Проблемы космологии

Оглавление

Системы мира

Мир по Ньютону

Расширяющаяся вселенная

Отголоски начала

Большой взрыв

Микрофизика

Новые подходы

Неортодоксальные взгляды

Будущее Вселенной

Список литературы

Системы мира

Путь человечества к познанию окружающего мира длился тысячелетия. Это был путь временного торжества ложных истин, путь костров и отречений. Но в то же время это была дорога величайших открытий, предвидений и прозрений, дорога торжества человеческого гения. Вполне понятно стремление человека во все времена создать систему окружающего мира. Разработка таких систем началась в глубокой древности и продолжается по сей день. Если отвлечься от наивных мифологических систем, то, бесспорно, первой внутренне логичной и всесторонне продуманной стала система мира Аристотеля. Недаром усиленная и подкрепленная впоследствии трудами греческого астронома Птолемея, она просуществовала почти две тысячи лет.

Согласно этой системе Земля -- центр Вселенной, а так как все тяжелые частицы стремятся к центру, то именно здесь и образовалось твердое тело нашей планеты. Легкие элементы -- воздух и огонь -- поднимаются в высокие слои, там они загораются, и тогда люди видят кометы и падающие звезды. Вечно движение небесных тел по сферам, окружающим неподвижную Землю, а Вселенная сферична и конечна.

Стоит заметить, что за несколько столетий до Аристотеля знаменитый математик Пифагор Самосский высказал мысль о том, что Земля имеет шарообразную форму и обращается вокруг собственной оси. Более того, он считал, что и Солнце, и Земля, и Луна вращаются вокруг некоторого общего гипотетического центра, который он назвал центральным огнем. Это движение планет и Солнца создает гармонию небесных сфер. Ученики Пифагора утверждали, что только их великий учитель был способен ощущать эту гармонию.

Нетрудно заметить, что в мироощущении Пифагора просматриваются основные принципы гелиоцентрической системы мира. И все же созданная легендарным Пифагором картина мира просуществовала недолго. На смену ей пришла геоцентрическая система Аристотеля.

Не следует думать, что у древних идея Аристотеля не вызывала никаких возражений. Она, к примеру, не могла объяснить очевидных изменений яркости планет при движении их по небесному своду. А ведь как легко это можно было сделать, предположив, что планеты то приближаются к Земле, то удаляются от нее.

Самый смелый шаг был сделан греческим математиком Аристархом Самосским вскоре после смерти Аристотеля. Он первым из греческих мыслителей расположил Солнце в центре мира, а Землю заставил вращаться вокруг Солнца. Этот факт доподлинно установлен, поскольку Архимед упоминает о нем в своем труде “Исчисление песчинок”. Гипотеза Аристарха Самосского не нашла единомышленников, поскольку астрономия в то время обладала небольшим количеством наблюдательных фактов. Потребовалось более полутора тысяч лет, чтобы она возродилась в знаменитой книге Коперника “О вращениях небесных сфер”.

По всей видимости, начиная с 1515 года Коперник систематически разрабатывал новую систему мира и одновременно наблюдал движение небесных светил. Очень кратко основные положения, тезисы новой теории он изложил на двенадцати страницах рукописи, которую сейчас принято называть “Малым комментарием”. Сам Коперник называл эти тезисы аксиомами. Первые аксиомы гласили, что “не существует одного центра для всех небесных орбит или сфер, ...центр Земли не является центром мира. Все сферы движутся вокруг Солнца. Так что около Солнца находится центр мира”.

В “Малом комментарии” нет каких-либо математических выкладок. Это была философская квинтэссенция последующего гениального произведения “О вращении небесных сфер”.

Джордано Бруно свои взгляды изложил в трех книгах, написанных в форме диалогов: “Пир на пепле”, “О причине начала и едином” и “О бесконечности вселенной и мирах”. Именно здесь он и сформулировал новое научное миропонимание. Нельзя считать, что Бруно лишь развил учение Коперника или обосновал его философски. Бруно -- творец нового научного мировоззрения. Гениальное предвидение о бесконечности миров, “которые носятся в эфирном океане, подобно нашему миру”, возрождение атомистической теории, создание новой картины космоса выдвигают Джордано Бруно в первые ряды величайших мыслителей. Казнь Бруно была пирровой победой церкви. Учение Аристотеля агонизировало, и эта агония была необратимой. Но триумф идей Коперника бесспорно не состоялся бы еще многие годы, если бы вскоре после гибели Бруно в Европе не появились телескопы. Именно наблюдательные данные великого Галилея, его точная и последовательная интерпретация этих данных с позиций коперникианства, несмотря на драму отречения, нанесли окончательный удар по системе мира Аристотеля. Одним из творцов астрономии нового времени был также И. Кеплер, открывший законы движения планет по эллиптическим орбитам. Только благодаря работам Галилея и Кеплера система мира Коперника стала одним из краеугольных камней фундамента науки.

Мир по Ньютону

В 1642 году умер великий Галилей. В этом же году 25 декабря (по старому стилю) километрах в десяти южнее городка Грэнтэм, в деревне Вульсторп, недалеко от восточного побережья Англии родился Исаак Ньютон. И до Ньютона многие ученые говорили о силе притяжения между различными телами. Еще Коперник пытался объяснить шарообразную форму Земли взаимным притяжением слагающих ее частиц.

Романтический, а порой и ударявшийся в мистику Кеплер писал: “Если бы Земля не мешала притягивать воды, то вся морская вода притянулась бы к Луне и улетела”.

В знаменитой книге Ньютона “Математические начала натуральной философии” дан последовательный, общий принцип решения любых задач физики и астрономии. Именно после выхода в свет этой книги и возникла классическая физика.

Система мира Ньютона владела умами людей более двухсот лет, и поэтому она не могла не оказать самого серьезного влияния на мышление и мировоззрение многих поколений.

Итак, прежде всего Вселенная по Ньютону бесконечна, и, кроме того, выражаясь языком современного физика, она стационарна, вечна. Движение тел в ней описывается законами Ньютона. Не следует забывать о том, что Ньютон был человеком глубоко религиозным. Сама идея вечности Вселенной с эстетической и философской точек зрения весьма привлекательна, и многие крупные ученые соглашались платить весьма большую цену, чтобы сохранить стационарную, вечную Вселенную.

