Нераскрытые тайны природы

Глава 1. Как возникла Вселенная?

Большинство основных научных теорий ассоциируется с именами великих основателей. При упоминании слова «гравитация» в голове тотчас возникает имя Исаак Ньютон. «Эволюция»? — Чарльз Дарвин. «Относительность»? — Альберт Эйнштейн. А вот слова «Большой Взрыв» оказываются не связаны с чьим-либо именем. На протяжении нескольких последних десятилетий модель Большого Взрыва была признана космологами в качестве стандартного объяснения происхождения Вселенной, о ней упоминают в учебниках и популярных журналах. Однако ее не связывают с кем-либо из крупных ученых. Противники этой теории иногда в шутку говорят, что просто никто не хочет брать на себя ответственность. В действительности же сам термин «Большой Взрыв» ввел один из наиболее ярых его оппонентов — английский астроном Фред Хойл, желавший тем самым опорочить всю идею. Однако название укоренилось. В 1993 г. найти лучшее наименование для теории пытались с помощью международного конкурса. В жюри входили популяризатор науки Тимоти Феррис, астроном Карл Саган и телевизионный комментатор Хью Дауне. Но, по словам Ферриса, описавшего эту историю в своей книге, вышедшей в 1997 г. [1], среди 13 099 предложений, поступивших из 41 страны, не оказалось ни одного лучше.

Концепция Большого Взрыва ведет свое начало от гипотезы епископа бельгийской католической церкви Жоржа Леметра, который увлекался физикой и в 1927 г. в возрасте 33 лет получил в Массачусетском технологическом институте докторскую степень. Основываясь на законах гравитации, сформулированных Эйншнейтом в 1915 г. в общей теории относительности, Леметр в 1927 г. пришел к выводу, что Вселенная должна с одинаковой скоростью расширяться во всех направлениях[1]. Далее Леметр выдвинул предположение, что началом Вселенной послужил взрыв первичного атома, в котором было сконцентрировано все вещество Вселенной. Дальнейшая поддержка теории Леметра была связана с открытием Эдвина Хаббла, которое заключалось в том, что далекие галактики удаляются от нас и друг от друга во всех направлениях со скоростями, пропорциональными их расстоянию от нашей Галактики. Хаббл не был знаком с концепцией Леметра, однако обнаруженное им в 1929 г. расширение Вселенной способствовало тому, что возросло число астрономов, считающих некий первоначальный взрыв источником энергии, достаточной для создания расширяющейся Вселенной.

В 40-е годы XX века физики, увлеченные идеей начального взрыва, рассуждали о том, что непосредственно вслед за этим событием образовавшаяся плазма была гораздо горячее недр любой из существующих ныне звезд, но со временем она охладилась, сохранив, по крайней мере, небольшое количество тепла. По их предположению, от этого процесса должен был сохраниться след в виде все еще существующей некой довольно плотной дымки. Согласно теории того, что теперь называют микроволновым космическим реликтовым излучением, чем дальше мы продвинемся в пространстве (и назад во времени), тем плотнее будет эта дымка. В то время этот вывод совершенно не принимали во внимание, так как большинство астрономов и физиков не принимали всерьез теорию Большого Взрыва, и, во всяком случае, не существовало способа измерить это реликтовое излучение или хотя бы подтвердить его существование.

Однако в 1965 г. Арно Пензиас и Роберт Уилсон из Лаборатории Белла объявили, что, разрабатывая приемник для первого искусственного спутника связи «Телстар», они случайно обнаружили устойчивый «свист», обусловленный реликтовым излучением. Это изменило умонастроение огромного числа космологов. До 1965 г. Большой Взрыв был всего лишь очередной гипотезой, которая не допускала проверки; теперь же существовало доказательство того, что первоначальный взрыв оставил свой след. Хотя в этот момент многие серьезные ученые заинтересовались теорией Большого Взрыва, для ее подтверждения нужно было гораздо больше свидетельств. В 40-х и 50-х годах было предложено несколько гипотез относительно природы возможного реликтового излучения. Удалось рассчитать, что его температура должна быть примерно на 3° выше абсолютного нуля. Это то небольшое количество тепла, которое осталось после охлаждения, способствовавшего образованию вещества по прошествии некоторого промежутка времени с момента первоначального взрыва. Тепло должно было распределяться изотропно, а это, по словам Тимоти Ферриса, означало, «что любой наблюдатель, где бы во Вселенной он ни находился, измерит одинаковую температуру реликтового излучения по всему небосводу». Кроме того, согласно квантовой механике, реликтовое излучение должно иметь спектр, отвечающий излучению абсолютно черного тела, с наибольшей интенсивностью на длине волны, определяемой его температурой. Этот спектр описывается определенными квантово-механическими выражениями.

