Человеческое мышление не терпит ограничений. Несомненно, у читателей возник вопрос: откуда взялось то первоначальное достаточно разреженное газовое облако, из которого в дальнейшем образовались скопления галактик и галактики? Здесь мы сталкиваемся, пожалуй, с самой грандиозной проблемой современного естествознания. Речь идет о так называемой «космологической проблеме». Космология занимается исследованием структуры и развития всей наблюдаемой нами части Вселенной. Конечна или бесконечна Вселенная, какая у нее геометрия, в чем причина разбегания галактик, вызывающего наблюдаемое красное смещение, — вот вопросы, которыми занимается космология. Эти вопросы связаны с общей проблемой эволюции Вселенной, в частности с ее наблюдаемым расширением. Если, как это считают в настоящее время, скорость «разлета» галактик увеличивается на 50 км/сек на каждый миллион парсек, то экстраполяция к прошлому приводит к удивительному результату: примерно 20 млрд. лет назад вся Вселенная была сосредоточена в очень маленькой области. Многие ученые считают, что в то время плотность Вселенной была около 1014 — 1015 г/см3, т. е. такая же, как и у атомного ядра. А еще раньше, когда возраст Вселенной исчислялся ничтожными долями секунды, ее плотность была значительно выше ядерной. Проще говоря. Вселенная тогда представляла собой одну гигантскую «частицу» сверхъядерной плотности. По каким-то причинам эта «частица» пришла в неустойчивое состояние и взорвалась. Последствия этого взрыва мы и наблюдаем сейчас как разлет системы галактик. Возникает естественный вопрос: не означает ли (в предположении, что изложенная гипотеза справедлива), что около 20 млрд. лет назад было «начало света»? Отсюда один шаг до представления, что 20 млрд. лет назад был сотворен мир... Надо сказать, что церковники широко использовали и используют описанное одно из возможных следствий наблюдаемого разлета галактик для религиозной пропаганды. На этом примере видно, как церковь пытается использовать выводы современной науки, предварительно исказив и извратив их. Следует, однако, иметь в виду, что если вывод о том, что 20 млрд. лет назад вся Вселенная представляла собой сверхплотную «ядерную» каплю, является правильным (а это, по-видимому, так), всякие рассуждения о «начале» и тем более «сотворении» мира являются ненаучными. Вообще само понятие «время» при таких огромных плотностях может потерять всякий наглядный смысл. Столь же бессмысленно говорить в таких условиях о каком-то «начале времени». Здесь должны были действовать законы квантовой теории тяготения — науки, которая пока еще не создана. Излишне подчеркивать, что в условиях такой Вселенной — сверхплотной «частицы» — никакая жизнь невозможна. Нужно, однако, заметить следующее: нельзя заранее исключить, что наблюдаемая нами сейчас картина разлета галактик происходила с одинаковой скоростью и в сколь угодно далеком прошлом. Ведь можно считать, что в прошлом скорость разлета галактик была другой и, в частности, меньшей. Некоторые космологи полагали, что Вселенная не расширялась «от точки» с постоянной скоростью, а как бы пульсировала между конечными пределами ее средней плотности. Это означало бы, что в прошлом скорость разлета галактик была меньше, чем сейчас, а еще раньше система галактик, может быть даже сжималась, т.е. галактики приближались друг к другу с тем большей скоростью, чем большее расстояние их разделяло. И в будущем наблюдаемая нами сейчас эпоха красного смещения постепенно может смениться эпохой фиолетового смещения. Необходимо, однако, заметить следующее. Если бы даже гипотеза «пульсирующей Вселенной» оказалась правильной, она не стала бы альтернативой гипотезе «сверхплотной частицы» как начального состояния Вселенной. Дело в том, что нельзя себе представить неограниченно большое число пульсаций между пределами средней плотности, которые ниже ядерной. В самом деле, во Вселенной идет необратимый процесс — превращение водорода в гелий при термоядерных реакциях в недрах звезд. В наблюдаемой нами (довольно значительной) части Вселенной уже несколько десятков процентов атомов водорода превратилось в атомы гелия. На этот процесс могло уйти самое большее несколько десятков миллиардов лет. Если бы Вселенная в том примерно виде, в каком мы ее наблюдаем сейчас, существовала свыше сотни миллиардов лет, она была бы «почти гелиевая». Весь водород уже давно «выгорел» бы, светимости звезд, образующих галактики, были бы малы. Но этого заведомо нет. Другими словами, наблюдаемая нами Вселенная термодинамически достаточно молода. Так как пульсации Вселенной между не слишком большими пределами плотности не могут изменить темп эволюции звезд, можно сделать вывод, что если пульсации Вселенной в прошлом и имели место, число их можно пересчитать по пальцам одной руки... Можно себе представить (по крайней мере, математически) неограниченно большое число пульсаций, при которых, однако, в каждом цикле Вселенная сжимается по крайней мере до ядерных плотностей. Ядра гелия (так же как и других элементов) при этом распадаются на нуклоны и как бы «обезличиваются». А потом все опять начинается сначала... В этой модели Вселенная вполне может быть уподоблена легендарной птице Феникс... Вряд ли, однако, это так. Простое повторение циклов по существу исключает развитие Вселенной в целом, что философски совершенно неприемлемо. И уже если Вселенная когда-то «взрывалась» и стала расширяться — не проще ли считать, что это было один раз... (Можно, правда, полагать, что в предыдущие циклы образования галактик и звезд не происходило. Однако это предположение выглядит довольно искусственным.) Развитие астрофизики, и особенно радиоастрономии, в последние годы показало полную несостоятельность концепции пульсирующей между конечными пределами плотности Вселенной (см. ниже). По настоящему альтернативой концепции эволюционирующей от «сверхплотной частицы» Вселенной является гипотеза «не меняющейся», сохраняющей свои характеристики Вселенной, которой придерживался известный английский астрофизик Хойл и некоторые другие ученые. Неизменность Вселенной (несмотря на ее расширение) в этой гипотезе достигается допущением, что имеет место непрерывное «творение» материи из... ничего. Эта