Гениальный Ньютон, конечно же, не мог не ставить перед собой вопроса о происхождении мира. Но для него решение этого вопроса было простым. В своих “Началах” он писал:

“Изящнейшее соединение Солнца, планет и комет не могло произойти иначе, как по намерению и по власти могущественного и премудрого существа”. Ньютон отстаивал акт первичного сотворения и полагал, что ему удалось лишь открыть основные принципы, управляющие миром.

Ньютон не мог не понимать, что открытые им законы должны приводить к некоторым следствиям, не укладывающимся в наблюдаемую астрономами картину мира. Например, он сам, затрагивая космологические вопросы, приходил к мнению, что в бесконечном пространстве должны быть лишь бесчисленные подобные друг другу сферы. В силу закона всемирного тяготения они должны двигаться с бесконечной скоростью.

Разнообразие небесных объектов, хорошо известное уже в XVII веке, ученый объяснял с теологических позиций. Философия Ньютона, его система мира долгое время устраивала всех. Это был тот редкий случай, когда научная теория (именно теория, система, а не догма) не вызывала возражений со стороны церкви: вечный и безграничный мир был создан Творцом. Правда, одна неприятность со Вселенной Ньютона обнаружилась довольно скоро. Эта неприятность называется парадоксом Ольберса. Бременский врач с большой практикой и в то же время астроном-любитель Г.Ольберс (1758--1840) среди профессиональных астрономов своего времени пользовался непререкаемым авторитетом.

Суть парадокса Ольберса состоит в следующем. Пусть мы живем в бесконечной Вселенной Ньютона. Попробуем провести мысленный эксперимент. Окружим нашу Землю воображаемой сферой достаточно большого радиуса. Тогда внутри этой сферы окажется какое-то число звезд (для нас сейчас абсолютно неважно, какое именно), которые дадут определенный вклад в яркость нашей сферы. Удвоим теперь радиус сферы. Если предположить, что все звезды одинаковы по своей яркости и равномерно распределены в пространстве, при операции удвоения радиуса должна увеличиться и яркость ночного неба. Действительно, хотя при такой операции яркость самых далеких звезд уменьшится в 4 раза, так как она зависит от расстояния как 1/г2, но количество звезд внутри сферы прямо пропорционально ее объему, то есть г , и поэтому общая яркость ночного неба возрастет. В конце концов мы получим такую картину: ночное небо должно быть таким же ярким, как наше Солнце! Сам Ольберс пытался спасти положение, “вводя” в космическое пространство поглощающую свет среду, но на самом деле в этом случае поглощающий газ должен был бы нагреваться до высокой температуры и излучал бы почти столько же энергии, сколько поглощал. Парадокс оставался неразрешимым.

Расширяющаяся вселенная

Заглянуть глубже в тайны мироздания, чем это сделал Ньютон, долгое время казалось невозможным. Лишь в начале нашего века в 1915 году появилась работа А. Эйнштейна, которая в конце концов заставила пересмотреть систему мира Ньютона, и, заметим, самым радикальным образом.

Знаменитые уравнения Эйнштейна -- основа общей теории относительности -- были опубликованы в 1916 году. Они подарили нам новый мир, существенно отличающийся от мира Ньютона. Как образно сказал один из крупнейших современных физиков, Дж. Уилер, в общей теории относительности пространство “говорит” материи, как ей двигаться, а материя “указывает” пространству, как ему искривляться.

Общая Теория Относительности (ОТО) имеет дело с четырехмерным пространством, где одной из координат является время. Трудность состоит в том, что четырехмерный мир нельзя представить себе наглядно. Для нас число “наглядных” измерений не превышает трех. Четырехмерный мир Эйнштейна, конечно же, не абстракция. Дело в том, что мы живем геометрически в трехмерном пространстве, но все физические процессы в этом мире связаны со временем, а сам ход времени для наблюдателя зависит от свойств пространства, от скорости процессов. Поэтому время связано в мире Эйнштейна с геометрией, а геометрия со временем. Недаром Уилер предложил называть теорию Эйнштейна геометродинамикой.

Геометродинамика, ОТО предсказывает удивительные явления, которые должны происходить в нашем мире: изменение темпа течения времени, искривление лучей света в сильных полях тяготения и многое другое.

Итак, пространство не абсолютно, оно динамично, оно живет. И самым важным свойством уравнений Эйнштейна, по крайней мере для космологии, является то, что они позволяют представить себе, как жила, живет и будет жить в дальнейшем наша Вселенная. Нельзя не подчеркнуть, что Эйнштейн на первых порах намеренно искал такое решение своих уравнений, которое “давало” бы однородную и статичную Вселенную. То есть сначала и Эйнштейн, так же как и Ньютон, оказался в плену идеи, если так можно выразиться, “статичной вечности”.

Первым человеком, которому удалось на основании уравнений Эйнштейна получить принципиально новые выводы о структуре нашей Вселенной, был советский математик А. Фридман.

Он выполнил интересные работы в области метеорологии и гидромеханики. Но имя свое ученый обессмертил работами по космологии. Первая статья 1922 года, где он нашел новое космологическое решение уравнений ОТО, говорила о том, что наш мир, наша Вселенная нестационарна. Она замкнута и непрерывно расширяется. Эйнштейн отреагировал на эту статью отрицательно, немедленно опубликовав “Замечание”, в котором содержалось опровержение выводов Фридмана. Но великий Эйнштейн оказался неправ. Он признал это в 1923 году: “Я считаю результаты г. Фридмана правильными и проливающими новый свет...”

Сегодня в научной литературе прочно утвердился термин “Вселенные Фридмана”. Что же это такое?

Фридман нашел два решения уравнений Эйнштейна, каждое из которых зависит от средней плотности материи во Вселенной. Если средняя плотность с меньше некоторой величины скр или равна ей, то Вселенная может быть пространственно как бесконечной, так и конечной, но расширение ее будет продолжаться всегда. Если же значение средней плотности больше критической (с>скр), неизбежно получается замкнутая (но безграничная!) Вселенная. Силы гравитации в этом случае должны в конце концов остановить расширение Вселенной, и она рано или поздно начнет сжиматься.

