Лев Шильник - Космос и хаос. Что должен знать современный человек о прошлом, настоящем и будущем Вселенной
Вторая особенность расширения нам уже знакома. Не только сами галактики (не говоря уже об отдельных звездах или планетах), но даже их скопления представляют собой стабильные системы, повязанные силами гравитации, поэтому расширение Вселенной их не затрагивает. При растягивании резинового шнура расстояния между узелками растут, но вовсе не потому, что они скользят вдоль нити. Все дело только лишь в упругих свойствах резины, а сами узлы бежать никуда не думают.
Отсюда вытекает и третья особенность расширения Вселенной. Его нередко представляют как разбегание галактик в пространстве, что совершенно неверно, поскольку в данном случае отсутствует движение «чего-то в чем-то». Можно сказать, что это распухание самого пространства, хотя и такое утверждение будет всего лишь метафорой, потому что пространство Вселенной не расширяется в некий внешний по отношению к нему объем. Если воспользоваться терминологией Иммануила Канта, это расширение пространства an sich, то есть в себе самом. Вообразить наглядно подобное невозможно, ибо для этого пришлось бы нарисовать замкнутую на себя сферу в четвертом пространственном измерении.
Таким образом, из эпохального открытия Хаббла и работ физиков-теоретиков следовало, что наша Вселенная, по всей вероятности, имеет конечный объем и родилась в некий нуль-пункт времени. Или, если говорить более строго, в точке «ноль» произошло рождение тройни, ибо материя, пространство и время не могут существовать порознь. Остается разобраться, как именно развивались события в этой особой сингулярной точке. Впервые этим вопросом всерьез озаботился бельгийский астроном Жорж Эдуард Леметр, который в 1927 году высказал предположение, что в нуль-пункт времени вещество и энергия будущей Вселенной представляли собой некий сверхплотный сгусток – своего рода «космическое яйцо». В силу неизвестных причин случился катастрофический взрыв, разметавший материю во все стороны, и осколки этого всемирного катаклизма мы наблюдаем до сих пор в виде разбегания галактик. Леметровская модель Вселенной была физической аналогией теоретических выкладок Фридмана или Ситтера, но при этом оказалась проще и понятнее абстрактных построений высоколобых математиков. Поэтому английский астрофизик Артур Стэнли Эддингтон сделался ее рьяным пропагандистом, а через некоторое время ее охотно взял на вооружение и основательно развил американский ученый русского происхождения Георгий Антонович Гамов. С его легкой руки нестационарная модель горячей Вселенной получила название теории Большого взрыва и после неизбежной, но необходимой ретуши остается в большом ходу до сих пор. Гамов предложил свой сценарий в 1948 году вместе с коллегами Альфером и Бете, что говорит о хорошем чувстве юмора Георгия Антоновича, поскольку фамилии Аль-фер, Бете и Гамов удивительно напоминают первые буквы греческого алфавита. Иногда теорию Гамова называют а, Я, у-теорией, на что, по-видимому, он и рассчитывал.
Судя по выкладкам Гамова, температура и плотность внутри космического яйца должны были превосходить все мыслимые пределы, но уже через одну минуту после Большого взрыва температура упала до 109– 1010градусов Кельвина, а протоны и нейтроны, оставшиеся после аннигиляции с антипротонами и антинейтронами (об этом подробнее будет рассказано ниже), начали объединяться в ядра дейтерия, трития, гелия и лития. Этот процесс получил название первичного нуклеосинтеза, и Гамов сумел показать, что наблюдаемое сегодня соотношение водорода и гелия (примерно 75 и 25 % соответственно) возникло в первые же секунды после Большого взрыва. По его расчетам, звезды за все время существования Вселенной не могли «наработать» более 1 % гелия, что совсем не похоже на те 24–25 %, о которых недвусмысленно говорят астрономические наблюдения. Таким образом, теория горячей Вселенной получила еще один дополнительный аргумент в свою пользу.
Все это очень хорошо и даже замечательно, но настало время взять негодяев к ногтю и жестко спросить в духе Михаила Жванецкого: а почему, собственно? Почему не знавшее горя и печали космическое яйцо вдруг сделалось нестабильным и взорвалось? Неужели это такая чуточная эфемерида, которая рассыпается в пыль от малейшего прикосновения? Если же яйцо было все-таки устойчивой структурой, безбедно прожившей многие миллиарды лет, то следует внятно объяснить, какие неведомые силы подвигли бедняжку проделать череду внезапных метаморфоз.
