Архив рубрики: Мир — взрыв

О чем пришлось умолчать

Вот так — торопливо, скомканно — я сообщил вам о начале Метагалактики и некоторых сопутствующих идеях. Достоверно, видимо, лишь то, что мир, ныне спо­койный, около десяти — пятнадцати миллиардов лет то­му назад был исполинским, практически мгновенным взрывом. Взрывом не разрушения, а созидания — сози­дания современной природы.

Этим, пожалуй, исчерпывается общепризнанное в создаваемой сейчас истории природы. Остальное — толь­ко предположения.

Метагалактическая космогония пока пробует силы. В арсенале ее еще много условного. Кое-кто из ученых считает ее поэтому спекулятивной, плохо обоснованной. Но фундамент ее надежен. Этот фундамент — космоло­гические выводы теории относительности и физика мик­ромира — поставлен на почву твердых фактов. Поэтому даже ворчуны и скептики из научного мира не отма­хиваются от космогонических идей и серьезно их об­суждают. Поле же для дискуссий тут необозримо.

Многие из идей мне пришлось опустить. Например, не нашлось места рассказу о сверхзвездах — исполин­ских источниках лучистой энергии, которые находятся от нас в миллиардах световых лет. Быть может, некото­рые сверхзвезды — это древнейшие сгустки «дозвездной» материи, «слепившиеся» из вещества, едва остыв­шего после первичного взрыва. Если так, то мы не толь­ко «слышим по радио», но и видим (разумеется, через хороший телескоп) величественную картину раннего дет­ства Метагалактики.

Ни слова не сказано и о проблеме «устройства» пустоты, об античастицах и антимирах, ставших сегодня модной темой салонных разговоров и даже стихов. Оправдываюсь вескими причинами. Во-первых, для более или менее вразумительного рассказа тут понадобился бы тонкий разбор премудростей физики микромира, что за­ставило бы вдвое увеличить объем этой книжки (а ре­дактор и так недоволен, что она вышла слишком тол­стой). Во-вторых, указанные идеи много раз описаны популяризаторами. В-третьих, уж слишком далеко ушли бы мы от исходного удивления падающему камню.

Ну, а теперь критически оглянемся назад.

Вечности и бесконечности

Пожалуй, надо отдельно сказать о старой-престарой проблеме, поныне волнующей любознательных людей. О философской вечности и бесконечности природы. Иногда на эту тему случались бурные споры. Философы и физики говорили как бы на разных языках. Иные фи­лософы наотрез отказывались признать физические идеи о возможной конечности и невечности мира. Ссы­лаясь на авторитеты, приводя множество цитат, они безапелляционно объявляли физиков идеалистами: ведь невечность мира наводила мысль о «творце».

Физики, в свою очередь, ругали философов догма­тиками, ссылались на свою науку, призывали поглуб­же заняться космологией. Что касается идеализма, то он, как напоминали физики, пристегивался в свое время и к бесконечной Вселенной. Тот же Ньютон хотел ото­ждествить божество с абсолютным пространством и ма­тематическим временем.

Но сейчас страсти, кажется, поутихли. Большинство философов-материалистов сумели понять физиков, боль­шинство физиков согласились с вдумчивыми филосо­фами.

Стало ясно, что физики, постигая структуру и исто­рию мира, оперировали сугубо физическим пониманием пространства и времени, неразрывно связанным с системами отсчета механического движения. Потому-то выводы физиков относились лишь к одной «комнате» Вселенной — Метагалактике. А она, как выяснилось, вправе быть и конечной и бесконечной, в зависимости от средней плотности вещества.

Причем, как доказал советский космолог А. Л. Зельманов, и бесконечный Мегамир совсем не обязательно покрывает всю Вселенную. Он может быть лишь частью мира другой системы отсчета. В этом смысле бесконеч­ное вправе оказаться частичкой даже конечного. (Хочет­ся вспомнить чеховскую шутку о бесконечном мире в дупле чьего-то зуба!)

