Главная догма – и беда – космологии

Posted on 30.08.2021

Респектабельный профессор физики, также известный как популяризатор науки, опубликовал очередную книгу. Рассказывающую, казалось бы, о давних дебатах вокруг важной и сугубо научной проблемы. В итоге, однако, получилась у профессора история о твёрдой вере современных учёных в догму Большого Взрыва. Книга о науке как религии, иначе говоря.

Называется новая книга так: «Вспышки творения: Георгий Гамов, Фред Хойл и великий спор о Большом Взрыве» (Paul Halpern. «Flashes of Creation: George Gamow, Fred Hoyle, and the Great Big Bang Debate». Basic Books, 2021). Автор работы Пол Хэлперн – видный американский профессор, выпустивший уже полтора десятка научно-популярных книг, рассказывающих о современной физике и переведённых на кучу иностранных языков, включая русский.

На то, что имеющее сильный религиозный оттенок слово CREATION (Творение) появилось в названии новой книги далеко не случайно, отчётливо указывают уже первые абзацы авторского вступления:

Введение: Поиски происхождения всего

[…] Вопрос о происхождении всего в этом мире имеет долгую историю. Существовала ли вселенная всегда и извечно? Или же у неё было начало? Создание всей материи и энергии происходило медленно и постепенно, или же всё появилось сразу – в единственной вспышке?

Задолго до того, как исследовать их всерьёз взялись учёные космологи, вопросы эти были областью интересов богословов и философов. Достаточно выбрать (или родиться в) свою религию – и этим оказывается определена ваша предпочтительная космогония.

Во многих из древних систем верований, таких как индуизм, даосизм, в религиях вавилонян и греков (во времена Платона), также как и в верованиях большинства коренных народов Америки, была принята идея космических циклов. Согласно которой в жизни вселенной ничего и никогда на самом деле не умирает. Смерть одной эпохи с неизбежностью влечёт за собой рождение эпохи новой.

С другой стороны, в религиях авраамических – иудаизме, христианстве, исламе – принята идея о всеобщем и едином моменте творения мира в некоторой точке прошлого. Этот момент творения представляют как рассвет человечества и всех прочих смертных существ – в резком контрасте с концепцией вечного существования бога. Подобно жизням всех тех, чья судьба стареть, дряхлеть и умирать, эта однонаправленная линейная схема времени ведёт начало от ясного и славного момента рождения…

Трудно сказать, откуда автор в своём рассказе об идеях мировых религий почерпнул именно такие выражения – про начало всего «от ясного и славного момента рождения», – но совсем несложно увидеть, что именно в таком ключе выстроен у него в книге весь рассказ про закрепление в науке догмы о Большом Взрыве как о начале истории вселенной…

В редакционном анонсе издательства Basic Books об их новой научно-популярной книге рассказывается так:

Сегодня Большой Взрыв настолько укоренён в нашем понимании космоса, что подвергать его сомнению выглядело бы просто безумием. Однако, как показывает Пол Хэлперн в своей книге «Вспышки творения», всего несколько десятилетий назад даже простое упоминание этого термина могло порождать в народе жаркие дебаты.

В самом центре этих горячих споров находились русско-американский физик Джордж (Георгий) Гамов и британский астрофизик Фред Хойл. Гамов настаивал, что концепция огненного взрыва объясняет то, каким образом были созданы элементы вселенной. Атакуя эту идею как сырую и толком непродуманную, Хойл доказывал, что, напротив, вселенная находится в постоянном, никогда не заканчивающемся процессе творения.

Битва умов была ожесточённой. В итоге же, как оказалось, прав был – главным образом – Гамов, а Хойла, несмотря на его многочисленные достижения, вспоминают ныне в основном лишь за то, что это именно он дал теории самое глупое из возможных названий: «Большой Взрыв»…

Здесь, конечно же, вряд ли есть смысл углубляться в подробности книги, содержательно рассказывающей об известных событиях из истории науки 1950-60-х годов. Однако имеет смысл, наверное, обратить внимание на далеко не случайное название рецензии на эту книгу, опубликованной в известнейшем журнале Science: «Прежде чем Большой Взрыв стал научной догмой» («Before the Big Bang became scientific dogma». By Simon Mitton. Science Magazine. 17 August, 2021).