Когда стала ясна важность микроволнового космического реликтового излучения, Национальное управление по аэронавтике и космическим исследованиям (NASA) согласилось запустить микроволновый спутник, предназначавшийся для измерения этого «космического фона». Ожидалось, что, находясь вне искажений, создаваемых земной атмосферой, этот исследовательский спутник СОВЕ[2] позволит заглянуть в далекое прошлое вплоть до момента, отстоящего примерно на 500 000 лет от Большого Взрыва. К тому времени Вселенная уже достаточно остыла, благодаря чему энергия стала превращаться в массу, а Вселенная стала прозрачна для выхода света. Запущенный в 1989 г. спутник СОВЕ в полной мере оправдал надежды космологов, предоставив доказательства того, что реликтовое излучение действительно изотропно и что его температура почти на 3° выше абсолютного нуля (2,726 К). Кроме того, его спектр с поразительной точностью совпадает со спектром излучения абсолютно черного тела.

К 1992 г. на основе карты всего небосвода, построенной по данным спутника СОВЕ, был сделан еще один вывод: вещество, которое стало образовываться из остывающих газов спустя некоторое время после Большого Взрыва, собиралось в сгустки, из которых впоследствии возникли галактики — скопления звезд. Это соответствовало представлению о том, что на ранних стадиях существования Вселенной однородное распределение вещества нарушалось квантовыми флуктуациями. Попросту говоря, мы имеем дело как бы с содержащим комки соусом, в котором мука размешана не так уж равномерно, и хотя комков может быть немного, они все же есть.

Еще в 1939 г. американский физик Ханс Бете показал, что в недрах звезд могут возникать тяжелые элементы (в отношении их атомной массы). Эти элементы, входящие в вещество планет и наших с вами тел, составляют всего лишь 2% от всей массы Вселенной. Остальное приходится на водород (около 75%), гелий (23%) и следы лития. Согласно расчетам физиков, чтобы объяснить распространенность водорода и отношение содержания водорода к гелию в звездах, эти легкие элементы должны были возникнуть в результате Большого Взрыва. Превращение водорода в гелий только в Солнце высвобождает ежесекундно энергию, эквивалентную массе 4 млн. тонн, и если бы соотношение между водородом и гелием не соответствовало процессу Большого Взрыва, при этом выделялось бы гораздо больше энергии. Более тяжелые элементы «выплавляются» в звездных недрах и в конце концов выбрасываются в пространство, обеспечивая, как считается, Вселенную сырьем для образования твердого вещества. У самых старых звезд должно сохраняться меньшее количество тяжелых элементов, поскольку они продолжительное время выбрасывались из звездных недр — это удалось наблюдать, когда прогресс техники позволил проводить подобные измерения. Как оказалось, распределение элементов, или их космическая распространенность, также вполне соответствует предсказаниям теории Большого Взрыва.

Казалось бы, пора сделать вывод, что теория Большого Взрыва справедлива. Когда новая теория делает какие-либо прогнозы, которые можно проверить, и эти прогнозы соответствуют наблюдениям или эксперименту, ученых всегда радует каждое очередное подтверждение. При накоплении достаточного количества таких фактов можно считать, что справедливость теории доказана. Хотя большинство космологов принимает концепцию Большого Взрыва, тем не менее признано, что проблемы еще остались, причем достаточно серьезные, чтобы порождать сомнения в справедливости теории. В действительности проблемы возникают так часто, что эта теория почти постоянно находится в критическом состоянии.

Как возникла Вселенная?