Попробуем пояснить, как совмещаются понятия конечности и безграничности. Наглядный пример здесь достаточно прост. Возьмем поверхность резинового надувного шарика. Она конечна, как бы мы этот шар ни раздували. Но в то же время она и безгранична, так как, путешествуя по этой поверхности, мы никогда не доберемся до границы. В крайнем случае вернемся туда, откуда начали свой путь.

Итак, на сцене появились динамические модели Вселенной. И сразу же возникло множество вопросов. Ведь модели Фридмана -- его Вселенные -- построены пером теоретика (да и вообще все, что мы до сих пор обсуждали, было гениальными теоретическими построениями), и только данные наблюдательной астрономии могли подтвердить или опровергнуть эти модели -- модели расширяющейся Вселенной. О чем же они свидетельствовали в то время?

Еще в 1914--1917 годах астрономы выяснили поразительный факт, которому, к сожалению, сначала не придали значения: большинство далеких галактик разбегаются от нашей Галактики с довольно большими скоростями, причем самые далекие из них с самыми большими скоростями.

На последнее обстоятельство обратил внимание еще в 1919 году американский астроном X. Шепли, но не сумел объяснить его (“Вселенные Фридмана” еще не были созданы!). И лишь в 1929 году американский астроном Э. Хаббл вывел свой знаменитый закон, гласящий, что скорость разлета галактик, прямо пропорциональна расстоянию от нашей Галактики.

V = Нг

где V -- скорость галактики, г -- расстояние, Н -- так называемая постоянная Хаббла. Закон Хаббла -- один из краеугольных камней современной космологии.

Астрономы наблюдали спектры далеких туманностей и установили, что хорошо известные линии, например, ионизированного кальция или водорода, находятся “не на своих местах”, сдвинуты далеко в красную сторону спектра. Так был обнаружен факт разлета галактик, и вскоре в науке появился знаменитый термин “красное смещение”. Закон Хаббла был установлен в 1929 году, и модели расширяющейся Вселенной получили таким образом первое надежное экспериментальное подтверждение.

Нужно сказать о том, что закон Хаббла и красное смещение разрешают и знаменитый парадокс Ольберса.

Закон Всемирного тяготения Ньютона легко выводится из ОТО. Но не это самое интересное. В 30-х годах было показано, что из закона Всемирного тяготения можно получить законы расширения и сжатия Вселенной, и ОТО для этого в принципе не нужна!

Это поистине поразительный факт, свидетельствующий лишний раз о том, насколько притягательна идея вечной и стационарной Вселенной. Нам трудно себе представить, что модели расширяющегося мира в принципе могли быть получены задолго до рождения Эйнштейна, к примеру, еще во времена Ньютона. И не построены были эти модели по чисто психологическим причинам.

Для самого Ньютона не существовал вопрос о начале мира, для него непреложным фактом было сотворение мира Творцом. Человечество не было еще готово к постановке подобного вопроса на научной основе. Прошло два столетия со дня смерти Ньютона, и уже великий Эйнштейн не хочет говорить с аббатом Леметром о вопросе начала: “Это слишком похоже на акт творения. Сразу видно, что Вы священник”. А ведь аббат Леметр, будущий президент папской Академии в Ватикане, был одним из тех, кто наряду с Фридманом исследовал решения ОТО. Термин “вселенные Леметра” прочно вошел в научную литературу. Именно он ввел понятие первичного атома, при взрыве которого и образовался наш мир.

Парадокс, а может быть, и нечто большее, чем парадокс, состоял в том, что и Эйнштейн, и многие другие ученые в течение нескольких лет после выхода в свет работ Фридмана (а затем и Леметра) не рассматривали всерьез космологические решения ОТО, зависящие от времени. Переворот в сознании и соответствующая переоценка произошли лишь после открытия Хаббла.

Закон Хаббла утверждает, что чем дальше от нас находится какая-нибудь галактика, тем с большей скоростью она от нас удаляется. При этом должна возрастать величина красного смещения. В конце концов оно станет настолько большим, что мы не сможем увидеть источник света. Как говорят в космологии, красное смещение создает “горизонт” видимости, за который наш взгляд не может проникнуть. К тому же расширение Вселенной происходит достаточно быстро. Ну а поскольку свет от объектов, лежащих за горизонтом, мы не можем воспринять, а внутри горизонта число звезд по астрономическим масштабам невелико -- ? 1025, парадокс Ольберса, основанный на введении бесконечного числа источников света и бесконечной Вселенной, разрешается просто в рамках моделей расширяющейся Вселенной.

При анализе закона Хаббла возникает еще один вопрос. Если все наблюдаемые галактики разлетаются от нас, то не находимся ли мы, земные наблюдатели, в центре мира?

Казалось бы на первый взгляд, что наше положение “привилегированно”.

Вернемся снова к аналогии с поверхностью резинового надувного шара. Предположим, что это и есть наша Вселенная (мы не можем покинуть поверхность или проникнуть внутрь шара). Нанесем на поверхность шара точки и будем считать каждую точку галактикой. Начнем надувать шар от радиуса R до радиуса 2R (модель расширяющейся Вселенной!). Все точки (галактики) естественно останутся на поверхности шара, расстояние между ними также увеличится в два раза. Но вот что самое интересное! В какую бы “галактику” на нашей сфере мы ни поместили наблюдателя (А или В), ему будет казаться, что все остальные галактики от него удаляются, и именно он находится в центре мира.

Таким образом, наша Вселенная не имеет выделенного центра. Но давайте пойдем назад -- начнем выпускать воздух из нашего шарика и предположим, что он сожмется в точку. Конечно, с реальным воздушным шариком этого не произойдет, но в качестве мысленного эксперимента подобная операция не вызывает трудностей. Тогда мы увидим, что при стремлении радиуса шара к 0 поверхность его также стремится к 0, и, естественно, расстояния между точками его поверхности (галактиками) беспредельно уменьшаются.

Именно здесь мы и подходим к одному из основных вопросов космологии: что было вначале? Вопрос вполне правомочный. Ведь если Вселенная расширяется, то когда-то этот процесс должен был начаться. И здесь физика -- наука, претендующая на то, что она может объяснить любое явление в окружающем нас мире,-- обязана была сказать свое слово.

Отголоски начала

Одним из первых физиков, подошедших вплотную к этому вопросу, был Г. Гамов. Произошло это, кстати говоря, несколько неожиданно, поскольку он занимался задачей космологической распространенности различных элементов и изотопов.