Ну а в чём большой смысл есть совершенно определённо, так это в том, чтобы особо подчеркнуть, насколько прочно и воистину «фундаментально» вписана догма Большого Взрыва в основы нынешней космологии. Тем более, что именно об этом рассказывают и финальные абзацы последнего раздела в книге Хэлперна, носящего название «Заключение: Наследие Гамова и Хойла».

Ибо всем, кто интересуется достижениями современной науки, хорошо известно, что нынешняя общепринятая модель космологии (именуемая обычно «стандартной», «согласованной» или совсем кратко λ-CDM) во многих существенных деталях отличается от космологии второй половины 1960-х годов. Именно тогда широко освещавшийся в СМИ спор Гамова и Хойла достиг своего апофеоза вместе с открытием фонового космического излучения в 1964-65 гг, быстро и отчётливо склонившего научный мейнстрим в сторону идеи Большого Взрыва.

Впоследствии, однако, был получен целый ряд других результатов экспериментальной (точнее, наблюдательной) астрофизики, имевших принципиально важное значение. Поскольку уже имевшиеся в ту пору модели теоретиков не предсказывали этих вещей вообще никак, пришлось разработать модель новую, математически подогнавшую Большой Взрыв под новые результаты.

Но происходило это всё уже без участия главных героев книги. Летом 1968 Георгий Гамов, к сожалению, безвременно скончался, не дожив и до 65, а Фред Хойл по целому ряду причин личного свойства предпочёл отойти от мейнстрим-астрофизики, занявшись углублёнными исследованиями проблем происхождения жизни и загадок биологической эволюции (подробности см. в тексте «Великий инакомыслящий»).

О сути важных открытий, определивших суть новой космологической модели теоретиков, Пол Хэлперн в финале своей книги рассказывает так:

[В конце лета 2019 автор связался по телефону с Джимом Пиблзом, патриархом современной космологии и одним из главных теоретиков Большого Взрыва, чтобы взять у него интервью для данной книги.] Какой же замечательный был далее сюрприз, когда примерно шесть недель спустя профессор Гёран Ханссон, генеральный секретарь Шведской королевской академии наук, объявил о том, что Джим Пиблз стал лауреатом Нобелевской премии по физике за 2019 год.

В своей Нобелевской лекции, прочитанной в Стокгольме 8 декабря, Пиблз представил собственную версию хронологии для истории достижений современной физической космологии. Примечательно, что там нашлось время и место для признания вкладов Гамова и Хойла – с изложением собственных взглядов лауреата на силу и слабость их аргументов. […]

Нобелевская премия для Пиблза как признание его заслуг «за теоретические открытия в физической космологии», это чествование не столько одного открытия, а скорее целого комплекса достижений, включающего важнейшие вклады в то, что часто именуется согласованной моделью космологии, также известной как модель λCDM (лямбда –холодная тёмная материя). Где лямбда обозначает космологическую константу.

Благодаря наблюдательному открытию двух групп астрономов 1998 года, принёсшему им Нобелевскую премию и показавшему, что хаббловское расширение вселенной происходит с ускорением, космологи постулировали новый тип субстанции, получившей название тёмная энергия и действующей как своего рода антигравитация для ускорения всеобщего расширения.

Свойства тёмной энергии таковы, что исследователи сочли полезным моделировать её через возвращение той космологической константы, которую Эйнштейн удалил из своих уравнений в начале 1930-х годов. Отсюда λ в названии новой модели.

Что же касается CDM или холодной тёмной материи, то это гипотетическая субстанция иного рода – не излучающая никакого обнаруживаемого света или других форм электромагнитного излучения, однако проявляющая себя через гравитационные взаимодействия с наблюдаемыми телами.

Динамика всей этой модели, таким образом, управляется плоской геометрией решения для эйнштейновых уравнений, которую заполняет смесь из холодной тёмной материи, обыкновенных материи и излучения, плюс космологическая константа или тёмная энергия. По сути же своей это открытая космология Большого Взрыва, которая будет расширяться вечно (никогда не схлопываясь обратно), со всё более нарастающей скоростью расширения…

Зачем здесь понадобилась столь обширная цитата, не имеющая, строго говоря, практически никакого отношения к спорам Хойла и Гамова?

