10 заповедей нестабильности

Глава 5

В 1951 г. римско-католической церкви показалось, что наука преподнесла ей неожиданный подарок, и папа Пий XII по поводу появления одной новой физической теории смог с явным удовольствием заявить следующее: «…таким образом, наука строго доказала, что акт творения имел место. Космос возник из рук некоего Творца, а если существует Творец, то существует Бог!». Разумеется, наука ничего такого не могла и не хотела доказать, но Папа Римский чутко уловил, что стремительно набирающая авторитет и сторонников новейшая космологическая теория действительно трактует возникновение Вселенной в качестве отдельного, мгновенного события. Так называемая теория Большого взрыва (Биг Бэнг) ни в коей мере не может служить физическим обоснованием справедливости актов творения, описанных в библейской Книге Бытия. Если говорить совершенно строго, то в первой главе этой книги описаны два независимых акта творения^ Более того, с точки зрения чистой физики, она удивительно похожа и явно вытекает логически из описанной в гл. 1 теории Хаббла расширяющейся Вселенной.

Действительно, если принять на веру, что галактики разлетаются в разные стороны с огромной скоростью, то логично предположить, что когда-то все они были собраны вместе (подобно тому, как искры фейерверка разлетаются из точки взрыва), т. е. когда-то, очень давно все вещество Вселенной (все галактики, созвездия и туманности) было сжато в единый «комок» вещества немыслимой плотности. Кроме этого, в соответствии с законами Ньютона, разбегающаяся Вселенная, создающая пространство, должна медленно остывать, так что исходное, сжатое вещество Вселенной должно было быть исключительно «горячим». Исходя из сказанного, легко прийти к выводу, что когда-то вся Вселенная представляла собой некую «точку», в которой материя имела бесконечную плотность и бесконечную температуру.

Строго говоря, описанные выше условия (бесконечные плотность и температура, а также, очевидно, обусловленное этим отсутствие привычного нам пространства-времени и т. д.) нормальный человек, разумеется, не может ни осмыслить, ни представить, так что ниже речь пойдет лишь о грубом «описании» неких невообразимых процессов (с использованием абстрактных слов и понятий, которые кажутся нам понятными). Наш язык явно обладает гораздо большими возможностями, чем наш мозг (клетки которого, представляют собой, по-видимому, обычные атомарные структуры классической физики, а не «квантовую пену» современнейших теорий). Все мы, люди, «плывем в одной лодке», и наш бедный, ограниченный, человеческий разум не обладает способностью представлять бесконечные объекты, так что, честно говоря, все попытки понять эти невероятные физические реальности при помощи хитроумных «аналогий» немногого стоят.

Попробуем, например, представить себе смысл нескольких слов из предыдущего текста, относящихся к разбегающейся материи, которая создает пространство. Во что может, собственно, «расширяться» разбегающаяся Вселенная? Любой ответ на этот вопрос представляется нелепым, поскольку Вселенная существует только в том случае, если она…существует! Ничего другого не дано, получается, что расширение Вселенной само и создает пространство, в котором эта Вселенная определена. Человеческое сознание не способно представить расширение в «ничто», в никуда, в абсолютную пустоту, однако нельзя не восхищаться дерзостью нашего разума, способного создавать подобные тории, в которых почти все является невообразимым. Знаменитый астрофизик Стивен Хо-кинг писал, что «…спрашивать о том, что было до Большого взрыва, столь же бессмысленно, как пытаться двигаться дальше к северу, находясь на Северном полюсе». Почему? Да просто потому, что до Большого взрыва не существовало никакого понятного нам линейного течения времени. Представляется вероятным, что до взрыва время имело какую-то «замкнутую» или циклическую структуру, в связи с чем неожиданно вспоминается, что еще в IV веке святой Августин считал, что «… мир и время были когда-то созданы, причем мир возник не во времени, а одновременно с ним».