странная идея физически ничем не была обоснована. # Лишь в 1986 г. советский астрофизик А. Д. Линде выдвинул гипотезу, подкрепляющую модель. Он предположил, что «творение» материи происходит из вакуума, обладающего в большей части объема Вселенной сверхвысокой плотностью. Этот процесс происходит в виде рождения расширяющихся пузырей обычного вещества, в одном из которых мы и живем. # Окончательно решить вопрос — эволюционирует ли Вселенная или остается неизменной — смогли только астрономические наблюдения. Эти же наблюдения должны решить вопрос об общих свойствах Вселенной (например, вопрос об ее конечности, характере метрики и пр.). Наиболее эффективными для решения космологической проблемы являются радиоастрономические методы исследования. Современные большие радиотелескопы позволяют изучать радиогалактики и квазары (см. гл. 1, 6), удаленные на такие огромные расстояния, при которых уже начинают сказываться релятивистские эффекты.
Вопрос о замкнутости пространства в принципе может быть решен измерением угловых расстояний между компонентами двойных радиогалактик. (Установлено, что двойственность весьма распространена среди радиогалактик). До недавнего времени считалось, что расстояния между этими компонентами меняются в сравнительно небольших пределах (сейчас выяснилось, что расстояния между компонентами двойных радиогалактик меняются в довольно широких пределах, что осложняет задачу, но не делает ее безнадежной) и составляют около 100 тыс. пк. Если бы пространство было евклидовым, то угол между компонентами неограниченно уменьшался по мере увеличения расстояния до радиогалактик. Если же пространство неевклидово, то, как оказывается, этот угол будет уменьшаться только до определенного предела (около 20") и при дальнейшем увеличении расстояния останется постоянным или даже начнет расти. Пока таких наблюдений, которые должны быть очень многочисленны, чтобы исключить случайные эффекты, нет. Однако в перспективе ближайшего десятилетия они вполне могут быть выполнены. Прежде всего, радиоастрономические наблюдения позволяют уверенно исключить гипотезу «неизменной» Вселенной. Найдено, что пространственная плотность радиогалактик и квазаров, удаленных от нас на расстояние в несколько миллиардов световых лет, значительно больше, чем в сравнительной «близости» от нас. (Разумеется, «близость» в этом случае следует понимать относительно: речь идет об объектах, находящихся от нас не дальше, чем, например, миллиард световых лет.) Это означает, что в более ранние эпохи эволюции Вселенной отношение числа радиогалактик к числу всех галактик было значительно больше, чем сейчас. Причиной этого явления может быть, например, значительно большая плотность межгалактического газа. Следовательно, приток этого газа в области галактических ядер был тогда значительно более интенсивен, чем в нашу эпоху расширения Вселенной. Если взрывы в галактических ядрах, являющиеся причиной образования радиогалактик, связаны, как полагает автор, с притоком межгалактического газа, то, очевидно, наблюдаемый радиоастрономами эволюционный эффект будет объяснен. Впрочем, возможны и другие объяснения. Но, так или иначе, радиоастрономические наблюдения говорят о том, что миллиарды лет назад Вселенная была другая, чем сейчас, т. е. она эволюционирует. Однако самый выдающийся вклад в космологию радиоастрономия сделала в 1965 г. когда при испытании новой, весьма чувствительной приемной радиоаппаратуры в лаборатории Бэлла (США) на волне около 7 см был обнаружен совершенно новый тип космического радиоизлучения, интенсивность которого со всех направлений на небе была одинаковой. На более длинных волнах это излучение наблюдать затруднительно, так как оно «маскируется» более интенсивным радиоизлучением Галактики и Метагалактики. Дело в том, что, как показали дальнейшие наблюдения на. других волнах сантиметрового диапазона, интенсивность этого излучения растет с ростом частоты пропорционально квадрату последней, между тем как интенсивность галактического и метагалактического синхротронного радиоизлучения довольно быстро падает с ростом частоты (рис. 34).
Спектр и интенсивность вновь открытого «изотропного» радиоизлучения соответствует черному телу, нагретому до температуры около 3 K. Это излучение заполняет всю Метагалактику, так как никакой концентрации к Млечному Пути не обнаруживает (оно ведь «изотропно»!). Простой расчет показывает, что плотность энергии нового типа излучения составляет приблизительно 10-12 эрг/см3. Это значительно больше плотности всех видов энергии в Метагалактике, например, энергии оптического излучения от галактик, кинетической энергии движения материи и пр. Только плотность энергии покоя, равная ρср•c2, где ρср — средняя (или, как говорят, «размазанная») плотность метагалактического вещества, превышает плотность энергии открытого в 1965 г. нового вида излучения. Объяснение этого таинственного «трехградусного» излучения, наполняющего всю Вселенную, было дано быстро. Еще в 1948 г. известный физик Г. А. Гамов (тот самый, который за двадцать лет до этого объяснил α-распад радиоактивных ядер на основе представлений квантовой механики) разработал теорию первоначально очень горячей расширяющейся Вселенной. Речь идет о самых ранних этапах ее эволюции, когда не было ни звезд, ни галактик, ни даже тяжелых элементов (ведь последние образуются только в недрах звезд; см. гл. 6). По мере расширения этого чрезвычайно горячего «огненного шара» его температура должна быстро падать (по той же причине, по которой охлаждается расширяющийся в пустоту газ). Наконец, когда температура газа упадет приблизительно до 4000 K (как показывают расчеты, это было тогда, когда «возраст» Вселенной был около 500 тыс. лет, а размеры примерно в 1000 раз меньше современных), водород перестанет быть ионизованным. После этого заполняющее Вселенную излучение (которое в ту эпоху соответствовало нагретому до 4000 K телу) перестанет взаимодействовать с веществом и в дальнейшем будет менять свою интенсивность и спектральный состав не так, как расширяющаяся материя. Расчеты показывают, что по мере расширения Вселенной это излучение будет все время сохранять свой «равновесный» характер (т. е. описываться известной формулой