Известно, что в природе преобладают элементы с избытком нейтронов. Гамов хотел “получить” все элементы простым способом: последовательным присоединением свободных нейтронов к ядру. Но для этого нужны очень высокие температуры, и Гамов пришел к идее горячего начала.

Парадоксальным здесь является тот факт, что в целом теория Гамова о синтезе элементов неверна, а вывод о горячем начале Вселенной абсолютно верен. Более того, Гамов указал, что “отголоски” горячего начала должны быть видны сегодня в виде так называемого “реликтового излучения” (термин, предложенный известным советским астрофизиком И. Шкловским). Гамов даже оценил в 1956 году температуру этого излучения и получил цифру 5--6 К. Не правда ли, очень низкая температура? Но если взглянуть в прошлое, то температура этого излучения была выше, Вселенная была плотнее и горячее...

В 1964 году в лаборатории фирмы “Белл телефон” была создана новая рупорная антенна. Она предназначалась для работы со спутником связи “Эхо”. Но технические характеристики антенны, в частности очень низкий уровень шумов, сразу привлекли к ней внимание радиоастрономов. Первыми начали с ней работать А. Пензиас и Р. Вильсон, один из них был радиофизиком, другой радиоастрономом. Они решили мерить интенсивность радиоизлучения от нашей Галактики. Эта задача отнюдь не проста, так как, если вы измеряете радиосигналы от какого-то конкретного источника, например, от звезды, то избавиться от помех, шума довольно просто. Для этого надо лишь отклонить антенну от звезды, померить сигнал, а затем снова направить ее точно на звезду и опять провести измерения. Разница между двумя сигналами и будет сигналом от объекта. Но у Пензиаса и Вильсона объектом было фактически все небо!

Именно поэтому им необходимо было уменьшить до предела то, что в сегодняшней радиотехнике называется собственным шумом радиоприемного устройства. Кроме того, им, конечно, мешали так называемые атмосферные шумы. Короче говоря, прежде чем приступить к непосредственным экспериментам, они провели огромную подготовительную работу.

Эксперименты были начаты на коротких волнах (около 7,5 сантиметра), поскольку считалось, что в этом диапазоне шум должен быть пренебрежимо мал. Это была своего рода проверка качества антенны и приемных цепей. Но в первых же проведенных опытах исследователями был зарегистрирован радиошум в этом диапазоне. Причем интенсивность сигнала не зависела от направления. Это очень существенный факт, и самое естественное его объяснение состояло в том, что шумит сама антенна или цепи радиоприемного устройства. Проверялось абсолютно все. На подозрение была взята даже парочка голубей, которая облюбовала рупор антенны и за время подготовительных работ угнездилась в нем. В 1965 году эксперименты начались снова и снова дали тот же результат. Небо давало микроволновый фон, шум, и величина сигнала не зависела от направления. Откуда же этот шум мог появиться, если всевозможные помехи были учтены и устранены?

Пензиас и Вильсон не могли ответить на этот вопрос. Для начала они попытались определить характеристики обнаруженного ими шума и в первую очередь его интенсивность. А интенсивность теплового радиошума очень удобно описывать, пользуясь понятием обычной температуры. Действительно, любое тело “шумит” в радиодиапазоне за счет теплового движения электронов внутри тела. Грубо говоря, чем выше температура, тем выше интенсивность теплового шума. Поэтому в радиотехнике используется понятие “эквивалентной температуры” радиоизлучения. Итак, оказалось, что шум, открытый Пензиасом и Вильсоном, имел температуру около 3,5 К. (Здесь нельзя не сказать о том, что за год до открытия Пензиаса и Вильсона советские астрофизики А. Дорошкевич и И. Новиков теоретически предсказали возможность обнаружения реликтового излучения в сантиметровом диапазоне. Но, к сожалению, на эту работу не обратили тогда должного внимания экспериментаторы.)

Случай играет не последнюю роль в науке. Ведь Пензиас и Вильсон понятия не имели о том, что такое реликтовое излучение. Они просто натолкнулись на него. А практически в то же время всего в нескольких десятках километров от антенны фирмы “Белл” группа Р. Дикке, крупного американского астрофизика, строила специальную антенну для поиска отголосков Большого Взрыва.

Дикке знал о работах Гамова и придавал им большое значение. Именно поэтому, когда астрофизики узнали о результатах Пензиаса и Вильсона, Дикке мгновенно объяснил их, и соответствующие публикации в журнале “Nature” появились одновременно, но с экспериментальными результатами Дикке опоздал примерно на полгода. 20 лет размышлял Нобелевский комитет, кому присудить премию -- счастливчикам Пензиасу и Вильсону или Р. Дикке. Как мы знаем, выиграли счастливчики.

Конечно же, это открытие могло быть сделано и раньше. Ведь о Большом Взрыве говорили и до 1965 года. Но, как указал лауреат Нобелевской премии по физике Е. Вигнер, теория Большого Взрыва не привела к поиску реликтового излучения потому, что физикам было трудно серьезно воспринять любую теорию ранней Вселенной: “Это открытие заставило всех нас всерьез отнестись к мысли, что ранняя Вселенная была”.

Большой взрыв

О Большом Взрыве ежегодно публикуется огромное число статей и в научной и в научно-популярной печати. Но самое-то интересное заключается в том, что взрыва в обычном понимании этого слова не было! Справедливо ли применять слово “взрыв” к начальным стадиям расширения Вселенной? Другими словами, можно ли сказать, что огромное давление сжатой в точку Вселенной явилось причиной ее расширения (взрыв бомбы)?

Нет! При взрыве расширение происходит из-за разности между большим давлением продуктов взрыва и малым давлением окружающего их атмосферного воздуха. Но когда мы рассматриваем раннюю Вселенную, понятия “снаружи” и “внутри” теряют смысл, а давление в однородной Вселенной распределено равномерно. Между различными частями Вселенной нет разности давления, а значит, нет и силы, вызывающей расширение.

В чем же дело? Почему Вселенная начала расширяться? На этот вопрос сегодня нет общепринятого ответа.

Очень трудно говорить о тех временах, когда вся видимая сегодня Вселенная была величиной с маковое зернышко. Но предполагается, что она действительно миллиарды лет тому назад была именно таких размеров (и даже меньше) и действительно стала расширяться.

