Предчувствия и свершения. Книга 2. Призраки

ХИМЕРЫ КОСМОСА

Мы подошли к моменту истории, когда стало возможно провести уникальный, неслыханный по своей дерзости и отваге мысленный опыт. Опыт, которому нет аналога в истории человеческой мысли. Опыт, который символизирует неограниченные возможности человеческого разума. Опыт, который легко можно было бы счесть цирковым номером, обманом ловкого иллюзиониста, если бы этот мысленный эксперимент в каждой детали, в каждой мелочи не был исчерпывающе аргументирован.

В этом эксперименте, как в фокусе, скрестились все лучи человеческих знаний в самых различных областях: в учении о движении, об электрических и магнитных явлениях, все откровения квантовой теории материи и парадоксальные утверждения теории относительности. Оказались мобилизованы все наши знания о противоречивой фактуре элементарных частиц, законах их взаимодействий. Все слилось в едином интеллектуальном напряжении — и человек мысленным взором проник на край бытия, представил и рассчитал до мгновения акт рождения мира.

Современный взгляд на происхождение Вселенной разрабатывали ученые разных стран: советский физик-теоретик академик Зельдович, ученые Хойл и Тайлер из Великобритании и другие. Первый решающий шаг сделали Гамов, Альфер и Херман в США. Они набросали исходный вариант сценария развития Вселенной, в начале которого все вещество, вся энергия были сосредоточены в очень малом объеме. Все началось с Большого взрыва, в ходе которого сверхплотная и сверхгорячая материя начала расширяться, увлекая с собой пространство. Они же предсказали существование древнего свидетеля первых мгновений творения мира. Этот свидетель — реликтовое излучение (relictum, латинское — остаток), которое, сохранившись от Большого взрыва, должно равномерно пронизывать космос. Как это, к сожалению, бывает в науке, никто не обратил внимания на их предсказание.

Можно представить себе нетерпение читателя: обнаружен ли этот свидетель? Подтвердил ли он фантастические домыслы физиков?

Тут в наше повествование вторгаются радиоастрономы со своими проблемами, которые, казалось бы, не имели никакого отношения к проблемам теоретической физики, но логика науки диктует свои законы…

В 1965 году радиоастрономические наблюдения позволили Пензиасу и Вилсону открыть удивительное излучение, приходящее к Земле со всех сторон с одинаковой интенсивностью. Задачей исследователей было изучение шумов, приходящих из космоса в диапазоне сантиметровых волн, избранном для создания систем связи при помощи искусственных спутников Земли. Нужно было узнать характер ожидаемых шумов, распределение их источников по небосводу, интенсивность. Одновременно проводилось изучение свойств большой рупорной антенны, при помощи которой предполагалось проводить радиоастрономические исследования на волне 21 см — на этой волне «поют» атомы космического водорода. Вначале исследования проводились на волне 7,35 см.

Радиоастрономы в то время уже привыкли оценивать величину шумов своих приемников и антенн при помощи эквивалентной температуры идеального сопротивления, нагревание которого порождает такой же шум. Так в науку вошел термин «шумовая температура». По этой оценке шумовая температура их антенны составила всего 0,9К (градусов Кельвина). Шумовое излучение атмосферы добавляло на волне 7,35 см еще 2,3К.

Мы акцентируем внимание читателя на этих цифрах, так как именно из-за совсем крошечной неувязки в числах, показавшейся сначала ошибкой, было сделано одно из самых важных открытий всех времен. Измерения давали 6,7К. Избыток, величиной в 3,5 К, был достоверно установлен с погрешностью не более ±1,0 К. Для того чтобы обеспечить такую точность, пришлось выселить из антенны пару гнездившихся в ней птиц и тщательно очистить от их помета внутреннюю поверхность антенны. Избыток шума оставался постоянным независимо от времени суток и не претерпевал сезонных изменений. В течение всех наблюдений антенна оставалась постоянно направленной в зенит так, что, вращаясь вместе с Землей, она постепенно «прослушивала» обширную часть небесного свода. Создавалось впечатление, что антенна и сама Земля купаются в потоке радиоизлучения, наполняющем Вселенную. Потоке, не имевшем определенного источника, приходящем и с тех направлений, где ни оптические, ни радиотелескопы не фиксировали никаких небесных объектов. Казалось, что излучает само пространство, независимо от наличия в нем каких-либо тел.

Подобного еще не наблюдали ни в одном из освоенных участков диапазона электромагнитных волн. Вспомним, что одно из возражений против бесконечности размеров и против стационарности Вселенной, содержащей бесконечное количество звезд, сводилось к тому, что в этом случае небосвод должен был бы казаться светящимся суммарным светом этих бесчисленных звезд. Это возражение названо парадоксом Ольбертса, по имени астронома, впервые задумавшегося над тем, почему яркость небосвода и днем и ночью не равна яркости солнечного диска.

Убедившись в том, что они действительно обнаружили излучение, приходящее из космоса и не изменяющее своих свойств ни со временем, ни с направлением на небосводе, и не находя никакого объяснения этому феномену, Пензиас и Вилсон обратились к астрофизикам. При определении диагноза сработала цепочка совпадений, которые некоторые исследователи склонны отнести за счет случая, а другие считают закономерным результатом разветвленных связей, свойственных современной науке. Подобные связи нередко называют «незримыми колледжами», подчеркивая этим сотрудничество ученых, работающих в различных организациях, а иногда на различных континентах.