Нам с вами известен пример явления, которому раз­решено сразу быть вечным и мгновенным: уже говори­лось, что сверхгигантское тяготение способно для уда­ленного наблюдателя растянуть секунду в вечность. Камень, падающий в таком тяготении, для удаленного наблюдателя сначала ускорялся бы, а потом вечно замед­лялся (так как попадал бы в области все более замед­ленного времени). А для самого камня продолжалось бы ускоренное падение. Наша вечность соответствовала бы его мгновению!

Для кого-то моментально вспыхнувшая пылинка, для кого-то бесконечно долгий и безмерно огромный мир! Кое-кто даже допускает, что элементарные частицы — вроде «входов» в безграничные миры. Вот вам еще один вывод науки, который, пожалуй, фантастичнее профес­сиональной фантастики!..

Четкое понимание роли систем отсчета в оценке ми­роздания — это, видимо, главное, что помирило спор­щиков.

Теперь философы признали за физиками право из­мерять и оценивать любые физические времена и про­странства, от бесконечно малых до бесконечно больших. И судить о том, каковы длительности и размеры любых объектов — от электрона до Вселенной. Физики же, проникая в дали природы, согласились, что нет резона навязывать философии чисто физическое понимание си­стем отсчета. Идея неисчерпаемости мироздания ныне не оспаривается никем. Даже если наша Метагалактика окажется конечной, это отнюдь не подорвет утверждения о вечности, бесконечности, неисчерпаемости и безмерной сложности всей природы в целом. В обобщенном фило­софском понимании этих слов.

До прошлого

Остается еще один существенный вопрос, обычно за­даваемый начинающими любителями космологии:

— А что было за секунду до первичного мирового взрыва? За год? За сто миллиардов лет?

До взрыва было, вероятно, очередное сжатие, до него—расширение, еще раньше, быть может,—опять-таки взрыв и т. д. Такой ответ допустим. Но в нем мол­чаливо признается возможность отсчета времени в ка­кой-то внешней, не принадлежащей нашему миру, системе отсчета.

«Не выходя» же из нашей Метагалактики, подобный отсчет выполнить, строго говоря, невозможно.

Согласно решению Фридмана, время до начала рас­ширения мира находилось, если воспользоваться терми­нами алгебры, под квадратным корнем и имело отрица­тельный знак. Оно было мнимым. Другими словами, его физически не существовало. Во всяком случае, в том понимании, которое использует на­ша физика.

Тут нет никакой мистики, ни­какой непознаваемости. Структура общей теории относительности та­кова, что ей доступны причинные связи только той формы физической природы, какая есть. Пока мир хотя бы похож на совре­менный, теория действует и может сказать очень многое. Но в качественно ином мире (а таким и было, конечно, это самое «прамироздание») действовали другие причин­но-следственные связи, недоступные теории Эйнштейна, как и всей физике, привычной нам и выведенной из доступных нам явлений.

Ну, а откуда-то извне, из иного пространственно-вре­менного мира, подобно нашему (и, разумеется, вполне материального), отсчитывать в том времени наши собы­тия, конечно, не возбраняется. Теоретически это можем делать и мы.

Прогноз на будущее

Подавляющее большинство новичков, усвоив выше­изложенное, незамедлительно стреляют залпом вопро­сов. Первый из них всегда такой:

— Что ждет нашу Вселенную в будущем?

Прогнозы составлены.

Если мир незамкнут, он будет вечно расширяться, только и всего.

Если мир замкнут, через многие миллиарды лет его расширение сменится сжатием. Галактики двинутся на­встречу друг к другу, кривизна моллюска отсчета ста­нет расти. Вероятнее всего, сжатие продлится до ка­кого-то предела, до не очень тесного сближения галак­тик, а потом снова начнется расширение. (Этот вариант исследован в работах наших ученых Е. М. Лифшица, И. М. Халатникова, В. В. Судакова.)