Планка), а его температура будет убывать обратно пропорционально размерам Вселенной. Между тем газ будет охлаждаться значительно быстрее обратно пропорционально квадрату «размеров» Вселенной. (Под «размерами» расширяющейся Вселенной здесь понимается расстояние между двумя какими-нибудь точками, которое в процессе расширения непрерывно растет.) Так как после «отклейки» излучения от вещества Вселенная увеличила свои размеры более чем в 1000 раз, то сейчас температура заполняющего Вселенную излучения должна быть около 3К; именно это излучение и было обнаружено сотрудниками лаборатории Бэлла. Таким образом, это излучение не генерируется какими-либо телами «современной» Вселенной, а отражает ее состояние на раннем этапе эволюции. По этой причине автор книги назвал его «реликтовым» и сейчас этот термин получил всеобщее распространение. Подобно тому, как некоторые виды животных и растений являют собой анахронизм и оказываются «застывшими» остатками той жизни, которая была на Земле в прошедшие геологические эпохи (например, сумчатые млекопитающие, некоторые виды рыб и т. д.), трехградусное излучение есть как бы «реликт» давно прошедшего этапа в эволюции мира. Обнаружение «реликтового» излучения, наряду с открытием Хабблом «разбегания» галактик, является крупнейшим достижением наблюдательной космологии. Оно резко сокращает количество возможных гипотез об эволюции Вселенной. Например, оно наверняка закрывает гипотезу «стационарной», не меняющейся со временем Вселенной, о которой речь шла выше, по крайней мере в ее первоначальном виде. Оно делает также несостоятельной гипотезу пульсирующей между конечными значениями средней плотности Вселенной. Теперь можно считать полностью доказанным основное положение: Вселенная эволюционирует, и притом сильнейшим образом. Вместе с тем открытие «реликтового» излучения и его объяснение демонстрирует поистине безграничные возможности познания объективно существующего, реального мира. Стоит немного задуматься: до 1963 г. максимальное наблюдаемое значение красного смещения было z = 0,47 (для радиогалактики 3C 295 - см. предыдущую главу). В этом случае наблюдаемый объект излучал тогда, когда размеры Вселенной были в полтора раза меньше, чем сейчас, и она была моложе в два раза. Всего лишь 20 лет назад это считалось большим достижением. Открытие квазаров резко увеличило возможности астрономов «заглядывать» в прошлое Вселенной: квазар с z ≈ 4 (а такие объекты наблюдаются, см. гл. 6) соответствует размерам Вселенной, уже примерно в 5 раз меньшим, чем сейчас, и возрасту, в 10 раз меньшему! Это, конечно, гигантское продвижение «назад». И вот всего лишь через 2 года после обнаружения квазаров открывается реликтовое излучение, позволяющее наблюдать Вселенную, когда ее размеры были примерно в 1000 раз меньше современных, а возраст — в десятки тысяч раз меньше. И мы «непосредственно» видим, что в столь отдаленную эпоху еще никаких галактик и звезд не было и в помине, а Вселенная представляла собой просто расширяющееся, довольно горячее облако водородно-гелиевой плазмы с плотностью в несколько тысяч частиц на кубический сантиметр. Это — простейшая астрофизическая плазма, сходная с плазмой планетарных туманностей, но только «попроще» — ведь тяжелых элементов, присутствующих в планетарных туманностях, тогда еще не было. Есть, однако, одно существенное различие: в то время как плотность излучения в планетарных туманностях сравнительно невелика, наш «огненный шар» наполнен равновесным планковским излучением, плотность энергии которого на много порядков больше, чем плотность тепловой энергии плазмы. (При этом на каждый протон вещества Вселенной приходится несколько десятков миллионов квантов. Важно отметить, что это отношение сохранится в течение всей дальнейшей эволюции Вселенной). И вот надо представить, что закономерное развитие этого простейшего плазменного облака, наполненного равновесным излучением, привело к той невероятно богатой картине Вселенной, которую мы сейчас наблюдаем. Огромное разнообразие звезд, включая сюда и нейтронные звезды, планеты, кометы, живую материю с ее невероятной сложностью и много еще такого, о чем мы сейчас не имеем даже понятия, — все в конце концов развилось из этого примитивного плазменного облака. Невольно напрашивается аналогия с каким-то гигантским геном, в котором была закодирована вся будущая, невероятно сложная история материи во Вселенной... Конечно, это весьма поверхностная аналогия, но чувство безмерного удивления остается, по крайней мере у автора этой книги... Кто может поручиться за то, что успехи науки в ближайшие несколько лет или десятилетий не позволят «заглянуть» в еще более ранние эпохи эволюции Вселенной? Заглянуть не глазами теоретиков (которым в известных пределах «все позволено»), а найти экспериментально нечто похожее на «реликтовые» кванты, но дающие информацию о гораздо более молодой Вселенной. Какой же она была до того, как излучение «отклеилось» от вещества? Ясно одно: она была еще меньшей, более горячей и более плотной. Никаких квантов излучения от той далекой эпохи сохраниться во Вселенной не могло. Похоже на то, что, в принципе конечно, сохраниться могли только нейтрино, для которых чудовищной плотности слои вещества — не преграда. Возможно, что когда-нибудь удастся наблюдать во Вселенной нейтрино, сохранившиеся во Вселенной от тех времен, когда ее возраст был меньше тысячных долей секунды, плотность превышала ядерную, а температура была выше, чем десятки миллиардов кельвинов, т. е. она была той самой «ядерной сверхчастицей», о которой речь шла в начале этой главы. Сейчас нейтринная астрономия делает свои первые, совсем еще робкие шаги. Ее развитие будет неизбежно сопряжено с огромными трудностями. Но высочайшая цель — найти во Вселенной реальные (т. е. материальные) следы первых мгновений жизни Вселенной — должна оправдать все усилия на трудном пути развития нейтринной астрономии. Похоже на то, что первые следы уже найдены. Мы уже неоднократно говорили о химической эволюции Вселенной, о ее непрерывном обогащении тяжелыми элементами, возникающими путем нуклеосинтеза в недрах звезд — стационарных и взрывающихся. В частности, в течение многих миллиардов лет происходил