи, а «тёмная» — потому, что этот феномен не проявлял себя никаким другим образом. На протяжении ближайших нескольких лет после этого наличие во Вселенной тёмной энергии было протестировано ещё несколькими способами — по анизотропии реликтового микроволнового излучения, по гравитационному линзированию, нуклеосинтезу теории горячей Вселенной, оценки постоянной Хаббла, и все они подтвердили её наличие. Стало очевидно, что плотность Вселенной имеет две компоненты: плотность вещества и плотность тёмной энергии Ω = ΩВ + ΩE. Были сделаны и численные оценки вклада плотности тёмной энергии в общую плотность. Различные оценки[334] дают величину ΩE порядка 0,7 с небольшими погрешностями, что означает, что около 70 % плотности Вселенной составляет причина ускоренного расширения Вселенной — тёмная энергия. Природа тёмной энергии к настоящему времени не ясна, и эта проблема является одной из наиболее актуальных проблем современной физики[335]. Изначально была надежда объяснить ускоренное расширение Вселенной, и соответственно 70 % вклада в её плотность физическим вакуумом с уравнением состояния p = — ω∙ε, где p — давление, ε — плотность энергии, а ω — коэффициент пропорциональности, для вакуума ω = -1. Однако результаты дальнейших исследований показали, что коэффициент ω может оказаться отличным от -1: это означает, что тёмная энергия может иметь более сложную природу, чем физический вакуум. Определение точного значения со в современную эпоху является одной из основных задач наблюдательной космологии. Факт нынешнего ускоренного расширения означает[336], что с необходимостью ω <-1/3. Этот коэффициент не является величиной постоянной, а зависит от времени (и соответственно от Н). В ранней Вселенной он был больше -1/3, и, Вселенная расширялась с замедлением. Наблюдения показывают, что преобладание тёмной энергии и, соответственно, ускоренное расширение Вселенной началось около 5–6 миллиардов лет назад[337]. В случае, если -1 < ω < -1/3, предлагается модель «квинтэссенции» — формы материи, представляющее собой частицеподобные возбуждения нового, не сводящегося к известным видам полей скалярного поля. Однако, в настоящий момент неточность определения достаточна высока, и по одной из оценок[338] со лежит в пределах -1.18 < ω < -0.93. В случае если ω < -1, то в качестве «кандидата» на тёмную энергию предлагается фантомная энергия — до сих пор неизвестная форма материи, которым может быть новый тип поля[339]. В случае, если же ω будет строго равна -1, то тёмная энергия будет отождествлена с физическим вакуумом. Кроме того, во Вселенной могут существовать и другие формы материи, описываемые другими уравнениями состояния: ω = -2/3 — доменные стенки (специфическая форма материи, отделяющая одну вселенную от другой, ω = 0 — обычное вещество, ω =1/3 — излучение и релятивистское вещество, ω >1/3 — мало обсуждаемое сверхсветовая форма энергии[340], причём значения ω могут принимать не только дискретные величины, кратные 1/3, но могут существовать «переходные» формы материи с ω, не кратной 1/3. Такое многообразие потенциальных возможностей существования различных форм материи позволяет сделать предположение о том, что значение ω, получаемое из наблюдений, может быть обусловлено многокомпонентной природой и тёмной энергии, и в целом физического «содержания» Вселенной. Впрочем, это всё не более, чем гипотезы, наравне с которыми существуют и другие, менее принятые, например, о том, что эффект тёмной энергии может быть связан со свойствами гравитации[341].

Вопрос природы тёмной энергии является одним из ключевых вопросов современной физики и космологии, в частности, ещё и потому, что от его решения зависят перспективы будущей эволюции Вселенной. В частности, в случае, если тёмной энергией окажется фантомная энергия, то будущее нашей Вселенной незавидно — через несколько десятков миллиардов лет (временной промежуток зависит от её «мощности») произойдёт т. н. «Большой Хлопок» и все формы материи исчезнут, «размазавшись» по пространству[342]. Впрочем, модели будущего Вселенной определяются не только космологической величиной ω, но и рядом других параметров, таких, например, как начальные условия в виде характеристик физического вакуума, которые, в свою очередь, определяются спецификой теорий, описывающих микро-масштабы, будь это теория струн, М-теория, или квантовая теория поля (квантовая теория гравитации)[343].

Вклад в общую плотность Вселенной, как уже говорилось выше, даёт и вещество (ω = 0). По общим оценкам, вклад вещества в общую плотность Вселенной составляет около 30 %, т. е. Ω = 0,3[344]. В этой составляющей плотности Вселенной выделяют два компонента: тёмное вещество (называемое ещё скрытой массой) и видимое вещество. Их соотношение составляет, по последним оценкам ΩВ/ТЁМ =0.25 ± 0.02 (если брать грубо среднюю величину по всем работам), ΩВ/ВИД = 0.05 ± 0.008. Природа видимого вещества известна ещё с незапамятных времён. Его составляют звёзды, активные ядра, газопылевые облака и другое «население» галактик, которое мы можем наблюдать в оптическом и других диапазонах электромагнитного спектра вследствие наличия у них излучающей, поглощающей или отражательной способности. Большую же часть (по массе) этого «содержимого» Вселенной составляют звёзды. Со скрытой массой сложнее, поскольку её название — «скрытая» говорит о том, что она не проявляет себя в излучении электромагнитного спектра и может быть обнаружена только косвенным образом — по гравитационному взаимодействию, что требовало развитие специальных исследований и развитие техники наблюдений. Её невозможно обнаружить непосредственно, и в силу этого весьма затруднительно однозначным образом определить её природу.