Менее достоверен другой вариант, согласно которо­му начавшееся сжатие не остановится, пока не стянет Мегамир опять в точку. Как свидетельствует расчет, такое может случиться, лишь если мир обладает иде­альной сферической симметрией. Это условие едва ли отвечает реальности. Все же некоторые ученые допу­скают впереди катастрофическое «захлопывание» мира.

Разумеется, столь бурный эпизод в истории мирозда­ния не будет означать «конца света». Совершится лишь переход материи в иное состояние.

Более, того, сохраняя верность оптимизму, можно, я думаю, не опасаться за судьбы разумных существ, ко­торые доживут до тех далеких пор и овладеют высшим знанием и могуществом. Какие-нибудь высокоразвитые цивилизации будущего сумеют, быть может, пред­отвратить надвигающееся «миротрясение» — хотя бы тем, что заранее нарушат симметрию сжимающейся Метага­лактики (вот вам идея для умопомрачительного ультрафантастического романа).

Последний абзац уместен, конечно, лишь в сугубо несерьезной книжке — такой, как эта. Однако мне вспо­минается кулуарный разговор двух молодых и темпе­раментных ученых между заседаниями одной космоло­гической конференции. Оба выражали недовольство тем, что в нынешних гипотезах игнорируется роль воз­можного разумного вмешательства в судьбу Вселен­ной... Разумеется, вполне материального вмешатель­ства, отнюдь не мистического.

Горячий или холодный?

На бумаге сперва все выглядело благополучно. Но подробный разбор гипотезы внес сомнения. В описан­ной картине «вселенской кухни» не вышло современ­ного соотношения элементов. Даже основных. Избыток изначальных нейтронов и нехватка новорожденных про­тонов привели бы к острому недостатку в мировой ма­терии водорода (ведь атомные ядра водорода — это просто протоны, которые, по Гамову, отсутствовали в первичной материи). Гелия же, наоборот, должно было «свариться» больше, чем есть на самом деле (потому что мириады нераспавшихся нейтронов жадно соединялись бы с только что возникшими протонами). А из гелия во­дород самопроизвольно выделиться не мог — по той же примерно причине, по которой из золы не может само собой воскреснуть березовое полено.

К тому же гамовский мир в «только что приготовлен­ном виде» был очень горячим. Температура там достига­ла миллиарда градусов. Гигантская энергия в виде све­та, гамма- и рентгеновых лучей обязана была затопить новорожденное пространство лучистыми потоками. А по­тому и сегодня в космосе должно присутствовать много света — гораздо больше, чем, казалось бы, есть на са­мом деле.

Эти соображения заставили ученых усомниться в идее Гамова. Были выдвинуты другие гипотезы. В частно­сти, наш академик Я. Б. Зельдович опубликовал вариант «холодного» формирования вещества. У Зельдови­ча в качестве сырья вместо света и нейтронов предла­гались протоны, электроны и нейтрино, а нейтроны воз­никали в начале расширения из-за «уменьшения тесно­ты». Когда стало посвободнее, электроны «впрыгнули» в протоны (куда прежде, пока было «тесно», их «не пу­скали» нейтрино). Вот и получились нейтроны.

Против этого варианта трудно было спорить, тем бо­лее что он дал более точное соблюдение процентного состава синтезировавшихся элементов.

И все же идея «горячего мира» сейчас признается более правдоподобной. Дело решилось совсем недав­но — после открытия уже упоминавшегося «фотонного фона», или, иначе, «реликтового света» (какой, кстати, красивый термин!). Именно он, то есть вездесущие кван­ты сантиметровых радиоволн, разгуливающие по нашей Вселенной, и являет собой реликт, остаток, ослабленный след грандиозной лучистой вспышки первичного миро­вого взрыва.

За миллиарды лет очень энергичные кванты потеряли энергию и частоту — ведь они много раз поглощались и излучались, место их рождения стремительно удалялось от всех точек нашего «взрывающегося» мира. Вместе с частотой благодаря расширению Мегамира уменьши­лась и плотность излучения первичной вспышки. Значит, снизилась его температура. Сейчас в расширившейся Метагалактике от былого миллиарда градусов осталось всего около трех (выше абсолютного нуля).