Фред Хойл, который в шутку предложил термин «Большой Взрыв», всегда был одним из основных противников этой теории. В 1948 г. вместе с Германом Бонди и Томасом Голдом он выдвинул, как он сам ее назвал, теорию «стационарного состояния». Согласно этой теории, возраст Вселенной значительно больше, чем указывают астрономические наблюдения, так как она всегда существовала и будет существовать вечно. На протяжении неисчислимого времени галактики рождались, развивались и погибали, а на месте старых из их обломков постоянно возникали новые. Новые звездные системы не обязательно формируются на месте старых, но общая масса вещества во Вселенной сохраняется неизменной. Согласно этой концепции, даже самые старые галактики, которые нам удается наблюдать, в рамках общей картины оказываются весьма молодыми. Многие космологи отвергали теорию стационарной Вселенной, поскольку из нее вытекало, что мы никогда не сможем добраться до первопричины, тогда как большинство физиков и астрономов верили в это. Хойл бывал резок в своих замечаниях, и его коллеги нередко называли его самонадеянным. Но это нисколько не облегчало положения дел. Как и его талант популяризатора, снискавший ему большой успех у широкой публики. С другой стороны, можно задаться вопросом, не является ли вера в то, что мы в состоянии постичь первооснову вещей, верхом самонадеянности. Но, наверное, уже хватит рассуждать об этих спорах.

В теории Хойла существовали свои проблемы. Начать с того, что в ней использовалась видоизмененная форма космологической постоянной — математического коэффициента, который Эйнштейн намеренно ввел в свою общую теорию относительности с целью описания стационарной Вселенной. В 1929 г. Эдвин Хаббл, используя результаты своих исследований смещения спектров излучения удаленных галактик к красной границе спектра (так называемое «красное смещение»), пришел к выводу, что Вселенная расширяется и галактики с огромными скоростями удаляются друг от друга. Эйнштейновская космологическая постоянная оказалась ненужной. Даже Эйнштейн назвал ее самой большой из своих ошибок.

Неприязненное отношение большинства физиков к космологической постоянной в сочетании с открытием в 1965 г. реликтового излучения свело фактически на нет теорию стационарной Вселенной Хойла. Однако сам он вовсе не собирался складывать оружие. Хотя у его теории оставались проблемы, он продолжал настаивать на том, что с Большим Взрывом связано еще больше проблем. Действительно, теория Большого Взрыва все время сталкивалась с новыми трудностями. Так, с развитием космологии стало ясно, что на ранних стадиях развитие Вселенной не соответствовало известным физическим законам. По крайней мере, в течение первых 500 000 лет после Большого Взрыва, пока не произошло достаточного охлаждения для образования вещества и Вселенная не стала прозрачной для света, законы нашей современной Вселенной не действовали. Это заставило ученых ввести в теорию Большого Взрыва представление о том, что начальным состоянием Вселенной было особое событие — сингулярность. Хойл и его последователи (которые у него остались) высмеяли эту идею. Конечно, — издевались они, — вы сталкиваетесь с провалом вашего Большого Взрыва, но, вместо того чтобы усомниться в теории, вы придумываете нечто исключительное, противоречащее всему, что мы знаем!

В 1990 г. Хойл начал развивать новые идеи, после того как один из его сторонников — американский космолог Хелтон Арп, работающий в Институте им. Макса Планка (Германия), отметил, что имеется ряд наблюдений красного смещения, которые не согласуются с расстоянием от Земли. Это было серьезной неприятностью. Если величина красного смещения вовсе не является надежным мерилом скорости расширения Вселенной, это наносит теории Большого Взрыва удар в самое сердце. Быть может, галактики разлетались не столь быстро, и вовсе нет необходимости в Большом Взрыве, чтобы заставить их двигаться. Арп пошел дальше, заявив в 1991 г., что их противники «проигрывают, игнорируя результаты наблюдений этих важных объектов в телескоп и отчаянно пытаясь избежать обсуждений». Игнорируют факты? Сдерживают дебаты? Теоретики Большого Взрыва реагировали с возмущением. Между тем, как заметил в 1992 г. в своей книге «Хозяева времени» Джон Бослоу [2], некоторые другие физики обвиняли сторонников Большого Взрыва в том, что они либо игнорируют доказательства, либо предлагают гипотезы, которые невозможно проверить. Действительно, еще в 1986 г. Шелдон Глэшоу, получивший в 1979 г. Нобелевскую премию по физике, присоединился к предостережению своего коллеги по Гарварду Полу Джинспаргу: по их словам, физика, как правило, стала заниматься столь отвлеченными вопросами, что, возможно, ее в конце концов «будут преподавать на факультетах богословия те, кто в будущем заменит средневековых теологов».