Началось с того, что Пензиас, сотрудник фирмы Белл, позвонил по телефону знакомому радиоастроному Бурку, работавшему в Массачусетском технологическом институте, по вопросу, не связанному с шумами антенны. Но Бурк знал о работе Пензиаса и спросил его о том, как движутся измерения шумов. Ответ гласил: хорошо, но есть некоторые неясности — избыточный шум, источник которого неизвестен. Тогда Бурк рассказал о том, что его коллега Туркер из института Карнеги слышал доклад молодого теоретика из Принстона Пиблса о том, что должно существовать шумовое излучение, оставшееся от ранней эпохи развития Вселенной, что оно должно иметь температуру около 10 К и приходить равномерно со всех сторон. Бурк сказал, что принстонские теоретики могут прояснить сомнения Пензиаса и Вилсона. Пензиас позвонил в Принстон физику Дике. Оказалось, что незадолго до того Пиблс, один из сотрудников Дике, исходя из теоретического исследования следствий нестационарного решения уравнений общей теории относительности, полученного еще в 1922 году Фридманом, пришел к выводу о том, что на ранней стадии своего развития Вселенная должна была быть заполнена электромагнитным излучением. Это излучение должно было находиться в равновесии с веществом и препятствовать синтезу гелия и более тяжелых ядер из первоначальной массы протонов и нейтронов. Ведь и сейчас протоны составляют примерно три четверти всего вещества Вселенной. Теория предсказывала, что спектр этого излучения должен быть спектром излучения черного тела, а его температура должна падать по мере расширения Вселенной, предсказанного Фридманом. Дике предложил своим сотрудникам Роллу и Уилкинсону проверить расчеты Пиблса опытным путем. Они начали готовить антенну и приемник, предназначенные для работы на волне 3,2 см. Но звонок Пензиаса известил их о том, что они опоздали. Открытие уже свершилось.

После тщательного сопоставления опыта и теории и уточненных расчетов в Астрофизический журнал были направлены две статьи. Статья Дике, Пиблса, Ролла и Уилкинсона под названием «Излучение черного тела из космоса» напечатана в 1965 году на странице 414 этого журнала. На странице 419 того же номера можно увидеть статью Пензиаса и Вилсона «Измерение избыточной температуры антенны на 4080 МГц».

В 1978 году, когда выдающееся значение наблюдений Пензиаса и Вилсона, подтвердивших реальность гипотезы Большого взрыва, вытекающей из решения Фридмана, было в достаточной мере осознано, они стали лауреатами Нобелевской премии. Но в 1965 году еще предстояло убедиться в том, что спектр излучения, приходящего со всех сторон на Землю, действительно совпадает со спектром черного тела. Совпадение измеренной температуры с расчетной на одной длине волны казалось недостаточным. Нужно было повторить измерение еще по крайней мере на одной длине волны. Ролл и Уилкинсон сделали это. Результат, полученный на волне 3,2 см, совпал с тем, что должно быть для черного тела, нагретого примерно до 3 К. За истекшее время диапазон длин волн, использованных для измерений этого излучения, был существенно расширен от «средних» радиоволн с длиной волны около 300 м до гамма-лучей, хотя этот обширный диапазон изучен далеко не сплошь. Но и тех наблюдений, которые уже получены, достаточно, чтобы подтвердить наличие изотропного излучения, соответствующего излучению черного тела, нагретого до трех градусов выше абсолютного нуля.

Гипотеза Большого взрыва, как уже сказано, является следствием нестационарного решения уравнений общей теории относительности, полученного Фридманом. В соответствии с его решением Вселенная непрерывно расширяется, причем скорость увеличения взаимных расстоянии космических объектов тем больше, чем дальше объекты находятся один от другого. Начальная стадия процесса соответствует огромной концентрации материи и излучения в малом объеме. Такое состояние неустойчиво, и Вселенная вышла из него взрывоподобно.

Полная теория эволюции Вселенной теперь разработана достаточно детально для периода времени от 0,01 секунды после Большого взрыва до наших дней и на многие миллиарды лет вперед. Она хорошо обоснована астрономическими и радиоастрономическими наблюдениями, подтвердившими огромные скорости разбегания галактик.

Еще в 1973 году Глэшоу и Джорджи предложили теорию, которая позволяет приступить к анализу событий, происходивших после того момента времени, который отстоит на ничтожную долю секунды от начала Большого взрыва. Эта теория еще не завершена, однако она уже позволила сделать ряд предсказаний, хорошо согласующихся с опытом. Непосредственная задача, привлекавшая ученых, по существу, совпадала с мечтой Эйнштейна: создать теорию, которая объединяла бы в единое целое все известные поля, все силы, действующие в природе, теорию, способную объяснить, почему известные нам частицы обладают теми свойствами, которыми они обладают, и предсказать свойства еще неизвестных частиц. Более конкретно это звучало так — свести все известные поля и силы к единому полю, порождающему эти силы, объединить все частицы в единое упорядоченное семейство, построить аналог таблицы Менделеева для частиц.

Теория Глэшоу и Джорджи открывает путь к объединению описания микромира и Вселенной. Эта теория основана, в существенной мере, на понятии «симметрия», используемом в самом широком смысле. В этой книге мы не раз встречались с различного рода проявлениями симметрии.

Сейчас мы еще раз призовем ее на помощь, чтобы убедиться в том, что единство природы простирается от колоссальных масштабов Вселенной до мельчайших элементарных частиц. Убедиться, что законы Природы едины. хотя в зависимости от конкретных условий решающую роль играют не все сразу, а лишь часть из них, в то время как другие отступают на второй план, чтобы выдвинуться вперед при других условиях.

