Вселенная в электроне

Великое кольцо

Великое кольцо природы… Углубляясь в микромир, мы встречаемся с явлениями космического масштаба, а уходя в далекий космос, находим следы, которые убеждают нас в том, что когда-то сама Вселенная была похожа на микрочастицу.

Космос, целые миры внутри частиц, и вселенная как микрочастица! Как это может быть? Все перепуталось — элементарные частицы и астрономия! Где начало того конца, которым кончается это начало?

Есть ли у вселенной границы и было ли время, когда еще не было времени? Откуда произошли элементарные частицы и почему их свойства именно таковы, какими мы их наблюдаем, — разве не может быть других миров, совсем с другими частицами? Почему пространство трехмерное, а время одномерное? Могут ли быть вселенные с другой размерностью — например, десятимерное пространство? Существует ли антимир, построенный из антивещества?

Итак, как устроен наш мир в целом? Откуда он взялся и какова его судьба?

Чтобы разобраться в этих вопросах, нам понадобится многое из того, о чем мы узнали в предыдущей главе.

Самое большое и самое малое

Наиболее мощные астрофизические приборы позволяют сегодня просматривать космос в радиусе приблизительно 10²² километров. На границах этого гигантского круга расположены самые далекие объекты, свет и радиоизлучение которых на пределе своей чувствительности еще фиксируют приборы астрофизических обсерваторий. Все, что дальше, остается для нас невидимым.

Чем дальше расположен наблюдаемый объект, тем меньшая часть его излучения попадает в наши приборы. Расстояние возрастает вдвое, а чувствительность приборов приходится повышать вчетверо. Когда-то длительная выдержка фотопластинки под телескопом была единственным способом уловить слабое свечение далеких объектов. Сегодня приходящие сигналы анализируются с помощью мощных ЭВМ, которые отделяют фоновое излучение, случайные помехи и постепенно накапливают информацию в своей памяти. Приборы наблюдения за космосом теперь часто имеют километровые габариты, стоят огромных денег, и дальнейшее продвижение здесь, как и в области микромасштабов, становится все более трудным.

Космос просматривают и прослушивают в разных диапазонах — регистрируют свет и радиоизлучения, высокоэнергетические кванты, рождающиеся в ядерных реакциях, потоки всепроникающих нейтрино. Все это несет важную информацию. За последнюю пару десятков лет наука узнала о космическом пространстве больше, чем за всю многовековую историю.

Чтобы почувствовать, насколько велика видимая нами часть Вселенной, представим себе, что Земля уменьшилась до величины атома. Тогда расстояние 10²² километров сожмется до размеров лунной орбиты. Атом и орбита Луны — размеры трудносопоставимые! Для того чтобы пересечь видимый нами мир, световому лучу требуется несколько миллиардов лет, хотя за одну секунду он пробегает триста тысяч километров. Окраинные области мы видим такими, какими они были сотни миллионов и миллиарды лет назад. Возможно, многое из того, что мы наблюдаем, уже давно не существует — умерло или распалось. Это похоже на то, как если бы следящие за нами инопланетяне рассматривали сегодня картины боев гладиаторов и марширующие легионы древних римлян. Впрочем, это не мешает построить теорию, которая не только хорошо описывает прошлое Вселенной, но и предсказывает ее далекое будущее.

И вот что очень важно: для объяснения всех явлений, наблюдаемых в космосе, вполне достаточно уже известных нам физических законов. Никаких новых предположений и гипотез, выходящих за границы современной физики, пока не требуется. Их безжалостно обрезает неумолимая «бритва Оккама». Поэтому можно думать, что предсказания новых, еще не наблюдавшихся явлений, которые вытекают из известных нам законов природы, также должны быть верными.

Два геометрических полюса мира, самое большое и самое малое — 10^-16 сантиметров «снизу» и 10²⁷ сантиметров «сверху». Учитывая, что наши собственные размеры сто — двести сантиметров, можно сказать, что вдаль мы видим на семь порядков острее, чем вглубь.

Самые мелкие объекты в природе — геометрические кванты пространства, 10^-33 сантиметров. Самый большой объект — сама Вселенная. Бесконечна она или конечна? Забегая вперед, заметим, что радиус нашего мира, то есть той части Вселенной, в которой действуют привычные нам физические законы, составляет около 10²³ километров. Всего лишь в десять раз больше уже достигнутой границы. Каковы размеры и свойства остальной части — это сложный вопрос. Чтобы ответить на него, надо знать, как устроена Вселенная, знать ее структуру. Представление о бесконечно продолжающемся во все стороны пространстве — только одна из возможностей, причем самая простая. Есть более сложные. Одна из них была открыта еще древнегреческими учеными.

Матрешки в матрешках

Греческий философ Анаксагор жил две с половиной тысячи лет назад. Это был нелюдимый, мрачный человек, с головой погруженный в науку. Когда его однажды спросили: «Если ты отказываешься от земных благ, зачем же ты родился на свет?» — он ответил: «Для того, чтобы наблюдать небо, а на нем звезды, луну и солнце!»

Анаксагор не признавал божественной природы этих небесных тел, считая их просто раскаленными камнями. За такое неслыханное богохульство афинский суд приговорил его к казни, и ему едва удалось спастись бегством.

Анаксагор первым пришел к мысли о том, что мир состоит из бесчисленного количества мельчайших частиц, каждая из которых — целая Вселенная. Такая же, как наша. Внутри каждой частицы, какой бы малой она ни была, учил философ, «есть города, населенные людьми, обработанные поля и светит солнце, луна и звезды, как у нас». И этот микрокосмос, в свою очередь, состоит из частиц-вселенных, которые содержат еще более мелкие, и так без конца. Анаксагор считал, что любая из этих частиц содержит в себе все свойства Вселенной и ничем не хуже других, больших или меньших ее. Мир бесконечно повторяется вверх — в сторону больших размеров, и вниз — при уменьшении всех масштабов до нуля. Но на каждом этаже все соразмерно, и его обитатели не знают, на каком по счету уровне они живут. Да и как сосчитать, если в обе стороны бесконечность?! Любой уровень можно выбрать за начальный.

Идею о бесконечной цепочке вложенных друг в друга миров разделяли многие ученые. В семнадцатом веке ее сторонником был Готфрид Вильгельм Лейбниц — знаменитый философ и математик. Он также считал, что мир слагается из простейших частичек — атомов, в каждой из которых, в свою очередь, «существует целый мир созданий, живых существ, животных…». Подобные же мысли высказывали Джордано Бруно и другие выдающиеся мыслители.

Масла в огонь подлила работа Резерфорда, доказавшая, что атом подобен микроскопической солнечной системе. Если все устроено так похоже, то почему не продлить эту аналогию дальше и не предположить, что вообще все свойства микромира такие же, как у нас, только в миниатюре? Огромное поле для фантазии! Жизнь внутри атомов, многоэтажная вселенная — в начале века эти идеи обсуждались в серьезных книгах, о них шла речь во время лекций.

Настроение того времени хорошо отразил поэт Валерий Брюсов:

Но… в игру снова вступила острая «бритва Оккама»: гипотезы о микрокосмосе не имели достаточных оснований, тем более что бурное развитие экспериментальной физики в последующие годы, детальное изучение свойств молекул и атомов, открытие быстро распадающихся и превращающихся одна в другую элементарных частиц, казалось бы, полностью и навсегда разрушили наивную картину мира, построенного по принципу вложенных одна в другую русских матрешек. Однако в последнее время появились соображения, которые неожиданно заставляют снова вернуться к идее вложенных миров.

Это связано с замечательным открытием, которое сделал ленинградский ученый Александр Александрович Фридман. Чтобы понять, в чем тут дело, нам придется познакомиться с некоторыми свойствами сил всемирного тяготения.

Изогнутое пространство и искривленное время

Казань середины прошлого века была грязным провинциальным городом, где редкие островерхие мечети контрастировали с луковицами православных церквей, а светлое, в несколько этажей, здание университета — с низкими, тесно прижавшимися друг к другу домишками вдоль пыльных улиц, по которым носились ватаги чумазых ребятишек. Трудно поверить, что в этих условиях могла родиться теория, перевернувшая представления, безраздельно владевшие умами более двух тысячелетий.

С тех пор как древнегреческий ученый Евклид собрал и привел в систему то, что стало потом называться евклидовой геометрией (она и сегодня излагается в школьных учебниках), считалось само собой разумеющимся, что окружающее нас пространство плоское, без всякой кривизны. Посмотрите на тонкий прут или лист бумаги. Это примеры одномерного и двумерного пространств. Они могут быть прямыми, плоскими и искривленными. Это понятно и не требует никаких пояснений. Сложнее представить искривление трехмерного пространства. Для этого нужно воображение или математические формулы. Например, сумма углов треугольника в искривленном пространстве не равна 180 . Соответствующая теорема из школьного учебника там не пригодна, поскольку при ее выводе неявно предполагалось, что пространство может быть только плоским. На поверхности шара сумма углов треугольника больше 180°, на вогнутых поверхностях она меньше 180°. Читатель сам может найти другие величины, характеризующие кривизну пространства.

С вершины современных знаний многое из того, что входило в науку с большим трудом, выглядит просто очевидным, и кажется невероятным, как это люди, а уж тем более знаменитые ученые, не могли понять таких простых вещей! Но именно такие простые, веками почитаемые за очевидные взгляды труднее всего изменить. Описывающая плоский мир геометрия Евклида более двух тысячелетий успешно служит людям, и никому в голову не приходило, что могут быть еще и другие геометрии, столь же последовательные и непротиворечивые, но только для искривленных миров. С точки зрения церковных догм, сама мысль о многообразии миров выглядела еретической и напоминала о трагической судьбе Джордано Бруно.

Неудивительно, что когда ее высказал профессор математики Казанского университета Николай Иванович Лобачевский, его работы не нашли понимания даже у лучших математиков того времени. Он послал работы в Петербург, в Академию наук, но получил резкий отрицательный отзыв, подписанный знаменитым математиком Остроградским.

Правда, рассказывают, что здесь сыграло роль неудачное стечение обстоятельств. Остроградскому уже давно досаждал безграмотными математическими сочинениями некий чиновник Лобачевский. Получив новую работу, подписанную тем же именем да еще замахнувшуюся на тысячелетний авторитет Евклида, Остроградский пришел в крайнее раздражение и тут же написал разгромный отзыв.

Как бы там ни было, отрицательное отношение Академии наук к работам казанского ученого подорвало его положение. Этим воспользовались чиновники и те из его коллег, которые раньше опасались открыто критиковать его взгляды (Лобачевский долгое время был ректором университета). К тому же резко ухудшилось зрение, и Лобачевский был вынужден уйти в отставку. Вскоре он умер, почти ослепший, неспособный заниматься своей любимой наукой.

Лобачевский в своих книгах первым создал неевклидову геометрию и поставил вопрос: какова же реальная геометрия нашего мира — плоская евклидова или же искривленная неевклидова? Более того, он попытался ответить на этот вопрос экспериментально — путем астрономических наблюдений измерить сумму углов треугольника, образованного тремя яркими звездами. Работы Лобачевского и выполненные независимо от него расчеты венгерского математика Яноша Бояи, который тоже пришел к идее неевклидовых геометрий, послужили идейным фундаментом для всех последующих теорий искривленных пространств, в том числе и для теории Бернгарда Римана. Этот немецкий ученый разработал математический аппарат для анализа пространств различных типов. В его теории пространство могло быть скрученным и изогнутым, по-разному в различных точках, могло иметь разрывы и дырки, быть многомерным. Свои идеи Риман изложил в конкурсной лекции перед тем, как занять в Геттингенском университете место приват-доцента. В лекции, которая называлась «О гипотезах, лежащих в основаниях геометрии», не было ни одной формулы — для математического доклада факт весьма необычный. Рассказывают, что, выслушав Римана, престарелый «король математиков» Гаусс молча встал и вышел из зала. Лекция молодого ученого привела его «в состояние наивысшего изумления».

