Чарльз Флауэрс - 10 ЗАПОВЕДЕЙ НЕСТАБИЛЬНОСТИ. ЗАМЕЧАТЕЛЬНЫЕ ИДЕИ XX ВЕКА
Судьба иногда любит подшучивать над людьми (даже весьма образованными!), поскольку Вильсон и Пензиас выполняли конкретную научную программу, совершенно не связанную с проблемами возникновения пространства и времени, и, более того, оба скептически относились к теории Большого взрыва. Однако в расположенном неподалеку Принстон-ском университете была целая группа физиков, заинтересованных этой теорией и размышляющих о возможностях регистрации предсказанного Гамовым излучения (еще одна ирония судьбы связана с тем, что теоретики Принстона, похоже, не знали о работе Гамова и сами пришли к аналогичному выводу).
Руководитель группы физиков в Принстоне Роберт Дике и его помощник Джим Пиблс тоже считали, что фоновое космическое излучение должно быть остывшим до микроволнового диапазона, и даже начали монтировать собственную регистрирующую антенну из деталей, покупаемых в ближайших магазинах подержанной радиоаппаратуры, когда кто-то сообщил им о странных радиопомехах в опытах Вильсона и Пен-зиаса при температуре 3,1 К. Рассказывают, что Дике сразу понял, о чем идет речь, и с гримасой огорчения объявил своим коллегам: «Ребята, все кончено! Эти парни нас обогнали!».
Как будет рассказано чуть ниже, фоновое космическое излучение (уточненное значение его температуры составляет 2,73 К) возникло не сразу при зарождении Вселенной, а примерно на 300 000 лет позже, когда началось так называемое Великое разделение вещества и излучения (примерно от 12 до 20 миллиардов лет тому назад). Пензиас и Уилсон с самого начала отмечали удивительную однородность (изотропность) регистрируемого излучения (с точностью до 0,0001), свидетельствующую о том, что оно возникло одновременно и везде во всем объеме развивающейся Вселенной. Спектр излучения наглядно демонстрирует, что оно возникло в состоянии равновесия, т. е. при его рождении существовало полное равновесие между веществом и излучением.
В современной научной и популярной литературе часто подчеркивается, что Большой взрыв следует рассматривать не в качестве обычного (хотя и крупномасштабного) непрерывного взрыва, а, скорее, в виде процесса раздувания гигантского шара (типа надувных детских шариков), на поверхности которого и размещено (или, если угодно, размазано!) все вещество воспринимаемой нами Вселенной. Впрочем, стоит отметить, что и эта аналогия достаточно расплывчата, поскольку поверхность раздуваемого шара в действительности соответствует именно воспринимаемому нами трехмерному пространству. Поэтому иногда используется еще более простая метафора: рост Вселенной уподобляют выпеканию обычной булки с изюмом (по мере разбухания теста при выпечке изюминки «разбегаются» друг от друга подобно галактикам в просторах космоса). Это различие (расширение вместо непрерывного взрыва) может показаться, на первый взгляд, искусственным и несущественным, однако оно еще раз напоминает нам, что развитие Вселенной представляет собой весьма сложный процесс, при котором (используя жаргон биологов) в огромной «биомассе» черных дыр под воздействием каких-то галактических «ферментов» в мучительных усилиях «рождаются» новые космические структуры.
В настоящее время считается, что размер возникающих при раздувании Вселенной галактик впоследствии не изменяется, так как мощные силы гравитации быстро формируют из них устойчивые структуры (спирали, эллипсоиды и т.п.), которые в непонятном для нас ритме «вальсируют» в космических глубинах. Остается лишь поражаться тому, что вся эта немыслимая по размерам, величественная Вселенная могла возникнуть из ничтожной точки за сверхмалые доли секунды.
***Внимательный читатель наверняка уже заметил, что описываемая безумная теория весьма напоминает библейский акт сотворения мира. Астрономы и физики никак не могут договориться по основному вопросу – как выглядел мир (что было? что могло быть? чего не могло быть?) до момента первичного взрыва? Неужели Вселенная действительно просто возникла из небытия, буквально из «ничего»? Вспоминается точная и горькая фраза шекспировского короля Лира («…из ничего рождается только ничего!»), когда он говорит о правах наследования в своем крошечном королевстве, т. е. о ничтожном событии в пространственно-временном континиуме мира и вечности. Что же может означать эта фраза в отношении к самому пространству-времени, определяющему развитие Вселенной?