Поразительнейший факт! Сегодня мы «принимаем по радио» первовспышку своего мира! Фигурально выра­жаясь, чувствуем отблеск совсем юной Метагалактики, находившейся в «младенческом» возрасте — вскоре после ее бурного рождения! Правда, это «вскоре» составляет сотни тысячелетий — лишь через такой срок взорвавший­ся бурлящий мир обрел прозрачность.

Для полной реабилитации гипотезы «горячего взры­ва» надо, правда, исправить гамовскую ошибку в оценке процентного состава синтезировавшихся атомов. Но это, как считают, дело поправимое. Возможно, в первичной «взрывчатке», кроме нейтронов и света, были и какие-то другие частицы, что несколько изменило программу синтеза вещества. А может быть, астрономы, присталь­нее изучив мировую материю, найдут-таки в ней неви­димый сейчас, как-то «спрятавшийся» гелий. Подобное отнюдь не исключено — ведь очень долго и весьма успешно «прятался» от проницательного взгляда ученых тот же реликтовый свет.

Во всяком случае, главное теперь общепризнано: наш мир некогда взорвался как бомба, это был «горя­чий, горячий, горячий мир». Потом он расширялся и остывал.

Кухня вещества

Как явствует из одной фантастически-шутливой теле­визионной пьесы Станислава Лема, в Галактике дей­ствует некий «Лик», занимающийся «размешиванием» мировой материи (чтобы она «не подгорела»). Так вот, хоть «Лик» нашему миру, разумеется, не нужен (так же как «вседержитель Атлас» и прочие небесные деяте­ли, шуточные и нешуточные), однако его работа осуще­ствляется. Сама собой. Потому что «мировой кисель» не только отлично сварен, но и тщательно размешан. Всю­ду состав вещества неизменен. В любом уголке мира — одинаковое соотношение атомов разных сортов. Астроно­мы в этом убедились после многолетних наблюдений звездных и других спектров.

Больше всего в мире водорода, заметно меньше, но тоже много, гелия, а затем идут в определенной после­довательности остальные элементы периодической си­стемы Менделеева.

Эта четкая дозировка (известная пока, правда, до­вольно приблизительно) служит ключом к расшифровке начала начал мироздания. Проблема формулируется так: понять, каков мог быть исходный, лишенный совре­менного простора, сверхсжатый мир, чтобы его расши­рение вызвало к жизни нынешние формы материи в их современном процентном отношении. Другими словами, надо угадать, из какого «сырья» и как некогда синте­зировалось вещество Вселенной.

С первой гипотезой выступил в 1949 году американ­ский физик Георгий Гамов. Его идея: сырье было жид­костью, спрессованной из нейтронов и света.

Основание для гипотезы такое. Материя нашего мира в целом электрически нейтральна, а потому резонно предположить, что первичное сырье для нее было составлено из самых распространенных нейтральных ча­стиц — нейтронов и фотонов. К тому же в свободном состоянии нейтрон нестабилен — за 1000 секунд половина таких частиц распадается, обращаясь в протоны и электроны (да еще антинейтрино). А из протонов, ней­тронов и электронов построены все атомы.

Вот гамовский вариант «варки вещества».

В «дозвездном» состоянии мира сжатые нейтроны были несвободны и не могли распадаться (при этом Метагалактика умещалась в объеме нескольких кубиче­ских сантиметров). Как только началось расширение, нейтроны получили свободу и стали распадаться. Рож­дались протоны и электроны. Новорожденные протоны соединялись с еще не распавшимися нейтронами. Так возникли атомные ядра. Они захватывали электроны — творились атомы. Разные — в зависимости от числа про­тонов и нейтронов, образовавших атомные ядра, в ос­новном водорода и гелия. За несколько минут сформи­ровалось все «легкое» вещество нашего мира.

Сколько лет Мегамиру?

