Неопределенная Вселенная - Борис Кригер

«Геологические» наблюдения могут позволить изучить прошлое доступной нам области Вселенной, и сравнить его с наблюдаемым в отдаленных ее частях.

Физические и астрофизические наблюдения дают нам представление о далеком прошлом удаленных объектов. Они ложатся в основу физической космологии, призванной изучать эволюцию структур Вселенной, подтверждая теоретические выводы наблюдениями. Мы также имеем возможность определять распространенность элементов в доступной нам области Вселенной и проводить сравнение с удаленными частями Вселенной, что может помочь нам лучше понять нуклеосинтез[27], произошедший в результате гипотетического Большого взрыва.

Одной из серьезных трудностей космологии, построенной на наблюдениях, является определение геометрии Вселенной на большой шкале.

Очевидным подходом к решению данной проблемы могут стать попытки определения геометрии Вселенной, основываясь на наблюдениях (предполагая, что природа наблюдаемых объектов правильно интерпретирована). Этот подход основывается на так называемой теореме обсервационной космологии (Observational Cosmology Theorem), которая утверждает, что с помощью наблюдений можно собрать достаточно необходимой информации о геометрии Вселенной. Мы можем предложить обратную теорему «неопределенности Вселенной» или «теорему космологической неопределенности»:

Астрофизических или каких-либо других наблюдений всегда будет недостаточно, чтобы делать обобщенные выводы об эволюции Вселенной, ее природе, геометрии и дальнейшей судьбе, поскольку даже если предположить, что определенных наблюдений было бы достаточно, невозможно доказать их достаточность.

Даже если предположить, что «теорема обсервационной космологии» верна и определенных наблюдений достаточно, чтобы делать обобщенные выводы о пространственно-временной геометрии Вселенной, может оказаться, что наблюдаемая Вселенная является лишь малой частью более вместительной Вселенной, которая навсегда может оказаться недоступной нашему обозрению.

Более того, если верить ведущей космологической теории об ускорении расширения Вселенной, которое может разделять разные части Вселенной в таком темпе, что свет от удаленного объекта никогда не сможет дойти до нас в силу того, что скорость света является конечной величиной, в соответствии с существующим представлением в современной физике.

Фигурально выражаясь, размер обозреваемой Вселенной вырос в тысячу раз за последние сто лет благодаря улучшению наших телескопов. Возможно, стоит подождать еще сто лет, пока наши приборы станут еще более чувствительными, прежде чем начинать в очередной бесчисленный раз делать обобщающие космологические выводы? А может быть, такие выводы вообще противоречат научному подходу, и какими бы ни были наши приборы, космологические выводы всегда будут основываться на спекулятивных соображениях?

Наблюдаемая в настоящее время Вселенная представляется плоской, что, впрочем, может оказаться неверным, по мере того как размер доступной для нашего обозрения Вселенной увеличится. Точно так же Земля кажется плоской, однако, наблюдая нашу планету из космоса, наблюдатель сможет убедиться в своей ошибке.

Итак, стоит ли вкладывать усилия и средства в исследования тех областей, которые очевидно страдают от недостатка данных для достижения определенных результатов? Возможно, лучше оставить эти области до тех пор, пока не появятся новые методы, которые позволят нам пересмотреть изучаемые нами вопросы и, возможно, поставить их по-новому. Увы, этот подход отвергается современной наукой. Какой смысл в жертвах многочисленных героев-первопроходцев, пытавшихся достигнуть Северного и Южного полюсов Земли, если через считанные десятилетия эти области стали доступны для изучения с помощью авиации? Самолеты были сконструированы для независимых, вполне независимых от арктического освоения целей, но впоследствии смогли легко удовлетворить потребность географов к исследованию этих труднодоступных мест (которые, впрочем, оказались не столь занимательными, как ожидалось).

Можно применить аллегорию, описывающую космолога в качестве человека, стоящего на вершине холма в пустыне и пытающегося делать многозначительные выводы о Земле в целом, не подозревая о наличии на ней лесов, озер, морей, океанов...