С другой стороны, физики полагают, что никакой материи до взрыва действительно не существовало (по крайней мере, в известной нам форме), однако могли присутствовать какие-то мгновенно возникающие и исчезающие искры в квантовом «тумане», способные в нужный момент активировать или «оплодотворить» упоминавшееся космическое яйцо. Другими словами, даже в описываемом, трудно представи-мом состоянии мира до взрыва присутствовали (или просто ожидали момента реализации своего присутствия!) какие-то до-атомные частицы вещества.
Впрочем, об всем этом мы можем только догадываться или фантазировать. Нам известно всего лишь то, что в какой-то момент «нить времени» была разорвана каким-то квантом «невероятности», результатом чего и стал процесс сотворения мира, о котором вы читаете в этой книге.
Момент рождения Вселенной называют временем Планка, в честь великого физика Макса Планка. Этот момент, который можно обозначить словами «великая сингулярность», поскольку до него не существовало ничего, в том числе и никаких законов физики, был настолько кратким, что его трудно даже выразить в понятной человеку форме. Запись имеет вид 0,0000000000 0000000000 0000000000 0000000000 001 сек, т. е. 10-43 секунды! Если правы сторонники модной сейчас среди физиков теории струн (существует, по меньшей мере, пять основных вариантов этой теории), то до момента сингулярности существовало от 10 до 26 измерений пространства, но именно в эпоху Планка они за очень короткий промежуток времени аккуратно «свернулись» в привычное нам четырехмерное пространство-время.
Что происходило дальше? Между нашей Вселенной и миром времени Планка существует немыслимый барьер, так что мы не знаем даже того, формировались ли основные физические характеристики нашего мира хаотически или в них были какие-то скрытые закономерности. Космологи полагают, что четыре типа известных в настоящее время физических сил (гравитационное, сильное, слабое и электромагнитное взаимодействия) в этот момент уже существовали, но были каким-то образом связаны, образуя некое единое взаимодействие.
Сингулярность закончилась через 10~ 43 секунды после сотворения мира, в результате чего образовалась очень небольшая величиной с протон или достаточно большая размером с острие иголки, т. е. около 0,1 мм, сфера. Главное в том, что в период Планка все вещество нашего мира, образующее чуть ли не 50 миллиардов галактик (расположенных в наблюдаемой нами области размером порядка 13 миллиардов световых лет), было сжато и сконцентрировано в исключительно малом объеме. Космическое яйцо формировалось в мутном бульоне, где еще не существовало даже атомов, а «болтались» только субатомные элементарные частицы,типа электронов и нейтрино. Для образования знакомых нам атомов должно было произойти разделение четырех упомянутых фундаментальных физических взаимодействий, а к концу эпохи Планка из них выделилась только гравитация (остальные три оставались слитыми в единое целое).
К концу эпохи Планка (примерно 10~36 секунды) начался этап расширения Вселенной, который физики иногда называют просто раздуванием в продолжение упомянутой аналогии с надувным детским шариком. В соответствии с идеями, внесенными в теорию Большого взрыва специалистом по элементарным частицам Аланом Гутом в 1980 г., миллиарды частиц начали разлетаться из космического яйца практически одинаково по всем направлениям. Мы не знаем, что стало причиной этого события (возможно, какие-то ничтожные изменения в энергии состояния), но за какие-то доли секунды Вселенная чудовищно разбухла, высвободив фантастическое количество энергии, которая стала стремительно превращаться в материю, т. е. создавать то, что мы сегодня называем веществом и можем видеть или регистрировать своими приборами. Одновременно распалась связь между тремя оставшимися фундаментальными взаимодействиями, в результате чего так называемые сильные (ядерные) взаимодействия начали создавать атомарные структуры, электромагнитные взаимодействия – более сложные (молекулярные) структуры из этих атомов, а так называемые слабые взаимодействия стали регулировать некоторые процессы радиоактивного распада. На сегодня теория Гута наилучшим образом описывает расширение, приводящее к возникновению относительно однородной Вселенной с достаточно равномерным распределением галактик и температурных полей. В соответствии с этой теорией, все образовавшееся за эпоху Планка вещество почти мгновенно заполнило весь возникший объем, вследствие чего в целом мир остался однородным, т. е. сохранил некие средние значения температуры и плотности (если так можно назвать степень заполнения мира галактиками). Говоря упрощенно, однородность Вселенной является следствием того, что все вещество мира возникло действительно одновременно и в одной точке.