«Вопреки обычному мнению, предсказывать в науке будущее несравненно легче, чем восстанавливать исто­рию»,—сказал однажды профессор Я. А. Смородинский, ободрив тем самым историков вообще, и историков при­роды в частности.

Но труднее — значит, любопытнее. Вероятно, поэтому о прошлом Вселенной высказано несколько оригиналь­ных гипотез. Эта ветвь научного значения — самая, по­жалуй, дерзкая, самая близкая к философии, самая антимистическая. Сейчас вы с ней немножко познакомитесь.

Многие ученые твердо убеждены в том, что если ныне Метагалактика расширяется, то когда-то она была еще не расширившейся — катастрофически сжатой, с ка­чественно иным состоянием пространства — времени и материи. Как давно это было, судить можно. По совре­менному темпу разбегания галактик, расстояниям до них, при внесении кое-каких поправок и допущений воз­раст наблюдаемого нами состояния Вселенной оцени­вается примерно в 10—15 миллиардов лет.

Это не так уж много, если вспомнить, что, по сло­вам геологов, возраст Земли составляет 5—6 миллиар­дов лет, и Солнце, по мнению астрофизиков, живет те же 5—6 миллиардов лет.

Так что же представляла собой наша «комната» ми­роздания в начале ее бытия?

Какие процессы там разворачивались? Можно ли вос­становить их сегодня?

Уходящие галактики

Ну, а расширяется мир или сжимается?

Здесь ответ однозначен. Расширяется. Основание — знаменитое «красное смещение» линий спектра далеких галактик. Именно это открытие, которого, к сожалению, не дождался Фридман (оно было сделано через четыре года после его смерти американским астрономом Хэбблом), подняло исследование советского ученого от уровня более или менее вероятной гипотезы на почет­ный пьедестал достоверной космологической теории.

Хэббл установил знаменательный факт: спектраль­ные линии света далеких галактик сдвинуты к красному концу спектра, и смещение тем значительнее, чем дальше галактика от нас. Тут-то и отыскалось прямое доказа­тельство разбегания галактик, что легче всего было объяснить расширением самого мира, моллюска отсчета. Причем тем более быстрого расширения, чем оно даль­ше от наблюдателя, точно в соответствии с теоретиче­ским предвидением Фридмана.

Ведь от удаляющегося источника к неподвижному наблюдателю световые волны приходят как бы растя­нутыми, их колебания — замедленными (вспомните опыт Паунда и Ребки). Уменьшается частота — значит, ме­няется цвет излучения, линии спектра сдвигаются к низкочастотному — красному — его краю. Словно по­езда с фонариками на хвостовых вагонах, уходят от нас звездные города, влекомые расширяющимся ми­ром. И сигнализируют об этом красным смещением своих спектральных линий. Темп расширения установ­лен. Галактики, находящиеся от нас за три миллиона световых лет, убегают, по современным данным, со скоростью 75 километров в секунду, вдвое более да­лекие — вдвое быстрее и т. д.

С этой точки зрения наводит, наконец, естественное и очень простое объяснение ночная тьма. Из парадокса она превращается в закономерную необходимость, присущую даже бесконечному миру с бесконечным числом галактик, расположенных как угодно. Лишь бы было расширение. Потому что от далеких галактик, несущих­ся прочь от наблюдателя с колоссальными скоростями, вместо света должны приходить невидимые излучения малой частоты — инфракрасные лучи, радиоволны, то есть темнота. Может быть, «чуть тепленькая» темнота и еле слышный «контрабасовый» радиошум. От самых же далеких — бесконечно длинные волны, бесконечно медленные колебания и, значит, полное отсутствие энергии — холодная тьма, мертвая тишина.

Таков в общих чертах современный взгляд науки на современное состояние Вселенной. Интересен также взгляд в прошлое мироздания.

Открыта или закрыта?

Итак, прикидываем массу звезд и темного космиче­ского вещества в доступном астрономическому взгляду участке мироздания, делим на объем этого участка...