Так или иначе, теоретически представляется возможным, основываясь на наблюдаемом материале, исследовать пространственно-временные характеристики Вселенной, если нет помех. Однако в реальности эта задача чрезвычайно трудна, поскольку сложно установить расстояние до всех наблюдаемых объектов, что требует точного понимания их природы. Кроме того, изображения удаленных объектов значительно искажены. Чем дальше мы заглядываем в глубь Вселенной, тем более неопределенными становятся наши выводы. Иногда к астрофизическим наблюдениям приступали без их теоретического обоснования. Именно так были проведены исследования, установившие структуру расположения галактик в трехмерном пространстве. Таким образом были обнаружены большие пустоты (voids) и такие таинственные структуры, как галактические стены, состоящие из множества галактик[28].

Однако такой взвешенный подход, не зацикленный ни на одной из теорий и включающий в себя планомерный сбор данных, не заслужил широкого внимания космологов, поскольку существует немало сложностей наблюдательного характера и результаты таких исследований не способны объяснить те или иные явления. Космологи же считают своим долгом искать ответы на вопросы: что, как, когда, почему, которые нам представляются нелегитимными и ненаучными по отношению к Вселенной.

В официальной космологии планирование исследований основывается на определенной теории. Например, мы предполагаем a priori определенные вещи, и целенаправленно ищем подтверждение им путем астрономических наблюдений. Официальная космология всегда нуждается в тесной связи между теорией и наблюдениями, причем наблюдения являются вторичными. Например, стандартная для космологии группа теорий Friedmann-Lemaitre (FL)[29]. Их метрика описывает гомогенную изотропичную, имеющую одинаковый состав независимо от направления нашего наблюдения. Эти модели легко понять, и они способны дать объяснения полученным наблюдениям. Более того, физические предсказания этих моделей (наличие во Вселенной реликтового излучения[30] а также распределение элементов в ранней Вселенной) кажется, получают подтверждение с помощью астрофизических наблюдений. Проблема заключается в том, в какой степени эта информация подтверждает факт расширения Вселенной?

Согласно текущим астрономическим наблюдениям, обозреваемый нами участок Вселенной почти изотропичен[31].

Это верно в отношении распределения галактик на большой шкале, а также в отношении наблюдаемого реликтового излучения. Это позволяет нам создать модель сферической симметричной Вселенной с нами в центре, что будет подтверждено (по крайней мере, не опровергнуто) астрономическими наблюдениями. В целом подобная модель не может стать популярной в философском смысле ввиду того, что геоцентрическая модель с Землей в центре Вселенной, а затем и гелиоцентрическая модель с Солнцем в центре Вселенной провалились. Так что модель Вселенной с нашей галактикой в центре хотя и возможна, но очень мало вероятна.

Мы можем применить космологический принцип, гласящий, что предположить гомогенность[32] Вселенной следует потому, что это наиболее простой вывод, основывающийся на наблюдениях.

Другой аргумент основывается на уже упомянутой Friedmann-Lemaitre (FL) модели, подтвержденной наблюдениями. Но так или иначе проблемы, связанные с астрономическими наблюдениями, невозможность точного измерения расстояний не позволяют вполне полагаться на этот аргумент. То есть теоретически астрофизическая космология может решить эту задачу, но практически она не в состоянии предъявить достаточное доказательство, основанное на наблюдениях, в силу указанных ограничений.

Таким образом, общепринятой является пространственная однородность (гомогенность) Вселенной, хотя и доказанной ее считать невозможно.

Однако альтернативой является предположение, что мы живем в пространственно неоднородной сферической Вселенной, при том, что все равно наша галактика находится близко к ее центру с космологическим красным смещением (cosmological redshift)[33], частично объяснимым гравитацией.

Подобным образом данные, получаемые от наблюдения сверхновых в других галактиках (supernova data), интерпретируются как доказательство космологической константы, что тоже может служить доказательством негомогенности без необходимости введения понятия темной “dark energy”. Большинство космологов не принимают подобного подхода, однако не существует доказательства, что он неверен. Приведенные факты иллюстрируют дополнительную неопределенность в этом вопросе, напоминая, что доказательство гомогенности Вселенной не так просто, как кажется.