В 1999 году журнал «Time Magazine», присоединившись к общей суете по поводу вступления человечества в новый миллениум, опросил экспертов и составил список из 100 самых великих людей уходящего столетия. В качестве наиболее выдающегося физика в этот список вошел, ясное дело, Альберт Эйнштейн. А самым великим математиком XX века был признан австрийский логик Курт Гедель (1906-1978), чья знаменитая теорема о неполноте преобразовала основы современной науки даже более, наверно, радикально, чем эйнштейновская общая теория относительности.

Примечательно, что оба этих выдающихся ученых, в разное время вынужденных из-за нацизма и войны покинуть Европу, нашли работу и приют в одном и том же месте – Принстонском Институте передовых исследований, где их кабинеты находились неподалеку друг от друга. Более того, несмотря на почти тридцатилетнюю разницу в возрасте, физика и математика связали близкие дружеские отношения. Из писем Геделя к матери известно, сколь высоко он ценил эту дружбу. А чтобы стала ясна степень уважения Эйнштейна к своему молодому коллеге, достаточно вспомнить его известные слова о том, что он (пребывая в весьма уже преклонных летах) ежедневно ходит в институт в основном ради того, чтобы пообщаться с Геделем на обратном пути домой. Такого рода пешие прогулки-беседы двух ученых были регулярными и продолжались вплоть до смерти Эйнштейна в 1955 году.

Никто, кроме самих друзей-ученых, не знает наверняка, что за темы они обсуждали в ходе этих прогулок. Но по крайней мере одно из непосредственных следствий их близкого общения известно очень хорошо. Хотя область главных научных интересов Геделя лежала весьма далеко от проблем физики, в конце 1940-х годов математик обратил свое внимание на уравнения общей теории относительности Эйнштейна и сумел найти для них точное решение. Это решение [1], получившее название «метрика Геделя», имеет весьма простой, красивый и, можно сказать, элегантный вид (что особо ценится в науке). Но, по иронии судьбы, именно эти обстоятельства крайне озадачили научный мир, ибо простое и красивое решение – так уж все устроено в природе – с большой вероятностью должно быть и наиболее верным. Однако элегантная метрика Геделя описывает вселенную с довольно странными свойствами. На взгляд современной науки, во всяком случае.

Сейчас обычно принято говорить, что найденное математиком решение является, увы, нереалистичным и нефизичным. Нереалистичным, потому что метрика Геделя описывает стационарную (т.е. сохраняющую постоянный объем) вселенную, вращающуюся с постоянной ненулевой скоростью. В то время как астрономические наблюдения, с одной стороны, убедительно свидетельствуют о постоянном расширении вселенной, а с другой стороны – не дают бесспорных свидетельств в пользу вращения вселенной. Нефизичным же это решение именуют по той причине, что вселенная Геделя допускает существование замкнутых в петли траекторий по координате времени. Иначе говоря, как строго показал сам первооткрыватель, здесь можно вернуться в прошлое, хотя и очень отдаленное. А это нарушает причинно-следственные связи явлений и таким образом противоречит фундаментальным представлениям физической науки об устройстве окружающего мира.

*

Любой из аспектов критики геделевского решения заслуживает внимательного разбирательства. Так, скажем, «нефизичные» гигантские петли времени подразумевают нескончаемую последовательность циклов существования вселенной, где она сама является собственной причиной. А это, по сути своей, идея, высказываемая мыслителями со времен глубокой древности и графически нередко иллюстрируемая изображениями космоса в виде уробороса – огромного змея, ухватившего собственный хвост. Или, если смотреть чуть иначе, изрыгающего себя самого из собственной пасти… Однако в данный момент наибольший интерес представляет вопрос о вращении вселенной. Уже потому, хотя бы, что собственно в факте вращения ничего нефизичного нет. Скорее наоборот, всюду – от микроскопического мира элементарных частиц до планет, звезд, галактик и галактических кластеров – объекты природы находятся в постоянном вращении. Тем не менее, сама вселенная, согласно доминирующим ныне в науке взглядам, не вращается.

Нельзя, правда, сказать, что факт этот строго обоснован в теории и убедительно доказан экспериментами. Просто в мире без вращения ученым, можно сказать, живется как бы комфортнее. Во-первых, все уже сошлись во мнении, что согласно теории относительности вселенная повсюду должна выглядеть одинаково в независимости от того, где находится наблюдатель. А из идеи вращения вселенной следует, что направление вдоль оси такого вращения оказывается в некотором смысле «особым» и отличающимся от остальных. Если же, во-вторых, говорить об экспериментах и астрономических наблюдениях, то и здесь, как принято считать, не находится убедительных доказательств вращению вселенной. Но, это, впрочем, смотря как искать.

В 1982 году молодой английский астрофизик Пол Берч из Манчестерского университета обнаружил в высшей степени асимметричное распределение для углов вращения поляризации излучения от полутора, примерно, сотен внегалактических радиоисточников. Проанализировав независимо полученные наборы данных от разных исследователей, Берч показал, что все они демонстрируют одну и ту же закономерность – в северном полушарии небесной сферы вектор поляризации радиоизлучения направлен, главным образом, в одну сторону, а в южном полушарии в противоположную.[2]

В этой же работе Берч сделал и соответствующий вывод – что наиболее естественным объяснением для наблюдаемого феномена было бы вращение вселенной… За прошедшие с той поры годы никто не сумел убедительно опровергнуть этот неудобный результат, противоречащий общепринятым в космологии взглядам. Однако исследователю, начавшему свой путь в большую науку со столь вызывающего открытия, сделать дальнейшую карьеру в мире ученых, увы, не удалось.