процесс обогащения космического вещества гелием за счет водорода. Возникает, однако, вопрос: можно ли таким образом объяснить происхождение всего космического гелия? Оказывается, нет. В противном случае яркость удаленных галактик была бы значительно больше наблюдаемой. Это означает, что большая часть космического гелия (так же как и дейтерия) образовалась на дозвездной стадии эволюции Вселенной. Расчеты показывают, что это было тогда, когда плотность Вселенной была близка к ядерной, а температура исчислялась многими миллиардами кельвинов. Но это означает, что возраст Вселенной исчислялся немногими минутами! Таким образом, хотя и косвенным путем, но, опираясь на реальные астрономические наблюдения галактик, мы можем заглянуть в эпоху, когда она была еще в сотни тысяч раз моложе, чем в эпоху «отклейки» реликтового излучения! Вернемся, однако, к эпохе эволюции Вселенной, когда произошла «отклейка» излучения от вещества и возникли «реликтовые» кванты, улавливаемые современными радиотелескопами. Впереди еще гигантский эволюционный путь до современного состояния Вселенной. Плазма довольно быстро становится нейтральным водородно-гелиевым атомарным газом. Этот газ, расширяясь, быстро охлаждается, гораздо быстрее, чем излучение. Можно показать, что молекулы водорода образоваться не успеют — слишком мала скорость соответствующей химической реакции. Когда размеры Вселенной увеличатся в несколько десятков раз, а температура газа опустится ниже 5 K, наступит следующий очень важный период ее развития. Первоначально почти однородная газовая среда разобьется на отдельные сгустки. В чем причина такой «фрагментации»? Ведь первоначально такие сгустки представляли собой просто области Метагалактики, где плотность вещества только незначительно превышает среднюю плотность. Как же возникли эти области с избыточной плотностью в почти однородном, да еще к тому же быстро расширяющемся веществе Вселенной? На этот, казалось бы, такой простой вопрос современная наука не дает еще однозначного ответа. С достоверностью можно только сказать, что «зародыши» неоднородности Вселенной в ней присутствовали всегда, если угодно — изначала. Вселенная никогда не была строго однородной, она была почти однородной даже в первые мгновения своего существования. И надо ясно понимать, если бы не эти «зародыши» неоднородности, история ее развития была бы совсем другой и, прежде всего убийственно скучной, лишенной какого бы то ни было многообразия форм и, конечно, жизни. Может быть, эти «зародыши неоднородности» и есть тот «сверхген», о котором речь шла выше... Итак, из «зародышей» неоднородности Вселенной (о происхождении и природе которых мы пока не знаем ничего достоверного) вполне закономерным, теоретически осмысленным путем при z ≈ 10—100 возникли гигантские газовые сгустки. Из этих сгустков, являющихся «протоскоплениями» галактик, путем дальнейшей фрагментации образовались меньшие сгустки. Каждый такой сгусток, характеризовавшийся определенной массой и вращательным моментом, постепенно эволюционировал в галактику. После этого расширение Вселенной сводилось к разлету галактик (т. е. к непрерывному увеличению расстояния между галактиками), между тем как сами галактики практически не расширялись. Таким образом, нарисованная картина показывает, что галактики, а потом звезды образовались на сравнительно позднем этапе эволюции Вселенной, когда размеры последней были примерно в 10 — 100 раз меньше, чем сейчас. На ранних этапах своей эволюции галактики, по-видимому, были значительно более «активны», чем в наши дни (об активности галактик, точнее их ядер, см. предыдущую главу). Именно поэтому количество радиогалактик и квазаров в ту довольно отдаленную от нас эпоху было значительно больше, чем сейчас, о чем речь шла выше. Далеко не весь газ Вселенной сконденсировался в галактики. Некоторая часть газа осталась в межгалактическом пространстве. Ультрафиолетовое и рентгеновское излучение образовавшихся к тому времени звезд и галактических ядер будет ионизировать и нагревать межгалактический газ. Температура его подымется до многих десятков миллионов кельвинов. (Недавно было обнаружено рентгеновское излучение от межгалактического газа в скоплениях галактик; согласно этим наблюдениям температура межгалактического газа около 108 кельвинов, а плотность ~ 10-4 частицы на кубический сантиметр или ~ 10-28 г/см3). Таким образом, ожидаемая довольно высокая температура межгалактического газа в современной Вселенной есть результат его «вторичного» разогрева — ведь к моменту образования скоплений галактик он был очень холодный. Межгалактическое пространство заполнилось также сверхэнергичными заряженными частицами — космическими лучами, которые образовались в результате активности ядер галактик и взрывов сверхновых звезд. До образования галактик во Вселенной не было космических лучей так же, как и тяжелых элементов. Постепенно Вселенная стала принимать те черты, которые мы сейчас наблюдаем. Итак, Вселенная эволюционировала и эволюционирует. Эта эволюция, являющаяся ее основной особенностью, наблюдается на всех уровнях. Мы сейчас обрисовали картину эволюции Вселенной в целом от примитивной водородно-гелиевой плазмы до того грандиозного по своему многообразию феномена, который мы наблюдаем сейчас. В свою очередь эволюционируют галактики от простейших облаков до сложных спиральных звездных систем с огромным разнообразием популяций. Об эволюции звезд мы уже говорили в гл. 4. В гл. 9 речь будет идти об эволюции планетных систем. И, конечно, огромную эволюцию претерпела жизнь на Земле и, как можно полагать, на других планетах. Современная наука о Вселенной — астрономия — вся насквозь эволюционна. Не всегда так было. Только развитие нашей науки, потребовавшее огромных усилий от ее творцов, привело к эволюционному взгляду на Вселенную, причем не в плане умозрительных заключений, а на основе строгого анализа фактов. В XVIII, XIX и даже первой половине XX столетия астрономия была статичной, застывшей. Изучались с большой точностью движения планет и комет, модели звездных атмосфер, их химический состав. И это, конечно, было очень важно. Но истинная картина меняющейся, поражающей многообразием явлений, богатой «скачками» и