Возвращаясь к теме Большого взрыва, следует отметить также, что многие исследователи еще в начале XX века (т. е. до открытия Хабблом эффекта разбегания галактик) предполагали возможность расширения Вселенной на основе эйнштейновской теории относительности. Возможно, настоящим «отцом» теории Большого взрыва следует считать иезуитского священника, известного теолога и астронома Жоржа-Анри Лемет-ра, который в 20-х годах предположил возможность взрыва в далеком прошлом гигантского «космического яйца». Например, Леметр писал, что «…наблюдаемую нами картину эволюции мира можно сравнить с гаснущими сполохами праздничного фейерверка – немного ярких звездочек, немного пепла и немного дыма. Мы видим медленное угасание звезд и пытаемся по ним представить блеск и великолепие мира в момент его зарождения». В сущности, эта прекрасная и поэтическая картина оказалась почти правильной, несмотря на то, что многие ее детали весьма сложны (во всех четырех измерениях!).

Однако и после открытия Хаббла оставались астрофизики, не принимающие теорию рождения Вселенной и продолжающие считать ее однородной во всех измерениях. В 1948 г. Томас Голд сформулировал теорию стационарного состояния Вселенной, в соответствии с которой мир должен выглядеть одинаковым для наблюдателей, находящихся в любой его точке и в любой момент времени (включая прошлое, настоящее и будущее).

В теории Голда и его сторонников галактики вспыхивали, разбегались и умирали непрерывно, что выглядело альтернативой классической теории расширения, поскольку предполагалось, что если вещество исчезало где-то в глубинах космоса, то в каком-то другом месте возникало новое вещество, и это поддерживало общий баланс материи и стационарное состояние Вселенной в целом. Стоит отметить, что все попытки зарегистрировать рождение атомов в космосе оказались безуспешными.

В защиту идей Голда энергично выступал знаменитый английский астроном Фред Хойл, издевательски писавший ранее, что теория Большого взрыва «…не имеет никаких достоинств, лишена элегантности… и напоминает глупые детские игры вокруг праздничного пирога». Забавно, но именно Хойл придумал сам термин «Большой взрыв» (big-bang), презрительно использовав его в очередной полемической заметке. К удивлению и досаде Хойла, оппоненты немедленно подхватили и «раскрутили» это эффектное словосочетание, сделав его исключительно популярным! Хойл относился к идеям «космического яйца» с глубокой личной неприязнью и во многих своих книгах и статьях неоднократно возвращался к мысли, что «…Вселенная не имеет ни начала, ни конца».

Теория стационарной Вселенной не выдержала испытания временем, хотя бы потому, что в наблюдаемой Вселенной ученые быстро обнаружили целый ряд существенных неоднородностей и даже аномалий, хотя в соответствии с ней мир должен был бы выглядеть (по меньшей мере, после некоторого усреднения) достаточно однородным и одинаковым по свойствам. Именно попытки проверки этих постулатов неожиданно привели к совершенно неожиданным результатам.

Георгий Гамов

Сторонником идеи расширения Вселенной был знаменитый физик Георгий Гамов, который в 1948 году предложил новый метод проверки самой идеи первичного взрыва. По идее Гамова, тепло и свет после события такого космического масштаба (в самом буквальном смысле этих слов!) должны были также распространяться изотропно (однородно во всех направлениях), медленно охлаждаясь в течение миллиардов лет, в результате чего должно сохраняться некое фоновое космическое излучение совершенно определенного типа. Гамов предсказал, что оно должно наблюдаться в микроволновом диапазоне и соответствовать электромагнитным волнам с очень низкой температурой (около 5 градусов по шкале Кельвина, т. е. примерно – 268 °С), при которой практически отсутствуют любые молекулярные взаимодействия.

В 1963 г. астрономы всего мира были ошеломлены открытием новых, самых ярких объектов Вселенной, когда вдруг обнаружилось, что на расстоянии миллиардов световых лет от нас существуют таинственные мощные источники радиоволн, которые можно наблюдать при помощи радиотелескопов, но, естественно, практически невозможно разглядетьдаже в самые мощные оптические устройства. Выяснилось, что средняя яркость этих объектов соответствует сотням миллиардов звезд типа нашего Солнца, а один из этих невероятно ярких объектов превосходит по яркости Солнце в полтора квадрильона (1015!) раз. Эти сверхмощные и страшно далекие от нас космические образования были названы квазизвездными радиоисточниками (сокращенно, квазарами), причем красное смещение линий поглощения в их спектрах показывало, что они удаляются от нас с огромной скоростью.