Все примеры проявления симметрии, встречавшиеся на нашем пути, свидетельствуют о том, что повышение температуры, усиление хаотичного теплового движения приводят к разрушению порядка, к устранению особых свойств, проявляющихся в нарушении симметрии. Чем выше температура, тем совершеннее симметрия, тем менее вероятны устойчивые отклонения от симметрии.

Современный взгляд на развитие Вселенной состоит в том, что первоначальная температура исходного образования была столь высокой, что это образование являло собой высшую возможную в природе степень симметрии. Каково содержание этих слов?

Сильно огрубляя картину, можно сказать так: первоначальная температура была столь велика, что вся материя и эквивалентная ей энергия представляли однородное образование, а все известные силы природы сравнялись между собой по величине своего действия и слились в единою силу. Если и была среди них «самая сильная», то это, по-видимому, гравитация, та, которая является самой слабой из известных сил, действующих в современном мире. Причиной этого является огромная плотность первичной материи и энергии, много большая, чем плотность нейтронных звезд. Более того, в связи с основными положениями общей теории относительности — теории гравитации, можно, так же огрубляя, сказать, что все пространство в то время было сосредоточено в области, заполненной этой сверхплотной сверхгорячей материей. Вне этой области не было ничего — ни материи, ни пространства.

В том изначальном состоянии, с которого начался Большой взрыв, вся Вселенная была сжатой до таких малых размеров, а ее температура достигала столь высоких значений, что даже протоны и нейтроны не могли сохраняться как целое, а составляющие их сверхэлементарные частицы — кварки — теряли последнюю симметрию своего взаимодействия, что позволяло им сблизиться еще ближе, чем тогда, когда они образуют тяжелые частицы.

Именно так объясняется колоссальное увеличение плотности материи и энергии в изначальные мгновения. Все объединилось в исходный период — материя, энергия, пространство. При этом понятие «пространство» включает в себя и время, ибо это четырехмерное «пространство — время» теории относительности.

По причине, нам неизвестной, это исходное и сверхсимметричное состояние неустойчиво. Мир выходит из него, спонтанно (самопроизвольно) расширяясь. При этом увеличение размеров пространства тесно связано с расширением содержащейся в нем материи и энергии. Плотность и температура быстро уменьшаются. Говоря «быстро», нужно помнить, что время внутри и вблизи такой огромной массы (объединяющей всю массу Вселенной), в соответствии с общей теорией относительности, течет очень медленно по сравнению с нашими масштабами времени. Однако, для того чтобы не терять связи с привычными понятиями, мы будем пользоваться общепринятыми единицами — сантиметрами для измерения расстояний в пространстве и секундами для измерения промежутков времени.

Оценки показывают, что измеренная по современной шкале температура исходного сверхплотного сгустка превышает огромную величину, содержащую по крайней мере 22 нуля после какой-нибудь значащей цифры. В связи с тем, что на ближайших страницах нам придется часто иметь дело с такими огромными числами, условимся применять для них сокращенную запись, а именно: указывать количество нулей соответствующей степенью числа 10. В данном случае это 1022 К, где К указывает, что температура измерена по шкале Кельвина.

В этом адском котле постоянно рождаются и немедленно аннигилируют все известные и еще неизвестные нам частицы. При этом невозможно обнаружить никаких индивидуальных различий между ними даже на расстояниях столь малых, что перед первой значащей цифрой, выражающей эти расстояния, стоят 33 нуля. (Для сокращения записи мы будем писать 10–33 см, где знак «минус» в показателе степени означает, что нули стоят перед единицей.) На этих малых расстояниях наиболее слабое из известных полей — гравитационное поле — оказывается столь же сильным, как остальные известные поля — электромагнитное, слабое и сильное.

В настоящее время не существует теории, способной описать это начальное состояние с его огромной температурой и плотностью. Однако это не значит, что науке ничего не известно о наиболее раннем этапе развития той Вселенной, в которой мы живем. Можно с уверенностью сказать, что уже тогда соблюдался ряд известных законов. Например, закон сохранения электрического заряда. Электрический заряд первоначального сгустка был равен нулю точно так же, как равен нулю полный электрический заряд современной Вселенной. Поэтому заряженные частицы, как и сейчас, рождались и исчезали (аннигилировали) только парами. Так электрон может родиться только в паре со своей античастицей, положительно заряженным антиэлектроном — позитроном. Этот закон связан со свойствами фотонов, участвующих в рождении и аннигиляции электронно-позитронных пар. Фотоны не имеют ни заряда, ни массы покоя — значит, они могут родиться только в ходе процесса, где участвуют частицы, суммарный заряд которых равен нулю.

Первичное, предельно симметричное состояние Вселенной характеризовалось, по-видимому, и тем, что количество частиц любого типа точно равнялось количеству соответствующих античастиц. Но это длилось очень недолго в нашем масштабе времени. За время, выражаемое в секундах числом, перед которым стоят 35, а может быть, и 40 нулей (10–35 или 10–40 сек), Вселенная расширилась и остыла настолько, что в ней произошло первое нарушение симметрии. Причина его точно неизвестна. Возможно, это было просто случайное отклонение от первоначального симметричного состояния. Суть же его состоит в том, что при температуре порядка 1018 К во Вселенной оказалось чуть больше частиц, чем античастиц.

