Космос и хаос

В конце первой главы рассказывалось о том, что звезды не распределяются в пространстве равномерно, но образуют более или менее компактные структуры (галактики), которые, в свою очередь, входят в состав скоплений и сверхскоплений, простирающихся на десятки миллионов световых лет. Наша Галактика (Млечный Путь) является одним из таких звездных островов и насчитывает примерно 200 миллиардов звезд (от 150 до 400 миллиардов, по разным оценкам). Если смотреть на нее с ребра, она имеет чечевицеобразную форму двояковыпуклой линзы, а в плане, при взгляде сверху, выглядит как плоский диск со сгустком в центре и отходящими от него спиральными рукавами. Галактика имеет довольно сложное строение. В ней принято выделять ядро, или балдж (от английского bulge – «выпуклость, вздутие»), диск и гало (галактическую корону). Ядро представляет собой компактный сферический компонент, окружающий галактический центр, где находится сверхмассивная черная дыра с массой от двух до трех миллионов масс Солнца. Плотность звездного населения около центра Галактики весьма высока: если в окрестностях Солнца на 16 кубических парсек приходится всего одна звезда, то в центре в одном кубическом парсеке содержится примерно 10 тысяч звезд. Однако плотность звезд в балдже быстро падает по мере удаления от центра: на расстоянии нескольких тысяч световых лет он уже практически неразличим. В ядре преобладают старые звезды с низким содержанием тяжелых элементов, а его масса оценивается в 20 миллиардов солнечных масс.

Более половины массы Галактики (около 60 миллиардов масс Солнца) приходится на плоский диск, внутри которого иногда выделяют тонкую и толстую часть. Поперечник галактического диска (и Галактики в целом) составляет 100 тысяч световых лет, или 30 килопарсек (30 кпк), а его толщина колеблется в широких пределах – от 300 до 3 тысяч световых лет. В области центра он тоньше, а к периферии заметно расширяется. Диск содержит много молодых звезд и плотные облака газа и пыли – очаги активного звездообразования, на которые приходится до 10 % его массы. Галактический диск неверно представлять себе как сплошную гомогенную структуру наподобие колеса или линзы, так как он распадается на спиральные рукава, среди которых принято выделять два (иногда четыре) больших и множество малых. Солнце расположено в 26 тысячах световых лет (примерно 8 кпк) от центра Галактики и совершает вокруг него полный оборот за 220 миллионов лет, летя сквозь пустоту со скоростью 250 километров в секунду. Если считать один оборот вокруг центра галактическим годом, то возраст Солнечной системы составит 20 галактических лет – именно столько витков она успела накрутить с момента своего образования.

Разумеется, Солнце не одиноко в своем неустанном кружении – все звезды диска обращаются вокруг галактического центра. Орбита Солнца практически круговая и лежит в плоскости галактического диска (всего в 20 световых годах от него по вертикали), поэтому изучение ядра Млечного Пути сопряжено со значительными трудностями. Оно отгорожено от нас звездами диска, находящимися ближе к ядру, а также мощными газово-пылевыми облаками, которые не пропускают свет от структур галактического центра. Оптическим наблюдениям доступно только охвостье Галактики, а самое интересное спрятано от землян плотной газово-пылевой завесой. Вот если бы нам каким-то чудом удалось взмыть над плоскостью Млечного Пути, мы бы увидели таинственный балдж во всем его великолепии. К сожалению, подобная перспектива не светит даже нашим далеким потомкам, ибо Солнце в своем орбитальном движении почти не отклоняется от плоскости галактического экватора. В нашу эпоху оно летит в промежутке между спиральными рукавами Персея и Стрельца, медленно приближаясь к рукаву Персея.

Кроме плоского диска и центрального вздутия в области ядра, Галактика обладает сферическим гало, которое окутывает галактическую линзу наподобие облака. Астрономы давно заметили, что некоторые звезды не плывут размеренно и неторопливо в плоскости диска, а снуют в самых разных направлениях, пронизывая его насквозь. Складывается впечатление, что они заполняют весь сферический объем, куда погружен галактический диск, образуя гигантский эллипсоид, протянувшийся на сотни тысяч световых лет. Гало населяют старые звезды, которым около 10 миллиардов лет от роду, то есть они вдвое старше Солнца. Одна часть звезд предпочитает жить в гордом одиночестве, а другая входит в состав так называемых шаровых скоплений, которых насчитывается около 200. В каждом из них содержится от 10 тысяч до 3 миллионов звезд, что составляет не более 1 % всех звезд гало. Помимо шаровых скоплений и одиночных звезд, в галактической короне обнаруживаются газовые облака и карликовые галактики, обитающие на расстоянии в 150 кпк от Млечного Пути.

Хотя суммарная масса звезд гало не превышает, по-видимому, миллиарда масс Солнца, галактическая корона гораздо увесистее нашей Галактики. На это указывают некоторые особенности вращения Млечного Пути и характер движения его спутников. Предполагается, что большая часть массы гало связана с так называемой темной материей (или скрытой массой). О проблеме скрытой массы рассказывается в главе «И тьма пришла».

Наша Галактика относится к числу спиральных галактик, которые, по классификации американского астронома Эдвина Хаббла, принято обозначать буквой S (от английского слова spiral, которое вряд ли нуждается в переводе). Все спиральные галактики состоят из сферического и плоского компонентов, то есть из ядра и диска, причем диск имеет выраженную спиральную структуру. Как правило, основных спиральных рукавов бывает два, но может насчитываться и больше. В зависимости от формы спиральных ветвей и размеров балджа внутри галактик типа S выделяют несколько подтипов – Sa, Sb, Sc и Sd. В этом ряду спиральные ветви становятся все более клочковатыми, а размер ядра уменьшается. Спиральные рукава тоже могут быть ориентированы по-разному: в одних случаях они начинаются непосредственно от ядра, а в других цепляются за концы толстой звездной перемычки, пересекающей центральную часть галактики. Такая перемычка называется баром, и тогда галактика попадает в категорию SB (spiral + bar). Галактики с баром подразделяются на те же самые четыре подтипа. Имеются серьезные основания полагать, что наш Млечный Путь обладает небольшой перемычкой, крайние точки которой отстоят на 3–4 кпк от центра, а по строению спиральных ветвей и размерам балджа занимает промежуточное положение между подтипами b и с.

Спиральных галактик больше всего (свыше 50 %), а среди всех остальных принято выделять галактики эллиптические, линзовидные и неправильные. Эллиптические галактики почти не содержат межзвездного газа и не имеют плоского диска. По сути дела, они представляют собой одно сплошное ядро, форма которого варьируется в широких пределах – от практически идеального шара до эллипсоида различной степени сплюснутости. Хаббл присвоил им литеру Е (elliptical по-английски), а степень уплощенности выражал в арабских цифрах. Таким образом, туманность Е0 будет шаровидной галактикой, а Е6 приобретет форму веретена. Линзовидные галактики обозначаются латинской буквой L (от английского слова lenticular – «двояковыпуклый») и внешне весьма похожи на эллиптические, поскольку внушительное ядро преобладает над тонким звездным диском, внутри которого, как правило, не удается разглядеть никаких структурных образований. Неправильные галактики – это клочковатые рваные облака, заметно уступающие по массе галактикам других типов. Больше всего они похожи на бесформенные кляксы, внутри которых можно иногда обнаружить неустойчивые и короткие спиральные рукава. В классификации Хаббла они обозначаются как Ir или Irr (irregular – «неправильные»).