взрывами Вселенной стала ясной астрономам только в последнюю четверть века. Этот период «бури и натиска» по справедливости может быть назван «революцией в астрономии». В первую треть нашего века аналогичную революцию пережила физика. Сейчас мы являемся свидетелями революционного взрыва в биологии. Вместе с последней астрономия в наши дни находится в авангарде наук о природе. Однако вернемся к космологии. Для решения общих вопросов о геометрии и метрике Вселенной очень важно оценить среднюю плотность вещества в ней. Эта оценка имела бы большое значение для выбора модели Вселенной, т. е. для вопроса о ее конечности или бесконечности. Оказывается, что «размазанная» плотность галактик дает величину, меньшую чем 10-30 г/см3. Пока еще, однако, не совсем ясен вопрос, какая доля вещества во Вселенной находится в форме межгалактического газа. Можно только полагать, что этот газ должен быть очень горячим и достаточно разреженным. Если, например, окажется, что средняя плотность межгалактического вещества не больше размазанной плотности галактик, Вселенная не будет замкнута (так называемая «открытая модель»). Имеются основания полагать, что важнейший вопрос о плотности межгалактической среды будет в близком будущем окончательно решен методами рентгеновской астрономии. Для того чтобы Вселенная была замкнута, нужно, чтобы средняя плотность межгалактического газа была примерно в 30 раз больше «размазанной» плотности галактик. Вряд ли это так. Если же все-таки окажется, что Вселенная замкнута, следует иметь в виду, что это является некоторой характеристикой четырехмерного пространственно-временного многообразия. Непонимание этого обстоятельства часто находит свое выражение в недоумевающем вопросе: если Вселенная замкнута, то что же находится за ее пределами? Конечно, можно было бы представить и другие Вселенные, более или менее сходные с нашей, если бы Мир (или «Сверхвселенная») был многообразием пяти или большего количества измерений. Нет, однако, никаких серьезных оснований в пользу этого произвольного предположения (см., впрочем, конец этой главы). Приходится также слышать мнение, что вывод о замкнутости Вселенной якобы несовместим с философией диалектического материализма. Это, конечно, заблуждение. Основным атрибутом Вселенной с точки зрения философии диалектического материализма является ее объективное существование и познаваемость. Нелепо связывать судьбу этой философии с каким-нибудь конкретным свойством Вселенной, например свойством конечности или бесконечности. Закономерности Вселенной потому и называются объективными, что не зависят от предвзятых взглядов отдельных людей, плохо понимающих дух философии диалектического материализма. Для проблемы происхождения и развития жизни во Вселенной ее расширение имеет очень большое значение. Как легко показать математически, плотность поля излучения в бесконечной Вселенной, равномерно заполненной излучающими объектами, должна быть очень большой. Так как в этом случае звезды должны экранировать друг друга, то поверхностная яркость неба должна быть такой же, как у звезд или Солнца. Иными словами, небо было бы ослепительно ярко, а температура вещества во всей Вселенной была бы около 5 — 10 тыс. K. Тот факт, что яркость неба, обусловленная излучением всех объектов Вселенной, все-таки незначительна, хотя Вселенная может быть и бесконечной, требует объяснения. Эта проблема известна астрономам уже свыше полутора столетий. Она получила название «фотометрический парадокс». Еще в XIX столетии делались попытки устранить фотометрический парадокс при помощи тех или иных гипотез о характере распределения излучающих объектов во Вселенной. Эти попытки, однако, носили весьма искусственный характер и оказались неудачными. Столь же неудачны были попытки устранения фотометрического парадокса путем введения поглощающей материи, распределенной по всей Вселенной. Анализ показал, что наличие такой поглощающей свет материи только усилило бы парадокс. Развитие современной космологии, основывающейся на теории относительности и подтвержденной наблюдениями реликтового излучения, устранило фотометрический парадокс. Решающим обстоятельством является наличие красного смещения в спектрах галактик. Благодаря этому явлению кванты света — фотоны, излученные очень далекими галактиками и дошедшие до нас, как бы «деградируют» или «тощают»: соответствующие им длины волн становятся все больше и больше, а энергии уменьшаются. Излучение самых удаленных от нас частей Вселенной благодаря явлению красного смещения уходит в длинноволновую, невидимую область спектра, и его интенсивность сильно падает. Можно сказать, что красное смещение как бы «срезает» излучение далеких областей Вселенной, тем самым устраняя фотометрический парадокс. Необходимо подчеркнуть, что явление красного смещения, вызванного расширением, разлетом галактик, благоприятствует возникновению и развитию жизни в тех или иных уголках Вселенной. Если бы Вселенная не расширялась и была бы бесконечной, температура в ней была бы настолько высокой, что даже простейшие молекулярные соединения вряд ли могли образоваться. Конечно, нарисованная в этой главе картина развития и эволюции Вселенной является самой общей и по мере развития науки должна конкретизироваться и уточняться. Не исключено, разумеется, что отдельные важные детали этой картины претерпят существенное изменение. Но основной вывод, к которому подводит нас развитие космологии и астрофизики во второй половине XX столетия, вряд ли будет поколеблен: в истории развития Вселенной, рассматриваемой как целое, были (и, вероятно, будут) эпохи, весьма затрудняющие, если не исключающие, возникновение и развитие жизни. Жизнь есть закономерный этап развития материи во Вселенной. Тем более это относится к разумной жизни. После того как современная астрофизика восстановила далекое прошлое Вселенной и были освещены все этапы ее удивительного развития, начиная от сверхгорячего и сверхплотного состояния, имеет смысл обсудить ее будущее развитие. В самом деле, более чем уместно поставить вопрос: а как будет выглядеть Вселенная в далеком будущем? Мы уже знаем, что в далеком прошлом она качественно отличалась от современного своего состояния. Можно ли ожидать