Куда течет река времени - Новиков Игорь Дмитриевич
Анализ показал, что если бы «постоянная тяготения» оказалась заметно больше, чем это есть на самом деле, то все звезды после образования не имели бы поверхностных конвективных слоев, а значит, не имели бы, вероятно, и планетных систем. По-видимому, жизнь в такой вселенной была бы невозможна. Хотя в данном случае аргументация основывается на ряде гипотез, тем не менее, вывод тоже впечатляющ.
Мы не станем приводить дальнейших примеров и только заметим, что внимательный анализ показывает следующее. Изменение некоторых физических постоянных может привести к невозможности вообще образоваться галактикам, звездам или даже элементарным частицам! То есть приведет к невозможности появления сколь-нибудь сложной структуры во Вселенной.
Таким образом, относительно небольшие вариации фундаментальных постоянных ведут не просто к небольшим количественным изменениям, а к кардинальным качественным изменениям в природе. В этом смысле наша Вселенная оказалась весьма неустойчивой по отношению к подобным изменениям в законах физики.
Вот почему мы видим Вселенную именно такую, как она есть. Во Вселенной иной, например, с двумерным пространством или иной постоянной тяготения, мы не могли бы жить.
Надо помнить, что «наша Вселенная» не является ни наиболее типичной, ни наиболее вероятной по своим свойствам частью мира. Возможно, есть бесконечное множество других «безжизненных» вселенных, совсем непохожих на нашу. Они могут иметь, например, четырехмерное пространство и другие физические законы.
Мы видим, как современная наука решает вопрос о том, могла ли окружающая нас Вселенная быть устроена иначе. Иных миров может быть великое множество, но жизнь, подобная нашей, возможна, вероятно, лишь в таких мирах, как наш. В этом суть так называемого «антропного принципа», который активно обсуждается современной наукой.
Вот как выразили суть этого принципа два ученых. Советский космолог А. Зельманов: «Мы являемся свидетелями природных процессов определенного типа только потому, что процессы иного типа протекают без свидетелей». Американский физик Дж. Уилер: «Существующего во Вселенной порядка вещей могло не быть без человека, но, поскольку есть человек, Вселенная именно такова».
Открытая А. Фридманом и Э. Хабблом взрывающаяся Вселенная, казавшаяся еще недавно невообразимо сложной и не поддающейся человеческому воображению «всей Вселенной», оказалась ничтожной песчинкой в еще бесконечно большем и более сложном потоке окружающего нас мира, песчинкой в бурном потоке времени с самым неожиданным и коварным руслом.
НАША ВСЕЛЕННАЯ В БУДУЩИХ ПОТОКАХ РЕКИ ВРЕМЕНИ
После того, как мы побывали у истоков реки времени, давайте отправимся к ее устью, обратимся к проблеме будущего Вселенной. И первый вопрос, который здесь возникает, — вечно ли будет происходить наблюдаемое сейчас расширение нашей Вселенной.
Силы взаимного тяготения небесных тел с течением времени замедляют скорость расширения Вселенной. Если тяготение не очень велико, то оно никогда не сможет затормозить разбегание галактик, и расширение будет продолжаться вечно. Но есть и другая возможность. Если эти силы велики, то они остановят разлет и заставят Вселенную снова сжиматься к сингулярному состоянию.
Тяготение зависит от средней плотности вещества во Вселенной. Чем больше эта плотность, тем сильнее гравитация. Таким образом, есть критическое значение плотности, которое отделяет случай вечного расширения от случая смены в будущем расширения на сжатие. Это критическое значение совпадает с приведенным нами в главе «К истокам реки времени» значением, отделяющим случай бесконечного пространства от случая замкнутого пространства. Напомним, что эта критическая плотность составляет примерно пять масс Солнца в кубе с длиной стороны в одну тысячу световых лет.
Как мы уже говорили, до сих пор неизвестно, больше ли истинное значение средней плотности всех видов материи во Вселенной, чем критическое. Это связано с трудностью учета «скрытой массы» — невидимых форм материй. Здесь мы остановимся на этой проблеме несколько подробнее.