В начале XX века в распоряжении физиков были хорошо разработанные математические методы для описания искривленных пространств, а мысль о том, что при определенных условиях пространство может стать искривленным, уже не казалась еретической. Однако не было физической теории, которая бы связала кривизну пространства с действующими в нем силами. Такую теорию — теперь ее называют общей теорией относительности — создал Альберт Эйнштейн. В 1916 году он вместе с немецким математиком Гильбертом вывел уравнения, которые выразили кривизну пространства через силы всемирного тяготения. Оказалось, что там, где есть поле тяготения (гравитация), пространство всегда искривлено. И наоборот, пространственная кривизна проявляется в виде сил гравитации. Материальное тело как бы прогибает пространство и катится по образовавшейся ложбинке. Чем сильнее гравитация, тем такая ложбинка глубже.

И вот что замечательно: из уравнений Эйнштейна и Гильберта следует, что искривлено не только пространство, но и… время! Можно сказать, что темп его течения зависит от конкретных физических условий и разный в различных областях пространства. Этого не предвидели ни Лобачевский, ни Бояи. В перепадах гравитационных полей время может замедляться, почти замирать, или резко ускоряться.

Однажды маленький сын спросил Эйнштейна, как он стал таким знаменитым, и тот ответил:

— Когда слепой жук ползет по изогнутому суку, он не замечает, что сук изогнут. Мне посчастливилось заметить то, чего не заметил жук!

Однако анализ новой теории, выполненный Фридманом, показал, что в ней содержится нечто большее: кривизна может стать такой большой, что пространство полностью замкнется и превратится в изолированный «пузырь».

Бесконечный мир размером с точку

Александр Александрович Фридман родился в семье придворных музыкантов и детство провел в Зимнем дворце. В первую мировую войну он был на фронте в артиллерийских и воздухоплавательных частях. Не раз совершал опасные полеты, однажды едва не погиб при неудачном приземлении. Сочувствуя революционным идеям, он прятал в Зимнем дворце прокламации, одним из первых российских ученых признал Октябрьскую революцию. Много работал, преподавал. Увлекаясь наукой, мало внимания уделял личным удобствам.

Летом 1925 года газеты сообщили, что директор Главной геофизической обсерватории профессор А. А. Фридман и аэронавт П. Ф. Федосеенко достигли на стратостате высоты в семь тысяч двести метров. Это был рекорд страны. Через два месяца Александр Александрович умер от брюшного тифа, случайно заразившись во время туристской поездки в Крым. Он умер, так и не узнав о том, что две его небольшие статьи в физическом журнале совершили настоящую революцию в науке о строении и происхождении Вселенной.

В жестокой борьбе с религией наука создала картину бесконечной Вселенной, и вот теперь, основываясь на общей теории относительности, Фридман показал, что эта картина приближенная, и на самом деле мир может быть конечным. Но это не простой шар, где можно «дотронуться» до ограничивающей его стенки. Таких границ у мира нет. Конечный, но без границ.

Чтобы понять, как это может быть, представим себе муравья, бегущего по проволочному кольцу. Его одномерный мир сразу бесконечен и ограничен. Ограничен, так как, двигаясь все время вперед, муравей обязательно попадет в то место, где он уже побывал ранее, а бесконечен потому, что, сколько ни бегай, никакого конца у кольца не обнаружишь. Одномерная Вселенная обладает краями лишь в мире с большим числом измерений — на плоскости или в пространстве.

Для муравья на глобусе мир был бы двумерным, но опять-таки самозамыкающимся и вместе с тем бесконечным. И если бы муравей сам был двумерным и не мог «привстать» над поверхностью глобуса, то никаких границ своего мира он никогда не обнаружил. Двумерный мир полностью бы исчерпывал все доступное ему пространство.

Сказочным двумерным «людям», живущим на поверхности шара, было бы очень трудно представить себе ограниченность их Вселенной. Для этого им пришлось бы иметь дело с воображаемым трехмерным миром, который они могли бы изучать лишь с помощью математических формул, — ведь в своей жизни они имеют дело только с длиной и шириной, высоты у них нет.

Точно так же наше трехмерное пространство может быть поверхностью четырехмерного шара. Оно тоже будет одновременно бесконечным и замкнутым. У него нет границ, но объем его конечен. Этот «недостаток» мы не будем ощущать, поскольку мы тоже не можем «привстать» над трехмерным миром.

Конечно, реально никакого четырехмерного мира не существует, иначе четвертое измерение проявлялось бы в наших экспериментах. Это всего лишь вспомогательный математический образ. Однако это не мешает трехмерному миру обладать свойством кривизны и, подобно двумерной сфере, иметь конечный радиус.

Вообще говоря, двумерные существа могли бы узнать о замкнутости своего мира, если бы решили измерить длины концентрических окружностей, описанных вокруг какой-либо точки. Вначале их очень бы удивило, что длины окружностей не равны 2πR. Чтобы объяснить этот факт, им пришлось бы допустить, что мир искривлен. А далее обнаружилось бы еще более поразительное свойство: длины окружностей сначала растут с увеличением их радиуса, а затем начинают убывать и, наконец, стягиваются в точку! И вот это убедило бы жителей в том, что их мир замкнут. Его размеры: длина светового луча-радиуса от точки испускания до точки, в которой концентрические окружности становятся бесконечно малыми.

Если забыть о технических трудностях и рассуждать чисто теоретически, то аналогичный опыт можно проделать и в трехмерном пространстве — например, измерять площади концентрических сфер. Если мир искривлен и замкнут, они тоже сначала будут возрастать, а затем стянутся в точку. Заглядывая достаточно далеко в космос, мы увидим внутренность микромира. И опять мы встречаемся с тем же Великим кругом: из точки через космос в микромир! Два переходящих друг в друга полюса.

Из формул, полученных Фридманом, следует, что радиус искривленного мира зависит от его массы. Чем она больше, тем больше радиус. Например, замкнутый мир с массой, равной массе солнца, имел бы радиус всего около трехсот метров. А вот размер замкнутого мира, масса которого приблизительно такая же, как у всей нашей Вселенной, составляет уже что-то около триллиона триллионов километров.

Если масса, а следовательно, и радиус мира очень велики, то его свойства практически не отличаются от свойств плоского мира. Его жители не будут даже и подозревать о замкнутости своего мира и о том, что, кроме этого, кажущегося им единственным и бесконечным мира, имеется еще множество других похожих миров.

Такие замкнутые миры могут существовать независимо один от другого. Для их обитателей каждый из них выглядит, как вся Вселенная, а другие миры просто не видимы, словно их вообще не существует в природе. Один мир по отношению к другому представляет собой «схлопнувшееся», самозамкнувшееся пространство. Никакой связи между ними нет. Они не могут ни пересечься, ни соприкоснуться между собой, они просто принадлежат различным трехмерным пространствам.

Можно сказать, что формулы Фридмана описывают Вселенную, состоящую из множества изолированных трехмерных миров, живущих в своем собственном ритме времени. Изнутри такой мир может быть большим или малым, а извне, по отношению ко всем остальным мирам, каждый из них является «абсолютным ничто», точкой, лишенной размеров, массы и всех других мыслимых физических свойств.

Просто невероятно: целая Вселенная и в то же время «абсолютная точка» в пространстве и времени! Под одним углом зрения — бесконечность, под другим — нуль.

Удивительные фокусы творят силы тяготения. Как не вспомнить стихотворение Корнея Чуковского, где «волки скушали друг друга», или известную шутку о том, как змея сама себя проглотила!

Правда, здесь следует сделать важную оговорку. Вывод о полном схлопывании пространства получается, если не учитывать процессов рождения и поглощения элементарных частиц, которые разыгрываются на малых расстояниях. Когда «ворота» в замкнутый мир становятся очень узкими, нужно учитывать одновременно формулы Фридмана и квантовую механику, которая управляет физическими процессами в ультрамалом. К сожалению, такой единой теории (квантовой теории относительности) еще не создано. Сегодня существуют две отдельные науки: теория относительности Эйнштейна, с вытекающими из нее формулами Фридмана, и квантовая механика (подробнее мы познакомимся с ней в следующей главе). Их объединение — дело будущего, поэтому как происходит последний микроскопический этап схлопывания пространства и его «отпочковывание» от материнского мира, мы точно не знаем.

Грубые оценки подсказывают, что когда соединяющая миры перемычка утончается до размеров геометрического кванта, пространство в ней становится неустойчивым, состоящим из отдельных «кусков», как битый лед в полынье. Такое дробленое пространство не может задержать переход энергии из одного мира в другой. Через оставшуюся тонюсенькую «пуповину» с размерами около 10^-33 сантиметров, образно говоря, струится поток энергии, которая не позволяет ей сжаться до конца. Остается точечный «прокол» из одного мира в другой. Если новых миров образуется много, то Вселенная станет похожей на гроздь винограда со сросшимися ягодами — мирами.

Посмотрим теперь, что произойдет, если попытаться перейти из одного полузамкнутого мира в другой. Они обладают различной пространственной кривизной и разными ритмами времени, поэтому можно ожидать, что на их стыке будет происходить масса любопытных явлений. Прежде всего выясним, какие физические условия способствуют «созреванию» и «отпочковыванию» новых миров-вселенных. Это подскажет нам, где искать их «ворота».

Черные дыры пространства

Если внутри тела нет противодействующих сил, то тяготение сожмет его в маленький шарик. Окружающие нас тела устойчивы благодаря отталкиванию электронных оболочек атомов и молекул. Массивные звезды, внутри которых гравитационные силы чрезвычайно велики, противостоят сжатию лишь благодаря расталкивающему действию излучений и мощных потоков вещества, порожденных ядерными реакциями в их недрах. Когда эти реакции ослабевают, внутреннее давление уже не может помешать стягивающим силам гравитационного притяжения и звезда начнет сжиматься. Уравнения общей теории относительности говорят, что для тел, масса которых больше нескольких солнечных, такое сжатие, однажды начавшись, уже не может остановиться. Масса тела будет неограниченно уплотняться все в меньшем и меньшем объеме. Произойдет так называемый «гравитационный коллапс», полное схлопывание пространства: тело сожмется до размера геометрического кванта и почти полностью «выпадет» из нашего мира, как будто его там и не было.

Отсюда, казалось бы, следует, что с течением времени, по мере того как будет выгорать их ядерное «горючее», все массивные звезды одна за другой провалятся в «ямы» гравитационного коллапса, и наша Вселенная сильно «похудеет». В ней останутся лишь легкие тела, которые под действием тяготения постепенно сольются в более массивные объекты и тоже «вывалятся» из нашего пространства.

И вот тут теория относительности преподнесла неожиданный сюрприз. Из ее формул следует, что коллапс космического тела можно наблюдать, лишь падая на него. Например, из ракеты, которая притягивается его гравитационным полем. Если же смотреть со стороны, скажем, с нашей Земли, то никакого сжатия в точку не произойдет.

Как это может быть? Ведь если у космонавтов в ракете и у наблюдателя на космодроме достаточно точные приборы, они всегда видят на небе одно и то же!

На Земле, где слабое гравитационное поле, это действительно так. Если же поле тяготения сильное, оно искривляет не только пространство, но и время — замедляет его. Все процессы становятся вялыми, лениво текущими. В падающей ракете, подобно тому как это происходит в быстро спускающемся лифте или в пикирующем самолете, тяготение ослабевает — возникает невесомость. Поэтому и течение времени, его ритм, практически не изменяется. На него ничто не действует. Другое дело — земной наблюдатель. Он видит процессы, искаженные гравитационным полем. А у сжимающегося тела оно очень сильное — ведь, как следует уже из закона Ньютона, сила притяжения тела обратно пропорциональна квадрату расстояния до него. Поэтому уменьшение размеров тела сопровождается быстрым нарастанием сил тяготения. И вот наступает момент, когда притяжение становится настолько мощным, что уже даже свет не может его преодолеть. Он буксует, как автомобиль на скользкой дороге, его скорость снижается до нуля, и сжимающееся тело — звезда или целая Галактика — превращается в «черную дыру» — объект, который поглощает все, что на него падает, но сам ничего, абсолютно ничего не испускает. Такой объект становится невидимкой, черным пятном на небе!