Сегодня космология еще не в состоянии ответить на ряд принципиальных вопросов. Среди них основные: что было до начала наблюдаемого расширения? Будет ли Вселенная вечно расширяться или опять сожмется в точку (как говорят физики, образуется ли снова сингулярность -- состояние вещества с бесконечной плотностью) ? Мы надеемся, что ответы на эти вопросы будут получены в близком будущем.

Но отсутствие ответов сейчас, сегодня, не мешает физикам рассматривать самые ранние стадии расширения Вселенной. Некоторые теории оперируют с временами 10-35 секунды от начала. Это, по выражению академика Я. Зельдовича, “очень-очень ранняя Вселенная”. Есть теории, которые “заглядывают” в еще более ранние моменты времени. Термин “Большой Взрыв” сейчас общепринят, и мы его будем использовать. Тем более что скорости процессов, происходящих при “рождении” нашего Мира, в неизмеримое число раз превышают скорости любых известных сегодня взрывных процессов. Поэтому-то расширение Вселенной действительно можно уподобить “сверхвзрыву”, Большому Взрыву.

Почему для нас так важны начальные этапы развития Вселенной, почему космологи пытаются проанализировать самые ранние моменты, заглянуть как можно глубже в прошлое нашего мира? Да потому, что никакая космологическая модель, никакая теория невозможна без достаточно полного понимания начальных этапов развития Вселенной -- ведь именно тогда закладывалось ее будущее, все последующие стадии ее формирования. И эти стадии нельзя понять, не зная, какой была ранняя, горячая Вселенная. Чтобы представить себе развитие Вселенной, следует прежде всего постараться понять, что представляло собой вещество Вселенной, материя на разных этапах ее существования.

Важность постановки такой задачи очевидна. Ведь решения уравнений ОТО, полученные Фридманом, говорят о том, что Вселенная расширяется из точки, из сингулярности. Но решения эти, с другой стороны, ничего не говорят о состоянии и поведении вещества вблизи сингулярности, а для нас сейчас, когда мы начинаем рассматривать ранние стадии Вселенной, именно это и является самым главным.

До сих пор мы говорили лишь об ОТО, которая описывает процессы расширения и сжатия мира. Но совершенно ясно, что сейчас для рассказа о поведении вещества мы должны обратиться к другим физическим теориям.

Вопросы, рассматриваемые нами, исключительно сложны, а очень многие их аспекты еще ждут своего решения: Но именно эти задачи и являются на сегодня наиболее “горячими точками” современной физики и космологии. Какими же теоретическими “инструментами” пользуются современные ученые?

Самая красивая из физических теорий -- ОТО представляет собой типичный пример классической теории. Что это значит? В уравнения ОТО не вводится никаких новых фундаментальных физических постоянных. В них присутствуют лишь скорость света и гравитационная постоянная Ньютона.

Другим примером классической теории является электродинамика, созданная более ста лет назад Д. Максвеллом. Всего 80 лет назад большинство физиков свято верило, что в природе существует лишь два вида фундаментальных взаимодействий -- гравитация и электромагнетизм. Они имеют неограниченный радиус действия и могут быть не только измерены с помощью приборов, но хорошо известны “в быту”: если, например, кирпич упадет на голову, можно не сомневаться в том, что вы на практике столкнулись с гравитацией. Электромагнитные взаимодействия также хорошо знакомы каждому человеку, поскольку самые разнообразные физические, химические, биологические явления зависят от электромагнетизма.

Однако более 80 лет назад из микромира поступили тревожные сигналы о том, что классическая физика не в состоянии описать явления, происходящие в масштабах отдельных атомов. Хорошо известно, что согласно классической теории электромагнетизма электрон в атоме должен “упасть” в конце концов на атомное ядро из-за непрерывного излучения энергии. С этим и другими парадоксами оказалась в состоянии справиться лишь квантовая теория поля.

Суть квантовой теории (а именно она вызывала неприятие у Эйнштейна) состоит в том, что, располагая даже максимальной информацией о физической системе, квантомеханический подход определяет лишь вероятность того или иного события в микромире и не предсказывает точного поведения системы.

“Бог в кости не играет”,-- говорил Эйнштейн, отрицая вероятностный подход квантовой физики к описанию физических явлений. В течение последних лет своей жизни Эйнштейн пытался создать единую теорию поля, общую классическую теорию, классическую в том смысле, что физические явления в ней должны полностью описываться, если известны значения всех рассматриваемых физических переменных. Мы знаем, что на этом пути Эйнштейн потерпел неудачу. Однако вернемся к ОТО. Как уже говорилось о том, что эффекты ОТО наиболее заметно проявляются в сильных гравитационных полях. Так почему же мы заговорили о границах ее применимости? “Узкое место” здесь -- сингулярность, начало расширения Вселенной.

Совершенно ясно, что если считать сингулярность точкой, математической абстракцией, то нечего вообще говорить ни о каких физических законах в этой точке. Но дело в том, что Вселенная материальна; грубо говоря, мы знаем, что она имеет вес. Именно поэтому реальное вещество, материя всегда будет занимать какой-то конечный, отличный от нуля объем.

Поскольку поведение Вселенной во времени описывается уравнениями ОТО, то вопрос о границах применимости этих уравнений на ранних стадиях Вселенной в условиях экстремально малых размеров и экстремально больших плотностей вполне правомочен. Пространство -- время чудовищно искривлены, и, поскольку мы стремимся к сингулярности, речь идет уже не о маковом зернышке, а о гораздо меньших объемах. Не могут ли здесь играть роль квантовые эффекты?

Когда теоретики начали исследовать этот вопрос, то оказалось, что “ответ” на него был дан в конце прошлого века, то есть когда ОТО еще не была создана. “Ответ” был дан М. Планком, одним из творцов квантовой физики. Планк ввел свою знаменитую постоянную h в теорию излучения в 1899 году и тогда же, добавив к ней скорость света с и постоянную тяготения G, показал, что из этих констант можно составить величины любой размерности, например плотность, длину.

Очень интересно отношение самого Планка к этим постоянным. Он, как, впрочем, и любой другой великий физик, считал, что цель физики -- объяснение устройства мира. Планк глубоко верил, что наука не должна нести в себе отголоски индивидуального мышления, физические законы должны быть абсолютны во всей Вселенной.