Само существование квазаров опровергало любую теорию однородной и постоянной во времени Вселенной и даже не потому, что эти чудовищные по мощности «маяки Вселенной» были очень далекими и очень «старыми». Для физиков более серьезным было то, что их распределение оказалось неоднородным, т. е. воображаемому наблюдателю в теории Голда представилась бы совершенно разная картина пространства-времени в разных точках Вселенной (например, вблизи Земли и в окрестности квазара) и в разные моменты времени. Миллиарды лет назад он мог бы наблюдать только «молодые» или формирующиеся квазары, а сейчас это стало невозможным, т. е. Вселенной можно приписать какой-то возраст и она имеет какую-то историю. Даже если окажется, что мы неправильно оцениваем красное смещение квазаров (как считают некоторые специалисты), и эти объекты находятся значительно ближе к Солнцу, то по многим другим причинам наличие в космосе этих гигантских, причудливых и сверхъярких объектов по-прежнему будет служить решительным опровержением теории стационарной Вселенной. Можно сказать, что существование квазаров не столько опровергает эту теорию, сколько «дискредитирует» ее.

Впрочем, к 1964 г. появились и прямые доказательства правоты теории Большого взрыва. После Второй мировой войны стала интенсивно развиваться радиоастрономия, что позволило обнаружить не только упоминавшиеся выше квазары, спиральные структуры галактик Млечного Пути и скрытые за облаками космической пыли ядра галактик, но и массу других интересных объектов и явлений. В частности, по заданию правительства США (в связи с гонкой космических вооружений) известная Лаборатория Белла провела ряд экспериментов, в одном из которых двое молодых сотрудников (Роберт Вильсон и Арно Пензиас) попытались определить точный вид спектра сверхновых звезд, но неожиданно столкнулись с наличием в космосе постоянного источника радиопомех. Аппаратура, смонтированная ими на телекоммуникационном спутнике, включала в себя антенну длиной около 6 метров, ставшую одним из самых знаменитых приборов в истории науки. Вильсону и Пензиасу никак не удавалось обнаружить источник помех, поскольку дополнительное излучение поступало практически по всем направлениям и его никак не удавалось связать с каким-либо конкретным земным или небесным объектом. Позднее они писали: «…мы столкнулись с изотропным, неполяризован-ным и неменяющимся во времени излучением». В какой-то момент исследователи были настолько сбиты с толку, что начали искать причину искажений в… пухе от голубей, живших на Земле рядом с приемной антенной, однако избавиться от фоновых помех никак не удавалось.

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.

Расширение Вселенной продолжалось всего 10~33 секунды, а уже к концу первой секунды после Большого взрыва почти все вещество перешло в форму адронов (тяжелых субатомных частиц), образуемых кварками. Температура при этом понизилась от бесконечности примерно до 3 триллионов градусов по шкале Кельвина и это позволило кваркам начать объединение друг с другом и формировать нейтроны и протоны, что было невозможно при более высоких энергиях. Некоторые комбинации кварков оказались слишком сложными, не смогли «выжить» и исчезли в результате распада. По мере остывания Вселенной в ней начали происходить и другие, более медленные процессы развития, например образование лептонов, вследствие чего этот этап развития называют лептонной эпохой.

На этом этапе температура снизилась примерно до 10 миллиардов градусов по шкале Кельвина, что позволило возникнуть следующему поколению элементарных частиц, так называемым лептонам, к которым относятся легкие атомные частицы (электрон, нейтрино, мюоны и их античастицы), вследствие чего примерно через 60 секунд после Большого взрыва началась эпоха синтеза ядер, продолжавшаяся около 2 минут. После этого температура понизилась примерно до 1 миллиарда градусов, а средние энергия и плотность стали подобны тем, которые мы можем наблюдать сейчас внутри молодых звезд, где идет непрерывный синтез атомов гелия при одной из важнейших термоядерных реакций. Известно, что этот процесс имеет три стадии: 1) нейтрон захватывает протон, образуя ядро дейтерия; 2) дейтерий превращается в тритий после захвата следующего протона; 3) тритий соединяется с дополнительным протоном, образуя устойчивое ядро гелия из двух нейтронов и двух протонов. Неудивительно, что за эту эпоху было создано огромное количество ядер атомов гелия и лишь очень небольшое число стабильных ядер дейтерия и лития. Это обстоятельство имеет особое значение, поскольку относительное содержание трех указанных типов атомов характерно для этапа образования элементов и останется неизменным в течение всего дальнейшего расширения Вселенной (от 12 до 20 миллиардов лет).