Для этой области температур уже существует достаточно надежная теория, позволяющая производить расчеты и делать предсказания, то есть удовлетворяющая всем требованиям к научной теории. Она называется теорией Большого объединения, ибо позволяет рассматривать совместно все известные сейчас силовые поля (кроме гравитационного поля) и рассматривать все частицы как члены единого семейства. Такое объединение становится возможным на расстояниях 10–29 см при температуре 1018 К, при которой происходит первое спонтанное нарушение всеобщей симметрии первичного состояния Вселенной — разделение частиц и античастиц.

Температура 1018 К — это та граница, ниже которой разность между числом частиц и числом античастиц, установившаяся при более высокой температуре, уже никогда более практически не нарушается. Поэтому случайное преобладание частиц на этом температурном рубеже сохранится на всем протяжении дальнейшей эволюции Вселенной. Так современная теория эволюции Вселенной решает полувековую загадку антимира. Загадку о том, почему мы живем в мире частиц, а не античастиц.

После того как Дирак предсказал существование позитрона, а затем в 1932 году Андерсон обнаружил его, были предсказаны и обнаружены другие античастицы, и многие ученые пытались выяснить, почему наш мир состоит из частиц, а античастицы рождаются очень редко и только при некоторых взаимодействиях с участием частиц, обладающих очень большой энергией. Такие частицы приходят к нам из космоса в составе космических лучей или получаются при помощи наиболее мощных ускорителей заряженных частиц. Вместе с тем в потоке космических частиц, несмотря на тщательные поиски, до последнего времени не удавалось обнаружить свободных античастиц. Только недавно единственная такая античастица была обнаружена, однако совершенно не доказано — не возникла ли она в результате взаимодействия первичных космических частиц, происшедшего так далеко, что эта античастица сильно удалилась от своего близнеца — частицы — и поэтому была зарегистрирована как одиночка.

Уверенность в симметрии мира раньше заставляла некоторых ученых предполагать, что где-то во Вселенной существует антимир, зеркальный нашему. Этот антимир был бы очень кстати, он восстановил бы общий баланс частиц и античастиц во Вселенной. Другие предполагали, что половина видимых галактик состоит из антиматерии, но обнаружить это невозможно, ибо идущие от них антифотоны неотличимы от обычных фотонов (фотон, не обладая ни зарядом, ни массой покоя, совпадает со своей античастицей). Опровергнуть эти гипотезы невозможно. Но они противоречат общему духу науки, которая, начиная с Ньютона, отвергает гипотезы, созданные для объяснения единичного факта. В данном случае фактом является неудача или невозможность обнаружения антимира или хотя бы скоплений антивещества.

Новая теория приходит к выводу о том, что существование нашего мира, состоящего из вещества, не скомпенсированного антивеществом, есть прямое следствие сложившейся эволюции Вселенной. Эта эволюция описывается теорией, и целый ряд ее предсказаний уже подтвержден опытом. Существующее положение вещей должно было сложиться именно так, как сложилось при перевесе частиц над античастицами всего на одну лишнюю частицу в каждом миллиарде пар частиц и античастиц! Это произошло на рубеже температуры 1018 К. Именно тогда — всего на одну миллиардную долю — был нарушен баланс между тяжелыми частицами и античастицами. А далее уже все развивалось по знакомым нам законам. Заметим, что тот же результат был бы достигнут при случайном преобладании в одну античастицу на миллиард пар. Ведь названия «частица» и «античастица» даны совершенно условно. Частицы — это те, которые сейчас устойчиво существуют в окружающем нас мире.

Если бы при температуре 1018 К количество частиц случайно оказалось точно равным количеству античастиц, то при последующей эволюции Вселенной все вещество должно было аннигилировать и без остатка превратиться в фотоны и, может быть, другие частицы, не имеющие массы покоя. Следовательно, само существование Вселенной в том состоянии, которое мы наблюдаем, может считаться подтверждением теории Большого объединения.

При температуре 1018 К произошло и другое существенное изменение. Плотность вещества Вселенной настолько уменьшилась по сравнению с исходной, что при расстояниях порядка 10–29 см уже выявились индивидуальные свойства отдельных частиц. Теперь гравитационное поле окончательно перестает играть роль во взаимодействиях отдельных частиц и проявляет себя только в структуре пространства, расширяющегося вместе с расширением самой Вселенной. Позже, когда образуются галактики и звезды, гравитационное поле будет определять и отклонение симметрии пространства в их окрестности от общей симметрии Вселенной.

Итак, для расстояний порядка 10–29 см существует достаточно надежная теория. На этих расстояниях проявления электромагнитного поля и двух других полей, слабого и сильного, действующих между частицами, оказываются одинаковыми, а гравитационное поле перестало играть роль в микромире, заняв свое место во взаимодействии макроскопических тел.

При этом все частицы оказываются объединенными в общее семейство. И исчезает запрет, препятствующий, например, протону превращаться после ряда промежуточных этапов в несколько фотонов.

В качестве одного из следствий этой теории является предсказание, которое показалось бы безумным ещё 3O лет назад; предсказание того, что такие распады протона возможны и в наши дни.