Наиболее важной из неподдающихся проверке новых гипотез Большого Взрыва была идея раздувания, или инфляции. Согласно этой идее, выдвинутой в 1981 г. Аланом Гутом, на самой начальной стадии, продолжавшейся, по его выражению, ничтожную долю секунды, Вселенная расширялась со скоростью, превышающей современную в огромное число раз, и за бесконечно малый отрезок времени увеличила свои размеры от булавочной головки до апельсина или бейсбольного мяча. Может быть, это не кажется особенно значительным, но в математическом смысле ошеломляет: возрастание объема составило 10⁵⁰, т. е. 1 с 50-ю нулями. Вслед за моментом раздувания Вселенная перешла в режим расширения с (относительно) небольшой скоростью, которая с тех пор и преобладает. Иными словами, в самое первое мгновение Вселенная вела себя подобно Супермену, а затем угомонилась и на протяжении остальной космической истории уже двигалась неторопливо.

Для широкого читателя это может показаться странным, однако концепция раздувания развеяла тучи, нависшие над теорией Большого Взрыва, и получила широкое одобрение. Среди решенных таким образом проблем была малая кривизна — уплощенность — Вселенной. Термин «уплощенность» в общем смысле несколько неудачен для описания физических процессов, которые подразумеваются в теории, однако он имеет глубокий математический смысл. По определению физиков, Вселенная должна быть либо открытой, и тогда она будет вечно расширяться, следуя поверхности с бесконечным радиусом кривизны, либо замкнутой, т. е. под действием гравитационных сил в конечном итоге расширение сменится сжатием, и Вселенная вернется в первоначальное состояние, — по-видимому, типа изначального атома, испытавшего Большой Взрыв. Но, к сожалению, наблюдения не позволили получить данных о том, является ли Вселенная открытой или замкнутой. Она кажется идеально сбалансированной между этими возможностями, и такое состояние описывается как уплощенность, поскольку кривизна пространства в среднем равна нулю («плоская» кривая).

Положение осложняется еще и тем, что отношение действительной плотности Вселенной (количества вещества, создающего гравитационное притяжение) к плотности, необходимой для того, чтобы она коллапсировала, равно единице. Это отношение обозначают греческой буквой «омега». Математически, открытой Вселенной будет соответствовать отношение меньше, чем омега, а замкнутой Вселенной — отношение, превышающее омегу. Таким образом, говорить о равной нулю кривизне или равном единице отношении плотностей означает говорить о плоской Вселенной. Впервые этот результат возник как следствие гипотезы раздувания Алана Гута. Неважно, что раздувание Вселенной часто сравнивают с превращением булавочной головки в апельсин, который, несомненно, круглый. Дело в том, что чем больше раздувается воздушный шарик, тем сильнее уплощается его поверхность, и за крошечный промежуток времени, в течение которого происходит раздувание, оно сопровождается уплощением. Как мы знаем от лауреатов Нобелевской премии, математика работает. (Тот, кто сомневается в математике, может просто представить себе Вселенную в виде апельсина, через который переехал грузовик.)

Интересно, что один из аргументов противников раздувания состоит в том, что его приверженцы допускают аналогичное и в космических масштабах. Когда Алан Гут работал над своей гипотезой, он столкнулся с проблемой, заставившей его отложить ее публикацию на два года. Из теории следовало, что при таком быстром расширении должен был возникнуть ряд отдельных «пузырей». Стенки этих пузырей должны быть все еще заметны, однако этого нет. В конце концов Гут все-таки решился на публикацию, надеясь, что заинтересует этой проблемой других космологов и они попытаются решить ее. Так и случилось. Первым нашел решение российский физик Андрей Линде; к этому же впоследствии пришли и другие ученые. Он сумел показать математически, что пузыри, названные «доменами», должны развиваться независимо друг от друга. Более того, известная нам часть Вселенной составляет всего-навсего миллиардную или триллионную долю одного из этих доменов, а стенки такого пузыря удалены настолько, что могут навсегда остаться за пределами наших наблюдений. Благодаря этим расчетам удалось вывести назойливого слона из жилой комнаты с глаз долой и привязать где-то за сараем, но по той же причине Шелдон Глэшоу заговорил о средневековой теологии.