В настоящее время гелий составляет примерно четверть от общей массы Вселенной, и именно синтез гелия внутри звезд предлагался упоминавшимися выше теоретиками из Принстона во главе с Дике в качестве основного механизма, ответственного за распространенность элементов в существующем мире.

Итак, прошло примерно три минуты после Большого взрыва. Закончилось бурное образование гелия и доминирующую роль в развитии мира стало играть излучение (в первую очередь, высокоэнергетические рентгеновские лучи), вследствие чего всю последующую длительную эпоху (около 300 000 лет) называют радиационной. Первые 10 000 лет в центре Вселенной горел чудовищный огненный шар, но постепенно количество энергии, превращающейся в вещество, стало сравниваться с количеством, преобразующимся в энергию, что стало исключительно важной вехой в развитии Вселенной, поскольку именно с этого момента началось образование привычных нам атомов. Дело в том, что только после установления такого равновесия фотоны (крошечные квантовые частицы) получили возможность свободно распространяться, так как до этого их движение ограничивалось непрерывными процессами столкновения и рассеяния на электронах. Попросту говоря, до этого никакой наблюдатель, даже если мы вообразим себе фантастическую возможность его существования, не мог бы наблюдать извне (хотя никакого «извне» тоже еще не существовало!) описываемые события, так что первые 300 000 лет истории мира буквально «скрыты во мгле», и, следовательно, ни одна из многочисленных в истории искусства попыток нарисовать или как-то описать зарождение мира не имеет никакого смысла или значения.

Образно говоря, мгла рассеялась лишь после того, как диаметр Вселенной достиг примерно 1 миллиона световых лет (это соответствует примерно 100 миллиардам миллиардов километров), а ее температура снизилась до 4000 К, что и позволило субатомным частицам рекомбини-ровать и образовывать атомы водорода в дополнение к уже существующим атомам гелия. При этом почти все электроны оказались связанными на атомных орбитах, вследствие чего фотоны (свет и другие формы излучения) перестали рассеиваться на них и получили, наконец, возможность свободно распространяться. Процесс так называемого Великого разделения вещества и излучения сделал Вселенную зримой, превратив ее в гигантское облако светящегося газа (библейский Яхве не мог бы выбрать более подходящего момента для произнесения знаменитой фразы: «Да будет свет!»).

Рекомбинация субатомных частиц продолжалась еще несколько миллионов лет, после чего практически не осталось свободных электронов и протонов (их доля в общем количестве вещества снизилась примерно до одной стотысячной), в то время как фотонное излучение продолжало распространяться и его температура спала до очень низкого уровня, который и сохранился до нашего времени. Именно это излучение и удалось зафиксировать Пензиасу и Вильсону своей достаточно простой антенной. В дальнейшем произошли значительные изменения из-за того, что образовавшиеся облака газообразного водорода продолжали расширяться, порождая новые галактики и звезды. Мы не понимаем деталей этого процесса, однако теоретики считают, что галактики стали формироваться примерно через 1-2 миллиарда лет после времени Планка и окончательно стабилизировались примерно через 1 миллиард лет. Некоторые из звезд при этом превратились в гигантские «печи», в которых начали синтезироваться атомы главных тяжелых элементов (железо, кислород и углерод), ставшие основой всего воспринимаемого нами мира. Некоторые самые мощные звезды при этом взрывались, образуя так называемые Сверхновые звезды. Еще примерно через 10 миллиардов из этих атомов образовались, например, планеты Солнечной системы со всем их содержимым (включая живую природу и человечество), что и позволило великому астроному Карлу Сагану первому отметить, что «все мы рождены из звездной пыли». Действительно, каждый рождающийся на свет младенец состоит из тех самых атомов, которые возникли в галактиках после разделения вещества и излучения за счет длительных и непрерывных трансформаций. Красивая девушка и ее украшения созданы из одного и того же пепла звезд, из атомных структур, возникших миллиарды лет назад при взрывах Сверхновых в сотнях световых лет от нас.