Глубокие идеи Планка не потеряли своего значения и сегодня, спустя более 80 лет. Планковские константы сегодня считаются предельными в физике величинами. Именно на планковской длине перестает “работать” ОТО. На этом масштабе плотность вещества чудовищна. Она неизмеримо превышает плотность атомного ядра. Эти величины очень трудно представить себе наглядно. Действительно, ядерная плотность равна примерно 1014 г/см3. Другими словами, один кубический сантиметр атомных ядер весил бы сто миллионов тонн. А планковская плотность вещества превышает ядерную на 80 порядков! Единица с 80 нулями!

И здесь в сверхсильных гравитационных полях начинают возникать квантовые эффекты. Отметим, что когда речь идет о квантовых эффектах в условиях сильной гравитации, то, быть может, сами понятия “пространство” и “время” теряют привычный для них смысл. Как хорошо сказано в книге Я. Зельдовича и И. Новикова “Строение и эволюция Вселенной”: “Насколько легко найти область, где важны квантовые явления, настолько же трудно выяснить, что происходит в этой области. Здесь становится трудно даже сформулировать проблему”.

Действительно, задача о ранней, “планковской”. Вселенной исключительно сложна. Мы просто не знаем, как ведет себя вещество, что оно собой представляет в этих бесконечно малых масштабах длин, сочетающихся с бесконечно большими плотностями и температурами.

Экспериментаторы “добрались” пока до длин порядка лишь 10-16 см. Это мир элементарных частиц, сверхвысоких энергий, и именно поэтому физика ранней Вселенной теснейшим образом смыкается с физикой микрокосмоса. К сожалению, как сказал лауреат Нобелевской премии по физике С. Вайнберг, “незнание микроскопической физики стоит как пелена, застилающая взор при взгляде на самое начало”.

Космология оперирует с еще меньшими расстояниями и большими энергиями, чем те, что привычны для физики элементарных частиц. Ведь рассматривая самые ранние этапы, мы неизбежно приходим к какому-то моменту времени (порядка планковского), когда классическая ОТО неприменима. Здесь предстоит еще огромная работа.

Микрофизика

Согласно бурно развивающейся в последние годы кварковой теории все адроны состоят из “более” элементарных частиц -- кварков. Если эта теория верна (а она получает сейчас убедительные доказательства в различных экспериментах), то при температуре около нескольких тысяч миллиардов градусов Кельвина адроны, по-видимому, уже не могут существовать, они разбиваются на составляющие их кварки, точно так же, как атомы при нескольких тысячах градусов распадаются на ядра и электроны, а ядра, в свою очередь, при миллиарде градусов -- на протоны и нейтроны.

Итак, все адроны состоят из кварков. И возникает естественный вопрос: где же предел элементарности частиц? Ведь сравнительно недавно круг элементарных частиц был ограничен нейтронами, протонами, электронами и фотонами. А сейчас, мало того” что одних адронов порядка сотни, оказалось, они неэлементарны, состоят из кварков, антикварков. Неужели в микромире работает принцип “русской матрешки”?

Мы опять не можем ответить на этот вопрос. Физике неизвестна сегодня модель праматерии.

Подходы к этой общей теории, которая должна в конечном итоге связать микро- и макромиры, в центре внимания и физики элементарных частиц, и космологии. Почему?

Мы уже говорили о гравитационном и электромагнитном взаимодействии в физике. Но сегодня известно еще два типа взаимодействий. Это уже упоминавшееся сильное и так называемое слабое взаимодействия. Слабые силы взаимодействия названы так потому, что на масштабах длин порядка размеров ядер они слабее не только сильных (ядерных), но и электромагнитных. Тем не менее роль их в природе огромна. Не будь слабых взаимодействий, были бы невозможны процессы, лежащие в основе термоядерных реакций, происходящих в недрах Солнца. Другими словами, если бы не было слабых взаимодействий, погасло бы Солнце! Поистине мал золотник, да дорог!

Эти два типа взаимодействия обладают очень малым радиусом действия: сильное работает на расстоянии порядка 10-13 сантиметра, а радиус действия слабого по порядку величины составляет около 10-16 сантиметра. Сейчас на повестке дня с особой остротой стоит проблема создания единой основополагающей теории, объединяющей все известные силы. Пока удалось объединить электромагнитные и слабые силы. Возникла модель так называемых электрослабых взаимодействий. На очереди -- модели великого объединения, или, как их еще называют, гранд-модели. Совершенно ясно, что законченная гранд-теория должна с единых позиций объяснить действие всех сил в микромире.

Это очень многообещающее направление в физике. Гранд-модели предсказывают массу удивительных вещей и, в частности, распад протона. Сейчас экспериментаторы пытаются обнаружить это явление, осуществить, как считают многие физики, эксперимент века.

Физика микромира, так же как и физика макромира, имеет дело с огромными энергиями. Недаром в разных странах мира: в СССР, в США, Швейцарии, Германии -- построены ускорители, на которых удается исследовать частицы с энергиями порядка сотен ГЭВ. Эта энергия соответствует температурам в миллион миллиардов градусов. Может ли современная экспериментальная физика подняться еще выше по шкале энергии?

Тридцать с лишним лет назад Э. Ферми выдвинул идею ускорителя-гиганта, опоясывающего весь земной шар. Такой ускоритель представлял бы собой расположенное в космосе огромное кольцо вокруг Земли с радиусом около 7 тысяч километров. Это дало бы возможность достигнуть энергий в 107--108 ГЭВ, или 1020--1021 К. Ясно, что постройку такого ускорителя нельзя назвать делом ближайшего будущего.

Попытки разработки гранд-моделей, где при еще более высоких энергиях объединяются и электрослабые, и сильные взаимодействия, требуют энергии порядка 1014--1016 ГЭВ (1026--1028 К!). Для получения таких энергий нужно было бы построить кольцевой ускоритель порядка размеров Солнечной системы. Это уже чересчур не только для физики обозримого будущего, но и для научной фантастики. Ведь пока диаметр самого большого кольцевого ускорителя -- “всего” 2,2 километра.

При переходе к высоким энергиям порядка 1014 ГЭВ мир элементарных частиц должен стать в известном смысле проще. Ярмарочное обилие их должно “испариться” и число частиц существенно уменьшиться.