^{На снимке, полученном 1 апреля 1995 г. с помощью космического телескопа «Хаббл», видны газообразные колонны в туманности М16 в созвездии Орла. Они представляют собой столбы охлажденного межзвездного водорода и пыли, которые служат «инкубаторами» новых звезд. В них содержатся глобулы, названные EGG (от «evaporating gaseous globules» — испаряющиеся газообразные шарики), которые точнее было бы назвать «зародышами», так как они содержат эмбрионы звезд, которые проявятся в процессе эрозии под действием ультрафиолетовых лучей, испускаемых массивными новообразованными звездами в данной области Вселенной. Из материалов NASA (Jeff Hester and Paul Scowen, Arizona State University).}

Тем не менее, как и саму идею раздувания, теорию пузырей-доменов с энтузиазмом приняли большинство космологов, в том числе Стивен Хокинг, которого считают самым выдающимся из живущих физиков. Хотя теорию пузырей-доменов и невозможно проверить, она позволила решить проблему раздувания, которую также нельзя проверить и которая объяснила не только плоский характер Вселенной, но и другие проблемы теории Большого Взрыва, включая факт равномерного распределения вещества во Вселенной. Мгновенное раздувание сыграло роль своего рода космического миксера. Все это как нельзя лучше подходило для некоторых критиков типа Хелтона Арпа и Фреда Хойла, независимо от элегантности математического описания и хорошего согласия различных теорий. Но такие критики довольно одиноки. Хотя многие физики с трудом принимают некоторые аспекты теории Большого Взрыва и теории раздувания, они склонны подвергать сомнению лишь более мелкие вопросы, не покушаясь на теории в целом.

В настоящий момент концепция Большого Взрыва считается наилучшим объяснением возникновения нашей Вселенной. Особый акцент нужно сделать на слово нашей. Не следует забывать о других доменах, границы которых для нас навсегда останутся за пределами досягаемости. В своей книге «Таинственная мелодия» [3], вышедшей в 1995 г., французский физик Трин Ксуань Туань пишет: «Наша Вселенная — лишь крошечный пузырек, затерянный в пространстве другого пузыря — метавселенной, или супервселенной, размеры которой в триллионы триллионов раз больше. И эта метавселенная сама затеряна среди множества других метавселенных, причем все они образовались на протяжении эпохи раздувания из бесконечно малых по размерам областей пространства, совершенно не связанных друг с другом». Грандиозность такой проницательности завораживает и ошеломляет. Некоторых даже пугает. Другие считают, что она сходна с религиозной идеей, которая может тревожить или утешать — в зависимости от ваших убеждений. Некоторые интерпретаторы стараются подчеркивать, что Жорж Леметр, впервые выдвинувший представление, которое в конце концов вылилось в теорию Большого Взрыва, был прежде всего епископом католической церкви и лишь затем — физиком, тогда как Фред Хойл, поборник теории стационарной Вселенной, — атеист. В этом, возможно, не так уже много смысла: в одной из своих работ сторонник Большого Взрыва Стивен Хокинг сказал, что «не видит необходимости в привлечении Бога».