Помимо разнообразия форм, многие галактики обладают весьма заметной активностью. Они взрываются и сталкиваются, вытягивая из тел своих сестер длиннющие струи газа и звездного вещества, или, наоборот, сливаются в тесных объятиях наподобие половых клеток под микроскопом. Некоторые из них излучают в радиодиапазоне и выбрасывают из своих активных ядер мощные джеты протяженностью в несколько тысяч световых лет. Хрестоматийный пример – радиогалактика Лебедь А. В оптических лучах она представляет собой объект 17-й звездной величины в виде двух еле заметных пятнышек. Но это впечатление обманчиво, потому что в действительности их светимость в 10 раз больше, чем у нашей Галактики. Слабой же эта система кажется только лишь потому, что удалена от нас на 600 миллионов световых лет. Однако, несмотря на столь внушительное расстояние, поток радиоизлучения в метровом диапазоне от Лебедя А исключительно велик и временами превышает солнечное радиоизлучение. А ведь расстояние от Земли до Солнца составляет всего-навсего 8 световых минут...

Взаимодействие галактик сплошь и рядом радикально меняет их структуру. Например, две спиральные галактики могут слиться воедино, породив эллиптическую, а большие галактики, не поморщившись, запросто проглатывают маленькие, увеличивая тем самым свой размер. Наша Галактика – тоже далеко не вегетарианец. Астрофизики полагают, что она образовалась в результате слияния нескольких сравнительно небольших галактик, да и сегодня Млечный Путь держит ухо востро, пытаясь всеми правдами и неправдами присоединить восемь карликовых галактик, находящихся в его ближайшем окружении. А через 2–3 миллиарда лет ему суждено побрататься с галактикой Андромеды, которая находится на расстоянии двух с половиной миллионов световых лет и летит в нашу сторону со скоростью 120 километров в секунду.

О Местной группе, куда входит наш Млечный Путь вместе с галактикой Андромеды, галактикой в Треугольнике и четырьмя десятками галактик помельче, мы уже писали. Эта гравитационно связанная система, имеющая в поперечнике примерно 1 Мпк (мегапарсек, миллион парсек), является, в свою очередь, частью локального сверхскопления в созвездии Девы, которое отстоит от нас на 15 Мпк. Между тем в Деве располагается только ядро локального сверхскопления, само же оно, по осторожным оценкам, протянулось на 30 Мпк (по другим данным – на 60), а его толщина составляет не менее 10 Мпк. Локальное сверхскопление имеет форму эллипсоида, а число галактик, в нем содержащихся, приблизительно оценивается в 20 тысяч. В последние годы открыто несколько десятков сверхскоплений. Некоторые их них поражают своими размерами, как, например, гигантская цепь галактик, протянувшаяся от созвездия Персея до Пегаса и Рыбы почти на 400 Мпк (больше миллиарда световых лет). Это уже не привычный эллипсоид, а скорее бусы, нанизанные на ветвящуюся нить. В иерархии метагалактических структур подобные конгломераты занимают почетное первое место.

Сказанное не означает, что тезис Фридмана об изотропности и однородности Вселенной оказался несостоятельным. Несмотря на вереницы галактик, вдоль и поперек переслаивающих Большой Космос, в объемах протяженностью в сотни мегапарсек пространство наблюдаемой Вселенной все равно не имеет выделенных направлений. И только при уменьшении масштаба удается разглядеть ячеистые структуры, где плотные участки чередуются с гигантскими пустотами. Послушаем специалистов:

Другими словами, наш мир непрерывно эволюционирует. Наблюдения однозначно свидетельствуют, что ячеистая структура все время деформируется: «мосты», переброшенные между сверхскоплениями, худеют и растягиваются, а стенки ячеек мало-помалу истаивают и медленно расползаются. Вселенная предельно нестационарна, она вся – рост и становление, и об этой ее динамике, обнаруженной почти 100 лет назад, пришло время поговорить. Но сначала – несколько слов о квазарах.

Это слово – транслитерация английского термина quasar, который, в свою очередь, представляет собой аббревиатуру термина quasi-stellar radio source, что переводится как «звездоподобный радиоисточник». Первый квазар был открыт в 1963 году американским радиоастрономом голландского происхождения Мартином Шмидтом. Точнее говоря, обнаружен он был тремя годами раньше и значился в 3-м Кембриджском каталоге под номером ЗС 273 в виде слабой звездочки 13-й величины в созвездии Девы, а Шмидт первым обратил внимание на удивительные особенности его спектра. Эмиссионные линии в спектре звезды ЗС 273 поначалу никак не удавалось отождествить с линиями известных химических элементов. В конце концов Шмидт сообразил, что это вовсе не какой-то новый элемент, неведомый современной физике, а линии самых обычных химических элементов, которые настолько сильно смещены к красному концу спектра, что изменились до полной неузнаваемости. Изрядно поломав голову, Шмидт сумел идентифицировать линии водорода, ионизованного магния и некоторых других элементов.

Но если величина красного смещения столь велика, то это означает, что загадочный объект удаляется от нас с фантастической скоростью – более 40 тысяч километров в секунду. В таком случае расстояние до него должно быть никак не меньше 620 Мпк, то есть почти 2 миллиарда световых лет. (По красному смещению определяют степень удаленности астрономических объектов; речь об этом пойдет чуть ниже.) На галактику ЗС 273 похож не был, но увидеть на таком расстоянии отдельную звезду, как бы ярко она ни светила, в принципе невозможно! После того как были обнаружены еще несколько подобных объектов, ярко сиявших в видимом и радиодиапазоне электромагнитных волн, их назвали квазарами – звездо-подобными источниками интенсивного радиоизлучения. В наши дни известно уже свыше 20 тысяч квазаров, многие из которых ярко светят едва ли не на всех длинах электромагнитных волн – от рентгеновского до радиодиапазона.

Другая характерная черта квазаров – переменность их блеска с периодом несколько месяцев, что говорит о чрезвычайной компактности этих объектов. Если бы они представляли собой огромные звездные острова наподобие галактик, то их блеск ни в коем случае не мог бы меняться периодически, ибо синхронизировать «работу» миллиардов звезд принципиально невозможно. Следовательно, квазары – это сплошные небесные тела, какими, например, являются звезды. Синхронность перемен указывает также и на то, что их поперечник не может быть больше одного светового года. Вырисовывается весьма странная картина: объект уступает по размерам галактике в сотни тысяч раз, а светит при этом как добрая сотня галактик. И хотя их размеры, по всей вероятности, заметно превосходят диаметр Солнечной системы, по космическим меркам это все равно ничтожно мало. Кстати, в радиодиапазоне излучает не более 1 % квазаров, а в спектрах многих из них, как уже говорилось, можно обнаружить не только рентгеновские лучи, но и жесткие гамма-кванты. Все квазары – очень древние образования и расположены чрезвычайно далеко, на расстояниях в сотни миллионов и даже миллиарды световых лет, а возраст самых ветхих вполне сопоставим с возрастом Вселенной и достигает 13 миллиардов лет.

Каков же источник столь мощного электромагнитного излучения, причем на всех длинах волн сразу? Большинство специалистов сходятся на том, что квазары представляют собой сверхмассивные черные дыры, которые жадно поглощают вещество из окружающей среды. Заряженные частицы, захваченные гравитацией черной дыры, разгоняются до больших скоростей, что приводит к интенсивному электромагнитному излучению. Вещество падает на поверхность черной дыры по суживающейся спирали, формируя аккреционный диск, внутри которого скорость частиц, разогнанных полем тяготения, приближается к скорости света, а температура в центральной части диска достигает 100 тысяч градусов по Кельвину. По направлению к периферии диска температура падает, поэтому квазар одновременно излучает в широчайшем диапазоне электромагнитных волн – от инфракрасного излучения и видимого света до коротковолновых рентгеновских фотонов и жестких гамма-квантов. Мощное магнитное поле захватывает заряженные частицы и дополнительно их закручивает, формируя джеты – узконаправленные пучки, своего рода фонтаны, которые вылетают с полюсов с околосветовой скоростью и простираются на сотни тысяч световых лет. Взаимодействуя с межзвездным газом, частицы джетов становятся источником радиоволн.