Здесь уместна следующая аналогия. Число минералов на Земле исчисляется несколькими тысячами. Но давайте начнем увеличивать температуру Земли. Стоит нам достичь двух-трех тысяч градусов, когда плавятся самые тугоплавкие минералы,-- и мы будем иметь достаточно гомогенную жидкость. Это будет расплав, не содержащий ни одного минерала. В нем будут присутствовать лишь элементы таблицы Менделеева, а их всего около сотни. Охладим его, и по мере охлаждения в нем начнут возникать множество самых различных типов минеральных зерен. Быть может, именно так, по мере перехода к неизмеримо более высоким температурам происходит некоторое “упрощение” системы элементарных частиц.

Но так ли на самом деле оптимистично выглядят перспективы теории элементарных частиц? Объединение электромагнитных и слабых взаимодействий -- действительно триумф теоретической физики, причем триумф, увенчанный убедительным экспериментом. Мы знаем теперь, как ведет себя вещество и что оно собой представляет до энергий 100 ГЭВ. Но насколько справедлива экстраполяция на энергии 1014 ГЭВ? Ведь здесь разница в 12 порядков, в тысячу миллиардов раз?

Нам же важно сейчас отметить следующее. В нашем мысленном эксперименте мы начали сжимать Вселенную для того, чтобы посмотреть, что будет при этом с веществом. Мы дошли до энергии в сотни ГЭВ. Здесь есть эксперимент, здесь можно с уверенностью сказать, что физика дает хорошие прогнозы по интересующему нас вопросу. Теперь можно подвести некоторые итоги. Этой энергии соответствует температура 1015 К. Ясно, что ни атомных ядер, ни протонов, ни нейтронов при такой температуре нет. Есть лишь частицы, претендующие на роль истинно элементарных: лептоны, фотоны да вырвавшиеся на свободу кварки. Весь этот кварко-лептонный суп находится в состоянии, близком к термодинамическому равновесию. Это означает, что концентрация частиц поддерживается постоянной, скорости их рождения и гибели равны.

Можно, конечно, пойти дальше и пытаться смотреть, что будет с веществом при более высоких энергиях. Теоретики выпустили огромное количество работ, посвященных этой теме. Но, во-первых, твердо установившейся теории здесь нет, во-вторых, когда мы приближаемся к планковскому порогу, мы волей-неволей должны рассматривать Вселенную, радиус кривизны которой меньше размеров элементарных частиц, с плотностью вещества, достигающей 1094 г/см3. Это, вообще говоря, terra incognita для современной физики, и вряд ли кто-либо возьмется сказать, что представляет собой сверхплотная Вселенная.

При температуре больше 1011К концентрации протонов и нейтронов примерно одинаковы. Но с понижением температуры концентрация протонов возрастает. Действительно, ведь масса протона меньше массы нейтрона, и поэтому в указанных выше реакциях образование протона при определенной температуре становится более выгодным энергетически. С дальнейшим понижением температуры эти реакции вообще прекращаются, и мы уже имеем дело с “замороженными” концентрациями протонов и нейтронов во Вселенной, когда доля нейтронов составляет лишь около 15%. Здесь возникает естественный вопрос. Ведь во время адронной эры во Вселенной должны присутствовать как частицы, так и античастицы. А речь шла сейчас лишь о протонах. Где же антипротоны? Почему наша Вселенная несимметрична в зарядовом отношении? Почему в ней есть вещество и почти нет антивещества?

Вопрос этот очень сложный и, нужно сказать честно, не имеющий на сегодняшний день окончательного решения. Более того, некоторые ученые, например лауреат Нобелевской премии по физике X. Альвен, считают, что антивещество представлено во Вселенной на паритетных началах с обычным веществом. Большинство ученых находит, что X. Альвен не прав. Но в науке голосование не принято, и на поставленные вопросы надо пытаться давать исчерпывающий ответ. Итак, если изначально число частиц и античастиц было одинаковым, то в принципе все они за какое-то время должны были бы в результате аннигиляции превратиться в фотоны, в свет, в нейтрино и антинейтрино. Но этого нет, и, по крайней мере, для нашей Галактики твердо установлено отсутствие звезд и планет из антивещества.

С другими участками Вселенной, которые можно наблюдать сегодня, дело посложнее. Ведь, наблюдая другие галактики, астрономы имеют дело лишь с квантами электромагнитного излучения, и поэтому, если бы какая-либо удаленная галактика состояла из антивещества, мы не могли бы узнать об этом даже в принципе, поскольку антивещество излучает фотоны так же, как и обычная материя. Это, кстати говоря, один из сильных аргументов Альвена и его немногочисленных сторонников.

Вещество Вселенной все-таки состоит, по всей видимости, из протонов. Работами последних лет достаточно убедительно показано, что в этих реакциях кварков должно рождаться чуть больше, чем антикварков. Насколько? Ответ таков: на три миллиарда антикварков должно родиться 3 миллиарда и еще три кварка. Тогда 6 миллиардов кварков и антикварков проаннигилируют, а три оставшихся кварка “упадут” со временем в адронный “мешок” и образуют протон или нейтрон. Важно отметить, что в результате всех этих процессов во Вселенной на один протон приходится примерно миллиард фотонов и миллиард нейтрино.

Таким образом, вопрос о том, почему наша Вселенная состоит из вещества, а антивещество отсутствует, находит решение с использованием гранд-моделей.

Процесс синтеза ядер легких элементов продолжался около трех минут после начала Большого Взрыва. С падением температуры синтез гелия прекратился, и теперь уже “заморозились”, то есть остались неизменными, относительные концентрации гелия и водорода: ядра водорода составляли 70 процентов вещества Вселенной, ядра атомов гелия -- 30. Необходимо заметить, что отношение концентраций ядер гелия и водорода друг к другу сильно зависит от темпа расширения и, соответственно, от средней плотности вещества во Вселенной. Поэтому в какой-то мере это отношение может использоваться для проверки правильности той или иной космологической модели. Оценки содержания гелия в горячих звездах во внешней атмосфере Солнца, в солнечном ветре и т. д. дает достаточное основание для подтверждения правильности “стандартной” теории (дающей цифру в 30 процентов для гелия).