Существование таких необычных космических объектов — черных дыр — предсказал вместе со своим ассистентом незадолго до второй мировой войны американский физик Роберт Оппенгеймер. Но еще раньше, в конце XVIII века, идею «всепоглощающих тел» высказал знаменитый французский ученый Пьер Симон Лаплас. Он первым подсчитал, что тело, имеющее плотность Земли и размеры с ее орбиту, будет удерживать световые лучи. Конечно, никаких эффектов, связанных с изменением ритма времени, Лаплас не знал.

Чтобы нагляднее представить себе черную дыру, стоит перечитать те страницы романа И. А. Ефремова «Туманность Андромеды», где описывается зловещая черная планета. Ее гравитационное поле — ловушка для неосторожного звездолета. Оказавшись в ее окрестностях, он уже не в силах разорвать мощные цепи притяжения, и поверхность планеты навеки становится его могилой. А если масса планеты или звезды так велика, что вообще ничто материальное не может от них оторваться, даже нейтрино и радиоволны, вот тогда это уже черная дыра!

Объекты с такими необычными свойствами предсказаны теоретиками, как говорят, открыты на кончике пера. Обнаружить в космосе эти не испускающие ни частиц, ни электромагнитных волн невидимки чрезвычайно трудно. Почувствовать их присутствие можно лишь по крепкой паутине тяготения, создаваемой ими в окружающем пространстве. Черная дыра поджидает свою добычу, как паук в темноте. Но иногда она может себя выдать. Например, когда в ее гравитационную паутину попадает облако межзвездного газа или пыли. Такое облако крайне разрежено, но зато объем его огромен — миллиарды тонн мельчайших частичек вещества. Ненасытная черная дыра будет собирать их, подобно мощному пылесосу. Облако закрутится в гигантскую воронку вокруг дыры и, постепенно уплотняясь, в результате бесчисленных столкновений частиц раскалится до сотен миллиардов градусов. (Масштабы космические!) При этом оно превратится в плазму и станет светиться, и не просто светом, а превратится в мощный источник рентгеновских лучей — в космическую рентгеновскую трубку. Если же черная дыра расположена вблизи звезды, она, как вампир, будет высасывать вещество соседки. И снова возникнут мощные рентгеновские импульсы.

У астрофизиков есть серьезные подозрения, что именно такой процесс происходит в созвездии Лебедя, на расстоянии нескольких десятков тысяч световых лет от Земли. Там обнаружен рентгеновский источник с большой массой и очень маленького размера. Есть еще несколько кандидатов в черные дыры, а некоторые ученые убеждены в том, что в центре нашей собственной Галактики также должна быть одна или даже несколько массивных черных дыр.

Однако все подозреваемые объекты очень далеки от нас, изучать их чрезвычайно трудно, и полной уверенности в том, что это действительно черные дыры, пока еще нет. Астрофизикам придется еще потрудиться, чтобы поставить все точки над i.

Падение в тартарары

Итак, для стороннего наблюдателя время в окрестностях черной дыры останавливается, и коллапсирующее тело навеки застывает в виде черного пятна. Никаких изменений с ним больше не происходит. Все процессы там замирают, и спрятанный внутри черной дыры мир никогда не оторвется от нашего. Полного схлопывания пространства и сжатия коллапсирующего тела до размеров геометрического кванта мы никогда не увидим.

Если к черной дыре был направлен звездолет, то наблюдатели на контролирующих станциях зафиксируют постепенное уменьшение его скорости, и, наконец, он повиснет в пространстве, как мушка в густом глицерине. Так и останется навеки, дальше за ним можно не следить.

А вот перед экипажем летящего звездолета развернутся удивительные картины. Сначала ничего особенного, просто скорость корабля будет быстро нарастать, как у падающего на землю камня. Если затратить достаточно много горючего, еще можно затормозить и повернуть обратно. Правда, вернувшись на Землю, молодой космонавт встретит своего близнеца-брата глубоким стариком, а если задержится в окрестностях черной дыры чуть дольше, то встретит на Земле своих далеких потомков — ведь по сравнению с земным его время текло медленнее. Хороший способ путешествия в будущее! Надо только некоторое время полетать вблизи черной дыры. Она, как машина времени, перенесет путешественника в любую, сколь угодно отдаленную эпоху. Жаль только, что нельзя вернуться обратно в наше время, — машина работает в одну сторону!

Если экипаж звездолета отклонит мысль о возвращении и решит продолжать полет к черной дыре, то критическую красную черту, откуда уже нельзя вернуться обратно, притягиваемый черной дырой звездолет пролетит с предельной, световой скоростью. Свойства пространства и времени здесь таковы, что они как бы перепутываются, становятся неразличимыми между собой. Просто четыре равноправных измерения, и все! Если хотите, можно сказать, что пространство перестало существовать, а можно утверждать, что на границе черной дыры нет времени. А дальше произойдет уже нечто совсем сверхъестественное, такое, для чего не хватает ни слов, ни фантазии. Что-то напоминающее превращение времени в расстояние, а расстояния — в трехмерное время. Пространство и время как бы меняются местами. Наших обычных пространственно-временных представлений недостаточно для наглядного осознания того, что там происходит.

У писателя С. А. Снегова есть «космический» роман о путешествии землян к рамирам — таинственным и могущественным существам, жителям центра Галактики.

«— Кто видит океан в штиль, может ли представить, каким он становится в бурю? — пытается передать свои впечатления один из героев романа о происходящих там превращениях пространства и времени. — Вихри… Время здесь рыхлое, оно разрывается… прошлое не смыкается с будущим через настоящее… время больное, рак времени…

Время, подобно ленте Мёбиуса, течет, выворачиваясь в пространство. Замкнутые петли… Вневременные области, куда нельзя попасть из нашего времени… Впрочем, и это, наверное, лишь блеклое отражение тех коловращений, которые претерпевает время вблизи черных дыр».

Конечно, для экипажа звездного корабля это не пройдет бесследно. Те части звездолета и тел самих космонавтов, которые ближе к центру тяготения, будут испытывать действие больших сил. В земных условиях различие тяготения, действующего на наши ноги и голову, не велико (хотя тоже заметно — попробуйте повиснуть на перекладине турника вниз головой, и вскоре почувствуете прилив крови!). В окрестностях черной дыры, где силы притяжения огромны, любое физическое тело будет растянуто и многократно разорвано на мельчайшие части. Сжимаясь в точку, коллапсирующее тело превратится в россыпь геометрических квантов и каких-то не известных еще нам структурных единиц материи. Ни одно тело не может пройти сквозь черные ворота в дочерний мир, не испытав таких катастрофических превращений в каждой своей точке, которые трудно даже представить. Вот уж когда действительно верна пословица: «Пролезть труднее, чем верблюду в игольное ушко!»

Чем массивнее тело, тем большую черную дыру образует оно в пространстве. Например, черная дыра, в которую могла бы провалиться туманность Андромеды, в сотни раз превосходит размеры нашей Солнечной системы. Однако пройти через такой гигантский черный провал в дочерний мир не проще, чем через микроскопическую черную дырочку.

Радиус черной дыры для звезды с массой, равной трем массам Солнца, составляет всего лишь около десятка километров. По астрономическим масштабам — это уже практически точка, тем не менее до размеров геометрических квантов, когда происходит почти полное схлопывание пространства, еще далеко. Что же касается тел, масса которых меньше полутора-двух масс Солнца, то их гравитационные поля недостаточны для того, чтобы «смять» внутренние силы, препятствующие сжатию. Поэтому самые маленькие черные дыры, которые могут возникнуть при гравитационном коллапсе, имеют поперечник в несколько километров.

Но это означает, что мы, кажется, зашли в тупик: с одной стороны, теория предсказывает существование почти замкнутых миров, а с другой — эта же теория приводит к выводу о том, что ни одно космическое тело не может преодолеть барьер черной дыры и так сжаться, чтобы мог возникнуть такой мир. «Стенка» застывшего времени крепче любой брони! Ее нет для падающего в дыру звездолета, но для нас это не имеет значения, поскольку никаких репортажей с борта этого звездолета мы не получим, они так и останутся в гравитационной паутине черной дыры.

Распухающая Вселенная

Горловина, связывающая нас с дочерним миром, действительно не может стать уже нескольких километров. Сомневаться в правильности расчетов нет оснований. Однако наш мир не всегда был таким, как сейчас. В далеком прошлом его свойства были совершенно иными, другими были и условия для образования черных дыр.

Астрономия — древнейшая земная наука. Необходимые для ночной ориентировки зачатки астрономических знаний были известны, по-видимому, уже первобытным охотникам. Наблюдая периодические, повторяющиеся из года в год движения Солнца, Луны и других небесных светил, люди, естественно, пришли к мысли о том, что Земля — центр Вселенной. Широкое распространение библейских мифов о сотворении мира еще более укрепило эти представления. Вселенная считалась конечной как во времени — от сотворения мира, так и в пространстве — ограниченной небесным сводом с закрепленными на нем звездами. И хотя постепенно накапливались наблюдения, которые заставляли сомневаться в справедливости этой картины, новые идеи пробивали себе дорогу с большим трудом. Мысль Коперника о том, что в представлении людей об устройстве мира надо поменять местами Солнце и Землю, казалась просто издевательством над здравым смыслом.

Насколько велика сила привычки и предубеждений, видно, например, из того, как Галилео Галилей, ученый, едва не попавший на костер инквизиции за приверженность идеям Коперника, в молодости был их ярым противником. Воспитанный по канонам церкви, он впервые услышал о них на лекциях в университете и искренне считал их очевидной глупостью.

«Я спрашивал об этом многих из числа бывших на лекциях, — вспоминал он впоследствии, — и увидел, что эти лекции служили неистощимым предметом для насмешек».

Такой же нелепостью теория Коперника показалась и современнику Галилея, послушнику одного из монастырей в Неаполе Джордано Бруно. Он родился всего лишь через пять лет после смерти Коперника и был на шестнадцать лет моложе Галилея. Начав с критики коперниковских трудов, Джордано Бруно вскоре стал их сторонником. В многочисленных публичных диспутах он защищал идею о вечном существовании пространственно бесконечной Вселенной. Через несколько лет после сожжения Джордано Бруно на Площади Цветов в Риме Галилео Галилей с помощью изобретенного им телескопа смог доказать, что светящиеся облака Млечного Пути состоят из мириадов звезд. Как и предсказал Джордано Бруно, мир оказался необычайно большим и разнообразным.

В последующие столетия стараниями астрономов, математиков и физиков получено огромное количество новых сведений о космосе. Картина мира стала несравненно более полной и совершенной, чем во времена Коперника и его первых последователей. Тем не менее в своей основе представления о строении мира, как целого, все эти столетия оставались, по существу, неизменными. Бесконечное пространство, заполненное сгустками кипящей материи, — звезды, шарики планет вокруг них, разреженный межзвездный газ и пыль. Такая картина бесконечной и вечной Вселенной господствовала в науке вплоть до середины XX века. Уточнялись и изменялись детали, иногда целые фрагменты, но убеждение в том, что окружающий мир не имеет конца и края не только в пространстве, но и во времени, сохранялось неизменным. Считалось, что существенные изменения происходят лишь в отдельных участках Вселенной. Планеты, звезды, жизнь — все имеет свой срок существования. Однако, погибнув в одном месте, они возникают и проходят все стадии эволюции в другом. В целом же в своих глобальных свойствах мир остается неизменным.

То, что эта картина не верна (точнее, применима лишь в сравнительно небольшой области пространства и времени, недалеко от нашей планеты и вблизи времени, в котором мы живем), ученые поняли совсем недавно. И главную роль в этом сыграли уже упоминавшиеся две небольшие статьи А. А. Фридмана. В них говорилось не только о том, что мир может быть искривленным и замкнутым, но и о том, что его размеры не остаются постоянными, а изменяются с течением времени.