В эпоху квазаров полным ходом шел процесс рождения галактик, поэтому материала вокруг было вдоволь. Сверхмассивные черные дыры питались в ту пору отменно, а потому и светились исключительно ярко. Однако через некоторое время им пришлось подтянуть ремешки и сесть на диету. Таким образом, квазары можно рассматривать как определенный этап в жизни сверхмассивных черных дыр: недаром их, как правило, обнаруживают на расстояниях в тысячи мегапарсек, у самых границ наблюдаемой Вселенной. Не следует забывать, что свет от самых далеких квазаров летел к земному наблюдателю многие миллиарды лет, поэтому мы видим их такими, какими они были в ранней юности. Надо полагать, что сегодня они уже давным-давно поумерили свои аппетиты и мирно живут в ядрах спокойных галактик. Но подобное соображение имеет и обратную силу, поэтому следует повнимательнее присмотреться к нашему ближайшему окружению – ведь Вселенная, как известно, изотропна и однородна. Глядишь, и найдутся неподалеку остывшие квазары-призраки, севшие на голодный паек. Между прочим, такие объекты действительно существуют – вспомните о сверхмассивных черных дырах в ядрах галактик.

Чтобы вы, читатель, могли себе представить запас жизненных сил юных квазаров, процитируем профессора Московского инженерно-физического института (МИФИ) С. Г. Рубина.

Поставим на этой мажорной ноте точку и перейдем к обсуждению вопросов, связанных с эволюцией Вселенной.

Сэр Исаак Ньютон, сформулировавший закон всемирного тяготения, полагал Вселенную однородной, бесконечной в пространстве и неизменной во времени (стационарной). Космос детерминистов представлял собой великолепно отлаженный и безукоризненно функционирующий часовой механизм, где равномерное кружение светил подчиняется строгим математическим законам. Модель стационарной Вселенной казалась простой, логичной, внутренне непротиворечивой, а потому благополучно дожила до начала XX века. Пространство, в котором совершался ход миров, мыслилось евклидовым, то есть плоским. О геометрических кунштюках нам предстоит отдельный разговор в последующих главах, здесь же напомню вам, читатель, что такое плоское пространство. В пространстве Евклида через точку, лежащую вне прямой, можно провести одну и только одну прямую, параллельную данной (знаменитый пятый постулат), а сумма углов треугольника равна 180 градусам. Это самое обычное пространство, с которым нам приходится сталкиваться ежедневно. Относительно возраста Вселенной единства в товарищах не было: одни полагали мир сотворенным в непостижимом демиургическом акте, а другие думали, что он существует вечно. Одним словом, просвещенная публика на рубеже веков обитала в бескрайней стационарной Вселенной, существующей неограниченно долго.

Однако бесконечность – пугает. Рассудок пасует перед подобными категориями, ибо они не только лишены наглядности, но и грешат многочисленными неувязками. Конечно, всегда можно слепить подходящую метафору, и тогда все вроде бы встанет на свои места. Была, скажем, такая красивая восточная притча: «Далеко-далеко на краю света высится огромная алмазная гора, достающая своей вершиной до самого неба. Раз в тысячу лет на вершину этой горы садится маленькая птичка, чтобы поточить клюв. Когда птичка сточит гору до основания, пройдет одно мгновение вечности». Кто спорит, сказано изящно и со вкусом, но на самом деле это всего лишь иллюзия понимания. Понятно, что рано или поздно птичка доберется до основания горы, хотя ей придется затратить очень много времени и сил. Так что невообразимость вечности никуда не делась, она просто отодвинулась в несусветную даль.

Притчи притчами, но у модели стационарной Вселенной, бесконечной во времени и пространстве, есть куда более серьезные недостатки. Если бы дело ограничивалось только психологической неприемлемостью категории бесконечного, на подобную мелочь можно было бы спокойно закрыть глаза. Беда в том, что постулат о Вселенной, существующей неограниченно долго, наталкивается на неразрешимое противоречие. Вечность можно уподобить геометрической прямой, которая простирается в обе стороны – и в прошлое, и в будущее. Другими словами, она не имеет ни начала, ни конца. Но в таком случае в любой произвольно выбранный момент времени (например, сегодня) Вселенная уже существует бесконечно долго. Следовательно, все процессы, в ней происходящие, должны давным-давно завершиться и Вселенная обязана пребывать в состоянии некоего абсолютного равновесия. Однако астрономические наблюдения неопровержимо свидетельствуют, что мир все время эволюционирует, причем эволюционирует достаточно быстро. Когда мы смотрим в телескоп, мы заглядываем в далекое прошлое Вселенной и видим, что 10 миллиардов лет назад она была совсем не такой, как сегодня. Скажите на милость, откуда взяться эволюции, если у нас за спиной неисчислимое количество лет? Мы уже не говорим о том, что вечность по определению не может быть исчерпана – на то она и вечность. Тогда как же она умудрилась доползти до наших дней?

Не лучше обстоит дело и с бесконечностью в пространстве. В 1823 году немецкий астроном Генрих Ольберс опубликовал работу с критикой модели бесконечной стационарной Вселенной. Он рассуждал следующим образом. Сначала сформулируем три предпосылки: 1) протяженность Вселенной бесконечна; 2) число звезд тоже бесконечно, и они равномерно распределены в пространстве; 3) все звезды имеют в среднем одинаковую светимость. Ну что же, вполне разумные предпосылки. А теперь посмотрим, что у нас получится. Мысленно поместив Солнечную систему в центр, Ольберс разделил все пространство за ее пределами на ряд концентрических слоев, или сфер. Вселенная стала напоминать луковицу. Пусть слой В лежит втрое дальше слоя А. Тогда объем слоя В будет в 9 раз больше, чем объем слоя А (З2= 9), так как объемы слоев возрастают пропорционально квадрату расстояния каждого слоя от центра. Если звезды равномерно «размазаны» по всем слоям (предпосылка 2), то слой В, чей объем в 9 раз больше объема слоя А, будет содержать в девять раз больше звезд. С другой стороны, светимость отдельных звезд убывает пропорционально квадрату расстояния, из чего следует, что яркость каждой звезды слоя В при условии их равной светимости (предпосылка 3) составит (1/3)2= 1/9 яркости отдельной звезды слоя А. Но ведь звезд в слое В при этом ровно в 9 раз больше! Другими словами, светимость слоев А и В будет совершенно идентичной, и Солнечная система получит от этих слоев равное количество света.

Та же самая картина справедлива и для всех других слоев, а поскольку их количество бесконечно (предпосылка 1), то небосвод должен сиять нестерпимым блеском даже ночью. Небо превратится в одно сплошное гигантское Солнце, чего в действительности не наблюдается.

Ольберс предположил, что свет, идущий к нам от далеких звезд, ослабевает из-за поглощения в пылевых облаках, расположенных на его пути. Однако этот контраргумент тоже несостоятелен, поскольку облака должны постепенно нагреться и со временем начать светиться столь же ярко, как и сами звезды. Единственная возможность разрешить парадокс Ольберса (его еще называют фотометрическим парадоксом) состоит в допущении, что число звезд выражается конечной величиной.