Мы привыкли считать, что протон — образец вечного постоянства. И вот ныне теория утверждает, что протон живет не вечно, что он может распасться. Теория предсказывает, что в современном мире при современных температурах эти спонтанные превращения протонов в фотоны очень редки. Для единичного протона вероятность такого распада — один раз за 1031 лет! Но известно, что возраст нашей Вселенной составляет всего от 1 1010 до 2 1010 лет! Не значит ли это, что протон следует считать истинно устойчивой частицей? Нет, ведь их очень много. Так много, что и при этой крайне малой вероятности распада во Вселенной действительно должны происходить такие процессы. Поэтому ученые приступили к опытам, цель которых обнаружить столь удивительное и маловероятное событие. Ведь положительный результат был бы сильнейшим аргументом в пользу теории Великого объединения главных сил, действующих в природе, и объединения всех частиц в единое семейство, обладающее чрезвычайно симметричным строением, причем отклонения от этой симметрии объясняют все известные различия между частицами.

Идея этого опыта основана на том, что элементарные частицы очень малы и их очень много. Достаточно взять 1000 тонн любого вещества, чтобы в нем содержалось около 5 1032 протонов и нейтронов. Если этим веществом является вода, то протонов в ней чуть больше половины. Это значит, что, при вероятности распада 10–31 в год, в течение года следует ожидать примерно 25 случаев спонтанного распада протонов. Для того чтобы наблюдать эти чрезвычайно редкие события, опыты будут проводиться в глубоких шахтах или в глубине океана, чтобы уменьшить помехи со стороны космических лучей, которые могут исказить результаты опыта.

Мы сосредоточили внимание на рубеже, на котором при температуре 1018 К сложилась основа той Вселенной, которую мы наблюдаем теперь. Именно после этого, вследствие случайного избытка в 1 частицу на 109 античастиц и после аннигиляции этих античастиц с соответствующим количеством в 109 частиц, осталась и ныне существует вся материя Вселенной и множество фотонов. Затем, на протяжении огромного периода времени, который по нашим часам длился примерно 0,01 сек, температура расширяющейся Вселенной упала до 1011 К (100 миллиардов градусов). В течение этого времени, после завершения аннигиляции тяжелых частиц, вещество Вселенной не испытало существенных изменений. Оно состояло главным образом из фотонов, электронов, позитронов и нейтрино с их антинейтрино. Доля тяжелых частиц — протонов и нейтронов, уцелевших в процессе аннигиляции, была малой.

Когда температура в результате расширения Вселенной упала до 100 миллиардов градусов, плотность равновесной массы вещества и излучения была в 3,8 миллиарда раз больше, чем плотность воды на поверхности Земли в наше время. При этом окружность Вселенной была невелика, так что свет мог обежать ее за несколько лет. Впрочем, этот размер еще точно не известен, а дальнейшая эволюция Вселенной не зависит от ее начальных размеров.

Через 0,11 секунды температура упала до 30 миллиардов градусов, но ничего существенного за это время не произошло. По-прежнему Вселенная наполнена фотонами, электронами, позитронами, нейтрино и антинейтрино. Но плотность этой равновесной мешанины значительно уменьшилась, падая как четвертая степень уменьшения температуры. Изменилось и соотношение между протонами и нейтронами, количество которых в начале предыдущего этапа было одинаково. Изменение произошло потому, что протоны и нейтроны при температуре 30 миллиардов градусов еще не способны объединяться в ядра атомов, а свободные нейтроны, как известно, неустойчивы. Каждый из них в среднем через 15 минут превращается в протон, выделяя также электрон и нейтрино. В результате таких распадов к концу этого этапа развития из каждых ста ядерных частиц лишь 38 были нейтронами, а 62 протонами.

Прошло всего около одной секунды, но за это время, в результате быстрого расширения, температура упала до 10 миллиардов градусов, а плотность вещества уменьшилась настолько, что нейтрино и антинейтрино практически перестали взаимодействовать с остальными частицами и излучением. Дальнейшая судьба реликтовых нейтрино не известна вследствие необычайной трудности исследования этих частиц. Их эволюция протекает практически независимо от эволюции остального вещества, а их главная роль состоит в том, что на их долю приходится некоторая часть общей массы Вселенной, определяющей темп ее расширения.

К этому моменту общая плотность материи «лишь» в 380 000 раз превышала плотность воды, а распад нейтронов, все еще не объединившихся с протонами в ядра атомов, привел к тому, что осталось только 24 нейтрона на каждые 76 протонов.

Когда прошло всего 13,82 секунды от начала нашей истории и температура понизилась до 3 миллиардов градусов, энергия фотонов уже стала недостаточной для рождения электрон-позитронных пар. Электроны и позитроны продолжали аннигилировать при встречах, но уже не рождались вновь. Симметрия вещества и антивещества окончательно нарушилась. К протонам и нейтронам присоединился избыток электронов, в точности равный числу протонов, ибо общий электрический заряд Вселенной остался равным нулю.

В это же время начался новый этап эволюции. Протоны и нейтроны сливались в ядра гелия до тех пор, пока не исчерпались все свободные нейтроны. Температура была уже недостаточной для того, чтобы разрушать образующиеся ядра. Но процесс образования ядер гелия шел медленно, так как они могли рождаться только путем случайных и достаточно редких встреч двух протонов и двух нейтронов.