Анализ уравнений теории относительности, выполненный Фридманом, обнаружил в их решениях «особую точку», некоторый момент времени, в который радиус мира равен нулю, а плотность содержащегося в нем вещества — бесконечности. Исчезающее малая точка бесконечной массы! Из уравнений следовало, что эта точка мгновенно, толчком, превращается в крохотный шарик, который продолжает далее быстро расти. Получается так, что до некоторого стартового момента времени не было ни времени, ни пространства. Затем, в силу каких-то причин (точнее теория сказать не может), Вселенная стала «разбухать», извергаться из точки, равномерно расширяясь во все стороны, как выдуваемый мыльный пузырь.

Идея рождения и распухания мира настолько резко противоречила всем принятым в науке представлениям, что большинству ученых она показалась просто фантастической. На нее смотрели, как на некую чисто математическую модель, описывающую нереализующиися в природе случай, — ведь, как известно, уравнения имеют иногда лишние решения, которые приходится отбрасывать, исходя из условий задачи. Даже Эйнштейн посчитал сначала расчеты Фридмана ошибочными, «подозрительными», как осторожно выразился он сам.

Зато церковь встретила новую теорию с восторгом. Еще бы, физика доказывает начало мира и своим авторитетом подтверждает библейские тексты!

Конечно, претензии церкви на научное обоснование библейских мифов не имеют никаких оснований. С не меньшим правом о подтверждении их пророчеств могли бы говорить, например, и безвестные авторы древнеиндийской языческой Книги Гимнов («Ригведы»), которые на много тысячелетий раньше Библии рассуждали о цепи следующих друг за другом рождений и смертей Вселенной. За свою долгую историю люди придумали много сказочных (религиозных) и несказочных (научных) объяснений природы. В мифах разных народов можно найти космогонические картины на любой вкус: в одних вещается о рождении и грядущей гибели мира, в других он бесконечен. И каждый из этих сценариев имеет много вариантов, выдумать можно многое. При желании любому астрономическому открытию можно сопоставить отдаленно напоминающий его миф. Основное различие между научным и ненаучным объяснениями природы состоит в том, что научные выводы, даже самые удивительные и диковинные, — это не просто утверждения, в которые нужно верить, как в религиозные догмы, все они могут быть проверены и доказаны опытом.

А наблюдения приносили все новые и новые подтверждения «фантастической» теории Фридмана. Самое убедительное нашел английский астроном Эдвин Хаббл.

Невероятно, но факт!

Через четыре года после смерти Фридмана Хаббл установил, что все звезды и галактики удаляются, разбегаются друг от друга, как и должно быть, если окружающее их пространство раздвигается во всех своих точках, разбухает, подобно тесту в квашне. И как это предсказывали формулы Фридмана, скорость разбегания космических объектов тем больше, чем дальше они удалены друг от друга. Самые близкие звезды удаляются от нас каждую секунду на десятки и сотни километров. А самые далекие космические объекты, находящиеся на краю видимой нами части Вселенной, убегают со скоростями, близкими к скорости света.

Благодаря распуханию пространства растягивается и наше тело, но на ничтожно малую величину, приблизительно на 10^-11 сантиметров за всю нашу жизнь. За это время Земля и Солнце успевают разойтись примерно на десять микрон — тоже очень маленькая величина. Эффект разбегания важен для межгалактических расстояний и интервалов времени в сотни миллионов и миллиарды лет.

Еще одно убедительное доказательство теории расширяющейся Вселенной связано с именем американского физика русского происхождения Г. А. Гамова. Он выдвинул гипотезу о том, что рождение Вселенной представляло собой гигантский взрыв пространства и какой-то неизвестной нам праматерии, из которой в условиях огромных температур и давлений «сварилось» затем атомное вещество нашего мира. За неимением более подходящей наглядной картины это явление часто называют «Большим взрывом», или «Биг Бэнгом», если использовать соответствующий звучный английский термин. Гипотеза Гамова позволила разработать теорию «Огненного шара», в котором происходил синтез атомных ядер, и рассчитать концентрацию водорода, гелия и других химических элементов во Вселенной. Результаты вычислений хорошо согласуются с данными о составе Земли, лунных пород и метеоритов и с результатами изучения спектров испускаемого звездами света, которые зависят от того, какие атомные ядра «горят» на той или иной звезде. И самое главное, американские инженеры с помощью радиотелескопов обнаружили предсказанное Гамовым рассеянное по всему пространству остаточное тепловое излучение Большого взрыва.

В пользу теории Фридмана говорило также множество косвенных данных. И шаг за шагом поражающая воображение, кажущаяся пришедшей из научно-фантастических романов картина взрывающейся и быстро расширяющейся Вселенной завоевала всеобщее признание.

Безусловно, это одна из тех идей, которые знаменитый датский физик Нильс Бор относил к разряду «сумасшедших». Александр Александрович Фридман открыл самое грандиозное явление природы из всех, которые мы можем сегодня себе представить. Рождение и расширение Вселенной — что может быть грандиознее?! По научному значению и влиянию на умы людей теорию Фридмана можно сравнить лишь с теориями Коперника и Джордано Бруно.

Черные дыры-малютки

Теперь мы в состоянии понять, как образуются такие дыры. Это могло произойти в катаклизме «первородного взрыва». В колоссальных перепадах давлений и плотностей могли возникать области очень малых размеров и такой большой массы, что вокруг них происходило практически полное свертывание пространства и времени. Исходная масса каждой такой самозамкнувшейся области компенсируется, «съедается», отрицательной энергией гравитационного притяжения ее внутренних частиц. Это похоже на то, как из слияния тяжелых элементарных частиц образуется легкая. Для внешнего пространства масса замкнутого мира оказывается почти равной нулю. Если не учитывать квантовых эффектов, она была бы точно равна нулю, и замкнувшийся мир полностью бы исчез из нашего пространства.

В процессе «Биг Бэнга» могли образоваться черные дыры самых различных масс и размеров — от очень больших до субъядерных, как у элементарных частиц. Микроскопические черные дыры-малютки — это ворота, через которые спрятавшийся внутри полузамкнутый мир связан с внешним пространством, с его ритмом времени. Чем уже ворота, тем меньшей массой во внешнем пространстве обладает находящийся за ними полузамкнутый мир.

Несмотря на малость их размеров, дыры-малютки — очень тяжелые объекты. Например, черная дыра с радиусом 10^-13 сантиметров, то есть такой же величины, как большинство элементарных частиц, имеет массу приблизительно в миллиард тонн. Это масса астероида с радиусом около километра или горы средней величины на поверхности Земли. Черная дырочка с размерами электрона весит миллион тонн. Не видимые глазом точки с весом целой горы!

Среди известных нам физических тел самые плотные — атомные ядра. Их вещество спрессовано в десятки миллиардов раз сильнее, чем в стальном шарике. А плотность микроскопической дыры-малютки еще в 10⁴⁰ раз больше. Космические масштабы в микромире.

И наконец, самое удивительное: оказывается, черные дыры-малютки неустойчивы и теряют свою массу путем… испарения! Это может показаться просто невероятным — ведь черная дыра потому и называется черной, что она ничего не испускает. Тем не менее расчет показывает, что это так. Уравнения теории относительности, на которых основывались первоначальные выводы о свойствах черных дыр, не учитывают квантовых эффектов, а для объектов с размерами, как у элементарных частиц, это уже незаконно.

Мы уже знаем, что протон на очень короткое время может превратиться в протон и пи-мезон. Подобным же образом в пустом пространстве может родиться пара — позитрон плюс электрон или даже пара более тяжелых частиц, родиться и тут же исчезнуть, аннигилировать в ничто. Квантовая механика допускает такие процессы. И вот может случиться так, что родившиеся частицы не успеют еще аннигилировать, а одну из них уже поглотит прожорливая черная дыра. Тогда второй компонент пары уже не имеет партнера для аннигиляции и излучится, полетит в пространство прочь от дыры. Такие события повторяются одно за другим, поэтому вокруг черной дыры происходит как бы «вскипание» вакуума, а внешне это выглядит, как постепенное ее испарение. Похоже на вскипание капли воды на горячей сковородке. Масса черной дыры уменьшается, соответственно уменьшается и ее радиус — дыра стягивается в точку. Ворота в полузамкнутый мир стремятся сомкнуться!

Температура горящей спички около семисот градусов. А черная дыра — малютка с радиусом, как у протона, — ведет себя, подобно телу, нагретому до температуры в сотню миллионов градусов, примерно впятеро горячее, чем в центре Солнца. Мощность ее излучения равна мощности полутора Братских гидроэлектростанций. И такая мощность извергается из объема, который в сотни раз меньше атомного ядра! Не видимая глазом пылинка, которая способна осветить и отопить огромный город. Концентрация энергии просто чудовищная!

По мере того как размеры черной дыры уменьшаются, «квантовое кипение» вакуума вокруг нее становится все более интенсивным. Начинают рождаться тяжелые частицы, температура черной дыры, а следовательно, и мощность ее излучения возрастают. Для черных микродыр с размерами, как у элементарных частиц, такой процесс нарастающего излучения продолжается один-два десятка миллиардов лет. Завершается он взрывом, мощность которого эквивалентна одновременному взрыву почти триллиона атомных бомб, подобных той, что была сброшена американцами на Хиросиму. Двери во внутренний мир закрываются с грохотом! Таков результат вычислений английского физика Хоукинга, выполненных в предположении, что в последние моменты ее жизни вокруг перегретой черной дыры образуются и излучаются частицы с массой в несколько нуклонных масс. Если возможно излучение более тяжелых частиц (а почему нет?), взрыв будет еще более мощным — в сотни тысяч и даже миллионы раз. Эффекты действительно космические.

Зная скорость расширения пространства (ее измерил еще Хаббл), можно вычислить время, которое потребовалось для того, чтобы Вселенная «распухла» до ее современных размеров. Оказывается, для этого нужно пятнадцать — двадцать миллиардов лет. Наш мир достиг возраста, когда очень маленькие черные дырочки уже успели распасться, и теперь пришло время взрываться дырам с адронными размерами.

Поиск излучений и взрывов черных микродыр вели с помощью ракет и спутников. Были обнаружены излучения, которые можно приписать черным дырам. К сожалению, это очень неоднозначно, этим излучениям можно найти и другие, более привычные объяснения. Неумолимая «бритва Оккама» — «не вводить сущностей сверх необходимого» — заставляет искать дальнейшие доказательства. А если все же допустить, что замеченное излучение принадлежит в основном черным дырам, то их число в окружающем пространстве очень велико. Можно сказать, что Вселенная буквально нафарширована крошечными черными дырами.

Невольно приходит мысль: нельзя ли как-то поймать одну такую дырочку и использовать ее в качестве компактного и практически неисчерпаемого источника энергии? Например, поместить внутрь сферы с двойными жароупорными стенками, между которыми циркулирует и превращается в пар вода или какой-либо легкоплавкий металл. Их энергию нетрудно перевести в электрическую. Интересно было бы создать проект такой космической электростанции для снабжения горючим космических ракет и спутников. Кто знает, возможно, в будущем ловля маленьких черных дыр станет важным занятием специальных звездолетов. Казалось бы, чистая фантастика, но атомная энергия и спутники полвека назад тоже выглядели утопией. Кстати, о том, насколько серьезно некоторые ученые относятся к возможности столкновения космического корабля с черной дырой, говорит тот факт, что Лондонское научное общество имени Бэкона объявило конкурс на лучшее предложение, как избежать такой встречи. В конкурсе приглашают участвовать физиков, математиков и астрономов.

Может, кто-то из юных читателей примет участие в экспедиции, которой будет поручено «заарканить» и посадить в клетку свирепо брызжущую излучениями черную микродыру! Наука и техника в наши дни развиваются необычайно быстро.