Другой парадокс, получивший название гравитационного парадокса, или парадокса Зеелигера, базируется на законе всемирного тяготения Ньютона.

Вспомним, читатель, что, согласно этому закону, тела притягиваются друг к другу с силой, прямо пропорциональной произведению их масс и обратно пропорциональной квадрату расстояния между ними. А поскольку звезды не распределены строго равномерно на фиксированных расстояниях друг от друга, то перепады плотности среди звездного населения неминуемо приведут к тому, что они рано или поздно соберутся в кучу. Между прочим, этот вывод справедлив и для конечной стационарной Вселенной. Правда, сам Ньютон полагал, что концепция бесконечной Вселенной позволяет избежать этого парадокса, потому что бесконечное число звезд, распределенных более или менее равномерно, никогда не стянется в точку, так как в бесконечном пространстве нет выделенного центра. Сохранилось даже его письмо к Ричарду Бентли на эту тему.

Разумеется, сэр Исаак заблуждался, о чем хорошо написал его земляк Стивен Хокинг в книге «Краткая история времени»:

Таким образом, стационарная модель бесконечной Вселенной оказалась неработоспособной, потому что не соответствовала наблюдательным данным. Но если Вселенная имеет конечные размеры, немедленно возникает сакраментальный вопрос: а что же находится за ее краем? Выход из положения нашел великий немецкий физик Альберт Эйнштейн, когда в 1915 году опубликовал теорию, которая сегодня называется общей теорией относительности (ОТО). Он предположил, что связующим звеном между гравитацией и пространством-временем является геометрия. Это была подлинная революция в физике: в рамках общей теории относительности пространство-время мыслилось не плоским, как считали испокон веков, но искривленным под влиянием распределенных в нем масс и энергий. Это легко понять из простой аналогии. Материальные тела искривляют пространство-время, подобно тому как увесистый шарик вызывает прогиб растянутой пленки или резинового листа. На такой искривленной поверхности шарик номер два меньшей массы уже не сможет двигаться прямолинейно и равномерно: он либо скатится в ямку, образованную тяжелым шариком (притянется к нему), либо изменит траекторию своего движения. Подобным образом обстоит дело и с небесными телами: например, орбитальное движение Земли обусловлено вовсе не гравитационным притяжением Солнца, но особенностями метрики пространства-времени. Кратчайшим расстоянием между двумя точками в искривленном пространстве будет не прямая, а так называемая геодезическая, более всего соответствующая прямой линии в обычном плоском пространстве Евклида. Таким образом, гравитация в общей теории относительности рассматривается как следствие искривления пространства-времени, а материя не вложена в пустой ящик, где время и пространство живут самостоятельно, но образует с ними неразрывное единство. Если из Вселенной вынуть всю материю, времени и пространства тоже не будет.

С геодезической линией наверняка сталкивался каждый. Когда авиалайнер совершает длительный перелет (например, из Москвы во Владивосток), то диспетчер задает пилотам маршрут, который пролегает отнюдь не по прямой, а по дуге большого круга, которая как раз и будет геодезической линией. Таким образом, выход из логического тупика был найден. Хотя Вселенная конечна, но в то же самое время безгранична, подобно тому как не имеет границ поверхность сферы. Разумеется, наглядно вообразить это нелегко, но можно прибегнуть к двумерной аналогии. Если на поверхности сферы живут гипотетические плоские существа, не подозревающие о третьем измерении, то они никогда не обнаружат края своей Вселенной, хотя она имеет вполне конечные размеры. Поверхность сферы описывается геометрией Бернгарда Римана, в которой параллельные линии пересекаются, а сумма углов треугольника больше 180 градусов. Кривизна пространства зависит от средней плотности материи во Вселенной. При некоторой критической величине плотности кривизна становится положительной, и пространство Вселенной замыкается само на себя, образуя четырехмерную гиперсферу, аналогом которой в трех измерениях будет поверхность мяча или детского воздушного шарика. Известный английский физик Джеймс Джине так написал об этом:

О геометрии мира мы будем говорить еще не раз в последующих главах.

Итак, фотометрический парадокс получил прекрасное разрешение. Вселенная Эйнштейна конечна (хотя не имеет границ), поэтому парадокс Ольберса снимается сам собой. Однако, несмотря на прорыв поистине революционного характера в понимании природы пространства и времени, его модель оставалась стационарной, поэтому гравитационный парадокс продолжал висеть над ней дамокловым мечом. Чем бы ни была гравитация по своей сути – взаимодействием тяготеющих тел или проявлением метрики пространства-времени, – материя, заполняющая конечный объем, должна неминуемо стянуться в точку. Чтобы спасти свою теорию, Эйнштейн был вынужден ввести в уравнения так называемый лямбда-член – космологическую постоянную, которая противостояла силам всемирного тяготения, эффективно «расталкивая» материю. Эта загадочная сила не порождалась каким-либо источником, но была встроена, вморожена в саму структуру пространства-времени. По Эйнштейну, универсальная сила отталкивания в точности уравновешивает притяжение всей остальной материи. Надо сказать, что Эйнштейн свою лямбду терпеть не мог, прекрасно понимая, что она есть не что иное, как бог из машины, гипотеза ad hoc (для данного случая), и впоследствии называл введение космологической постоянной самой большой ошибкой своей жизни. И действительно, очень скоро от нее пришлось отказаться. Впрочем, расставание с противной лямбдой прошло вполне безболезненно.

Стационарная модель Эйнштейна просуществовала недолго. Петроградский математик А. А. Фридман в 1922–1924 годах убедительно показал, что уравнения общей теории относительности допускают, по крайней мере, несколько нестационарных решений. Впоследствии выяснилось, что неподвижная статическая модель Эйнштейна неизбежно переходит в нестационарную, то есть Вселенная должна либо расширяться, либо сжиматься. Справедливости ради следует отметить, что за несколько лет до Фридмана, в 1917 году, голландский астроном Биллем де Ситтер тоже предложил динамическую модель расширяющейся Вселенной, но он работал с идеальным пустым пространством, тогда как Фридман крутил-вертел реальную модель, наполненную веществом. Об идеях Ситтера (весьма плодотворных и намного обогнавших свое время) я расскажу чуть позже.

Фридман предположил, что мир в целом представляет собой не только однородную, но и изотропную среду, то есть такую, в которой отсутствуют выделенные направления. Это был весьма прозорливый тезис, потому что в действительности дело обстоит именно таким образом. Группы и скопления галактик действительно создают чувствительные неоднородности, но только на относительно близких расстояниях. Если же разом поменять масштаб и выделить в объеме наблюдаемой части Вселенной (помним: ее принято называть Метагалактикой) куб со стороной порядка 300 – 1000 Мпк (мегапарсек), то мы увидим, что крупномасштабная структура Вселенной отличается высокой степенью однородности и изотропности. Теория Фридмана гласит, что статика неминуемо сменяется динамикой, причем динамикой вполне определенного свойства – галактики и скопления галактик не имеют права находиться в покое, но должны разлетаться со скоростью, прямо пропорциональной расстоянию между ними. В этом заключается существенное отличие модели Фридмана от сценария Ситтера: в выкладках голландского астронома Вселенная расширяется экспоненциально, то есть с ускорением.