Более надежный путь последовательных превращений, например через образование ядра дейтерия (при много более вероятной встрече одного протона и одного нейтрона с последующим превращением в тритий — путем присоединения еще одного нейтрона, или в легкий изотоп гелия — гелий-3 — путем присоединения к ядру дейтерия одного протона), не мог реализоваться, ибо при температуре в 3 миллиарда градусов все эти ядра распадались слишком быстро. Так быстро, что цепочка не успевала завершиться присоединением еще одной частицы, необходимой для появления устойчивого ядра гелия-4. Поэтому распад свободных нейтронов продолжался, и число их упало до 17 на каждые 83 протона…

Прошло 3 минуты и две секунды от начала нашего отсчета времени. К этому моменту температура упала до 1 миллиарда градусов, что всего в 70 раз больше, чем температура в недрах Солнца. После этого во Вселенной остались главным образом лишь фотоны и нейтрино со своими антинейтрино. Энергия, выделившаяся при аннигиляции электронов и позитронов перешла в фотоны, так что температура фотонов стала на 35 % выше температуры нейтрино, продолжавших участвовать в расширении Вселенной, практически без взаимодействия с остальными частицами. В конце этого этапа истории мира малое, по сравнению с числом фотонов и нейтрино, количество не аннигилировавших электронов оказалось равным количеству положительно заряженных ядер. Но температура в 109 К слишком велика для объединения ядер и электронов в атомы. Состояние электрической нейтральности существует до наших дней и будет существовать вечно. Ведь закон сохранения электрического заряда принадлежит к тем фундаментальным законам сохранения, случаев нарушения которых ни разу не зафиксировано.

Последний заслуживающий упоминания момент ранней истории Вселенной отстоит от нашего начала отсчета времени на 34 минуты и 40 секунд. К этому времени температура упала до 300 миллионов градусов, причем температура излучения за счет энергии, освобождавшейся при аннигиляции электронов и позитронов, теперь на 40,1 % превышает энергию нейтрино. Общая средняя плотность Вселенной всего на 9,9 % превышает плотность воды, причем 31 % ее относится к плотности нейтрино и антинейтрино, а 69 % составляет плотность фотонов. Плотность остальных частиц составляет ничтожную часть общей плотности Вселенной. Эти частицы присутствуют в форме свободных протонов и ядер гелия, причем последние составляют от 22 до 28 % от общего количества тяжелых частиц. Количество электронов точно равно количеству протонов (свободных и связанных в ядрах гелия), но ведь масса каждого электрона примерно в 2000 раз меньше массы протона. Однако температура все еще слишком высока, чтобы электроны могли объединиться с протонами и ядрами гелия в атомы водорода и гелия.

Это состояние сохранялось в течение 700 000 лет. Вселенная продолжала расширяться и остывать. При этом не происходило никаких существенных изменений ее состава. Так продолжалось, пока ее размеры не достигли примерно тысячной части современных размеров, а температура не упала до 3000 К. При этой температуре электроны присоединились к ядрам, образовав нейтральные атомы гелия и водорода. Энергия большинства фотонов при этом была уже недостаточна для того, чтобы оторвать электроны от ядер. Вселенная стала практически прозрачной, электромагнитное излучение, заполнявшее Вселенную, теперь «отключилось» от вещества. Тепловое равновесие между ними нарушилось. Вещество и фотоны продолжали расширяться почти независимо. Именно с этого момента, продолжая остывать, сохранилось реликтовое излучение, обнаруженное Пензиасом и Вилсоном…

Сценарий ранних этапов развития Вселенной составлен лауреатом Нобелевской премии Вайнбергом и опубликован в его замечательной книге «Первые три минуты».

Для того чтобы завершить эту часть нашего рассказа, нужно сказать подробнее о том, почему радиотелескопы зафиксировали реликтовое излучение с температурой 3°, а не 3000°, при которой излучение потеряло тепловой контакт с веществом Вселенной. Причиной является продолжающееся расширение Вселенной. Реликтовое излучение приходит к нам из всей «глубины» Вселенной, включая ее самые отдаленные части. Объем этих удаленных частей много больше, чем объем более близких областей. Ясно, что главная часть реликтового излучения приходит оттуда. Но красное смещение там очень велико, ведь скорости удаления многих галактик составляют половину и более от скорости света. Расчет показывает, что, просуммировав все излучение, приходящее к нам по каждому произвольному направлению, мы получим то, что дало бы абсолютно черное тело с температурой 2,96° выше абсолютного нуля.

Новейшие измерения дают несколько меньшее значение эквивалентной температуры реликтового излучения. Это еще одна из нерешенных загадок мироздания. Загадочным является малое (примерно на 20 %) отклонение от расчетной величины. Но в главном эксперимент хорошо согласуется с космологическими выводами теории относительности.

После «отключения» электромагнитного излучения от вещества, когда температура, уменьшаясь, перешла предел, при котором фотоны уже не могли эффективно взаимодействовать с частицами, и пространство стало практически прозрачным для электромагнитных волн, достигли значительных размеров случайные отклонения плотности вещества в пространстве от ее среднего значения. До этого плотность первичной смеси была повсюду практически одинакова, однородно уменьшаясь от первоначальных огромных плотностей. Теперь начали возникать местные сгущения. Это нарушило первоначальную устойчивую и однородную картину. Силы притяжения приводили ко все большей концентрации вещества в областях случайных сгущений. Так началось возникновение галактик, а затем и остальных небесных тел. Теперь в регулярном фридмановском расширении участвовали лишь центры масс местных сгущений. Возникли регулярные движения отдельных частиц относительно этих центров.

Не следует считать, что процесс расширения, последовавший за Большим взрывом, можно рассматривать как распространение вещества и излучения в пространстве, бывшем до того пустым. Общая теория относительности показывает, что пространство чрезвычайно тесно связано с заполняющей его материей, существующей в нем в форме вещества и излучения. В процессе расширения участвует само пространство вместе с заполняющим его излучением и веществом.

