2. Релятивистские космологические модели и проблема бесконечности мира.

Столь глубокая связь между пространством-временем и материей, вскрытая теорией относительности, сразу же позволила поставить вопрос о глобальных свойствах пространственно-временной структуры мира. Уже в 1916 году, на следующий год после создания общей теории относительности, А.Эйнштейн построил первую релятивистскую космологическую модель Вселенной, в которой пространство оказалось замкнутым и, следовательно, конечным.

Последующее развитие этой области знания, в котором важную роль сыграли работы ленинградского ученого А.А.Фридмана и не возвратившегося в Ленинград из загранкомандировки Г.Гамова, ознаменовалось открытием принципиальной нестационарности глобальной пространственно-временной структуры мира: вся вселенная представляет собой некий динамический, переживающий собственную историю объект — в настоящее время это расширяющаяся Вселенная. Слово “расширяющаяся” относится именно к глобальной пространственно-временной структуре мира и означает неуклонный рост объема этой структуры и повсеместное увеличение расстояний между такими объектами в этой структуре, как галактики. Это расширение является строго изотропным процессом и выглядит совершенно тождественным образом для наблюдателя, помещенного в любую точку вселенной. Относительные скорости разбегания достаточно далеких галактик достигают колоссальных сравнимых со скоростью света значений.

Феномен расширяющейся Вселенной естественным образом поставил вопрос о начале этого процесса, что — в силу особенностей математического аппарата общей теории относительности (использования дифференциальных уравнений) привело к представлениям о так называемом Большом взрыве из точки (представляющей собой сингулярность в решениях уравнений общей теории относительности), в ходе которого примерно 18 млрд. лет тому и родился наблюдаемый мир. Материя в момент, предшествующий взрыву, должна была находиться в сверхплотном состоянии. Учет квантовых свойств материи позволяет понять, что и “точка”, из которой родился мир, и бесконечные значения основных физических величин, характеризующих Вселенную в этом состоянии (плотность массы-энергии, масса, энергия, кривизна и т.п.) вовсе не обязательны, так как на определенном этапе при движении в прошлое достижению сингулярной точки и бесконечных значений указанных физических величин препятствуют квантовые свойства поля тяготения (а значит и самой пространственно-временной структуры мира). В очень малых масштабах, меньших 10^-32 см наблюдается флюктуация метрики пространства-времени и возникает картина так называемой пространственно-временной пены — возникающих и исчезающих “пузырьков”четырехмерной пространственно-временной структуры мира. В этом описываемом сугубо вероятностным языком мире мы вступаем в область квантовой гравитации и квантовых концепций рождения мира “из ничего”.

Концепция Большого взрыва, представленная в так называемой модели рождения Вселенной, разработанной Г.Гамовым, давала некоторые экспериментально проверяемые предсказания. Из них важнейшее — однородное и изотропное радиоизлучение, родившееся в момент Большого взрыва и заполняющее всю Вселенную. Модель Г.Гамова позволяла предсказать и некоторые количественные параметры этого излучения, названного реликтовым, для современной эпохи. В частности температура этого излучения, согласно теории должна быть близкой к 3 Кельвинам.

В 1965 году такое реликтовое излучение, непосредственно свидетельствующее о имевшем место в прошлом Большом взрыве, действительно было обнаружено, причем температура его оказалась совпадающей с теоретически предсказанной. В результате на сегодня ни у кого нет сомнений в том, что вся наблюдаемая Вселенная с присущей ей пространственно-временной структурой сама является, как и все в этом мире, имеющим свое начало и свой конец, и существует не более 18 млрд. лет, возникнув из какого-то принципиально иного состояния материи.

Итак, до сих пор истекшее время существования вселенной несомненно является конечным. Что касается трехмерного пространства, то характер кривизны его также подлежит эмпирическому определению согласно релятивистским космологическим моделям. А именно, при плотности массы-энергии во Вселенной большей некоторого критического значения (порядка 10^-29 г/см³) трехмерное пространство обладает положительной кривизной, а значит замкнуто и конечно. При реальной плотности массы-энергии во Вселенной меньшей указанного значения, трехмерное пространство будет обладать отрицательной кривизной, а значит ему следует приписать метрическую бесконечность.

Наконец в случае совпадения реальной плотности массы-энергии с критической трехмерное пространство будет плоским (эвклидовым) и, следовательно, так же будет бесконечным в метрическом отношении.

Экспериментальные оценки реального значения плотности массы-энергии во Вселенной на сегодня близки критическому значению и достаточно однозначного и потому окончательного ответа на вопрос о глобальных метрических свойствах трехмерного пространства пока нет. Однако вопрос пространственной конечности или бесконечности вселенной сегодня потерял свою былую остроту.

Дело в том, что в теории относительности фундаментальным объектом является четырехмерное пространство-время, а трехмерное пространство является только частным и относительным сечением его, зависящим от выбора системы отсчета. Причем, как оказалось, даже такое глобальное свойство как метрическая бесконечность трехмерного пространства также имеет относительный смысл и зависит от выбора системы отсчета. Один и тот же трехмерный мир может оказаться бесконечным в одной системе отсчета и конечным в другой.

Однако, как было не один раз подчеркнуто, в теории относительности пространство само по себе и время само по себе превращаются лишь в тени и только их единство — четырехмерное пространство-время — обладает абсолютным значением. Поэтому принципиальное значение в вопросе о конечности или бесконечности вселенной имеет вопрос о четырехмерной кривизне, которая, соответственно, является абсолютной, а не относительной. Четырехмерная кривизна всегда положительна при любой большей нуля плотности массы-энергии в пространстве-времени вселенной. А так как плотность массы-энергии во вселенной очевидно больше нуля, то тем самым вопрос о метрике четырехмерной пространственно-временной структуры вселенной решается вполне однозначно: четырехмерный мир событий является заведомо конечным. В природе не существует ни бесконечных четырехмерных интервалов, ни бесконечного четырехмерного объема. Раздувающийся четырехмерный “пузырь” вселенной является заведомо конечным!

Но здесь возникают два вопроса:

1) является ли само количественное (метрическое) описание состояний материи во вселенной исчерпывающим и универсальным?

2) если глобальные метрические свойства вселенной задаются наличием и распределением вещества и излучения, то исчерпываются ли этим — веществом и излучением — все возможные состояния и свойства материи, или же в природе есть не только вещество и излучение?