Мощный поддержкой гипотезе черных дыр-малюток было бы обнаружение больших черных дыр — ведь если существуют большие дыры, то вполне могут быть и маленькие.

Большие черные дыры являются по-настоящему черными, ничего не излучающими. Попадающие в них брызги «вакуумного кипения» ничтожны по сравнению с массой дыр и повышают их температуру на миллионы доли градуса. Время, которое требуется для испарения крупных черных дыр, составляет 10⁶⁰ — 10⁷⁰. Чудовищная величина даже в условиях космоса! Очень слабенькое тепловое излучение объектов, температура которых почти не отличается от абсолютного нуля, теряется на фоне других излучений. Большие черные дыры может выдать лишь их ненасытный аппетит. Как уже говорилось выше, засасываемое ими окружающее вещество испускает рентгеновские лучи, которые можно зафиксировать нашими приборами. И хотя, строго говоря, нет еще ни одной достоверно установленной черной дыры, доводов в пользу их существования сегодня больше, чем против. Некоторые из подозреваемых объектов — почти заведомо черные дыры.

Вселенная в электроне

Черные дыры — удивительные объекты, а микроскопические черные дырочки обладают, можно сказать, прямо-таки сказочными свойствами. Однако не следует забывать, что они, эти свойства, предсказаны на основании теории, которая еще весьма приближенна и несовершенна. Квантовой теории тяготения, которая требуется для точных вычислений на очень малых расстояниях, еще не создано. Физики умеют пока только очень приближенно «сшивать» решения уравнений общей теории относительности с квантовой теорией. Здесь еще много «белых пятен», и к предсказаниям теоретиков приходится относиться с осторожностью. Например, нельзя с полной уверенностью сказать, чем заканчивается взрыв микроскопической черной дыры. В принципе при этом может произойти полное испарение ее наблюдаемой массы и схлопывание пространства в точку. Но скорее всего, процесс бурного испарения остановится на уровне геометрических квантов, когда раздробленное на «куски» пространство уже не может однозначно разделиться на «свой» и «чужой» миры. Расчеты, выполненные советским академиком М. А. Марковым, показали, что такой исход весьма вероятен. Остаточная масса составляет всего лишь около миллионной доли грамма, независимо от того, какова была начальная масса черной дыры и какова масса полузамкнутого внутреннего мира. Остаточный объект как раз и является частицей-максимоном, о котором шла речь в предыдущей главе.

Не исключено, что при каких-то еще не совсем понятных нам условиях будут образовываться устойчивые объекты с еще меньшей массой, вплоть до массы электрона. Более того, оказывается, что величина электрических зарядов у них тоже такая же, как у элементарных частиц! Для внешнего наблюдателя такой объект, содержащий внутри себя целую вселенную космических тел, будет проявляться как микрочастица. М. А. Марков назвал такие объекты фридмонами.

Можно сказать, что фридмон — это частица с космической начинкой. Как не вспомнить здесь пророчество Анаксагора о частицах-мирах, вложенных друг в друга! Так же, как это произошло с атомами, на новом этапе наука вновь вернулась к древней идее. В случае атомов догадка древнегреческих ученых стала твердо установленным фактом. С фридмонами дело сложнее, их существование еще нужно доказать на опыте. Возможно, что фридмоны (их размеры около 10^-33 сантиметров) прячутся где-то глубоко внутри электронов, кварков или прекварков. А может, это затравочные ядра частиц какого-то совершенно нового типа, которые еще только предстоит открыть на опыте. Вокруг каждого такого ядра нарастают «облака» кварков, глюонов, состоящих из них «капель»-мезонов и других элементарных частиц. Все это похоже на кочан капусты с бесчисленными листьями. А исчезающе малая черная дыра в центре — ворота в другую Вселенную. Если бы эти ворота раздвинулись вдруг до размеров бактерии, сама элементарная частица распухла бы до величины всей нашей Вселенной.

Насколько близка к истине такая картина и где на самом деле скрываются фридмоны, теория сказать пока не в состоянии. Но уж очень естественно, без всяких дополнительных гипотез, возникают фридмоны в рамках современной теории. И если почему-либо их все же нет в природе, это само по себе будет удивительной загадкой. Такого мнения сегодня придерживаются многие ученые.

Теперь самое время задать давно напрашивающийся вопрос: ну а наша Вселенная, не является ли она крошечным фридмоном в каком-то другом, внешнем по отношению к нам мире? Может, мы живем внутри электрона, только не знаем об этом?

Для того чтобы мир стал замкнутым, в нем должны действовать мощные, искривляющие его силы тяготения. А это означает, что масса сосредоточенного в нем вещества должна быть достаточно большой, так как именно она создает тяготение. Из формул Фридмана следует, что для замыкания нашей Вселенной нужно, чтобы в каждом кубическом метре пространства в среднем содержалось по десятку нуклонов, протонов или нейтронов. Конечно, распределение вещества в космосе очень неоднородно: массивные сгустки звезд, разделенные огромными промежутками почти полной пустоты. Но и размеры Вселенной колоссальны, и в таком гигантском масштабе она весьма однородна. То же самое с окружающими нас телами. В первой главе мы видели, что вещество состоит в основном из пустоты с редкими зернышками тяжелых атомных ядер, а в крупном масштабе оно выглядит совершенно однородным.

Астрономические наблюдения дают раз в десять меньшее значение средней плотности, чем то, которое нужно для замыкания. Однако, возможно, учтены не все еще виды вещества в космосе. Например, если у нейтрино есть небольшая масса, это сразу даст весомый добавок, так как нейтрино — слабо поглощаемые веществом частицы, и они во множестве рассеяны в пространстве. Так что не исключено, что наша Вселенная действительно фридмон и мы живем внутри электрона или какой-либо другой микрочастицы. С другой Вселенной (с «остальным миром») нас соединяет тогда тонкая горловина — туннель с черной дырой на входе. И может получиться так, что наша Вселенная — электрон в соседней Вселенной, а тот — электрон в нашей. Как в старом анекдоте об охоте на льва: чтобы его поймать, нужно самому сесть в клетку и считать, что подлинной клеткой является все остальное пространство, и готово — лев за решеткой!

Где начало того конца, которым кончается это начало?

В теории фридмонов мы впервые встречаемся с ситуацией, когда для объяснения свойств микрообъектов приходится привлекать космические явления, и, наоборот, решение космологических проблем происхождения и строения Вселенной связывается со свойствами элементарных частиц. Гипотеза фридмонов показала условность наших представлений о самом большом и самом малом. Привычное разделение мира на космос и микромир, оказывается, не имеет абсолютного значения и применимо лишь в определенных границах. В зависимости от условий и точки зрения, один и тот же объект может выглядеть, как микроскопически малая частица и как грандиозная по своим размерам Вселенная. Лестницу структурных форм материи нельзя мыслить в виде бесконечного числа этажей-ступеней, уходящих в область исчезающе малых интервалов, с одной стороны, и в область неограниченно больших масштабов — с другой. Если принять гипотезу фридмонов, бесконечность мира, скорее, оказывается похожей на круг, где ультрамалое одновременно является и ультрабольшим. Углубляясь в недра материи, мы неожиданно снова возвращаемся в космос, и наоборот. Поди разберись, где тут начало и где конец, что простое, а что сложное!

Вселенная устроена необычайно сложно. Свойства, принадлежащие, казалось бы, к противоположным этажам мироздания, неожиданно оказываются тесно связанными, а иногда и переходят одно в другое. Все это настолько непривычно, что у человека, который впервые знакомится с выводами теории относительности, как говорится, иногда ум за разум заходит. Все не так, как в школьной физике.

Однажды какая-то газета напечатала объявление, в котором говорилось, что поскольку новая теория Эйнштейна перевернула физику с ног на голову, занятия по физике в школах отменяются до тех пор, пока профессор Эйнштейн не поставит эту науку обратно на ноги. И хотя объявление появилось первого апреля, Эйнштейн получил массу писем с вопросом: когда же, наконец, он восстановит порядок в физике?

Здесь опять уместно повторить: современную физику нельзя просто выучить, к ней надо еще и привыкнуть!

Еще недавно пространство представляли себе сложенным из плоских слоев пустоты, похожим на стопку огромных, очень тонких стекол. Сегодня мы знаем, что оно может быть затейливо искривлено и скручено. Если для наглядности предположить, что Вселенная имеет всего два измерения, то вместе с отпочковавшимися дочерними мирами она будет представлять собой что-то вроде суммарной поверхности пор в губке, где каждая пора-мир соединяется тоненьким капилляром с соседней. В теории Фридмана эти соединения можно перерезать, в квантовой теории этого сделать нельзя. Получается очень сложная переплетающаяся фигура с множеством прорех и дыр. Реальная Вселенная устроена аналогично с тем отличием, что она не двух-, а трехмерная поверхность в четырехмерном мире.

Выше уже не раз говорилось о четырехмерном пространстве, и каждый раз подчеркивалось, что оно существует лишь в формулах, в природе такого пространства нет. Но может быть, мы ошибаемся и, как это бывало уже не однажды, выдаем нашу привычку за всеобщую истину? Как доказать, что наш мир не вложен в пространство большего числа измерений?

Трехмерный или четырехмерный?

У английского писателя Герберта Уэллса есть научно-фантастический роман, где рассказывается о четырехмерной Вселенной, состоящей из бесчисленного количества трехмерных миров, подобных нашему. Все они независимы, но есть область, где они пересекаются, и можно попасть в любой из них. Такая Вселенная похожа на раскрытую книгу, где веер независимых миров-страниц имеет общий корешок.

Вселенная может состоять и из полностью независимых параллельных миров, каждый из которых, подобно гладкой шелковой ленте, повторяет все изгибы соседних. Можно придумать много различных конструкции. Но все они имеют общее свойство: между событиями в разных пространственно-временных точках трехмерного мира существует связь через недоступное нашему восприятию четвертое измерение. Таким образом, можно было бы попасть в прошлое или будущее и вернуться обратно, мгновенно переместиться из одного места в другое. Вокруг нас постоянно происходили бы чудеса. Одни предметы исчезали бы без следа, другие неожиданно появлялись бы из ничего. Малиновое варенье из плотно закрытой банки могло бы оказаться на белой простыне постели, а соседский кот — внутри запертой клетки с канарейкой.

Ничего подобного в нашем мире не наблюдается. Тем не менее это еще не означает, что у него нет четвертого измерения. Оно может открываться лишь в микромире. Например, если радиус Вселенной в направлении четвертого измерения очень маленький и она похожа на огромную и тонкую четырехмерную баранку, тогда в трехмерном пространстве — шар, а в четырехмерном — кольцо. Другой пример: трехмерный мир с микроскопически тонкими отростками и руками, выходящими в четвертое измерение. Когда речь идет об очень большом и очень малом, надо быть готовым ко всяким неожиданностям. Поэтому чтобы с уверенностью говорить о трехмерности нашего мира, надо доказать, что в процессах с элементарными частицами тоже нет самопроизвольных беспричинных явлений.

Каждый из нас еще с детских лет усвоил, что ничто в мире не происходит просто так, само по себе. У каждого события есть свой резон, своя причина. Знаменитый французский математик Лаплас считал, что причинные связи событий настолько жестко увязаны между собой, что даже падение волоса с головы человека в конечном счете должно сказаться в каких-то космических явлениях, направляя их по тому или иному пути. Это, безусловно, преувеличение. Количество связей в реальном мире так велико, что неизбежно возникает элемент случайного, когда ход событий определяется игрой многих второстепенных факторов. Как говорят философы, случайность — это непознанная необходимость.

Известно, что свои представления о строгом математическом порядке Лаплас пытался применить даже к управлению государством. Когда Наполеон, питавший особое расположение к ученому, назначил его министром внутренних дел (был такой эпизод в истории Франции!), Лаплас стал действовать, согласно математическим расчетам. Понятно, что его миссия вскоре закончилась полным провалом, — учесть и предугадать все события, особенно закулисные интриги и козни, оказалось делом безнадежным. Лапласу не помогла даже разработанная им теория вероятности!