Пытаясь выразить словами это глубокое свойство пространства, Эйнштейн называл его «новым эфиром», ибо местные движения частиц и целых звезд относительно центра соответствующей галактики являются движениями относительно расширяющегося пространства. Ведь неподвижны относительно этого пространства только центры тяжести таких огромных систем, как галактики.

Теория относительности, подчеркивающая значение относительных перемещений различных тел, показывает, почему невозможно обнаружить равномерное и прямолинейное движение какого-либо отдельного тела, не привлекая для такого опыта другие тела. Это связано с тем, что пространство само по себе не имеет никаких «верстовых столбов», никаких отметин, по которым можно судить о движении. Лишь ускоренное движение может быть обнаружено без всякой связи с внешними телами. Знаменитый опыт Майкельсона, стремившегося обнаружить движение Земли относительно эфира, так же как последующие повторения этого опыта, давали отрицательный результат. До создания теории относительности это казалось поразительным. Теперь мы знаем, что ничего иного нельзя ожидать. Эти опыты следует рассматривать лишь как экспериментальное подтверждение постулата Эйнштейна о постоянстве скорости света, о независимости этой скорости от движения наблюдателя и его приборов.

Открытие реликтового излучения радикально изменило ситуацию.

Реликтовое излучение и его эволюция неразрывно связаны с пространством и его расширением. Изучая свойства реликтового излучения, можно не только проверить справедливость теории Большого взрыва, но и обнаружить движение наблюдателя относительно этого излучения, а следовательно, и относительно самого расширяющегося пространства. В 1977 году Маллер и его сотрудники в Калифорнийском университете задумали с этой целью повторить измерения изотропии реликтового излучения, увеличив в тысячу раз точность измерения, достигнутую Пензиасом и Вилсоном. Для этого они избрали волну длиной 9 мм и, чтобы избегнуть влияния шумов атмосферы, должны были поднять аппаратуру на высоту более 15 км, где практически нет паров воды, излучающих в этом диапазоне. Влияние излучения молекул кислорода исключалось специальной системой, периодически переключавшей элементы схемы приемника. Измерения велись по ночам, чтобы не мешало радиоизлучение Солнца и оно не нагревало антенну. Для исключения сезонных эффектов измерения велись целый год.

Результат был несомненным и сенсационным. Оказалось, что температура излучения, приходящего к приборам из глубины Вселенной по различным направлениям, не оставалась постоянной вопреки измерениям Пензиаса и Вилсона.

Отклонение было столь малым, что не могло быть зафиксировано приборами первооткрывателей. Но новые приборы, примененные Маллером, показали, что излучение, приходящее со стороны созвездия Льва на 3,5 миллиградуса теплее, а приходящее с противоположного направления на 3,5 миллиградуса холоднее среднего значения температуры излучения. При этом зависимость температуры излучения от направления описывалась законом косинуса. Если же вычесть такое косинусоидальное изменение из результатов опыта, то остаток оказывался изотропным (то есть одинаковым во всех направлениях) с точностью до '/зооо.

Полученные результаты легко объяснить предположением о том, что антенна вместе с Землей перемещается в поле реликтового излучения. Поэтому в направлении движения (в сторону созвездия Льва) мы видим это излучение более «горячим», а в противоположном направлении более «холодным». Иными словами, наблюдается эффект Допплера — «голубое» смещение спектра при наблюдении в сторону движения и «красное» смещение в противоположном направлении. Наблюдается новый эфирный ветер — ветер реликтового излучения…

Расчет показывает, что измеренное смещение соответствует скорости Земли относительно поля реликтового излучения, равной 390 км/сек.

Теперь мы знаем, что Земля участвует в трех движениях: в движении по орбите вокруг Солнца со скоростью 30 км/сек, движении вместе с Солнечной системой вокруг центра Галактики со скоростью около 300 км/сек и в движении Галактики как целого, относительно поля реликтового излучения, то есть относительно расширяющегося пространства общей теории относительности. Произведя исследования величины и направления этих скоростей, Маллер определил, что наша Галактика движется относительно пространства со скоростью около 600 км/сек. Так неожиданно реализовалось еще одно предвидение Эйнштейна. Его «новый эфир» получил воплощение в реликтовом электромагнитном излучении, дошедшем до нас как эхо Большого взрыва и позволяющем измерить скорость Земли относительно расширяющегося пространства.

Эйнштейн лучше других понимал, что его теория не имеет ничего общего с так называемым философским релятивизмом, отрицающим само существование абсолютного знания. Эйнштейн многократно подчеркивал, что его теория выражает результат объективного познания реального внешнего мира и является инструментом для изучения внешнего мира. При его жизни реликтовое радиоизлучение еще не было открыто. Поэтому не могло быть и речи о возможности обнаружить равномерное движение без наблюдения перемещения относительно каких-либо внешних тел. Ускоренное движение поддавалось такому обнаружению. Физики объясняли «абсолютный» характер ускорения тем, что оно отражает состояние движения рассматриваемого тела относительно совокупности всех масс Вселенной. Теперь наблюдение «нового эфирного ветра» позволяет обнаружить и равномерное движение относительно реликтового излучения, а значит, и относительно расширяющегося пространства Эйнштейна— Фридмана. Факт, не менее замечательный, чем открытие реликтового излучения.