Решение Фридмана сначала было принято в штыки (в том числе и самим Эйнштейном), но великий физик быстро пересмотрел свою точку зрения. Вот что мы читаем в статье Альберта Эйнштейна, опубликованной в 1923 году:

Редкое письмо, из которого замечательно видно, кто есть ху. Физик номер один не постеснялся публично признать свою ошибку, из чего следует, что он не рассматривал свои знаменитые уравнения как истину в последней инстанции вроде ветхозаветного декалога (десять заповедей, полученные Моисеем на горе Синай из рук в руки от творца всего сущего).

Решение Фридмана означало, что Вселенная не только конечна в пространстве, но и имела начало во времени. Начало мира должно лежать в особой точке – сингулярности (от латинского singularis – «особый, отдельный»), где кривизна пространства-времени становится бесконечной, а сами понятия времени и пространства утрачивают всякий смысл. Материя, стиснутая в точке с нулевой размерностью, должна иметь бесконечно большую плотность и температуру. Задаваться вопросом о том, что было раньше, что предшествовало сингулярности, не имеет никакого смысла, ибо никакого «раньше» просто-напросто не существовало. События, которые мы наблюдаем сегодня, никак не соотносятся с тем, что имело место до Большого взрыва, когда Вселенная в одночасье выпорхнула из небытия. Как удачно выразился когда-то известный отечественный космолог Я. Б. Зельдович, «было время, когда времени не было». Поэтому мы имеем полное право воспользоваться знаменитой «бритвой Оккама» (не следует умножать число сущностей сверх необходимости), дабы отсечь неподобающие вопросы. До момента «ноль» (сиречь Большого взрыва) не было ни времени, ни пространства. Отчасти это напоминает языческую космогонию древних, когда неподвижная вечность трансформируется в бойкое историческое время.

Нестационарные решения Фридмана предполагают три варианта развития событий. Первый вариант: кривизна пространства нулевая (средняя плотность материи Вселенной в точности равна критической плотности), то есть трехмерное евклидово пространство, аналог которого – плоскость, расширяется неограниченно. Второй вариант: пространство имеет положительную кривизну (средняя плотность материи превышает критическую плотность), поэтому мир представляет собой конечную по объему, но безграничную гиперсферу, раздувающуюся наподобие детского воздушного шарика или мыльного пузыря. Поскольку плотность вещества выше критической, рано или поздно расширение прекратится и сменится сжатием (разлет вещества остановят силы гравитации). Третий вариант: кривизна пространства отрицательная (средняя плотность материи меньше критической плотности), поэтому, как и в первом варианте, мир расширяется неограниченно, только его форма не плоская, а представляет собой псевдосферу или гиперболоид, аналогом которых в двух измерениях является поверхность седла. Такая Вселенная описывается геометрией Лобачевского, где сумма углов треугольника меньше 180 градусов, а через точку, лежащую вне прямой, можно провести сколько угодно прямых, параллельных данной.

Весьма любопытно, что теоретические выкладки Фридмана и Ситтера пришлись на то время, когда наблюдательная астрономия мало-помалу накапливала данные о том, что наша Вселенная, вопреки модели Эйнштейна, отнюдь не стационарна, а непрерывно эволюционирует. Все началось с того, что американский астроном Вестон Слайфер на протяжении 10 лет (начиная с 1912 года) терпеливо фотографировал спектры внегалактических туманностей. В ту пору еще никто не знал, что в действительности они представляют собой гигантские звездные острова наподобие нашей Галактики и лежат невообразимо далеко от Млечного Пути. Слайфер задался целью вычислить их лучевые скорости, то есть установить, приближаются они к нашей Галактике или, наоборот, удаляются от нее. В своих расчетах он опирался на давным-давно известный эффект Доплера, который, полагаю, вам, читатель, знаком не так хорошо, как американскому астроному. Посему сделаю небольшое отступление.

Австрийский физик Кристиан Доплер открыл эффект, названный впоследствии его именем, очень давно – еще в 1842 году. Наверное, его можно было обнаружить и раньше, но так уж устроен человек – сплошь и рядом мы смотрим, но не видим. Психологи утверждают, что всему виной специфика нашего восприятия, которая предпочитает отталкиваться от хорошо знакомых вещей и откровенно игнорирует все непривычное. За деревьями человек не видит леса. Как бы там ни было, но рассказывают, что Клод Моне, один из основоположников импрессионизма, был первым художником, обратившим внимание на знаменитый лондонский туман. Поколения британцев даже не подозревали, что в их британской атмосфере, перенасыщенной мельчайшими частичками угля, происходит не что совершенно особенное. Но вот явился чужестранец с незамыленным глазом и с ходу написал картину «Мост Ватерлоо (эффект тумана)», которая буквально перепахала надменных островитян.

С эффектом Доплера дело обстоит в точности так же. Если мимо вас по шоссе проносится машина с включенной сиреной, то по мере ее приближения тон сигнала звучит все выше, но стоит ей с вами поравняться, как звук сразу же падает на целую октаву и затем (по мере удаления) становится все более басовитым. То же самое можно наблюдать на станционной платформе: гудок приближающейся электрички упорно лезет вверх, но когда она пролетает мимо, тон гудка скачкообразно меняется с высокого на низкий. Суть эффекта лежит на поверхности, ибо звук – это чередование сжатий и разрежений воздуха, а расстояние от одной области сжатия до другой есть не что иное, как длина волны. Чем больше длина волны, тем ниже звук, а чем волна короче, тем звуковой тон выше. Если источник звука (в данном случае – электричка) движется по направлению к вам, то на единицу длины приходится большее число волн – волновой «частокол» становится более тесным. Если же источник удаляется, то картина оказывается прямо противоположной – длина волны начинает расти. Таким образом, длина волны, испускаемой источником, зависит не только от свойств источника, но и от его скорости.

Свет, как и звук, тоже имеет волновую природу и представляет собой колебания (или волны) электромагнитного поля. Интервал частот, воспринимаемых человеческим глазом (видимая область спектра), лежит между красным светом с длиной волны 740 нм (нанометров, или миллиардных долей метра) и фиолетовым светом с длиной волны 400 нм. Длинноволновое инфракрасное излучение мы воспринимаем как тепло, распространяющееся от нагретых тел, а наибольшей длиной волны обладают радиоволны, лежащие в крайней правой части электромагнитного спектра. Область коротких волн представлена ультрафиолетовым, рентгеновским и гамма-излучением (по мере уменьшения длины волны). Таким образом, и гамма-лучи, и видимый свет, и радиоволны являются по своей физической природе электромагнитным излучением и различаются между собой только лишь длиной волны, или частотой колебаний в секунду. Чем выше частота колебаний, тем меньше длина волны, и наоборот.

В оптическом диапазоне наибольшую длину волны имеет красный свет, следом идут оранжевый, желтый, зеленый, голубой, синий и фиолетовый – самый коротковолновый в видимой области спектра. Если источник света движется по направлению к нам, то расстояние между гребнями следующих друг за другом волн уменьшится, а частота колебаний соответственно возрастет. В результате все линии сместятся к фиолетовому концу спектра на одну и ту же величину. Можно сказать, что свет приближающейся к нам звезды немного поголубеет. При удалении объекта от наблюдателя возникает противоположная картина: интервал между гребнями волн увеличивается, а частота колебаний падает. Линии смещаются в красную часть спектра, и свет улетающей звезды приобретает красноватый оттенок. Таким образом, в первом случае мы имеем фиолетовое смещение, а во втором – красное. Величину смещения сравнивают с положением линий в спектре неподвижного источника.