Вопросы, что и говорить, архитрудные, поэтому физики-теоретики предложили в свое время немало моделей, в которых не мытьем, так катаньем пытались свести концы с концами. Вот, например, так называемый гиперболический сценарий: Вселенная изначально представляла собой облако чрезвычайно разреженного газа, который постепенно конденсировался и разогревался под влиянием гравитационных сил. Когда газ стянулся в плотный сгусток, центробежное действие высокой температуры и давления переломило гравитационное сжатие и вещество юной Вселенной брызнуло во все стороны, подобно тому как струя горячего пара вылетает из-под притертой крышки чайника, стоящего на огне. Таким образом, Вселенная начинает свою жизнь почти в абсолютном вакууме, а потом, перешагнув фазу максимальной плотности, вновь возвращается в состояние пустоты. Гиперболическая Вселенная описывается геометрией Римана, а ее радиус кривизны колеблется в широких пределах – от минимума в период сжатия до максимума в период расширения. Она начинается с пустоты и кончается пустотой, а стадия космического яйца оказывается коротким промежуточным этапом на фоне необратимых полярных перемен. Минусом такой модели оказываются необратимые состояния, разнесенные по разным концам временной шкалы.
Гипотеза пульсирующей Вселенной лишена этих недостатков. Она практически совпадает со вторым решением уравнений Фридмана (см. выше) и представляет собой вечный колебательный процесс между состоянием сверхвысокой плотности и фазой максимального расширения. Когда силы всемирного тяготения (при условии, что средняя плотность материи выше критической плотности) остановят разлет галактик, красное смещение поменяется на фиолетовое и галактики вновь устремятся друг к другу в объятия. Химические реакции тоже поменяют свой знак, и тяжелые элементы начнут распадаться на более простые. Другими словами, когда Вселенная опять сожмется в точку, она вновь будет состоять из одного водорода.
Если исходить из современных представлений, Вселенная после своего рождения из сингулярности пережила кратковременный этап сверхбыстрого раздувания – так называемый инфляционный период (речь о нем пойдет в следующей главе). После окончания инфляции она перешла в режим пропорционального хаббловского расширения, каковой переход и воспринимается нами как Большой взрыв. На рубеже этих двух эпох загадочное поле с отрицательным давлением, управляющее не менее загадочной инфляцией, приказало долго жить, а высвободившаяся энергия породила кипящий бульон элементарных частиц, что и разогрело новорожденную Вселенную до запредельных температур.
Однако модели моделями, но все же хотелось бы чего-нибудь более реального, что можно пощупать руками. Красное смещение, бесспорно, о многом заставляет задуматься, но это всего лишь геометрия, к тому же не очень простая для понимания. А вот если бы удалось отыскать некий материальный след горячего начала Вселенной, тогда был бы совсем другой разговор. Г. А. Гамов, автор теории Большого взрыва, еще в конце 40-х годов прошлого века предсказывал, что Вселенная должна быть равномерно заполнена радиоизлучением миллиметрового диапазона с температурой от 25 до 5 градусов Кельвина. Дело оставалось за малым – обнаружить такое излучение.
В 1964 году американские физики Арно Пензиас и Роберт Вильсон, сотрудники лаборатории Белла, испытывали самый чувствительный на тот момент детектор сверхвысокочастотных волн (СВЧ-детектор). Справедливости ради следует сказать, что они не искали некое неведомое радиоизлучение, а занимались отладкой аппаратуры для работы по программе спутниковой связи. Для тестирования была выбрана волна длиной 7,35 сантиметра, на которой не излучал ни один из известных источников. Антенна, имевшаяся в распоряжении Пензиаса и Вильсона, была замечательная, и поэтому они были крайне удивлены, когда обнаружили, что она постоянно фиксирует посторонний радиошум, от которого никак не удавалось избавиться. Этот шум был монотонным и ровным и не зависел ни от направления антенны, ни от времени суток, следовательно, его источник должен располагаться за пределами земной атмосферы. Более того, он не менялся даже в течение года (а ведь Земля летит по орбите вокруг Солнца), из чего следовало заключить, что источник излучения находится не только за пределами Солнечной системы, но и за пределами Галактики, поскольку по мере движения Земли детектор меняет ориентацию в пространстве. По иронии судьбы, два других американца, Роберт Дикке и Джим Пиблс, готовились искать фоновое изотропное излучение с температурой ниже 10 градусов Кельвина вполне целенаправленно, но Пензиас и Вильсон, оперативно сообразив, что к чему, сообщили о своих результатах раньше.