Если причинность в микромире не нарушается, то процессы там передаются от одной пространственной точки к другой без сбоев во временном порядке событий. Это можно проверить в опытах по взаимодействию элементарных частиц. Такие опыты с максимальной точностью, достижимой на современных физических приборах, были выполнены в Советском Союзе и за рубежом. Был момент, когда казалось, что эксперимент и основанные на причинности теоретические расчеты противоречат друг другу. В опытах американских физиков некоторые величины имели не тот знак, что предсказывала для них теория. Этот поразительный результат (значит, в микромире есть беспричинные события!) держался несколько лет, пока его не опровергли опыты, выполненные в Дубне. Сегодня можно с уверенностью сказать, что вплоть до расстояний, в несколько сотен раз меньших радиуса протона, никаких беспричинных явлений в природе нет. Следовательно, нет и четвертого измерения.

Необследованными остаются меньшие расстояния. И вот тут новейшие теоретические расчеты приводят к потрясающему выводу: на очень малых расстояниях, сравнимых с размерами геометрического кванта, к трем известным нам измерениям — длине, ширине и высоте — должны добавиться еще шесть или даже семь новых измерений! Микроскопические черные дыры в другие миры тоже должны быть многомерными.

Каков физический смысл дополнительных степеней свободы, пока не знают даже предсказавшие их теоретики. Может, это — характеристики каких-то совершенно новых свойств мира, не похожих ни на время, ни на три известных нам пространственных координаты. Пока трудно сказать…

И в заключение совсем, казалось бы, невероятное: размерность микропространства может случайно изменяться — флюктуировать — и стать (страшно сказать!) дробной и даже иррациональной.

Такое впечатление, что теория приоткрыла завесу над чем-то совершенно необычным, для чего не хватает ни слов, ни воображения.

Загадки и парадоксы

Идея Фридмана об ограниченной в пространстве и времени расширяющейся Вселенной вошла в учебники, о ней сегодня пишут в газетах, говорит радио, показывает телевидение. Она стала частью мировоззрения каждого образованного человека. Однако в этой грандиозной, поражающей воображение картине мироздания есть темные пятна, а часть удерживающих ее теоретических «гвоздей» готова вот-вот сломаться.

Прежде всего удивляет однородность Вселенной. Как уже говорилось выше, на небольших (в космических масштабах, конечно!) участках она явно неоднородна: безвоздушное пространство, плотные планеты и звезды. Но на больших расстояниях, сравнимых с размерами скоплений галактик, распределение вещества напоминает орнамент волокон со случайными, но близкими по величине размерами деталей. Какие-то процессы сделали Вселенную равновесной. И этот экспериментальный факт трудно согласовать с гипотезой первичного взрыва. Распределение взорвавшегося вещества (инфраструктура взрыва, по терминологии специалистов) определяется игрой случайных факторов и, как правило, весьма неоднородно. Поэтому если Вселенная действительно родилась в катаклизме огненной вспышки «Биг Бэнга» с огромными перепадами плотностей и давлений, ее отдельные области-осколки должны были значительно различаться по своей массе.

Еще более удивляет необычайно высокая однородность реликтового теплового излучения — остаточного жара первичной вспышки. Температура излучения, приходящего к нам с разных направлений, в том числе и прямо противоположных, различается менее чем на сотую долю процента.

Наблюдаемая однородность Вселенной выглядит особенно загадочной, если учесть, что к нам приходят сигналы из областей, которые на протяжении всей своей истории были удалены друг от друга на такие большие расстояния, что они не успели провзаимодействовать даже с помощью самых быстрых, то есть световых, сигналов. Каким же образом они могли прийти в равновесие? По теории Фридмана это просто невозможно.

Еще один удивительный факт связан с величиной средней плотности вещества Вселенной. Из теории Фридмана следует, что если бы в первые мгновения после первичного взрыва она всего лишь на 10^-53% (десятичная дробь с 54 нулями после запятой!) превосходила критическую, при которой мир становится полностью замкнутым, то силы тяготения превозмогли бы инерцию первичного взрыва и расширение Вселенной давным-давно сменилось бы ее сжатием, и теперь наблюдалось бы не разбегание галактик, а их быстрое сближение. С другой стороны, если бы плотность взорвавшейся материи на 10^-53% была бы меньше критической, расширение пространства происходило бы значительно быстрее, и современная средняя плотность материи в нашем мире была бы во много-много раз меньше наблюдаемой. Другими словами, наша Вселенная родилась с плотностью, которая почему-то фантастически близка к критической. Почему так произошло? В теории Фридмана нет объяснения и этой загадке. Чтобы ее объяснить, нужны какие-то совершенно новые физические идеи.

Загадку начальной плотности иногда называют также «проблемой абсолютно плоского мира». Если плотность больше критической, мир, образно говоря, вогнутый, если меньше — он выпуклый (как говорят дети, «впуклый» и «выпуклый»!). В промежуточном случае — мир плоский. Наша Вселенная почему-то предпочла родиться плоской (с точностью 10^-53%!), хотя это только одна из бесчисленного количества возможностей. Трудно думать, что это — случайность. Этому есть какая-то важная причина.

Не находят никакого объяснения в теории Фридмана или объясняются ею с трудом, ценой дополнительных, плохо обоснованных гипотез, и некоторые другие экспериментальные факты. Например, не понятно, почему не удается поймать ни одного магнитного монополя, хотя, как это следует из расчетов, они должны были бы в большом количестве родиться в раскаленном веществе юной Вселенной.

Все это говорит о том, что теория Фридмана нуждается в дальнейшем усовершенствовании. А поскольку трудности этой теории, как правило, связаны с начальным периодом жизни Вселенной, можно думать, что прежде всего следует уточнить описание свойств мира в окрестностях «особой точки» в первые доли секунды после его рождения.

Теория Фридмана и лежащая в ее основе общая теория относительности Эйнштейна имеют дело лишь с геометрическими свойствами природы. Никаких сведений о заполняющей пространство материи они не используют. Достаточно знать ее плотность, а что это за материя, каковы ее конкретные свойства — это для теории Эйнштейна-Фридмана не существенно. Такой подход оправдан на больших расстояниях, где гравитационные силы, определяющие кривизну и другие геометрические свойства нашего мира, можно рассматривать отдельно от электромагнитных и ядерных взаимодействий. Но в микромире, где силы становятся величинами одного порядка, такое приближение уже не верно. Там само пустое пространство зависит от свойств физических процессов. В нем постоянно рождаются и исчезают частицы. Вспомним испарение черных дыр вследствие «кипения» окружающего их вакуума. Такое «кипение» происходит во всем бесконечном пространстве, и его интенсивность (густота рождающихся пар частиц и античастиц) определяет основной, нулевой уровень мира — вакуум. Только что родившаяся Вселенная имела ультрамалые размеры, и ее вакуум был совсем не таким, как в современном мире. Влияло это и на ритм времени. В первые мгновения после рождения Вселенной пространство и время нельзя было рассматривать отдельно от вещества. Вот в этом направлении и следует совершенствовать теорию Фридмана.

Сама по себе идея о тесной связи свойств пространства и времени со свойствами физических процессов далеко не нова. Немецкий математик Бернгард Риман, которому мы обязаны созданием математической теории искривленных и многомерных пространств, высказал ее еще более ста лет назад.

«Эмпирические понятия, на которых основывается установление пространственных метрических отношений, — говорил он в своих лекциях в Геттингенском университете, — понятия твердого тела и светового луча, по-видимому, теряют всякую определенность в бесконечно малом, поэтому метрические отношения там не отвечают нашим геометрическим допущениям».

Эти убеждения разделял и Эйнштейн. Последние сорок лет своей жизни, большую ее часть, он целиком посвятил созданию единой теории электромагнетизма и тяготения. Экспериментальных данных, которые могли бы подсказать ему ведущую идею, в то время было еще недостаточно, а на основании одних только теоретических соображений построить новую теорию не удалось. К созданию единой теории всех сил природы, объединяющей ее геометрические и материальные свойства, физики смогли приступить лишь совсем недавно, после того, как лучше разобрались в свойствах элементарных частиц.

В поисках новой «теории мира»

Первый существенный шаг в усовершенствовании теорий Фридмана сделал американский физик Алан Гут. Он обратил внимание на то, что если Вселенная будет расширяться таким образом, что плотность ее массы все время останется постоянной, то формулы общей теории относительности приводят к выводу: скорость расширения будет расти пропорционально размеру Вселенной. Чем больше Вселенная, тем быстрее она «распухает». Такой процесс происходит настолько быстро, что Вселенная почти мгновенно, всего лишь за 10^-32 секунд, раздувается от микроскопического зернышка до чудовищного «пузыря» с радиусом на много-много порядков больше видимой части Вселенной.

Представьте себе арбуз, который мгновенно распухнет до размеров Галактики. Раздувание «пузыря» Вселенной еще грандиознее!

Можно предположить, что подобно тому как это происходит с расширяющимся газом, температура расширяющейся Вселенной резко упадет, и из первичной материи начнут выделяться кварки, глюоны и другие частицы «обычного» вещества с известными нам свойствами. Расширение Вселенной замедлится, и дальнейшая эволюция каждого ее участка будет совершаться уже по стандартному сценарию Фридмана. Вселенная Гута оказывается практически бесконечной, а видимая нами часть пространства (то, что до сих пор считалось почти всей Вселенной) — лишь ничтожно малая ее доля. Настолько малая, что геометрический квант занимает в ней несравненно больше места, чем она сама в раздувшейся Вселенной.

Предложенный Гутом сценарий развития Вселенной, хотя и выглядит весьма «сумасшедшим» (разве может быть вещество, которое не уменьшает своей плотности?!), позволял, однако, устранить практически все трудности теории Фридмана. В начале «эры быстрого раздувания» — этот термин сегодня используют все астрономы и физики — Вселенная могла быть такой маленькой, что в результате перемешивания и многочисленных взаимодействий ее частей в ней успело установиться равновесие — однородное распределение температуры, плотности и других свойств, как это и наблюдается сегодня. Этого не могло бы произойти, если бы на всех этапах своего развития Вселенная описывалась теорией Фридмана. Обратный пересчет с помощью ее формул приводит к выводу, что радиус Вселенной всегда был слишком большим и взаимодействия не успевали передаваться с одного ее края на другой, — край отодвигался раньше, чем до него доходила волна взаимодействия. Как будто вы бежите по платформе, которая движется быстрее вас, и вы никогда не добежите до ее края — она все время уходит из-под ваших ног. Другое дело — модель Гута. Там видимая нами часть Вселенной образуется путем фридманского распухания крошечного участка уже раздувшейся Вселенной, и о ее начальных размерах можно делать различные предположения, в том числе считать их очень маленькими.

Понятным становится и то, почему наш мир плоский. Он лишь исчезающее малая точка в масштабах всей Вселенной, а на малых расстояниях кривизна не заметна. Это подобно тому, как мы не ощущаем кривизну земного шара в нашей повседневной жизни.

Магнитные частицы-монополи, рождение которых предсказывается теорией на очень ранних этапах «Биг Бэнга», значительно раньше рождения протонов, нейтронов и электронов, разбросаны по огромному объему раздувшейся Вселенной, и вероятность найти их в ее видимой части неизмеримо мала.

Как видим, концы с концами теперь сходятся. Космологическая картина мира заметно прояснилась. Если бы вот только не гипотеза о расширяющемся веществе с постоянной плотностью… Как совместить ее с законами физики? Ведь ничего подобного нигде и никогда не наблюдалось. Когда тело увеличивает свои размеры, его масса распределяется по большему объему, расстояния между его частями увеличиваются, а плотность всегда уменьшается. Даже дерзким на выдумки писателям-фантастам не приходило такое в голову — расширяться, не изменяя своей плотности! Пожалуй, только пустое пространство — вакуум — обладает необходимым свойством.