**

Полтора десятка лет спустя после публикации Берча, весной 1997 появилась весьма созвучная работа [3] Борге Нодланда и Джона Ралстона, двух исследователей из американских университетов Рочестера и Канзаса. Нодланд и Ралстон изучали данные о вращении плоскости поляризации волн так называемого синхротронного излучения от 160 галактик и тоже обнаружили примечательную зависимость для углов поляризации. Оказалось, что угол вращения изменяется в зависимости от направления, в котором проводится наблюдение – словно у вселенной обнаружилась некая особая ось.

А именно, выходило, что величина вращения поляризации волн от наблюдаемой галактики непосредственно зависит от косинуса угла между направлением на эту галактику и осью, проходящей через экваториальное созведие Орел, планету Земля и экваториальное созвездие Секстант. Получалось, что обнаруженная аномалия вновь серьезно подрывала важные физические концепции об изотропности вселенной (должна быть одинакова для наблюдений во всех направлениях) и гомогенности вселенной (должна быть одинаковой во всех местах). По понятным причинам «ось анизотропии» вселенной, обнаруженная Нодландом и Ралстоном, заняла в науке место по соседству с результатом Берча – среди занятных, но не заслуживающих особого внимания казусов.

Однако, по мере того, как в космологии набираются все более точные данные наблюдений, тем все более отчетливо в них проступают неудобные оси анизотропии. Причем оси эти, как правило, неким озадачивающим образом норовят проходить через Землю, словно именно она является особой системой отсчета. Так, среди множества загадок, которые принесли данные спутника WMAP, регистрирующего анизотропию фонового микроволнового излучения вселенной, видное место занимает проблема с неслучайной ориентацией низкочастотных колебательных мод.[4]

Согласно теории, нижние моды, как и все остальные, должны быть ориентированы в пространстве случайным образом. Но вместо этого карта WMAP показывает, что их расположение явно тяготеет к точкам равноденствия и к направлению движения Солнечной системы. Более того, пространственные оси этих колебаний лежат близ плоскости эклиптики, причем две из них находятся в плоскости Сверхгалактики, объединяющей нашу Галактику, соседние с ней звездные системы и их скопления. Подсчитано, что вероятность случайного совпадения данных направлений – менее 1/10000.

***

Иначе говоря, все это выглядит чрезвычайно странным и труднообъяснимым. Поскольку если продолжать считать вселенную неподвижной, то наша солнечная система и планета Земля оказываются словно в центре всего космического пространства. Однако, если обратиться к концепции Курта Геделя, где вся вселенная вращается подобно гигантской рулетке, странности исчезают сами собой. Ибо во вселенной подобного рода каждый наблюдатель, где бы он ни находился, видит вещи так, как будто он находится в центре вращения, а вся вселенная словно вращается вокруг него. Визуально этот эффект представить легче, если открытая вселенная-цилиндр исходной модели Геделя преобразована в тор. Тогда, как показали в начале 1960-х годов германские теоретики Иштван Осват и Энгельберт Шюкинг, в замкнутом пространстве вселенной-тора нет никакой выделенной оси, а все элементы вращаются друг вокруг друга в общем вращении вихревого кольца.[5]

Конечно, все это, в принципе, физикам давно и прекрасно известно. Ибо модель Геделя за прошедшие с ее открытия полвека с лишним успела стать своего рода учебной «лабораторией», на основе которой демонстрируются и обкатываются всевозможные космологические гипотезы. А среди откликов на упомянутое выше открытие Нодланда и Ралстона, к примеру, той же весной 1997 года появился комментарий группы теоретиков (Юрия Обухова, Владимира Короткого и Фридриха Хеля), давших абсолютно естественное геометрическое объяснение «необычному» феномену в рамках общей теории относительности – но с учетом вращения вселенной. Ибо характерное поведение углов поляризации электромагнитной волны является типичным эффектом глобального космического вращения.[6]

Но сколь бы естественными ни были объяснения аномалий через вращение, общепринятыми они не являются и пока стать не могут. Ибо Стандартная Модель современной космологии никакого вращения не подразумевает, а привлечение этой концепции потребует радикального пересмотра всей теории. Решиться на это, ясное дело, очень непросто, поэтому для ответов на все новые и новые трудные вопросы в рамках устоявшейся модели теоретикам приходится то и дело изобретать новые сущности или «скрытые свойства», вроде инфляции, темной материи и темной энергии. О природе этих вещей никто ничего внятного сказать не может, но с их помощью создается хотя бы видимость объяснения.

Идея вращающейся вселенной, с другой стороны, хотя и не отвечает на все загадки космологии, но даже концептуально выглядит куда более привлекательней. Поскольку предлагает естественные геометрические и физические объяснения не только для космологических аномалий, но и для многих крайне неясных проблем квантовой физики частиц. Но разбираться с этим удобнее по порядку – от большого к малому.

←Ранее

↑На уровень вверх↑

Далее→

[1] Kurt Gödel, «An Example of a New Type of Cosmological Solutions of Einstein’s Field Equations of Gravitation», Reviews of Modern Physics, 21: 447-450 (1949)

[2] Paul Birch, «Is the Universe rotating?», Nature 298, 451-454 (July 1982)

[3] B. Nodland, J. Ralston, «Indication of Anisotropy in Electromagnetic Propagation over Cosmological Distances,» Phys. Rev. Lett., vol. 78, no. 16, p. 3043, 21 April 1997

[4] Glenn D. Starkman and Dominik J. Schwarz, “Is the Universe Out of Tune?”, Scientific American, August 2005

[5] István Ozsváth and Engelbert Schücking, «Finite Rotating Universe», Nature 193, 1168 — 1169 (March 1962)

[6] Yuri N. Obukhov, Vladimir A. Korotky, and Friedrich W. Hehl, «On the rotation of the universe», (arXiv:astro-ph/9705243), Preprint Univ. of Cologne (1997)