Понадобилась она для того, чтобы чуть подробнее теперь расшифровать, какого рода картину мира сумела выстроить к сегодняшнему дню «стандартная модель космологии» λ-CDM на основе концепции Большого Взрыва («сомневаться в котором могут ныне только сумасшедшие»). Согласно этой модели, вселенная на 95% состоит из абсолютно загадочных субстанций – тёмной энергии (70%) и тёмной материи (25%), о природе которых наша наука не может сказать сегодня вообще ничего содержательного. Несмотря на многие десятилетия напряжённых усилий теоретиков.

Хуже того, поскольку абсолютно все предсказания теоретиков, делавшиеся на основе этой «стандартной космологической модели», раньше или позже опровергаются астрономическими наблюдениями, на сегодня уже всем ясно, что модель эта в принципе не способна предсказывать ничего содержательного. Отчего и предсказаний таких уже практически никто делать не решается…

Подробности об этой интересной ситуации, в которую наука сама себя загнала, выбрав в качестве основ ложные догмы, можно найти в текстах «Первый универсальный ключ» и «Додекаэдрон, синхрон, лохотрон». Здесь же – для надлежаще позитивного и оптимистического финала – имеет смысл рассказать о другом. О том, как выглядит – пусть пока что в самых общих чертах – космологическая модель правильная.

Модель, не опирающаяся ни на какие догмы, только на сильную математику. А также на ряд идей, эффектно, неожиданно и красиво сопрягающих друг с другом не только феномены квантовой сцепленности частиц и космологических «кротовых нор», но также концепции голографии с теориями Фреда Хойла о единой, живой и сверхразумной вселенной, а идеи о цепи реинкарнаций нашего развивающегося сознания – с очень древней концепцией космических циклов в нескончаемой эволюции вселенной (но об этих чересчур непривычных для научной космологии вещах, впрочем, пока никто говорить не решается).

#

Эта верная по сути своей космологическая модель была впервые представлена научному сообществу ровно 20 лет тому назад. Но дабы сразу обеспечить для её нынешней подачи надлежащий мистический фон, полезно отметить взаимосвязи появления модели и её знаменитого автора с датами из биографий главных героев книги «Вспышки творения» – Гамова и Хойла.

Герой первый, Георгий Гамов покинул этот мир в августе 1968, а всего через три недели после его ухода, в сентябре 1968, в наш слой реальности родился будущий большой учёный-теоретик по имени Хуан Мартин Малдасена. Тридцать с лишним лет спустя, в августе 2001, завершил жизнь в этом мире второй герой книги, Фред Хойл. И именно тем же летом 2001 наш новый главный герой, Хуан Малдасена – в ту пору уже всемирно известный физик-теоретик – на сайте препринтов Arxiv.org опубликовал работу, чрезвычайно важную для грядущего прогресса в космологии – под названием «Вечные чёрные дыры анти-де-Ситтера» (arXiv:hep-th/0106112).

Мировое научное сообщество, что примечательно, практически никакого внимания на эту работу от видного теоретика поначалу не обратило. Понадобилось почти десятилетие, чтобы революционная, без преувеличений, важность физико-математических результатов, полученных Малдасеной, начала осознаваться, постепенно обретая среди коллег признание и углублённую разработку.

Подробности о сути и непростой судьбе этой работы, впервые предоставившей науке основу для новых взглядов на неразрывные математические взаимосвязи между квантовой физикой, гидродинамической геометрией гравитации и ролью информации во вселенной, можно прочесть в тексте «Доказательство от Слона».

Здесь же представляется более полезным рассмотреть космологию Малдасены в таких аспектах, которые пока что подчёркивать обычно не принято. Но именно они, однако, оказываются наиболее важными для понимания того, где в этой модели следует искать «наш мир», то есть мир наблюдаемой нами вселенной.

Ибо самая главная особенность модели «вечных чёрных дыр» Малдасены заключается в том, что физика и геометрия этой конструкции сильно не похожи на физику и геометрию того мира, в котором обитаем мы. Получилось так уже по той причине, что в основе данной конструкции лежит более раннее – и намного более знаменитое – открытие Малдасены под названием «AdS/CFT-соответствие».