Наше Солнце погаснет по космическим масштабам довольно быстро (примерно через 5 миллиардов лет), однако его размеры и мощность очень незначительны, поэтому гибель Солнца не будет сопровождаться взрывом, образованием Сверхновой и выбросом в окружающее пространство потока тяжелых элементов, необходимых для дальнейшей эволюции Вселенной. Наше Солнце похоже на множество других образований Млечного Пути и представляет собой лишь заурядную звезду, способную только сжечь свой запас водорода и превратиться сначала в один из тех малых небесных объектов (величиной с Землю), которые астрономы несколько презрительно именуют «белыми карликами», а затем и в совершенно крошечное образование, называемое «черным карликом».

Насколько справедлива теория Большого взрыва и насколько долго она сохранится в науке? Многие космофизики, исходя из имеющегося опыта драматического развития астрономических идей в XX столетии, ожидают новых, еще более поразительных открытий. За последние сорок лет ученые получили достаточно убедительные подтверждения этой теории, а также целый ряд новых и весьма серьезных неожиданных закономерностей, относящихся к эволюции Вселенной. Например, выяснилось, что Вселенная достаточно однородна, хотя и обладает рядом выраженных структурных особенностей. Удивительным оказалось существование такназываемой Великой Стены (гигантская плоская структура из галактик общей толщиной около 500 миллионов световых лет), не имеющей никаких аналогов в наблюдаемой нами части мира. С другой стороны, вдруг обнаружилось, что между гигантскими скоплениями и кластерами галактик существует множество «пустот» размерами до 150 миллионов световых лет. Какие-то необъяснимые особенности обнаруживаются даже весьма близко (разумеется, по космическим масштабам), поскольку оказалось, что наша собственная галактика расположена в так называемой Локальной группе, плотность которой почему-то примерно в 200 раз превышает среднюю по Вселенной в целом.

В описанной выше модели инфляционной Вселенной (читатель может представить себе раздувающийся шарик или мыльный пузырь) галактические структуры связываются друг с другом гравитационными силами, которые в некотором смысле усиливают процессы образования «не-однородностей» космоса, стягивая материю в достаточно крупные и устойчивые структуры. Разумеется, приведенная фраза содержит в себе противоречие, так как указанные процессы могут начинаться лишь после образования хоть каких-то неоднородностей в распределении вещества, но этот факт лишь иллюстрирует и подчеркивает противоречивость используемых нами экспериментальных данных.

Если бы предполагаемое стремительное расширение Вселенной по экспоненциальному закону продолжалось достаточно долго, то она должна была бы заполниться очень горячим излучением, следствием чего были бы чудовищные тепловые флуктуации и, соответственно, значительные нарушения в однородности распределения вещества. Действительно, астрономические наблюдения подтверждают возникновение заметных нарушений в однородности мира примерно через 300 тысяч лет после Большого взрыва.

Космология выгодно отличается от многих других теоретических построений науки XX века именно тем, что многие ее выводы можно проверить экспериментально. Например, описанные выше нарушения плотности (т. е. зародыши будущих галактик) должны были как-то повлиять на спектр фонового (реликтового) излучения космоса. Предсказываемые теорией слабые нарушения спектра удалось зарегистрировать в 1992 г. в рамках специальной исследовательской программы по изучению реликтового излучения космоса (СОВЕ, Cosmic Background Explorer), в соответствии с которой за 12 месяцев три микроволновых радиометра на борту спутника с высокой орбитой (около 900 км) различными, независимыми друг от друга методами дважды просканировали всю небесную сферу. Результаты измерений позволили выявить анизотропию фонового излучения, т. е. свидетельства неоднородности распределения вещества примерно через 300 тысяч лет после Большого взрыва, что позволило научному обозревателю газеты New York Times дать своему отчету об этих экспериментах красивый заголовок «Обнаружены складки на ткани пространства!».