Постоянно совершенствуемые мощные телескопы и компьютеры позволяют нам наблюдать или моделировать все более далекие области нашей Вселенной. В то же время квантовые эксперименты дают возможность все глубже проникнуть в причудливый мир субатомных частиц. И, по-видимому, неизбежно, что некоторые новые сведения свидетельствуют в пользу теории Большого Взрыва, тогда как другие открытия не согласуются с ней и вынуждают преодолевать новые препятствия. И июне 2000 г. на первой полосе газеты «New York Times» был помещен рассказ об австралийском телескопе-роботе, который позволил получить первую крупномасштабную карту скоплений галактик, образующих нечто вроде космических континентов. Хотя эти континенты и оказались колоссальными, их размеры не превысили предсказанных теорией Большого Взрыва. Газетный заголовок гласил: «Телескоп-робот подтверждает предположение о рождении Вселенной». Однако ранее эта газета не раз помещала на своих страницах заголовки, касающиеся открытий, в которых оспаривались другие положения теории Большого Взрыва. Некоторые оптимисты, в том числе Стивен Хокинг, считают, что мы близки к пониманию Вселенной в целом и что Теория Великого Объединения не за горами. Но даже среди сторонников Большого Взрыва много тех, кто полагает, что мы только начинаем постигать, как устроена Вселенная, и что, скорее всего, нам никогда не удастся раскрыть до конца ее тайны.

Пока Большой Взрыв — общепринятая теория. Но еще не истина в последней инстанции.

1. Ferris, Timothy. The Whole Shebang. New York: Simon & Schuster, 1997. Феррис — широко признанный читателями популяризатор науки, и эта книга — его очередное достижение. Она несколько труднее, чем его более ранняя работа «Coming of Age in the Milky Way», но ее читают с удовольствием. Имея подзаголовок «Отчет о состоянии Вселенной», она охватывает множество космологических идей, но дает особенно объективное описание противоречивых сторон теории Большого Взрыва.

2. Boslough, John. Masters of Time. Reading, MA: Addison-Wesley, 1992. Хотя новые открытия привели к некоторому изменению общей картины со времени выхода этой книги в свет, она содержит наиболее доступную критику теории Большого Взрыва, подробно описывая критические моменты, с которыми теория встретилась в 1980-е годы, а также сводит воедино сомнения многих авторитетных ученых, часто вкратце приводимые в разных изданиях и не получившие отражения в широкой печати. Будучи известным научным обозревателем, Бослоу подчеркивает, что по-прежнему справедливы слова Дж. Б. С. Хэлдена, сказанные много лет назад: «Вселенная — не только более странная, чем мы предполагаем, но даже еще более странная, чем мы можем предполагать». Как и в книге Ферриса, здесь приведен очень полезный словарь терминов.

3. Thuan, Trinh Xuan. The Secret Melody. New York: Oxford University Press, 1995. Впервые опубликованная во Франции, книга стала бестселлером (автор преподавал также в американских университетах). Прекрасно написана астрономом, сторонником теории Большого Взрыва и концепции раздувания. Хорошо иллюстрирована схемами, содержит словарь терминов и несколько приложений, в которых дается более глубокое математическое изложение.

4. Mitchell, William С. The Cult of the Big Bang: Was There a Bang? Carson City, NV: Cosmic Sense Books, 1995. Это несколько странная, но увлекательная книга. Изданная инженером-электриком, принимавшим участие в работе над рядом проектов NASA, она представляет собой атаку на теорию Большого Взрыва. Хотя Митчел не является автором, который был бы безоговорочно признан большинством физиков, эта книга не осталась незамеченной. Она получила одобрение нескольких космологов, которые также сомневаются в теории Большого Взрыва, включая X. Арпа из Института им. Макса Планка, чьи возражения против этой теории обсуждаются во всех перечисленных здесь книгах.

5*.[4] Зигуненко С. Загадки Вселенной. — М.: Астрель, ACT, 2000. Рассказывается об образовании нашей Вселенной, о том, как рождаются и умирают звезды, из чего состоит Солнце.

6. Сурдин В. Г. Рождение звезд. — М.: УРСС, 2001. Кратко описана история взглядов на происхождение звезд. Рассказано о составе и динамике межзвездной среды, о глобулах и гигантских молекулярных облаках, в которых формируются звезды.

7*. Хокинг С. Черные дыры и молодые вселенные. — Санкт-Петербург: Амфора, 2001. В книге излагаются размышления автора о философии науки, о происхождении Вселенной и ее дальнейшей судьбе.

8*. Вайнберг С. Первые три минуты. — М.: Энергоиздат, 1981.

9*. Хойл Ф. Галактики, ядра и квазары. — М.: Мир, 1968.