качественного отличия состояния будущей Вселенной от современного? Для ответа на этот вопрос надо прежде всего знать, замкнута Вселенная или, напротив, открыта. Другими словами, будет ли Вселенная сколь угодно долго расширяться («открытая» модель Вселенной) или когда-нибудь ее расширение сменится сжатием. (Характер поведения Вселенной вполне аналогичен поведению камня, брошенного вверх в поле земного тяготения. Если его первоначальная скорость достаточно велика, он преодолеет тяготение и будет все время удаляться от Земли (аналог «открытой» модели). Если же скорость недостаточна, тяготение остановит его и он упадет обратно (аналог «закрытой» модели)). Выше мы уже подчеркивали, что окончательный выбор между этими двумя моделями сделать пока нельзя. Это будет возможно тогда, когда с полной надежностью будет определена средняя («размазанная») плотность вещества во Вселенной. Заметим, что размазанная плотность галактик в несколько десятков раз меньше критической. Существует, однако, косвенный метод определения средней плотности вещества во Вселенной. Выше мы заметили, что дейтерий во Вселенной мог образоваться только в первые минуты после Большого Взрыва, когда плотность и температура были достаточно велики. Зная количество дейтерия в межзвездной среде (в 50000 раз меньше, чем водорода) и тогдашнюю температуру Вселенной, можно найти ее плотность. Этот метод дает значение плотности в сотню раз меньшую, чем критическая. В настоящее время это один из главных аргументов в пользу открытой модели. Сравнительно просто предсказать будущее Вселенной для «закрытой» модели. Уж если Вселенная начнет сжиматься, то этот процесс ничто не остановит и она, в конце концов, пройдя через компактную, сверхплотную горячую фазу, сожмется в точку. В этом случае Вселенная как бы повторит историю «в обратном порядке». Весь цикл «расширение → остановка → сжатие» должен занять время порядка 100 миллиардов лет. Так как со времени начала расширения прошло «только» 15 — 20 миллиардов лет, то мы (в случае «закрытой» модели) находились бы в начале цикла. Начнет ли Вселенная после своего сжатия в точку новый цикл расширения? Будут ли новые циклы полным подобием предыдущего (т. е. нашего, в котором мы живем)? Однозначных ответов на эти вопросы пока нет, хотя вряд ли можно ожидать тождества разных циклов. Например, при каждом новом цикле могут образовываться совершенно разные элементарные частицы, что, конечно, радикально отразится на характере его протекания. В случае «открытой» модели, которой придерживается сейчас большинство космологов и специалистов по внегалактической астрономии, при своем неограниченном расширении Вселенная и материя, из которой она состоит, в невообразимо далеком будущем претерпят ряд качественных изменений. Необходимо подчеркнуть, что речь идет о чудовищно огромных интервалах времени, по сравнению с которыми 15 — 20 миллиардов лет, прошедших после первоначального взрыва Вселенной, кажутся мгновением. Что и говорить — в случае открытой модели «у нас в запасе вечность», хотя эту категорию постичь нашими жалкими чувствами, мягко выражаясь, затруднительно. В этой связи следует заметить, что как огромные, так и ничтожно малые величины, мы воспринимаем условно, всегда примеряя к ним свой весьма ограниченный жизненный опыт. Именно это мы имели в виду, когда в гл. 1 рассказывали о пространственных и временных масштабах Вселенной. Добавим к этому, что физики, занимающиеся элементарными частицами, ничтожный интервал времени 10-23 сек (время жизни самых нестабильных частиц, так называемых «резонансов») отождествляют со временем, за которое частица, движущаяся со скоростью c, пробегает отрезок, равный размеру ядра (10-13 см). Вернемся, однако, к открытой модели Вселенной. Что ее ожидает в столь необозримо удаленном от нас будущем? Прежде всего, через 1014 лет (что во много тысяч раз превышает возраст современной Вселенной) «остынут», исчерпав свое ядерное горючее, все карликовые звезды с массой, превышающей несколько сотых долей солнечной массы. Эти звезды превратятся в белые карлики, которые, остывая, станут холодными «черными» карликами с размерами порядка Земли и с очень большой плотностью. Несмотря на то, что взаимные случайные сближения звезд в галактиках будут происходить редко, через 1015 лет по этой причине практически все планеты будут оторваны от своих материнских звезд. По этой же причине (случайные сближения звезд) спустя ~ 1019 лет по крайней мере 90% всех звезд покинут свои галактики, а центральные области последних сожмутся, образуя весьма массивные (М ≈ 109 МΘ) черные дыры. Итак, наступит эпоха, когда галактики прекратят свое существование (от них останутся только массивные черные дыры), а из звезд останутся только холодные белые карлики. При этом отдельные звезды будут участвовать в расширении Вселенной. До этой эпохи разлетались только галактики, размеры которых сравнительно мало менялись, так что расстояния между звездами были такими же, как в нашу эпоху, т. е. несколько световых лет. Теперь же расстояния между соседними звездами будут в начале этой эпохи превышать много мегапарсек и дальше будут неограниченно расти. Расстояния между соседними звездами станут превосходить нынешние расстояния до квазаров, исчисляемые миллиардами парсек. Если учесть, что к тому времени все звезды будут белыми карликами весьма низкой светимости, то на воображаемом небосклоне какого-нибудь ничтожного такого карлика никаких светил ни в какой телескоп обнаружить будет нельзя. До чего же эти звезды будут изолированы — страшно даже представить. И какая там будет царить черная ночь... Переходя к неизмеримо более удаленному будущему, мы должны учитывать качественно новые изменения в самой структуре материи. Прежде всего, нельзя исключить возможность того, что с материей могут произойти «крупные неприятности». Дело в том, что нельзя гарантировать стабильность протонов — основных «кирпичей», из которых построена вся материя. Существующие экспериментальные данные гарантируют, что период радиоактивного распада протона во всяком случае превышает 1030 лет. Но где гарантия, что протон останется стабильным в течение неизмеримо больших промежутков времени? Существуют, например, теории, согласно