Стоп… Вот тут-то, по-видимому, и скрыт ответ. Мы уже знаем, что вакуум — это не просто мертвая пустота. Это — пространство, заполненное массой рождающихся и быстро исчезающих, аннигилирующих, частиц, то есть определенное состояние материи. Не похожее на газ, жидкость или твердое тело, но тем не менее это нечто физически ощутимое, изменяющее свои свойства в зависимости от условий. Пространство только издали выглядит пустым и безжизненным, вблизи же, при большом увеличении, оно оказывается заполненным бурлящими «воронками» мгновенных микровзрывов, в которых беззвучно рождаются и исчезают частицы. Пространство как бы «дышит» всеми своими «порами», испуская и поглощая «смог» микрочастиц. Можно сказать, что вакуум — это непустая пустота, хотя это и звучит парадоксально.

Первый миг после рождения

В этот исчезающе малый отрезок времени как раз и происходило становление вакуума. Чтобы понять, как это было, вспомним о хиггсонах — семействе элементарных частиц, — которые предсказываются всеми теориями, объединяющими электромагнитные силы с другими типами взаимодействий. Пока не известны ни масса, ни другие свойства этих частиц, все это зависит от варианта теории. Даже число хиггсонов изменяется от одного варианта теории к другому. Но все варианты предсказывают, что хиггсоны взаимодействуют между собой напрямую, без посредства других типов частиц. Такое самодействие, соответствующий ему «смог» и определяют основные свойства вакуума, в том числе и его энергию. В зависимости от того, как взаимодействуют хиггсоны, вакуум может находиться в различных состояниях, подобно тому как, например, углерод может пребывать в состоянии графита или в состоянии алмаза. И вот что важно: увеличение числа хиггсонов приводит к такой перестройке вакуума, что его энергия (нулевой «уровень» мира) понижается, а разность конечной и начальной энергий выделяется в виде массы и тепловой энергии элементарных частиц. Пустой мир заполняется веществом. Похоже на выпадение тумана или инея из прозрачного воздуха.

Так вот, расширение юной Вселенной сразу после ее рождения привело к тому, что плотность массы в ней быстро упала почти до нуля. По оценкам теоретиков это произошло где-то на уровне 10^-35 секунд. В это время она была еще чрезвычайно горячей, и происходившие в ней физические процессы управлялись законами единого нерасщепленного взаимодействия. Как говорит теория, хиггсоны при этих условиях распадались, едва успев образоваться. Они становятся устойчивыми только тогда, когда «сильная» компонента единого взаимодействия отличается от остальных; если же различные типы сил равноправны, хиггсонов в пространстве практически нет.

Опустевшая Вселенная мгновенно начала раздуваться, увеличив свои размеры на десятки порядков. Температура ее быстро уменьшалась, и где-то ближе к середине эры быстрого раздувания она стала такой, что нарушилась симметрия взаимодействий и создались условия для интенсивного рождения хиггсонов. Это сопровождалось снижением энергии вакуума и, соответственно, выпадением (кристаллизацией) огромного числа протонов, нейтронов, частиц-гиперонов, различных типов мезонов. Вследствие изменения уровня вакуума средняя плотность свободной (плавающей в вакууме) массы подскочила на сотню порядков — увеличилась в 10¹⁰⁰ раз! Из вещества, которое возникло буквально из пустоты, в дальнейшем образовались все галактики, звезды, планеты окружающего нас мира. Каких только чудес не открывает физика!

Это весьма грубая картина того, что происходило в действительности, но она позволяет наглядно представить себе суть дела. Обоснованием этих соображений занималась большая группа советских и зарубежных физиков, но основной вклад внесли теоретики Физического института им. П. Н. Лебедева в Москве.

Продолжительность эры быстрого раздувания составляла всего 10^-32 секунд — трудно вообразимый миг, но он в тысячу раз дольше всей предшествующей жизни Вселенной. И подобно тому как это всегда происходит при выделении из расплава твердого вещества, рождение частиц сопровождалось выделением тепла (вспомним, как мы радуемся повышению температуры, когда на улице идет снег и мороз сменяется мягкой погодой!). К концу эры быстрого раздувания Вселенная снова раскалилась настолько, что родившиеся частицы расплавились в кварк-глюониую плазму. Образовался огромный шар раскаленного вещества. Это как раз и есть тот горячий «праисторический мир» Гамова, в котором при дальнейшем уже сравнительно медленном расширении Вселенной по стандартному фридмановскому сценарию «сварилось» окружающее нас вещество.

Новый космологический сценарий не перечеркнул и не отбросил теорию Фридмана, он включил ее как необходимый фрагмент, описывающий более позднюю стадию развития Вселенной.

История Вселенной

Новая теория рассказывает нам о событиях во Вселенной, начиная с 10^-42 — 10^-40 секунд после ее рождения, когда размеры мира были немногим больше геометрического кванта или около того. Что было еще раньше, как произошло рождение Вселенной — об этом можно лишь гадать. Это тайна тайн. Можно лишь утверждать, что материя заведомо не могла возникнуть «из ничего», и рождению «нашего мира» предшествовали какие-то другие его состояния.

Когда говорят, что Вселенная родилась столько-то лет тому назад, молчаливо предполагается, что тогда время можно было измерять по тем же часам, что и сегодня. А это не так. В окрестностях «Биг Бэнга» свойства времени, его ритм были совсем иными. Говорить о первых мгновениях жизни Вселенной, о времени в окрестностях ее начала, где оно, по-видимому, распадалось на отдельные порции — кванты, а возможно, было даже многомерным, можно лишь весьма условно. Как метко заметил английский физик Стив Хоукинг, спрашивать, что было раньше «Биг Бэнга» — например сорок или пятьдесят миллиардов лет назад, — так же неразумно, как просить указать точку, которая на километр севернее Северного полюса. Подобно тому как понятие «север» теряет всякий смысл на полюсе, так и понятие «время» утрачивает смысл в точке «Биг Бэнга».

Сегодня ясно одно: в окрестностях «начала мира» действовали какие-то особые, неизвестные нам законы природы. Наша физика там не применима, она дает бессмысленные результаты: нули и бесконечности.

В еще совсем недавно изданных книгах можно прочитать, что мы многое узнаем о механизме рождения мира, когда заглянем на край расширяющейся Вселенной, на расстояния порядка 10²³ километров, где находятся разлетающиеся осколки ее горячей фазы. Однако теория раздувающейся Вселенной убеждает нас в том, что там можно увидеть лишь следы ее повторного разогрева. О том, что происходило раньше, может рассказать пока только теория.

Впрочем, положение не безнадежно. Ведь научились же определять химический состав удаленных звезд! А ведь было время, когда считалось, что это принципиально невозможно. Немецкий философ Иммануил Кант приводил это даже как пример вопроса, который никогда не найдет ответа. Развитие спектрального анализа обнаружило следы, говорящие о составе звезд, о свойствах испускаемого ими света. В природе все взаимосвязано. Вполне возможно, что следы рождения мира сохранились в каких-то явлениях. Все происходящее в мире оставляет свои «отпечатки пальцев», надо только уметь их разглядеть.

Если верить теории, то основная история Вселенной, наиболее бурные качественные изменения в ней приходятся на несколько первых секунд ее жизни, а теперь мы наблюдаем лишь плавно затухающие последствия (как говорят физики, «хвост») грандиозных событий.

Таинственные события вблизи «Биг Бэнга», распухание Вселенной, выделение заполняющего ее вещества из вакуума и его разогрев, превративший мир в гигантский огненный шар, — все это успело произойти за 10^-32 секунд. Родившиеся из вакуума частицы «расплавились» (точнее, распались на составляющие элементы) и снова стали выпадать в осадок из «расплава» лишь после того, как Вселенная несколько остыла. Сначала образовались очень тяжелые частицы, для которых требуется много энергии, потом все более и более легкие. А когда плотность вещества снизилась до уровня, который существует в атомных ядрах (это в десять тысяч миллиардов раз больше плотности стали!), образовались протоны, нейтроны и соответствующие античастицы. Это случилось примерно через десятитысячную долю секунды после «Биг Бэнга». Какая-то часть образовавшегося таким образом ядерного вещества аннигилировала и превратилась в более легкие частицы и электромагнитное излучение, а оставшаяся часть вскоре распалась на ядра и антиядра. Вселенная превратилась в раскаленную плазму — состояние вещества, которое ученые сегодня стараются создать в реакторах для получения термоядерной энергии. Постепенно охлаждаясь, плазма испускала сначала свет, затем инфракрасное тепловое излучение, как стенка нагретой печки. На этой стадии физические процессы стали медленными. Остаточное тепловое излучение охладившейся Вселенной, которое фиксируют наши приборы в космосе, было испущено, когда ее возраст составлял уже около сотни тысяч лет. Галактики и звездные системы образовались еще позднее, через несколько миллиардов лет после «Биг Бэнга». По сравнению с сегодняшним возрастом Вселенной в пятнадцать — двадцать миллиардов лет, это уже совсем недавно. В космическом масштабе, конечно.

По мере старения Вселенной событий в ней происходит все меньше, их разделяют огромные интервалы времени. А что будет дальше, например, через сто миллиардов лет? Будут ли какие-то качественно иные фазы в развитии нашего мира? Что его ждет?

Через много-много лет

Сто миллиардов лет — чудовищный интервал времени, впятеро больший того, что уже прожила Вселенная. Тем не менее за это время в ней мало что изменится. Раз в десять увеличатся ее размеры и возрастут расстояния между галактиками и звездами — вот, пожалуй, и все. Существенные изменения произойдут, лишь когда возраст Вселенной увеличится еще в тысячу раз, то есть достигнет умопомрачительной величины в сто триллионов лет. К этому времени звезды исчерпают запасенное в них ядерное горючее, и Вселенная станет темной, похожей на большой зал, в котором потухли все электрические лампочки. Как после бала.

В течение следующего триллиона триллионов лет в результате случайных столкновений — подобно тому, как это происходит с частицами газового облака — большинство звезд покинут свои галактики и рассеются в пространстве. А немногие оставшиеся в результате взаимного притяжения слипнутся в тяжелые, массивные комки, которые под влиянием их собственного внутреннего тяготения сожмутся затем в черные дыры. Вселенная в это время будет представлять собой огромный шар звездного «газа» с островками медленно засасывающих его черных дыр. А далее самым важным процессом станет радиоактивный распад протонов. Когда Вселенная проживет 10³² — 10³⁵ лет, все рассеявшиеся звезды, межзвездная пыль — вообще все вещество, которое не успело утонуть в черных дырах, распадется, превратившись в разреженный газ легких частиц — электронов, позитронов, нейтрино и фотонов. В таком состоянии — редко разбросанные по пространству черные дыры и лептон-фотонный газ между ними — Вселенная будет жить долго-долго, пока не достигнет возраста 10¹⁰⁰ лет. Можно сказать, что это ее основное состояние. Главными процессами в это время будут расширение Вселенной и испарение черных дыр. Через 10¹⁰⁰ лет она превратится в чрезвычайно разреженный, расширяющийся почти со скоростью света газ электрон-позитронных пар, нейтрино, фотонов.

Такая судьба ждет наш мир, если его масса недостаточна для замыкания. Вспомним, что расширение по фридмановскому сценарию началось после того, как раздувшаяся до невероятно огромных размеров Вселенная превратилась в огненный шар. Из-за случайных флюктуации плотность вещества, выделившегося в отдельных ее областях, могла быть несколько различной. Соответственно различным получился там и вакуум (ведь вещество выделилось в результате его перестройки). Вселенная стала похожей на растрескавшееся и разбухающее во все стороны печеное яблоко. Трещины разделяют области с различным вакуумом. Окружающий нас мир с привычными физическими свойствами — одна из таких областей. Это — наша Вселенная. Свойства других областей-миров, соседних с нашим и удаленных, могут быть совсем иными. Если масса нашего мира меньше критической, при котором он становится фридмоном, мир будет расширяться беспредельно. В противном случае силы всемирного тяготения остановят его расширение, и начнется обратный процесс — сжатие замкнутого мира.