Вестон Слайфер проанализировал спектры 40 галактик и пришел к выводу, что большая их часть от нас удаляется, причем с очень большими скоростями – порядка сотен и даже тысяч километров в секунду. Этот факт его весьма заинтриговал, поскольку куда естественнее было бы обнаружить хаотичный разброс в направлении их скоростей. Если вы 40 раз подбросите монету, крайне маловероятно, что она 35 раз подряд упадет орлом вверх. Такие фокусы просто-напросто запрещены теорией вероятностей. И чем больше измерений проводил Слайфер, тем более странная складывалась картина, ибо величина красного смещения раз от раза росла. Положение усугублялось тем, что американский астроном, как мы помним, понятия не имел о внегалактической природе своих объектов: он считал их туманностями, расположенными в нашей Галактике.

Когда в середине 20-х годов прошлого века удалось доказать, что туманности Слайфера в действительности не что иное, как огромные звездные острова, лежащие далеко за пределами Млечного Пути, дышать стало полегче. Коль скоро у объекта обнаруживаются сразу два необычных свойства – аномальная скорость и нетипичное местоположение, – можно рассчитывать, что между ними существует какая-то связь. Работу Слайфера продолжили другие астрономы, и через короткое время у них в руках уже был внушительный список внегалактических туманностей с различными показателями красного смещения. Впервые удача улыбнулась в 1929 году нашему старому знакомцу Эдвину Хабблу, который вообще-то был юристом по образованию, а астрономией увлекся позже. Сравнивая между собой скорости галактик, он обнаружил простую закономерность: чем дальше та или иная галактика расположена, тем быстрее она от нас удаляется. Другими словами, скорости галактик прямо пропорциональны их расстоянию от земного наблюдателя, что выражается соотношением v = Нr где v – скорость удаления, r – расстояние от галактики до Земли, а Н – коэффициент пропорциональности, впоследствии получивший название постоянной Хаббла по первой букве его фамилии (Hubble).

Надо сказать, что Хабблу крупно повезло. Свой закон он вывел из наблюдения за галактиками, отстоящими от нас всего на 1–2 миллиона парсек (мегапарсек, или Мпк), тогда как сегодня известно, что на таких сравнительно небольших расстояниях его закон работает, мягко говоря, неважно, поскольку близкие галактики «повязаны» силами гравитации. Предположив, что самые яркие звезды других галактик (сверхновые и новые) имеют примерно одинаковую светимость, он сравнивал их усредненную абсолютную звездную величину с видимым блеском и в результате получил очень большую величину коэффициента – порядка 400–500 километров в секунду на мегапарсек. Вдобавок в то время расстояния до ближайших галактик были вычислены очень неточно: когда в середине прошлого века пересмотрели шкалу межгалактических расстояний, ближайшие галактики пришлось отодвинуть вдвое дальше, а самые далекие увеличили свой «отрыв» в 6–7 раз. Стоит ли после этого удивляться, что Хаббл ошибся в своих расчетах почти на порядок? Сегодняшнее значение его постоянной, вычисленное на основе современных методик и с помощью весьма чувствительной аппаратуры вроде орбитального зонда Уилкинсона, составляет 71 километр в секунду на мегапарсек.

Следует иметь в виду, что галактики движутся хаотически, в самых разных направлениях, в том числе и поперек луча зрения. Понятно, что такие собственные их скорости, получившие название пекулярных, не должны приниматься во внимание. Закон Хаббла работает только с радиальными скоростями, усредненными по большому числу галактик, находящихся на одинаковом расстоянии от нас. Именно по этой причине он практически не годится для близких галактик, так как их лучевые скорости сравнительно невелики. Поэтому необходимо отделить скорость, обусловленную хаббловским удалением, от индивидуальной (пекулярной) лучевой скорости, которая может быть весьма значительной. Например, Местная группа летит как единое целое в сторону скопления Центавра со скоростью свыше 600 километров в секунду. А вот чем дальше находится та или иная галактика, тем больше ее хаббловская лучевая скорость и тем меньший вклад в ее значение вносит индивидуальная скорость галактики. Таким образом, надежнее всего закон Хаббла выполняется на расстояниях свыше 200 Мпк (200 миллионов парсек), а для определения расстояний до близких галактик лучше пользоваться цефеидной шкалой.

Казалось бы, самые точные значения расстояний закон Хаббла должен давать для самых далеких галактик, однако это не совсем так. Дело в том, что величина красного смещения у далеких объектов настолько значительна, что при расчетах дает скорость удаления, превышающую скорость света. Поэтому в расчет скоростей наиболее удаленных объектов (например, квазаров) нужно вносить поправки, предусмотренные специальной теорией относительности, и тогда формула приобретает более сложный вид (мы ее приводить не станем). Постоянная Хаббла – фундаментальная константа, и важность ее дальнейшего уточнения очевидна, поскольку она теснейшим образом связана с возрастом нашей Вселенной. Если мысленно «прокрутить» движение галактик вспять, мы придем к такому моменту, когда расстояние между ними было ничтожно малым. Вся материя стянется в точку, и Вселенная прекратит свое существование в нынешнем виде. Собственно говоря, исследования Хаббла вместе с работами Фридмана, Ситтера и других теоретиков послужили отправной точкой для создания модели Большого взрыва, согласно которой у нашего мира было начало во времени. По современным данным, возраст Вселенной оценивается в 13,7 миллиарда лет.

Между прочим, из хаббловского закона проистекает любопытное соображение мировоззренческого характера. Поскольку скорость света – максимальная из всех возможных скоростей, должны существовать объекты, удаленные от нас настолько далеко, что свет, ими испущенный, никогда не достигнет земного наблюдателя. Другими словами, у астрономических наблюдений на волнах любой длины имеется некий физический предел, за который проникнуть в принципе невозможно. Неумолимые законы природы очерчивают доступную нашим приборам область идеально пустой, но непреодолимой границей, поэтому совершенно бессмысленно спрашивать, есть за роковым рубежом какие-либо объекты или их там нет. Мы их все равно никогда не увидим, ибо горизонт событий – очень важное понятие в космологии – отсекает родное «наше» от проклятого мира чистогана куда надежней железного занавеса советских времен. «Там, под облаками, – вечность», – говорил герой Сент-Экзюпери, пролетая за штурвалом ветхой этажерки над слоем сплошной облачности, под которым громоздились скалистые ребра Пиренейских гор.

Величины красного смещения, измеренные у далеких галактик и квазаров, давали настолько высокие скорости, что впору было усомниться в справедливости закона Хаббла. В 1928 году измерили лучевую скорость галактики NGC 7619 и получили результат порядка 3800 километров в секунду, а к началу 60-х годов прошлого века были обнаружены объекты, скорость которых достигала 40 тысяч километров в секунду, то есть больше 1/8 скорости света. Именно с такой скоростью удаляется от нас квазар ЗС 273, открытый в 1960 году. Но это были еще цветочки, потому что уже очень скоро, в 1965-м, нашли квазары с величиной z = 3,5 (величина z характеризует красное смещение спектральных линий). Это была чудовищная, фантастическая величина, ибо красное смещение первых квазаров не превышало 0,36 и всегда было меньше единицы. В спектрах таких квазаров наблюдаются далекие ультрафиолетовые линии, съехавшие в видимую часть спектра из-за огромного красного смещения. Если бы не феномен красного смещения, они бы никогда не обнаруживались, поскольку земная атмосфера полностью поглощает ультрафиолетовые лучи. Голландский радиоастроном Мартин Шмидт, работавший в Калифорнии и отыскавший этот уникальный квазар, вычислил, что его скорость составляет 81 % скорости света (примерно 243 тысячи километров в секунду). Со временем счет подобных объектов пошел на сотни. Самый далекий на сегодняшний день квазар найден при величине z = 6,43, из чего следует, что скорость его удаления вплотную приближается к скорости света и равняется 288 тысячам километров в секунду. Расстояние до этого квазара составляет 13 миллиардов световых лет, возраст Вселенной на момент излучения им света был равен 880 миллионам лет (в наши дни – около 14 миллиардов лет), а ее размер в ту пору не превышал 0,14 от современного. Но каким образом гигантские объекты, сопоставимые по массе с нашей Галактикой, могут перемещаться с такими фантастическими скоростями? Какая сила придает им столь невероятное ускорение? Чтобы ответить на эти вопросы, надо разобраться с физической природой красного смещения.