которым протоны самопроизвольно распадаются на Y-кванты и нейтрино за время ~ 1032 лет. Сейчас уже планируются эксперименты, имеющие целью обнаружить самопроизвольный распад протонов. Если эти эксперименты дадут положительный результат, то Вселенная через ~ 1032 лет будет представлять совокупность разлетающихся квантов и нейтрино с непрерывно убывающей (по мере расширения Вселенной) энергией. Хочется, однако, верить (сейчас речь может идти только о вере), что протон абсолютно стабильная частица и такой мало интересный финал нашей Вселенной не угрожает... Имеется еще одна серьезная проблема: где гарантия того, что законы природы, действующие во Вселенной в современную эпоху, будут действовать в чудовищно отдаленном будущем? Гарантий, конечно, нет, но обнадеживающее обстоятельство все же имеется. Одним из удивительнейших открытий последних десятилетий является обнаружение естественного уранового реактора в Габоне (Западная Африка). По причине высокого уровня выделения нейтронов за последние пару миллиардов лет изотопный состав в окрестных минералах там сильно изменен. И вот оказывается, что из анализа относительного содержания изотопов самария следует, что в этих ядрах баланс электромагнитных и ядерных сил поддерживается на постоянном уровне по крайней мере миллиарды лет! Это и доказывает неизменность законов природы но крайней мере в течение миллиардов лет! Итак, для дальнейшего анализа мы будем придерживаться гипотез об абсолютной стабильности протонов и неизменности законов природы. В таком случае следует считаться с тем, что через ~ 1065 лет любое твердое тело становится даже при абсолютном нуле жидким. Значит, все остывшие белые карлики, некогда бывшие звездами — «хорошими и разными», станут сферическими жидкими каплями! Еще через чудовищный промежуток времени ~ 101500(!) лет любое вещество становится радиоактивным. Дело в том, что за такие промежутки времени легкие ядра будут «сливаться» в более тяжелые, а тяжелые станут делиться. В результате этих процессов все жидкие капли — бывшие звезды — станут железными. Но что произойдет с другой компонентой Вселенной — бывшими массивными звездами и ядрами галактик, ставшими черными дырами? Для дальнейшего анализа очень существен вывод, полученный несколько лет тому назад выдающимся английским теоретиком Хокингом. Он показал, что черные дыры отнюдь не являются «вечными образованиями» (как это считалось раньше). Через промежутки времени, пропорциональные кубам их масс, они «испаряются», излучая электромагнитные волны с длиной порядка размеров черной дыры. Например, черная дыра с массой, равной 10 солнечным массам (что близко к массе подозреваемой черной дыры Лебедь X-1) «испарится» через 1067 лет, излучая радиоволны длиной около 30 км. А сверхмассивная черная дыра (M ≈ 109 MΘ — бывшее ядро какой-нибудь галактики) испарится через 1091 лет, излучая сверхдлинные волны длиной порядка десяти астрономических единиц. Итак, все черные дыры — «звездные» и «ядерно-галактические» в конце концов превратятся в сверхдлинноволновое электромагнитное излучение. Останутся от Вселенной только плотные, жидкие, холодные железные капли. Но это еще не все! Оказывается, что когда истечет больше, чем 1010000000000000000000000000 (!!!) лет, эти железные капли превратятся либо в нейтронные звезды (которые потом превратятся в черные дыры), либо прямо в черные дыры. Последние же, практически мгновенно (всего за «какие-нибудь» 1067 лет), испарятся. Итак, в открытой модели, при всех вариантах (даже если протон нестабилен!) в конечном итоге Вселенная превратится в совокупность разлетающихся сверхдлинноволновых квантов, а также нейтрино малых энергий. Остается только утешаться тем, что это будет, мягко выражаясь, ох, как не скоро! Имеется огромное количество проблем, неизмеримо более актуальных, от решения которых зависит будущее человечества и его отдельных представителей. Все же согласитесь, любопытно знать, что будет со Вселенной в необозримо далеком будущем. Такова уж природа человека... В заключение этой главы остановимся на очень интересном и, по-видимому, важном вопросе о соотношениях между «мировыми константами» макро- и микромиров. Мы увидим, что для интересующей нас проблемы жизни во Вселенной эти соотношения играют решающую роль. Из современной физики известно, что все закономерности мира управляются четырьмя типами взаимодействий: 1) электромагнитными, 2) гравитационными, 3) слабыми и 4) сильными. Первый тип взаимодействия определяет структуру атомов, а следовательно, описывает всю картину явлений в химии и физике (за исключением ядерных процессов). Он характеризуется «константой взаимодействия» — зарядом электрона e, связанной с известной безразмерной постоянной тонкой структуры α = e2 / ћc ≈ 1/137 (ћ = ћ / 2 π — постоянная Планка, c — скорость света). Гравитационное взаимодействие достаточно массивных тел имеет решающее значение для планетной, галактической и метагалактической астрономии. Оно может характеризоваться своей константой взаимодействия — гравитационной постоянной G и связанной с ней безразмерной αG = Gm2p / ћc ≈ 5 • 10-39. Сильные взаимодействия доминируют в области атомных ядер и элементарных частиц, в то время как слабые описывают такие процессы, как β-радиоактивность. Для сильных и слабых взаимодействий также можно ввести свои константы взаимодействия, по смыслу аналогичные α. Они обозначаются как αG и αW и имеют определенные значения. Несомненно, приведенная выше классификация взаимодействий отражает современный уровень физической науки. Вполне возможно, что в будущем (может быть, и недалеком) взаимодействия будут либо полностью объединены, либо их останется меньше. (Это означает, что между константами взаимодействия может быть какая-то связь.) Но это обстоятельство не должно уменьшить наше удивление тому факту, что между константами взаимодействия и характеристиками Вселенной существует какая-то странная зависимость. Например, Rb ≈ C • t0 ≈ (α / αG) • α0 , где Rb и t0 — радиус и возраст Вселенной, α = ћ / m0 c2 = 0,53 • 10-8 см — радиус первой орбиты боровской модели водородного атома. Другими словами, отношение радиуса Вселенной (Rb,≈ 1028 см, так как возраст Вселенной t0 ≈ 1010 лет = 