Если получится больше, чем 2•10‾29 грамма на куби­ческий сантиметр, значит, мир замкнут. Всюду в нем положительная кривизна длиннейших четырехмерных световых и геодезических линий (вспомните еще раз меридианы на глобусе), ограниченное количество ве­щества и света. Из такого мира нет «выхода», хоть нет у него и границ — обитатели его находятся в положении жителей четырехмерного «шара Пуанкаре». По Фрид­ману, такая безграничная, но конечная модель, как ска­зано выше, медленно пульсирует.

Если же средняя плотность материи меньше, чем 2•10‾29 грамма на кубический сантиметр, выходит на сцену открытая модель. Кривизна длиннейших четырех­мерных геодезических отрицательна (как кратчайших трехмерных на седле или граммофонном раструбе)». И — либо сжатие, либо расширение.

Что же по этому поводу говорят астрономы?

Сегодня никто не рискует назвать достоверную циф­ру средней плотности вещества. Выходит близко к по­граничной величине, но больше или меньше ее — неиз­вестно. Еще не так давно многие склонялись все же к бесконечной модели. Плотности как будто чуть-чуть не хватало, чтобы замкнуть ее. Но в последние годы фи­зики пришли к мнению, что заметная доля мировой ма­терии существует, быть может, в форме, недоступной пока телескопам и потому выпадающей из поля зрения астрономов. Эту долю составляют неуловимые, невидимые и неощутимые частицы под названием нейтрино. Они испускаются звездами вместе со светом, пронизы­вают все и вся, мчат сквозь планеты, сквозь любые толщи вещества, почти не взаимодействуя с ним, и несут довольно значительную энергию, следовательно — и массу.

Как много их? Достаточно ли, чтобы замкнуть, огра­ничить Вселенную?

Неизвестно.

Совсем недавно отыскалась в мире еще одна неви­димая материальная субстанция — фотоны низких энер­гий (кванты сантиметровых радиоволн). Их тоже мно­го, и они всюду. Но и этот «фотонный фон» (или «реликтовый свет» — причина этого названия будет объяснена позже) еще не «взвешен» по-настоящему.

Таким, образом, остановить выбор на закрытой или открытой модели пока нельзя. Не хватает данных. Кос­мологи надеются, что их удастся раздобыть с развитием внеземной астрономии — при наблюдении Вселенной прямо из космоса, без помех земной атмосферы.

Все же вероятность замкнутости с открытием ней­трино и «фотонного фона» стала больше.

„Комната" космоса

Во-первых, тип модели — открыта она или закрыта? Бесконечна или конечна? Для ответа надо узнать сред­нюю плотность вещества в нашем мире. И вот тут пора сделать очень серьезную оговорку.

В ходе космологических рассуждений нам понадоби­лось выяснить среднюю плотность мирового вещества, то есть сделать, по существу, физический опыт. Но ис­полнить его даже в принципе мыслимо лишь там, куда мы в состоянии заглянуть через астрономические инстру­менты или поставить прибор, а значит, в пределах на­шего пространственно-временного мира. Поэтому все вы­воды относятся лишь к доступной нам (хотя бы в прин­ципе) пространственно-временной «комнате» космоса. Ее называют обычно Метагалактикой или Мегамиром.

Быть может, есть в неисчерпаемой Вселенной и дру­гие миры, другие пространственно-временные «комна­ты». В этом допущении нет ничего мистического. Другой мир — отнюдь не потусторонний мир. Он вполне матери­ален, так же как и наш. Но оттуда к нам невозможно принести прибор. И туда от нас нельзя добраться даже за вечность нашего времени. Подобно тому как обита­тель «шара Пуанкаре» не в состоянии выйти из него и вынести что-нибудь за его пределы.

Сегодня еще никто не доказал достоверность суще­ствования других миров. Разговоры о них — только предположения. Но ради осторожности надо иметь в виду: когда произносятся слова «мир», «мироздание», «Вселенная», речь идет о Метагалактике или Мегамире.