Читатель вправе спросить: чем объясняется то, что реликтовое излучение было обнаружено случайно, что правильные предсказания теории долго оставались незамеченными? Отчасти это связано с узкой специализацией наук. Объем знаний столь велик, что охватить их полностью совершенно невозможно. Трудно хорошо ориентироваться даже в пограничных областях. Горькой шуткой звучит определение узкого специалиста как человека, знающего все ни о чем (то есть все, но в слишком узкой области), и широкого специалиста как человека, знающего обо всем, но ничего (то есть слишком поверхностно).

Возвращаясь к нашей истории, нужно признать, что радиоспециалисты Пензиас и Вилсон в 1965 году ничего не знали о теории Большого взрыва и ее следствиях. В свою очередь, астрофизики и физики-теоретики не знали о том, что современные приборы способны обнаружить реликтовое излучение с температурой всего 3 К. Вайнберг, перерабатывая в 1976 году свою лекцию, прочитанную в 1973 году, и завершая книгу о трех первых минутах, не подозревал, что уже в 1973 году две группы ученых начали независимо готовить аппаратуру для обнаружения нового эфирного ветра и что в 1976 году опыты начались. Таковы пути науки. Человек не способен охватить весь объем знаний, добытых человечеством. Может быть, вычислительные машины будущего смогут помочь делу, сопоставляя и анализируя результаты познавательной деятельности всего человечества. Это приведет к резкому возрастанию темпов прогресса, к новой научно-технической революции. Но это дело будущего.

Здесь уместно напомнить, что общая теория эволюции Вселенной еще далека от завершения. Не ясны первые мгновения. Была ли тогда температура еще выше или она была низкой, а вещество находилось в еще неизвестном нам состоянии… У читателя может возникнуть вопрос о том, что было до того, как все началось, и что будет в будущем. Мы, привыкшие к тому, что мир будет существовать вечно, с трудом воспринимаем мысль о его начале и возможном конце.

Прежде всего о будущем. Эксперимент, именно эксперимент, как это ни кажется странным, не дает еще возможности предсказать будущее Вселенной. Речь идет вовсе не о том, что до этого нужно дожить. Масштабы совсем иные. Просто ученые должны точнее оценить среднюю плотность вещества во Вселенной. Если эта плотность меньше определенной величины, Вселенная будет расширяться вечно. Если плотность больше, сила тяготения остановит расширение и вещество снова начнет сжиматься. Начав сжиматься, Вселенная придет к исходному состоянию, которое вновь приведет к Большому взрыву и к новому циклу расширения. Время, необходимое для этого, зависит от средней плотности вещества.

Существует гипотеза, описывающая процесс, приводящий к началу расширения. Она исходит из того, что на заключительной стадии сжатия, когда температура достигает 10 К, все сливается воедино — вещество, энергия и само пространство. Это состояние высшей однородности и высшей симметрии еще не может быть рассмотрено на основе существующих теорий. Гипотеза состоит в том, что это состояние является неустойчивым. Тогда малейшее случайное отклонение от высшей симметрии становится причиной начала нового расширения. Началом Большого взрыва. Многие ученые интуитивно склоняются к подобному взгляду на будущее Вселенной и считают, что она развивается периодически. Мы живем в один из таких циклов и наблюдаем его в эпоху, отстоящую примерно на 10–20 миллиардов лет от рождения мира. Но гипотеза — это еще не теория. Ее трудно примирить со вторым началом термодинамики, которое заставляет предполагать, что при циклическом повторении расширения и сжатия интенсивность Больших взрывов будет раз за разом уменьшаться, и пока не ясно, что может предотвратить такое развитие событий. Однако временные масштабы циклов столь велики, что этот вопрос имеет лишь принципиальное значение.

Конечно, человеческий ум стремится решить и такие, далекие от современной жизни, проблемы. Впрочем, возможно, что этот вопрос отпадет сам собой, если изменения приведут к столь малой средней плотности, что расширение Вселенной не сможет затормозиться и будет продолжаться вечно. Но тогда вновь возникнет вопрос о начале и о том, что было «до начала». Современная наука считает такую постановку вопроса ненаучной, ибо, как показала теория относительности, течение времени замедляется вблизи больших масс. Если вся материя соберется в одну точку, то течение времени практически прекратится. Современная наука еще не умеет справиться с бесконечностью, скрывающейся в первых мгновениях развития Вселенной. Но уже теперь существуют теории, показывающие, почему начальный момент оказывается столь же недостижимым, как абсолютный нуль температурной шкалы Кельвина.

Трудно представить себе более увлекательное путешествие в глубь времени и пространства, чем то, которое мы совершили. Поражает сам факт возможности достоверного знания о событиях, отстоящих от нас на 20 миллиардов лет… Вайнберг, ученый, для которого занятия наукой должны были бы выглядеть как будничное дело, не может скрыть волнения, говоря о проделанной работе. «Откровенно говоря, — признается он, — мы не абсолютно уверены во всем этом, но волнует, что сейчас мы способны говорить о подобных вещах хоть с какой-то долей уверенности. Я не в силах избавиться от ощущения нереальности, когда пишу о первых трех минутах так, как будто мы действительно знаем, о чем говорим».

Вывести — чисто умозрительно — ход событий, которые по масштабам превосходят все, что соизмеримо с человеческой жизнью, обобщить всю информацию, наблюдения, размышления, скопленные человечеством более чем за двадцать веков, — помог человеческий Разум, который так же совершенствуется, развивается, эволюционирует, как и вся Природа в целом.