Предчувствия и свершения. Книга 3. Единство - Ирина Львовна Радунская
Вопрос о начале, о возникновении Вселенной оказался еще более трудным, еще более принципиальным. Он тревожил философов, пожалуй, больше, чем физиков. Ведь возникал вопрос о том, как и из чего появилась Вселенная, и вопрос о том, что было до ее появления. Некоторые философы считали незаконной даже саму постановку этих вопросов. Другие с радостью увидели здесь научный вариант библейского мифа о сотворении мира.
Физиков беспокоило иное. Нужно было понять, как огромная масса Вселенной могла сосредоточиться в бесконечно малом объеме, с которого она начала расширение в соответствии с решением Фридмана. Единственный разумный выход виделся в том, что решения Фридмана вместе с уравнениями Эйнштейна теряют силу, когда плотность массы превышает некоторый очень большой предел. Внутри этого предела действуют другие, еще не известные уравнения, описывающие эти закономерности. На это указывал сам Эйнштейн. Возможно, здесь проявляются квантовые закономерности, о которых он писал в связи с излучением гравитационных волн, новые, еще не известные правила игры, игры Природы.
Предел, за которым теряют силу Общая теория относительности и современная квантовая физика, возможно, совпадает с удивительными границами, установленными Планком задолго до появления этих теорий.
К мысли о существовании подобных границ Планк пришел после того, как логика науки привела его к замечательному открытию — непонятной постоянной величине, позднее названной его именем.
К этой постоянной Планк пришел после длительных настойчивых попыток описать свойства излучения «абсолютно черного тела»— тела, способного полностью поглощать электромагнитные волны любой длины, совершенно не отражая их.
Моделью «абсолютно черного тела» может служить отверстие в полом сосуде с темной шероховатой внутренней поверхностью. Любая электромагнитная волна, вошедшая внутрь через это отверстие, будет полностью поглощена, а ее энергия нагреет стенки полости. Со своей стороны, нагретые стенки полости излучают электромагнитные волны, которые частично выходят наружу сквозь отверстие в стенке полости.
Планк знал, что все попытки описать это излучение, исходя из уравнений Максвелла и молекулярно-кинетической теории, приводили к противоречию с результатами опытов.
Размышляя об этой загадке, Планк вспомнил, что великий физик-теоретик Больцман как-то сказал ему, что эту проблему невозможно решить, не предположив, что здесь играет роль какая-то дискретность. Больцман не уточнил, что он имел в виду. Убедившись в бесплодности всех попыток, основанных на общепризнанных взглядах, Планк написал странную формулу, в которой процесс передачи энергии между электромагнитным полем и веществом происходил порциями — квантами.
Так в науку вошли порции энергии — кванты — и описывающая эти порции величина — знаменитая постоянная Планка, или «квант действия».
Формула, найденная интуитивно, решила задачу. Она правильно описывала свойства излучения «абсолютно черного тела»— от самых длинных до сколь угодно коротких волн.
Физики давно привыкли к тому, что большинство физических величин тесно связано с тремя величинами — длиной, интервалом времени и массой. Выбрав произвольно единицы измерения этих величин, например сантиметр длины, секунду времени и грамм массы, можно выразить через них единицы большинства остальных величин.
Планк заметил, что введенная им постоянная, которую теперь называют постоянной Планка, имеет в физике гораздо более широкое значение, чем он думал, вводя ее для устранения ультрафиолетовой катастрофы*.
Планк обнаружил, что его постоянная играет в науке не меньшую роль, чем постоянная тяготения в законе Ньютона и скорость света. Комбинируя эти три постоянные, можно образовать новые единицы любой размерности, например новые единицы длины, времени и массы. Эти новые единицы, если их измерить сантиметрами, секундами и граммами, оказываются очень малыми: планковская единица длины равна 1,6-10— 33 см, планковская единица времени равна 5,3 10–44, планковская единица массы равна 2,2-10— 5 г. Планк правильно воспринял этот намек. Новые единицы неудобны в обычных измерениях, но, возможно, они окажутся естественным масштабом процессов в микромире.
Для дальнейшего имеет большое значение еще одна планковская единица, единица плотности. Плотностью, как известно, называется отношение массы к объему. Взяв соответствующие цифры, написанные выше, легко убедиться в том, что планковская единица плотности, переведенная в отношение граммов к кубическим сантиметрам, потрясающе велика. Она равна 5 1093 г/см3. Эта плотность намного превышает плотность вещества внутри ядер атомов или плотность внутри нейтронных звезд. Эта плотность играет, однако, важную роль в попытках выяснения физических процессов, протекающих в начале фридмановского расширения Вселенной, когда все вещество и вся энергия были спрессованы в ничтожно малом объеме.
Только спустя половину века стало ясно, что планковские единицы действительно указывают пределы применимости известных нам законов природы. Теория, способная работать внутри этих малых границ, не создана до сих пор. Однако вскоре после окончания второй мировой войны ученые начали шаг за шагом приближаться к этим рубежам.
Большой взрыв
Для того чтобы получить какие-либо сведения о процессах, происходивших во Вселенной на ранних стадиях фридмановского расширения, нужно было перейти от кинематического описания к динамическим закономерностям, учитывающим силы, действующие на вещество, закономерностям, определяющим преобразования энергии и видоизменения вещества.
Такую попытку сделал в 1946 году Г. Гамов. Он опирался на термоядерные реакции, которые, как еще в 1940 году установил Г. Бете, порождают энергию, излучаемую Солнцем и другими звездами. Он исходил из исследований строения ядер и из свойств элементарных частиц, известных в то время.
Гамов предположил, что толчком к фридмановскому расширению было неустойчивое состояние, при котором масса, образованная всеми элементарными частицами, была сжата до огромных плотностей и находилась при колоссальной температуре. Он не пытался объяснить, как возникло такое состояние. Но он считал, что при огромном давлении и температуре частицы одного сорта постоянно превращались в частицы других сортов и возникали вновь так, что каждый сорт был в равновесии с другими.
Гамов назвал процесс, положивший начало фридмановскому расширению, Большим взрывом и предположил, что дальнейшее расширение происходило в соответствии с гипотезой Фридмана.
Для того чтобы эта гипотеза превратилась в теорию нужно было проанализировать дальнейшую эволюцию материи, расширяющейся после Большого взрыва.
Решающий шаг был сделан в 1948 году, когда Р. А. Альфер, Бете и