После того как Эдвин Хаббл сформулировал свой закон, от стационарной модели пришлось отказаться раз и навсегда. Стало ясно, что Вселенная представляет собой сложную динамическую структуру, которая непрерывно эволюционирует. Галактики разбегаются, как тараканы, когда посреди ночи зажжешь свет на кухне, причем скорость их удаления растет пропорционально расстоянию, на котором эти галактики от нас находятся. Если какая-то галактика расположена вдвое дальше от нас, чем другая, то и двигаться она будет в два раза быстрее. Кстати, следует иметь в виду, что разбегаются не звезды и даже не отдельные галактики, а скопления галактик. Скажем, галактики, входящие в состав Местной группы, расставаться друг с другом не спешат. Более того, многие из них наоборот сближаются, как, например, галактика Андромеды и наш Млечный Путь, которые летят на встречных курсах со скоростью 120 километров в секунду. Дело в том, что расширение Вселенной как целого не сказывается (если говорить совсем строго – практически не сказывается) на движении объектов, связанных силами гравитации в единую систему. Местная группа как раз является такой гравитационно устойчивой системой.

Но если скорость разбегания далеких галактик прямо пропорциональна расстоянию до них и подобная картина удручающе однообразна, в какую сторону ни посмотри, возникает резонный вопрос: не находимся ли мы в таком случае в центре Вселенной? Если Солнечной системе в этом смысле откровенно не повезло (как известно, она прозябает на задворках Млечного Пути), тогда, быть может, хотя бы наша Галактика является центром мироздания? Такой вывод наверняка многим согрел бы душу, потому что антропоцентризм сидит у нас в печенках. Увы, придется вас, читатель, разочаровать: первая особенность глобального расширения Вселенной как раз в том и заключается, что оно не имеет выделенного центра. Это понимал еще Фридман, когда предложил на суд почтеннейшей публики свою модель. Он исходил из двух очевидных посылок: во-первых, Вселенная изотропна и однородна на больших расстояниях, а во-вторых, то же самое утверждение справедливо для любой другой ее точки. Иными словами, в какой бы из галактик ни оказался наблюдатель, он всюду увидит удивительную картину расширяющейся Вселенной, а его собственная галактика покажется ему неподвижным центром мира.

Сказанное легко пояснить на примере. Если взять резиновый шнурок с завязанными на нем узелками и растянуть его, предположим, вдвое или втрое, то расстояние между парой соседних узлов увеличится в точно такое же количество раз. Если же выбрать один узелок в качестве точки отсчета, то скорость удаления других узлов будет расти прямо пропорционально расстоянию до них. Можно обратиться и к двумерной модели. Возьмем детский воздушный шарик и нанесем на его поверхность метки. По мере надувания шарика метки станут расползаться в разные стороны, но при этом ни одна из них не будет занимать привилегированного центрального положения, а расстояния между ними начнут расти согласно все тому же пропорциональному закону. Итак, первая особенность расширения заключается в том, что все его субъекты (то есть галактики) совершенно равноправны, а выделенный центр, от которого они разбегаются, отсутствует.

Вторая особенность расширения нам уже знакома. Не только сами галактики (не говоря уже об отдельных звездах или планетах), но даже их скопления представляют собой стабильные системы, повязанные силами гравитации, поэтому расширение Вселенной их не затрагивает. При растягивании резинового шнура расстояния между узелками растут, но вовсе не потому, что они скользят вдоль нити. Все дело только лишь в упругих свойствах резины, а сами узлы бежать никуда не думают.

Отсюда вытекает и третья особенность расширения Вселенной. Его нередко представляют как разбегание галактик в пространстве, что совершенно неверно, поскольку в данном случае отсутствует движение «чего-то в чем-то». Можно сказать, что это распухание самого пространства, хотя и такое утверждение будет всего лишь метафорой, потому что пространство Вселенной не расширяется в некий внешний по отношению к нему объем. Если воспользоваться терминологией Иммануила Канта, это расширение пространства an sich, то есть в себе самом. Вообразить наглядно подобное невозможно, ибо для этого пришлось бы нарисовать замкнутую на себя сферу в четвертом пространственном измерении.

Таким образом, из эпохального открытия Хаббла и работ физиков-теоретиков следовало, что наша Вселенная, по всей вероятности, имеет конечный объем и родилась в некий нуль-пункт времени. Или, если говорить более строго, в точке «ноль» произошло рождение тройни, ибо материя, пространство и время не могут существовать порознь. Остается разобраться, как именно развивались события в этой особой сингулярной точке. Впервые этим вопросом всерьез озаботился бельгийский астроном Жорж Эдуард Леметр, который в 1927 году высказал предположение, что в нуль-пункт времени вещество и энергия будущей Вселенной представляли собой некий сверхплотный сгусток – своего рода «космическое яйцо». В силу неизвестных причин случился катастрофический взрыв, разметавший материю во все стороны, и осколки этого всемирного катаклизма мы наблюдаем до сих пор в виде разбегания галактик. Леметровская модель Вселенной была физической аналогией теоретических выкладок Фридмана или Ситтера, но при этом оказалась проще и понятнее абстрактных построений высоколобых математиков. Поэтому английский астрофизик Артур Стэнли Эддингтон сделался ее рьяным пропагандистом, а через некоторое время ее охотно взял на вооружение и основательно развил американский ученый русского происхождения Георгий Антонович Гамов. С его легкой руки нестационарная модель горячей Вселенной получила название теории Большого взрыва и после неизбежной, но необходимой ретуши остается в большом ходу до сих пор. Гамов предложил свой сценарий в 1948 году вместе с коллегами Альфером и Бете, что говорит о хорошем чувстве юмора Георгия Антоновича, поскольку фамилии Аль-фер, Бете и Гамов удивительно напоминают первые буквы греческого алфавита. Иногда теорию Гамова называют а, Я, у-теорией, на что, по-видимому, он и рассчитывал.

Судя по выкладкам Гамова, температура и плотность внутри космического яйца должны были превосходить все мыслимые пределы, но уже через одну минуту после Большого взрыва температура упала до 109– 1010градусов Кельвина, а протоны и нейтроны, оставшиеся после аннигиляции с антипротонами и антинейтронами (об этом подробнее будет рассказано ниже), начали объединяться в ядра дейтерия, трития, гелия и лития. Этот процесс получил название первичного нуклеосинтеза, и Гамов сумел показать, что наблюдаемое сегодня соотношение водорода и гелия (примерно 75 и 25 % соответственно) возникло в первые же секунды после Большого взрыва. По его расчетам, звезды за все время существования Вселенной не могли «наработать» более 1 % гелия, что совсем не похоже на те 24–25 %, о которых недвусмысленно говорят астрономические наблюдения. Таким образом, теория горячей Вселенной получила еще один дополнительный аргумент в свою пользу.