Программа СОВЕ показала, что температурные неоднородности реликтового излучения действительно соответствуют структуре наблюдаемой нами Вселенной, поскольку на участках, температура которых когда-то была на 0,001% выше температуры окружения, мы сегодня видим яркие звезды, гигантские галактики или целые скопления галактик. В областях с более низкой температурой (на те же 0,001%) сегодня можно видеть лишь гигантские «пустоты», чудовищные провалы в пространстве. Ученые полагают, что указанные ничтожные отклонения температуры (позднее ставшие зародышами грандиозных космических структур) возникли под воздействием акустических волн, существовавших в самый начальный период зарождения Вселенной, когда ее возраст измерялся лишь триллионными долями… от миллиардных долей секунды!

В 2000 году в Антарктиде на высоту 37 километров был запущен огромный аэростат с аппаратурой (проект BOOMERanG), которая позволяла повысить точность регистрации космического излучения в десятки раз. Изучение спектра реликтового излучения в обширной и малоизученной до этого области над Антарктикой (примерно 2,5% площади небесной сферы) вновь выявило некоторые дополнительные флуктуации фона и еще раз подтвердило выкладки, основанные на теории Большого взрыва.

Наконец, в 2001 г. была осуществлена грандиозная международная программа картографирования звездного неба (на основе мощного англо-австралийского телескопа в австралийском городке Кунарабран) под общим названием «двумерный обзор красного смещения галактик». Анализ результатов такого сканирования еще раз подтвердил возможность существования упоминавшихся выше «изначальных» акустических волн в обширных областях размерами от 300 миллионов до 1,5 миллиардов световых лет, что и предсказывали теоретики.

Процесс картографирования и замеров параметров галактик продолжается, и сейчас (в рамках 5-летнего проекта под названием Sloan Redshift Sky Survey стоимостью в 80 миллионов долларов) создается уточненная трехмерная картина расположения примерно одного миллиона известных нам галактик. К лету 2001 г., когда закончился первый годичный цикл программы, уже были сфотографированы все галактики, удаленныеот Земли на 3 миллиона световых лет, что позволяет надеяться на обнаружение новых закономерностей в их зарождении и развитии.

Начало всякого процесса обычно таит в себе и намек на его окончание, поэтому космологи продолжают спорить о возможных вариантах конца или смерти Вселенной. Если мир подобен раздувающемуся воздушному шарику, то когда-нибудь его энергия иссякнет и он «схлопнется» внутрь (эта гипотеза, естественно, получила название Великого хлопка), в результате чего все вещество должно вновь вернуться в исходную точку и воссоздать начальную сингулярность, в которой энергия и масса составляли единое целое.

Ученые могли бы точнее предсказать будущее, если бы им было известно соотношение между кинетической и потенциальной энергиями в начальном состоянии. Нам известно, что энергия не возникает и не исчезает, а лишь преобразуется из одной формы в другую (или превращается в эквивалентное количество массы вещества). Дальность полета стрелы определяется ее кинетической энергией, а высота траектории – положением стрелы в потенциальном поле тяготения Земли, так что, зная параметры выстрела, можно определить и дальность, и высоту полета. Если потенциальная энергия мира в момент создания превышала кинетическую, то Великий хлопок неизбежен, и когда-нибудь Вселенная испытает чудовищный коллапс. В обратном случае расширение Вселенной будет продолжаться вечно и закончится ее полным угасанием и охлаждением в немыслимо раздувшемся пространстве. В иной формулировке мы могли бы точно предсказать судьбу Вселенной, зная соотношение между реально существующей и критической плотностями.

В связи с этим особое значение приобретает проблема так называемых «призрачных нейтрино». Эти крошечные частицы (масса которых в 6000 раз меньше массы электрона) чрезвычайно трудно регистрировать, однако заведомо известно, что их число несравнимо выше числа всех остальных субатомных частиц (электронов, протонов, кварков) вместе взятых, так что их общая масса может играть существенную роль в эволюции Вселенной.