Нейтрино исключительно слабо взаимодействуют с веществом, для них прозрачен даже наш земной шар. Поэтому примерно через 0,3 секунды после Большого Взрыва нейтрино начинают “игнорировать” все вещество Вселенной (включая, конечно, и электроны с позитронами). Их число уже не меняется. Говорят, что произошло отделение нейтрино от вещества. Этот процесс происходит при температуре больше десяти миллиардов градусов.

С понижением температуры продолжает играть роль реакция рождения электронов и позитронов из энергичных фотонов, но при пяти миллиардах градусов идет уже только реакция аннигиляции. Это приводит к тому, что излучение становится главной, основной частью Вселенной.

Конец лептонной эры уже близок. Ее сменяет эра радиации, или, как ее еще называют, эра фотонной плазмы. Число фотонов в миллиард раз превышает к этому моменту число выживших протонов.

Бурная молодость Вселенной закончилась. Она была непродолжительной. Что значат несколько минут по сравнению со многими миллиардами лет? Но именно эти несколько минут определили весь будущий облик нашего мира. Изменись хоть немного темп расширения Вселенной в эти первые сотни секунд, изменился бы и химический состав Вселенной. Например, если бы “замораживание” нейтронно-протонного состава произошло раньше, чем через одну секунду после Большого Взрыва, то большая часть вещества Вселенной состояла бы не из водорода, а из гелия, и наверняка мы имели бы совершенно другой мир, чем тот, который перед нами сегодня.

Когда прошли процессы аннигиляции, главную массу вещества Вселенной составляли фотоны, нейтрино и примесь высокотемпературной нейтральной плазмы, состоящей из протонов, ядер атомов гелия и электронов. Нейтрино, как мы уже говорили, с веществом не взаимодействует, а фотоны, наоборот, энергично рассеиваются на электронах, и поэтому вещество для них непрозрачно. Но с понижением температуры фотоны постепенно теряли свою энергию и в конце концов, когда “термометр” стал показывать примерно 4000К, начались процессы рекомбинации электронов и ядер атомов гелия.

Энергии фотонов уже недостаточно, чтобы ионизировать атомы, и во Вселенной появляются сначала атомы гелия, а затем и водорода, который становится главным элементом мира. Процесс рекомбинации начался, когда Вселенной было около 300 тысяч лет, и закончился еще через 700 тысяч лет. Этот период также очень важен для космологии. Фотоны, как мы знаем, взаимодействовали с высокотемпературной плазмой, и она была для них непрозрачной. Но, как только гелий и водород стали нейтральными, фотоны получили возможность распространяться свободно, произошло, как принято говорить в космологии, отделение вещества от излучения. С этого момента Вселенная стала прозрачной для фотонов, а они продолжали остывать по мере расширения Вселенной. Как мы знаем по температуре реликтового излучения, “остыли” они довольно сильно, от 4000 К до 3 К, то есть температура уменьшилась за это время более чем в тысячу раз. Ну а Вселенная соответственно увеличила свои размеры примерно в тысячу раз.

Итак, мы остановились на моменте времени, когда Вселенная еще молода. Ей примерно миллион лет. Она заполнена фотонами, водородом, гелием и нейтрино. Правда, многие физики уверены в том, что есть еще целый зоопарк различных таинственных частиц, в частности гравитонов и монополей.

Новые подходы

Итак, самое начало рождения, планковское время 10-43 секунды. Плотность вещества 1094 г/см3. Температура 1032 К.

В этом случае более удобно (и понятно) говорить о том, что Вселенная заполнена самыми различными видами излучения, полями чудовищной плотности. Частиц нет.

Итак, эта смесь различных типов излучений начинает расширяться. Почему? Неизвестно. Это первая фаза Большого Взрыва. Попытки описать поведение этих самых-самых ранних стадий Вселенной ограничены на сегодняшний день несовершенством физики. Многие физики полагают, что вот-вот будет создана “идеальная” физическая теория, позволяющая объяснить “все”, в частности, такой вопрос: имеет ли время начало, что происходит в допланковскую эпоху?

На эти вопросы нельзя закрывать глаза. Ведь с чисто философской точки зрения планковские константы не должны ограничивать уровень нашего познания. Сейчас физики думают, что на расстояниях меньше 10-33 сантиметра континуум пространства-времени распадается, приобретает структуру, напоминающую мыльную пену, где каждый пузырь появляется за счет квантовых флуктуации гравитационного поля. К тому же при гигантских энергиях, соответствующих планковским масштабам, многие частицы, считающиеся сейчас элементарными, например кварки, могут быть вовсе не элементарны. И перед физикой элементарных частиц, и перед космологией стоит, как Эверест, проблема создания единой теории объяснения мира.

Сегодняшняя физика берется объяснить все или почти все, что происходило во Вселенной, начиная со времен 0,01--1 секунды от Большого Взрыва. Этому в немалой степени способствует состояние термодинамического равновесия на самых ранних этапах жизни Вселенной. Огромные температуры обеспечивали это равновесие.

Почему равновесие так важно для последующей истории вещества? Почему мы можем не обращать внимания на то, что было в момент времени, скажем 10-20 секунды, а сразу “начать” с 10-2 секунды? Да по той простой причине, что если вещество находится в состоянии термодинамического равновесия, оно “не помнит” своей предыстории, ему, веществу, совершенно безразлично, каким путем его “довели” до состояния равновесия.

Раз мы знаем, что она в равновесии в момент времени 0,1 секунды, нам, с точки зрения термодинамики, все равно, что с ней было до этого момента. Подтверждение удивительной эффективности методов теоретической физики в космологии мы находим в многочисленных наблюдательных данных. Здесь и красное смещение далеких галактик, и изотропность реликтового фона, и распространенность легких элементов. Но чем дальше мы пытаемся заглянуть в глубины времени, тем больше подводных камней возникает на нашем пути.

Стандартная модель Фридмана сталкивается с существенными трудностями при попытках экстраполяции ее на раннюю эпоху. Например. Почему Вселенная на больших масштабах столь однородна и изотропна? Реликтовое излучение в любой точке неба имеет с очень высокой точностью одинаковую температуру. Но это означает, что в далеком прошлом разные точки пространства, которые не могли ничего “знать” друг о друге, имели одинаковую температуру. Почему? Эта проблема имеет название проблемы горизонта, так как точки пространства, о которых мы говорили, не могли “видеть” друг друга, не могли обменяться сигналами, одна точка по отношению к другой находилась как бы за горизонтом.