Все это очень хорошо и даже замечательно, но настало время взять негодяев к ногтю и жестко спросить в духе Михаила Жванецкого: а почему, собственно? Почему не знавшее горя и печали космическое яйцо вдруг сделалось нестабильным и взорвалось? Неужели это такая чуточная эфемерида, которая рассыпается в пыль от малейшего прикосновения? Если же яйцо было все-таки устойчивой структурой, безбедно прожившей многие миллиарды лет, то следует внятно объяснить, какие неведомые силы подвигли бедняжку проделать череду внезапных метаморфоз.

Вопросы, что и говорить, архитрудные, поэтому физики-теоретики предложили в свое время немало моделей, в которых не мытьем, так катаньем пытались свести концы с концами. Вот, например, так называемый гиперболический сценарий: Вселенная изначально представляла собой облако чрезвычайно разреженного газа, который постепенно конденсировался и разогревался под влиянием гравитационных сил. Когда газ стянулся в плотный сгусток, центробежное действие высокой температуры и давления переломило гравитационное сжатие и вещество юной Вселенной брызнуло во все стороны, подобно тому как струя горячего пара вылетает из-под притертой крышки чайника, стоящего на огне. Таким образом, Вселенная начинает свою жизнь почти в абсолютном вакууме, а потом, перешагнув фазу максимальной плотности, вновь возвращается в состояние пустоты. Гиперболическая Вселенная описывается геометрией Римана, а ее радиус кривизны колеблется в широких пределах – от минимума в период сжатия до максимума в период расширения. Она начинается с пустоты и кончается пустотой, а стадия космического яйца оказывается коротким промежуточным этапом на фоне необратимых полярных перемен. Минусом такой модели оказываются необратимые состояния, разнесенные по разным концам временной шкалы.

Гипотеза пульсирующей Вселенной лишена этих недостатков. Она практически совпадает со вторым решением уравнений Фридмана (см. выше) и представляет собой вечный колебательный процесс между состоянием сверхвысокой плотности и фазой максимального расширения. Когда силы всемирного тяготения (при условии, что средняя плотность материи выше критической плотности) остановят разлет галактик, красное смещение поменяется на фиолетовое и галактики вновь устремятся друг к другу в объятия. Химические реакции тоже поменяют свой знак, и тяжелые элементы начнут распадаться на более простые. Другими словами, когда Вселенная опять сожмется в точку, она вновь будет состоять из одного водорода.

Если исходить из современных представлений, Вселенная после своего рождения из сингулярности пережила кратковременный этап сверхбыстрого раздувания – так называемый инфляционный период (речь о нем пойдет в следующей главе). После окончания инфляции она перешла в режим пропорционального хаббловского расширения, каковой переход и воспринимается нами как Большой взрыв. На рубеже этих двух эпох загадочное поле с отрицательным давлением, управляющее не менее загадочной инфляцией, приказало долго жить, а высвободившаяся энергия породила кипящий бульон элементарных частиц, что и разогрело новорожденную Вселенную до запредельных температур.

Однако модели моделями, но все же хотелось бы чего-нибудь более реального, что можно пощупать руками. Красное смещение, бесспорно, о многом заставляет задуматься, но это всего лишь геометрия, к тому же не очень простая для понимания. А вот если бы удалось отыскать некий материальный след горячего начала Вселенной, тогда был бы совсем другой разговор. Г. А. Гамов, автор теории Большого взрыва, еще в конце 40-х годов прошлого века предсказывал, что Вселенная должна быть равномерно заполнена радиоизлучением миллиметрового диапазона с температурой от 25 до 5 градусов Кельвина. Дело оставалось за малым – обнаружить такое излучение.

В 1964 году американские физики Арно Пензиас и Роберт Вильсон, сотрудники лаборатории Белла, испытывали самый чувствительный на тот момент детектор сверхвысокочастотных волн (СВЧ-детектор). Справедливости ради следует сказать, что они не искали некое неведомое радиоизлучение, а занимались отладкой аппаратуры для работы по программе спутниковой связи. Для тестирования была выбрана волна длиной 7,35 сантиметра, на которой не излучал ни один из известных источников. Антенна, имевшаяся в распоряжении Пензиаса и Вильсона, была замечательная, и поэтому они были крайне удивлены, когда обнаружили, что она постоянно фиксирует посторонний радиошум, от которого никак не удавалось избавиться. Этот шум был монотонным и ровным и не зависел ни от направления антенны, ни от времени суток, следовательно, его источник должен располагаться за пределами земной атмосферы. Более того, он не менялся даже в течение года (а ведь Земля летит по орбите вокруг Солнца), из чего следовало заключить, что источник излучения находится не только за пределами Солнечной системы, но и за пределами Галактики, поскольку по мере движения Земли детектор меняет ориентацию в пространстве. По иронии судьбы, два других американца, Роберт Дикке и Джим Пиблс, готовились искать фоновое изотропное излучение с температурой ниже 10 градусов Кельвина вполне целенаправленно, но Пензиас и Вильсон, оперативно сообразив, что к чему, сообщили о своих результатах раньше.

Стивен Хокинг пишет по этому поводу:

Впоследствии микроволновое фоновое излучение удалось зарегистрировать и на других длинах волн – от 0,5 миллиметра до нескольких десятков сантиметров. Итог многолетних наблюдений сводился к тому, что оно имеет тепловую природу и соответствует излучению абсолютно черного тела при температуре 2,7 градуса Кельвина (точное современное значение – 2,725 К). Его спектр не похож на спектр излучения звезд, радиогалактик и других возможных источников, а его интенсивность практически идентична при наблюдении разных участков небесной сферы, то есть оно изотропно и однородно, что и требовалось доказать. Советский астрофизик И. С. Шкловский предложил назвать загадочное излучение «реликтовым», и с тех пор этот термин широко применяется, хотя официальное его название – космический микроволновый фон.

Что же такое реликтовое излучение, и откуда оно взялось? Когда около 14 миллиардов лет назад в результате чудовищного взрыва родились пространство, время и материя, Вселенная поначалу была кипящим супом из протонов, электронов, фотонов (световых квантов) и нейтрино, которые бурно взаимодействовали между собой. Все пространство новорожденной Вселенной было заполнено сплошной непрозрачной средой в виде высокотемпературной ионизованной плазмы. По мере расширения Вселенной температура падала, и когда она опустилась до 3000 градусов Кельвина, стало возможным образование стабильных атомов. Произошло, как говорят астрофизики, отделение излучения от вещества, потому что оно практически не взаимодействует с нейтральными атомами. Вселенная стала прозрачной для излучения, и оно получило возможность распространяться свободно. Иногда этот момент называют эпохой последнего рассеяния. Температура излучения продолжала понижаться в ходе дальнейшего расширения Вселенной, но его спектр сохранился без изменений до наших дней как напоминание о горячих деньках нашего мира. Вот эти остатки былой роскоши и обнаружили будущие нобелевские лауреаты.

Не будет преувеличением сказать, что открытие микроволнового фона имело фундаментальное значение и по своей важности вполне сопоставимо с открытием расширения Вселенной. В крышку стационарной модели был забит последний гвоздь. Во второй половине XX века горячая модель Большого взрыва превратилась в солидную полноправную теорию. Академик Я. Б. Зельдович так сказал об этом в 1984 году:

Разумеется, уважаемый академик немного лукавил, потому что даже на Солнце бывают пятна, и теория Большого взрыва в этом смысле отнюдь не исключение. Очень скоро выяснилось, что, несмотря на всю свою предсказательную силу, она тоже не лишена недостатков, но об этом – в следующей главе.