Вполне вероятной представляется также модель, в которой энергия и масса Вселенной настолько точно сбалансированы и соответствуют требуемым критическим значениям, что Вселенная после начального взрыва будет расширяться и умирать вечно. Будущее мира в этой модели выглядит весьма неинтересным, и поэтому ее в шутку называют теорией Вечной скуки. В этом сценарии расширение будет постоянно замедляться, а вещество Вселенной будет постепенно «размазываться» по все большему объему, пока образовавшиеся на первом этапе звезды и галактики постепенно не выгорят и не погаснут, подобно углям догорающего костра. Никакие новые звездные или атомарные структуры после взрыва почти не образуются, и поэтому через миллиарды миллиардов… миллиардов лет Вселенная обратится в чудовищно расползшееся облако из свободных электронов, позитронов, нейтронов и излучения. Исходная сингулярность с бесконечными плотностью и температурой превратится в бесконечно расширяющееся пространство, заполненное холодными и инертными субатомными частицами, которые будут продолжать заполнять всё новые объемы (точнее, создавать их «из ничего»).

Следует подчеркнуть, что во всех описанных моделях остается много нерешенных задач, так что, например, сейчас физики ожесточенно спорят о «возрастном кризисе» Вселенной, поскольку все модели дают слишком большой разброс при вычислении момента Большого взрыва (от 10 до 20 миллиардов лет тому назад) и, соответственно, скорости ее расширения. Проблема осложняется и тем, что специалисты никак не могут определить точные расстояния между звездными объектами, не могут договориться о единой системе интерпретации данных по красному смещению и другим эффектам.

Изрядную путаницу в развитие теории внесло использование Эйнштейном своей знаменитой космологической константы, так как позднее обнаружилось, что во Вселенной может существовать еще один, пока необъяснимый источник сил, а именно так называемая «темная энергия». Ее наличие или отсутствие может существенно изменить предполагаемое соотношение между «видимой» материей и энергией. Возможность существования темной энергии (или отрицательной гравитации) недавно была подтверждена данными, полученными на космическом телескопе «Хаббл» при наблюдении последствий взрыва Сверхновой звезды 11 миллиардов лет назад. Эта Сверхновая взорвалась достаточно быстро после Большого взрыва, когда в юной по возрасту Вселенной гравитация была мощнее сил темной энергии. Позднее (возможно, лишь несколько миллиардов лет назад) ситуация изменилась и произошло так называемое «обращение», после которого темная энергия, т. е. отрицательная гравитация, стала доминирующим фактором развития. Считается, что сейчас темная энергия составляет около 65% так называемой «скрытой» Вселенной и что она может ускорять процесс расширения. Необычная яркость Сверхновой, по мнению ученых может служить доказательством прежнего преобладания сил обычной гравитации.Строение элементарных частиц сейчас вызывает мало споров, но продолжает таить в себе ряд загадок. В теории Большого взрыва считается, что протоны и нейтроны состоят из более фундаментальных частиц, называемых кварками, которые, к сожалению, до сих пор никому не удалось экспериментально зарегистрировать в чистом состоянии. Число предлагаемых теоретиками видов кварков и составляемых из них элементарных частиц возрастает настолько быстро, что многие физики начинают считать эту исключительно сложную теорию ошибочной, а ее развитие объясняют лишь недостатками нашего воображения и нехваткой экспериментальных данных. Им даже кажется, что истинная картина вполне может оказаться значительно проще и нагляднее, как это часто бывало в истории науки (Эйнштейн любил говорить, что научные гипотезы должны быть «…простыми, но не упрощенными»).

В настоящее время на существующих и специально строящихся ускорителях проводятся и планируются эксперименты, воссоздающие условия начального этапа зарождения Вселенной. Разгоняя протоны и антипротоны в кольцах мощнейших ускорителей почти до скорости света (при этом, в соответствии с теорией относительности, масса частиц возрастает в сотни раз), физики затем сталкивают их друг с другом таким образом, что на ничтожные промежутки времени (триллионные доли от триллионных долей секунды) температура частиц превышает температуру в центре Солнца, а их вещество распадается на исходные составляющие, т. е. как бы «вспоминает» самые ранние мгновения рождения Вселенной после Большого взрыва.