Еще лет двадцать назад астрономы считали, что Вселенная в самых больших масштабах — это именно мир галактик и их систем. Изучая нашу звездную систему, Галактику, они установили, что в пределах ее видимых границ почти все вещество сосредоточено в звездах. Всего Галактика содержит примерно 200 миллиардов звезд. Общая масса их около 150 миллиардов масс Солнца. Газ и пыль между звездами дают к этому совершенно незначительную добавку (около двух процентов).
Казалось, что и другие галактики в основном состоят из светящихся звезд, а пространство между звездными системами — галактиками — практически пусто. Галактики собраны в группы и скопления разных масштабов, образуя ячеисто-сетчатую крупномасштабную структуру Вселенной. В «стенках ячеек» много галактик, а внутри — пустота. Размер типичных пустых областей, в которых галактик мало или совсем нет, около 100 миллионов световых лет. Расстояния между крупнейшими сверхскоплениями галактик (находящимися в узлах ячеистой структуры) могут быть в несколько раз больше. В еще больших масштабах светящаяся материя в виде галактик и их скоплений распределена примерно однородно. Такова общая величественная картина распределения в пространстве звездных островов — галактик.
Как можно определить усредненную по столь большим масштабам среднюю плотность вещества?
Если вся материя действительно сосредоточена в светящихся галактиках, то для этого надо подсчитать общее их_ число в достаточно большом объеме, затем определить массу средней галактики. Помножив эти числа друг на друга, мы получим полную массу вещества в данном объеме, а поделив ее на этот объем, получим интересующую нас среднюю плотность.
Надежное определение усредненной по большим объемам плотности вещества, входящего в галактики, было сделано около 30 лет назад голландским астрономом Я. Оортом. Среднее значение плотности, полученное им, примерно в тридцать раз меньше критического. Многочисленные работы в этом направлении, проделанные с тех пор, подтвердили его результат.
Если во Вселенной нет заметных количеств материи между галактиками, которая почему-либо не видна, то она всегда будет расширяться. Однако, как было уже сказано, есть основания считать, что наблюдаемые нами галактики еще далеко не все, что имеется во Вселенной. Более того, невидимая масса, вероятно, составляет основную ее часть.
Таким образом, весьма возможно, что непосредственно наблюдаемые в телескопы великолепные узоры гигантских галактических миров — это лишь жалкая малая видимая часть истинной невидимой структуры мира. Как возникли подозрения о существовании «скрытой массы»?
Важнейшие наблюдательные данные об этом сводятся к следующему. Астрономы изучают движения спутников отдельных галактик (ими являются маленькие галактики), или движения газовых облаков. Эти объекты часто движутся на расстояниях далеко за видимой границей галактики (очерченной совокупностью светящихся звезд), где, казалось бы, никакой материи в заметных количествах уже нет. Тем не менее, вычисленная по этим наблюдениям масса той или иной галактики, вокруг которой наблюдались такие движения, оказывалась иногда раз в десять больше, чем определенная по движению звезд на видимой границе галактики. Это значит, что вокруг видимого тела галактики имеется какая-то невидимая «корона», содержащая огромные массы. Тяготение этих масс никак не сказывается на движении звезд глубоко внутри короны на краю видимой галактики, но эти массы влияют своим тяготением на движение тел на окраинах короны и вне ее.
Еще большие «скрытые массы» имеются в межгалактическом пространстве в скоплениях галактик. В таких скоплениях галактики движутся хаотически. Поэтому астрофизики сначала измеряют скорости отдельных галактик, затем вычисляют полную массу скопления, создающую общее поле тяготения, которое разгоняет движущиеся в нем галактики. Чем больше наблюдаемые скорости, тем больше должна быть масса. Разумеется, эта масса включает все вещество — и видимое, и невидимое. И вот оказывается, что иногда полная масса во многие десятки раз превышает суммарную светящуюся массу всех галактик в скоплении.