Где «AdS» означает пространство с геометрией Анти-де-Ситтера (отрицательной кривизны, не соответствующей геометрии нашей вселенной), «CFT» означает конформную теорию поля (квантовую физику частиц материи без массы, то есть не свойственных материи нашей вселенной), а «соответствие» – это факт удивительной математической дуальности, позволяющей физику гравитации в AdS переформулировать языком уравнений для квантовых взаимодействий CFT (и наоборот, соответственно).

Важнейшая новая идея в основе «космологии Малдасены» сводится к тому, что он рассмотрел вселенную как конструкцию из двух гигантских чёрных дыр, имеющих, грубо говоря, форму вихревых воронок с геометрией AdS, а своими горловинами соединённых друг с другом «кротовой норой» или мостом Эйнштейна-Розена. Для того, чтобы вся эта конструкция получила завершённую замкнутую форму, края воронок этих чёрных дыр (или «горизонты событий») Малдасена тоже соединил друг с другом – замкнутым пространством с топологией односторонней поверхности (или «бутылки») Клейна.

В своём простейшем варианте такая односторонняя поверхность более известна как лента Мёбиуса. В данном случае, однако, поверхность ленты не простая, а двухслойная, поскольку каждая из AdS-воронок имеет свою CFT-границу, поэтому две копии CFT оказываются склеены в двухслойную одностороннюю поверхность общей границы… Именно здесь, собственно, – на сдвоенной мембране-границе двух гигантских чёрных дыр и расположен мир «нашей» вселенной с локально плоской геометрией Евклида.

Поскольку в космологической модели Малдасены одна дыра-половина этой сдвоенной конструкции постоянно испускает излучение и материю (так называемая дыра белая), а вторая половина всё испущенное поглощает (дыра чёрная), то космологическая эволюция такой пары во времени выглядит как вечные циклы реинкарнаций мира-мембраны из одной дыры, его расширение, сжатие и последующее поглощения в дыре другой-чёрной – чтобы далее через мост ЭР мир снова появлялся для новой жизни из дыры белой, но уже с иными начальными условиями…

На сегодняшний день вокруг этой – пока сугубо теоретической – конструкции выстроен уже весьма внушительный комплекс разнообразных исследовательских работ. Закрученных, главным образом, вокруг идей о чёрных дырах как квантовых компьютерах и пока что никак не связывающих модель Малдасены с реальной космологией нашей вселенной. Ибо для наблюдаемой вселенной общепринятыми в науке догмами остаются Большой Взрыв и стандартная модель космологии на его основе. По этой же причине никто не желает видеть ясных соответствий и взаимосвязей между космологией Малдасены и квазистационарной вселенной Фреда Хойла, вечно пульсирующей в циклах своего расширения и сжатия.

Но есть тут, однако, одна очень хорошая новость (пускай и не очень новая). Для того, чтобы разрозненные результаты теоретиков вокруг космологии Малдасены – результаты по отдельности сильные, но никак почему-то не складываемые в общее целое, всё же начали собираться в единую самосогласованную картину на основе физики нашего мира, уже имеется большой и мощный комплекс конструктивных идей. Выдвинутых и математически обоснованных другим ярчайшим теоретиком современности по имени Эдвард Виттен. Вот только сам Виттен по каким-то причинам эти идеи отложил и не разрабатывает. Но это не значит, конечно, что о них нельзя рассказывать.

Именно об этом и будет следующая история…

# # #

Дополнительное чтение:

Великий инакомыслящий (Фред Хойл и его научная позиция)

Первый универсальный ключ (Нобелевская премия за Большой Взрыв как глубокий кризис космологии)

Додекаэдрон, СинХрон и Лохотрон (странные успехи стандартной модели космологии)

Доказательство от Слона (космология Малдасены: раздел «3.4. Вечные дыры» и далее)

# #

Основные источники:

Paul Halpern. «Flashes of Creation: George Gamow, Fred Hoyle, and the Great Big Bang Debate». Basic Books, 2021

«Before the Big Bang became scientific dogma: A dual biography traces the entangled efforts of a pair of contentious cosmologists». By Simon Mitton. Science Magazine. 17 August, 2021

«The Great Cosmological Debate of the Twentieth Century. Paul Halpern on What It Took to Confirm the Big Bang Theory «. Literary Hub, August 20, 2021

Maldacena, Juan M. «Eternal Black Holes in AdS». Journal of High Energy Physics. 2003 (4): 021. arXiv:hep-th/0106112

#