3 • 1017 секунд) к размерам атома равно отношению электромагнитных и гравитационных сил, действующих между элементарными частицами! Для объяснения этого удивительного обстоятельства знаменитый английский физик Дирак еще в 1937 г. предложил гипотезу, что гравитационная постоянная G меняется обратно пропорционально возрасту Вселенной t, в то время как остальные константы (c, ћ, e) остаются неизменными. Однако современные наблюдения метагалактических объектов исключают такую возможность. Совершенно другую гипотезу развил в 1961 г. выдающийся американский физик и астроном Дике. Эту гипотезу по праву можно назвать «антропной». Суть ее состоит в следующем. Для того чтобы где-нибудь во Вселенной возникла жизнь, необходимо, чтобы были тяжелые элементы, которые образуются при вспышках сверхновых. Об этом мы уже говорили раньше (см. гл. 5). Но отсюда следует, что возраст познаваемой разумными наблюдателями Вселенной должен быть не меньше возраста звезд, вспыхивающих как сверхновые. Если масса последних ~ 1,5 солнечной (что соответствует сверхновой 1 типа — см. гл. 5), то этот возраст t порядка нескольких миллиардов лет. Из теории внутреннего строения и эволюции звезд можно получить соотношение: t1 ≈ αG—1 • tp, где tp ≈ rp / c ≈ 10-23 сек, rp = ћ / mp c ≈ 10-13 см — радиус протона. С другой стороны, возраст Вселенной (о не может быть много больше t1, так как в этом случае почти все звезды превратились бы в белые карлики и нейтронные звезды, о чем речь уже шла выше. Поскольку мы такой Вселенной не наблюдаем, то t0 ~ t1 ≈ αG—1 • tp, ct0 ≈ αG—1 • rp = ( α / aG ) α0. Таким образом, соотношение между размерами Вселенной и атома есть простое следствие из условия наблюдаемости Вселенной разумными существами! Между константами гравитационного и слабого взаимодействий имеется соотношение: αG ≈ αW 4, где αW ≈ gm2e / ћ3. Возможно, что, это соотношение также выражает «антропный» принцип. Как оказывается, это соотношение объясняет, почему во время первичного синтеза ядер, когда возраст Вселенной исчислялся немногими минутами, 25% всех образовавшихся ядер (по массе) были гелиевыми. Если бы αW было чуточку меньше, все образовавшиеся ядра были бы гелиевыми. В такой «гелиевой» Вселенной жизнь, конечно, невозможна (например, не было бы воды). С другой стороны, если бы αW было бы чуточку больше, гелия во Вселенной не было бы совсем и эволюция звезд шла бы совсем по-другому. Небезынтересно также отметить, что если бы αW даже незначительно отличалось от своего наблюдаемого значения, не было бы вспышек сверхновых, так как условия взаимодействия нейтрино с веществом были бы совершенно другими. Остановимся теперь на другом обстоятельстве. Выше мы уже отмечали, что во Вселенной на каждые S ≈ 108 фотонов приходится один протон. Ни физика, ни космология не дают объяснения этому надежно установленному факту. И вот выясняется, что «антропный» принцип ограничивает значение S. Оказывается, это предельное значение S ≈ αG-1/4 ≈ 109. В противном случае ни галактики, ни звезды не могли бы образоваться путем конденсации газа под действием силы тяготения. Для возникновения где-нибудь во Вселенной жизни, как оказывается, решающее значение имеют соотношения между массами элементарных частиц. Отношения масс элементарных частиц удивительным образом связаны с константами сильного и электромагнитного взаимодействий. Например,
f 2 = 2mp / mn, α = (mn - mp) / mn , где f 2 = 15, mp и mn— массы нейтронов и π-мезонов. Если бы эти соотношения не выполнялись, в процессе нуклеосинтеза элементы, необходимые для жизни, не образовывались бы. Следовательно, эти соотношения могут также иметь «антропный» смысл. Заметим в этой связи, что условие me << mp необходимо для образования сложных многоатомных молекул, являющихся основой жизни.
Мы видим, таким образом, что наша реальная Вселенная поразительно приспособлена для возникновения и развития в ней жизни. Если бы, например, первичный набор масс элементарных частиц, формировавшийся в первые секунды после «Большого Взрыва», был бы другой (а это, в принципе, в тех условиях вполне было возможно!). Вселенная была бы совсем другой и уже во всяком случае безжизненной. Точно так же решающее значение имеет и первичная удельная энтропия вещества Вселенной, определяемая величиной S (см. выше). Вопрос о том, существуют ли другие Вселенные, представляется отнюдь не праздным. Современная наука не в состоянии даже подойти к этой проблеме. Пока сделаны только первые попытки к первому шагу в этом фантастически трансцендентном направлении. Мы имеем в виду чисто абстрактные конструкции американцев Уиллера и Эверетта. Последний пытался связать этот вопрос с фундаментальной для квантовой механики проблемой измерений. Согласно Эверетту при каждом таком измерении Вселенная «разветвляется» на ряд параллельных Вселенных, каждая из которых соответствует определенному результату измерений. Пока это, конечно, игра ума. Но — кто знает, чем такая игра кончится? Не является ли идея Эверетта «безумной» в высоком «Боровском» смысле этого слова? Придется, увы, подождать, по крайней мере до XXI века... А пока, вместе с Вольтеровским Панглосом мы имеем все основания считать, что живем в лучшем из миров, так как практически все «Вселенные Эверетта» должны быть «мертворожденными». Как же мог Вольтер предвидеть такую ситуацию?.. Необходимо подчеркнуть следующее обстоятельство. До последнего времени молчаливо принималось, что возникновение и развитие жизни на Земле есть строго локальный феномен. Другими словами, в возникновении и эволюции жизни на Земле Галактика и Метагалактика никакой роли не играют. (Если, конечно, не говорить о гипотезе панспермии). Считалось, что если бы ничего, кроме Солнечной системы, во Вселенной не было, жизнь развивалась так, как мы это знаем. Предполагалось, что Солнечная система изолирована. Теперь ясно, что это не так. Вся эволюция Вселенной от момента ее возникновения при «Большом Взрыве» как бы подготовила возникновение в отдельных ее малых частях очагов жизни. Нельзя понять возникновение и эволюцию жизни на Земле без понимания процесса возникновения и развития всей Вселенной.
Ви переглядаєте статтю (реферат): «Большая Вселенная» з дисципліни «Всесвіт, життя, розум»