Через сколько миллионов или миллиардов лет может начаться сжатие, сказать трудно. Во всяком случае, плотность материи в нашем мире весьма близка к критической. Если принять во внимание только видимое, светящееся, вещество, то его масса примерно на порядок меньше критической. С другой стороны, масса темной материи не может более чем в десять раз превосходить массу светящегося вещества, так как расширение нашего мира давно уже прекратилось бы и он начал бы сжиматься. Как видно, интервал довольно узкий. Не исключено, что скоро наш мир начнет коллапсировать. Скоро — в космическом масштабе, конечно. Реально это могут быть многие миллиарды лет. Большинство ученых склонны считать, что если это и случится, то, скорее всего, уже после распада протонов, где-то на стадии испарения черных дыр, когда возраст нашего мира составит 10⁴⁰ — 10⁵⁰ лет. До этого времени — практически бесконечность!

Сжатие, в конце концов, закончится гравитационным схлопыванием пространства и, возможно, новым циклом расширения — рождением новой Вселенной. Впрочем, что последует за сжатием, повторное «рождение» и расширение Вселенной или какая-то иная ее фаза, — это пока за пределами наших знаний.

Итак, если сила тяготения не остановит расширения, то через 10¹⁰⁰ лет, когда размеры нашей Вселенной достигнут чудовищной величины в 10¹¹⁰ километров, она полностью превратится в чрезвычайно разреженный газ легких элементарных частиц, которым распадаться уже не на что. Почти пустое мертвое пространство.

Впрочем, природа в многообразии своих свойств превосходит любую человеческую фантазию, поэтому не исключено (а с философской точки зрения, даже очень вероятно!), что какие-то неизвестные нам процессы воспрепятствуют осуществлению безрадостной картины полностью омертвевшего мира. Но это опять за пределами наших знаний.

Как иронически заметил однажды знаменитый английский писатель Бернард Шоу, наука всегда оказывается неправа; она никогда не решает вопроса, не поставив при этом десятка новых. Чем больше мы узнаем, тем больше возникает трудных вопросов. Не зря великий Ньютон говорил, что чувствует себя ребенком, играющим в камешки на берегу океана неизвестного!

Один из самых трудных, не имеющих еще окончательного ответа вопросов — проблема антимира.

Существует ли антимир?

Мы познакомились с современной теорией развития Вселенной, начиная от загадочного Большого взрыва — «Биг Бэнга» — и до фантастически далекого будущего. Но вот что удивляет: хотя частицы и античастицы совершенно равноправны по своим свойствам и поэтому должны были бы в одинаковой пропорции рождаться из вакуума раздувшейся Вселенной, окружающий нас мир почему-то целиком состоит из вещества. Почему все атомы вокруг нас устроены так, что их ядро обязательно состоит из протонов и нейтронов, а оболочка — из электронов? Ведь если атомы антивещества удается синтезировать в лаборатории, то они должны быть и в дикой природе. Может быть, это свойство лишь той части мира, где мы живем, а в других его областях, наоборот, преобладает антивещество? Возможно, в космических далях где-то есть симметричный нам антимир — звезды, планеты, может быть, даже живые организмы, состоящие из антивещества?

Пожалуй, единственный способ попасть в такой антимир, где наши тела мгновенно превратились бы в потоки пи-мезонов и жестких фотонов, — воспользоваться телеграфом. Еще много лет назад американский математик Норберт Винер высказал убеждение, что подобно тому, как сегодня записывается генетический код простейших микроорганизмов, когда-нибудь в будущем люди смогут в закодированном виде записать не только устройство своего тела, но и содержание мозга с содержащимися в нем впечатлениями, воспоминаниями, знаниями — все то, что составляет наше индивидуальное «я». Такую запись, как обычную телеграмму, можно передать по радио в антимир, где, пользуясь ею, заново восстановят человека, заменив, однако, все частицы на античастицы. Проект, безусловно, фантастический, но наука развивается очень быстро. Вот только существуют ли такие антимиры?

Одно время была популярна теория, согласно которой острова вещества и антивещества во Вселенной разбросаны вперемежку. Допускалось, что даже некоторые ближайшие к нам звезды в действительности — «антизвезды», а часть влетающих в земную атмосферу метеоритов состоит из антивещества, которое аннигилирует, оставляя ярко светящийся след на ночном небе. Но ни высотные самолеты, ни автоматические воздушные шары-зонды не обнаружили следов излучений, которые должны рождаться при аннигиляции.

Не зафиксировано таких излучений и в космосе, где они должны были бы рождаться на стыке зон вещества и антивещества, где перемешиваются пыль и газы, состоящие из частиц и античастиц. К этому надо добавить, что изучение состава космических лучей также дало отрицательные результаты. Эти лучи содержат протоны и ядра различных, легких и тяжелых, элементов, но в них нет большого числа антипротонов и антиядер, как это должно было бы быть, если бы острова вещества и антивещества были бы представлены в космосе на равных правах. В потоке космических частиц один антипротон приходится на несколько тысяч протонов. Это вторичные антипротоны, юнцы, родившиеся из обычного вещества в результате ядерных реакций космических лучей с облаками межзвездного газа.

Таким образом, либо антимиры находятся где-то далеко — за пределами видимости, достижимой с помощью имеющихся в нашем распоряжении приборов, — либо антивещества во Вселенной очень мало.

Если антимиры далеко, то их открытие — лишь вопрос времени. Однако это кажется маловероятным, поскольку наше положение в космосе рядовое, и было бы трудно объяснить, почему выпадение вещества и антивещества в раздувшейся Вселенной происходило так неравномерно. Остается загадкой, как в бурлящем, интенсивно перемешиваемом веществе юной Вселенной могли бы образоваться обширные неоднородности с излишком частиц или античастиц. С другой стороны, если антивещества в космосе мало, сразу же возникает вопрос: куда же оно делось? В обоих случаях появляются сомнения в правильности всей космологической картины.

По-видимому, все дело в маленьком различии скоростей распадов частиц и античастиц. Еще двадцать лет назад американские физики наблюдали распады странных частиц, К-мезонов, которые указывали на несколько различное поведение вещества и антивещества. Хотя нарушающие симметрию распады происходят крайне редко и только у К-мезонов, во всех других случаях частицы и античастицы ведут себя совершенно одинаково, теория «великого объединения», о которой шла речь в предыдущей главе, предсказывает, что в условиях сверхвысоких температур и давлений, господствовавших внутри огненного шара раздувшейся Вселенной, симметрия частиц и античастиц должна сильно нарушаться и скорости распадов всех античастиц там были несколько большими.

В обычных условиях протон и антипротон — долгожители, время их жизни фантастически велико — грубо говоря, в миллиард триллионов раз больше возраста Вселенной. Однако в первые доли секунды после образования огненного шара чрезвычайно высокая температура способствовала распадам. Частицы и античастицы тогда быстро распадались и так же быстро восстанавливались обратно. Существовало равновесие. Но по мере снижения температуры процессы восстановления все больше отставали от распадов и число тяжелых частиц уменьшалось, а поскольку античастицы распадались несколько быстрее, вещество Вселенной постепенно становилось все более и более асимметричным — «перекошенным» в сторону частиц.

Наряду с ослаблением восстановительных процессов в охлаждающейся Вселенной уменьшалась и скорость распадов, постепенно приближаясь к ее современному уровню, когда вещество обладает высокой степенью стабильности. Не успевшие распасться античастицы аннигилировали — превратились в нейтрино и электромагнитное излучение. В мире осталась лишь избыточная часть вещества. Из нее-то и образовались все атомные ядра нашей Вселенной.

Если такая картина верна, то антимиров просто нет, они давно сгорели в бурных реакциях распада и аннигиляции, и мы никогда не встретим состоящих из антивещества братьев по разуму.

Правда, предсказанного теорией «великого объединения» распада протона еще не обнаружено, и, в принципе, здесь могут быть неожиданности.

Космический круговорот

На временной оси Вселенной разумная жизнь в окрестностях нашего Солнца занимает крошечный, едва различимый интервал. Наши знания простираются значительно дальше. Мы можем делать достаточно уверенные прогнозы на 10²⁵ — 10³⁰ лет в будущее и заглядывать вплоть до 10^-25 секунд от «начала мира» в прошлое. С помощью теории «великого объединения» удается дотянуться до времен порядка 10^-40 секунд, с одной стороны, и 10¹⁰⁰ лет — с другой. Интервал в полторы сотни порядков, где осуществляется грандиозный космический круговорот материи, где трудно вообразимые просторы соседствуют с исчезающее малым, где элементарные частицы «по совместительству» исполняют роль вселенных, а последние в определенном смысле сами являются микрочастицами.

Правда, на краях интервала надежность наших знаний заметно снижается, здесь допустимо говорить лишь о грубо качественных, ориентировочных оценках. Природа «Биг Бэнга», долговременная судьба Вселенной — это пока интригующие, будоражащие воображение загадки. Можно думать, что многое прояснится, когда будет создана теория, объясняющая величину «мировых постоянных» — скорости света, электрического заряда электрона, его массы и так далее. Сегодня все они берутся из опыта, и мы не знаем, почему они именно таковы, какими мы их видим. В своем подходе к описанию мира современная физика еще во многом следует принципу, который один из писателей-юмористов сформулировал так: жизнь такова, какова она есть, и больше никакова. А почему, собственно, такова? Почему не может быть миров с другим значением скорости света, более тяжелым или, наоборот, более легким электроном, другими свойствами пространства и времени?

Однажды Эйнштейна спросили, как делаются открытия.

«Это когда все знают, что какой-то вещи или явления быть не может, а один не знает, он и делает открытие», — ответил ученый.

Всегда следует помнить, что перед нами безграничная Страна Неизвестного, и любая картина мироздания — лишь приближенный слепок с окружающего мира. Или что-то вроде фотографии, которая раз от разу становится все более четкой, но никогда не передает всех деталей — мир неисчерпаемо многообразен.

Вокруг нас все изменяется, переходит из одной своей формы в другую, а вот элементарные частицы почему-то всегда одни и те же. Вселенная старится, а электрон и другие частицы бессмертны. Расчет показывает, что даже небольшие изменения их свойств привели бы к наблюдаемым геологическим и астрофизическим эффектам — уменьшилось или увеличилось бы количество тепла, получаемого нашей планетой от Солнца (на ней были бы ледники или, напротив, океаны кипятка), изменилась бы скорость распада радиоактивных элементов в земной коре и их концентрация была бы совсем не та, что сегодня, и так далее. Например, если бы заряд электрона изменялся всего на сотую долю процента за миллиард лет, то есть на одну-две десятых процента за все время жизни нашей Вселенной, это было бы уже заметным. В общем, если частицы и старятся, то так незначительно, что Вселенная этого почти не чувствует. Или, может быть, они действительно абсолютно неизменны и никаких других миров просто не существует?

Современная наука на эти вопросы ответить не может. Это следующий, более глубокий уровень физики. Однако ученые уже сегодня пытаются нащупать подходы к нему. В надежде найти более общие и универсальные законы природы проверяются «на прочность» самые глубинные основы наших представлений об окружающем мире, которые многим кажутся твердо и навечно установленными истинами. Говоря словами А. С. Пушкина, «и предрассудки вековые и гроба тайны роковые». О нескольких далеких рейдах в Страну Неизвестного, где фантастика смешивается с реальностью, будет рассказано в следующей главе. Первыми в такие путешествия всегда отправляются теоретики. Они не связаны со сложными, дорогостоящими приборами и с помощью своих формул могут углубляться в области, куда экспериментаторы придут лишь через много лет. Физика наших дней — наука математическая, и часто оказывается так, что в ее уравнениях бывают скрыты неожиданные возможности, приводящие к замечательным предсказаниям и к выдающимся открытиям.