Полученные ранее результаты в общих чертах уже подтверждают справедливость существующих теорий, однако физики с нетерпением ждут 2005 г., когда в Женеве закончится строительство гигантского Ад-ронного Коллайдера, создаваемого совместными усилиями специалистов из 34 стран. Это устройство, стоимостью около 4 миллиардов долларов, представляет собой новейший кольцевой ускоритель длиной около 20 км, позволяющий сталкивать протоны при энергиях около 14 триллионов электрон-вольт. За последние десятилетия физики получили огромное количество доказательств существования многих предсказанных элементарных частиц (включая так называемые очарованные кварки, глюоны, топ-кварк и т. п.), но новый ускоритель позволяет начать «охоту» за самой интересной и загадочной частицей, называемой бозоном Хиггса. Дело заключается в том, что обнаружение такого бозона стало бы доказательством существования предсказываемого теоретиками так называемого поля Хиггса. По мнению многих физиков, именно это гипотетическое энергетическое поле пронизывает всю Вселенную и создает массу всех элементарных частиц за счет взаимодействия, которое можно уподобить привычному нам трению. Еще одна загадка природы связана с тем, что, строго говоря, ни одна существующая теория не объясняет самого факта существования массы у субатомных частиц.

В 2000 г. физикам показалось, что им удалось зарегистрировать неуловимый бозон Хиггса, однако тщательный анализ экспериментальных данных оказался разочаровывающим. Обозреватель Джеймс Гланц в газете New York Times позднее описал возникшую ситуацию в следующих выражениях: «Результат оказался статистической иллюзией,…случайным сочетанием взаимодействия уже известных элементарных частиц». Многолетняя история поисков бозона Хиггса заставляет вспомнить строчку из стихотворения поэтессы Мюриэль Рукейзер: «…Мир создан из историй и сказок, а не из атомов…». История поисков включает в себя длительные, сложные и изнурительные эксперименты, серьезные столкновения и споры по поводу интерпретации получаемых данных, ожесточенные конфликты из-за финансирования исследовательских групп и программ, и т. д. Теоретические и экспериментальные исследования в этой области стали причиной личной драмы многих талантливых ученых, однако атмосфера «погони» за бозоном Хиггса сохраняется, а его предполагаемое обнаружение имеет шансы стать величайшим научным «призом» уже нашего, XXI века.

Физики порой размышляют о самых странных вещах, например о том, насколько часто могут происходить события типа Большого взрыва? Мы уже свыклись с мыслью, что мир вокруг нас состоит из атомов и все наблюдаемые процессы происходят с их участием. Даже наши рассуждения о самих атомах осуществляются лишь в результате некоторых электрохимических процессов в атомах клеток мозга, а любая шутливая или оскорбительная фраза доходит до нашего сознания лишь после диффузии атомов и молекул в воздушной среде. Сейчас мы начинаем понимать, что все эти атомы были когда-то созданы в результате гигантского процесса творения, происходившего в непостижимых для нашего человеческого сознания масштабах времени, пространства, энергии, мощи и (не побоимся и этого термина!) величия.

Большой взрыв по длительности можно сравнить с одним-единст-венным ходом (тик-так!) двести лет назад какого-то гигантского часового механизма, в результате чего что-то в этом механизме вдруг «сработало» и создало целую Вселенную. Физики пытаются угадать в этом процессе и другие, совершенно удивительные возможности. Например, если какое-то космическое яйцо оказалось способным породить Вселенную, то почему нельзя предположить возможность существования других подобных яиц? Создают ли они вселенные со всеми мыслимыми моделями пространства-времени? Похожи ли эти вселенные друг на друга или в каждой из них реализуются собственные, отличные от других законы природы? Мысль невольно обращается к идее бесконечности, и ученые начинают размышлять о числе вселенных или даже о том, что число Больших взрывов может быть очень велико, подобно тому, как велико оказалось число звезд нашей «собственной» Вселенной.