Занимательно о космологии

Глава седьмая

XX век начинался бурно. По дорогам и улицам городов покатили, пугая лошадей, громыхающие, изрыгающие удушливый дым автомобили. В небе затрещали, зафыркали моторы первых аэропланов. В качестве главной силы технического прогресса утвердилось электричество. Наступило время чудес и для науки.

В 1900 году профессор Берлинского университета Макс Карл Эрнст Людвиг Планк выдвинул удивительную гипотезу, согласно которой поток энергии не мог больше считаться непрерывным, а излучался отдельными порциями — квантами. Родилась квантовая теория. В том же году русский астроном Аристарх Аполлонович Белопольский в лабораторных условиях доказал справедливость эффекта Доплера при оценке скорости движения источников света. Теперь астрофизики могли измерять скорости движения звезд с большой степенью надежности.

В 1901 году молодой немецкий физик Вильгельм Кауфман с помощью тонкого эксперимента доказал, что масса недавно открытого электрона при чрезвычайно быстром его движении изменяется. Это было совершенно непонятно. Масса — почтенная, по утверждению классической теории, постоянная величина оказывалась зависимой от скорости?..

В 1902 году Майкельсон вместе с Морли повторил измерение скорости света и получил 299 890 ± 60 км/час. При этом измеренная величина не менялась ни при каких условиях…

Еще через год в России вышла работа Константина Эдуардовича Циолковского «Исследование мировых пространств реактивными приборами». В ней была обоснована возможность применения реактивных аппаратов для полетов в космос и разработана теория движения ракет.

Движение, движение! XX век словно брал реванш за неторопливое XIX столетие. Стремление к переменам охватило все отрасли жизни, все слои общества. По всему миру нарастали волны стачек. Напуганное поднимавшейся грозой, правительство царской России спешно ввязалось в войну с Японией. «Маленькая победоносная война! Что может быть лучше для успокоения народа?» Метод испытанный! Метод старый! Но… видимо, слишком старый для нового столетия. Русский пролетариат ответил революцией! По всей огромной стране в 1905 году прокатилась грандиозная «генеральная репетиция Октября».

В том же году в немецком журнале «Анналы физики» появилась статья, озаглавленная «К электродинамике движущихся сред» и подписанная именем А. Эйнштейна. Впрочем, для того, чтобы понять значение этого факта для науки, давайте отойдем на несколько шагов назад… Для разбега…

Беспокойный характер грядущего столетия начал проявляться еще в недрах умиротворенного XIX века, волнуя и будоража современников. Самой большой неожиданностью явился эксперимент Майкельсона — Морли, поставленный для исследования зависимости скорости света от движения среды.

Результаты этого эксперимента оказали слишком большое влияние на предмет нашей заинтересованности, и потому автор льстит себя надеждой, что читателю будет небезынтересно узнать некоторые подробности о тех, чьи имена отмечены в каталоге истории.

Альберт Абрахам Майкельсон родился 19 декабря 1852 года в небольшом польском городке Стрельно близ Познани и неподалеку от польско-германской границы. Настолько «неподалеку», что в описываемый момент город принадлежал Германии, отойдя к ней усилиями Фридриха Великого в 1772 году вместе со всем Познаньским княжеством. Жизнь под крылом германских кайзеров была, видимо, несладкой, потому что скоро отец семейства Самуил Майкельсон, забрав скромные сбережения, жену Розалию и двухлетнего сынишку, иммигрировал в Америку. Вряд ли имеет смысл описывать иммигрантскую жизнь. По ее результату — Самуил Майкельсон до смерти был владельцем небольшой галантерейной лавки, с трудом и впроголодь кормившей его семью, — ясно, доли в Америке польский иммигрант не обрящил. Его сын Альберт благодаря своей настойчивости поступил в Морскую академию. В срок окончил ее, прослужил положенное время на судах Североамериканского флота и стал преподавателем физики и химии в той же академии. Там он прочел только что изданный труд Максвелла «Электричество и магнетизм» и вместе со всеми физиками земного шара удивился тому, что скорость света оказалась одной из важнейших физических величин. Вот тогда-то и посетила молодого преподавателя идея измерить эту скорость света с предельной точностью. Эта проблема и стала для него делом, которому он посвятил всю свою жизнь.

Позже, уже имея за плечами опыт экспериментальной работы, Майкельсон переехал в Кливленд в Технологический институт Кейса, где познакомился с профессором химии и естественной истории соседнего университета Эдвардом У. Морли.

По свидетельству знавших их, трудно было представить себе более непохожих друг на друга людей. Во-первых, Морли был лет на пятнадцать старше. Разница весьма существенная, если вспомнить, что Майкельсону в 1885 году было всего тридцать три года… Во-вторых, Э. У. Морли происходил из рода англичан-переселенцев, прибывших на берега Нового Света еще в начале XVII века. Для старых американских семейств традиционна гордость своими бродягами предками и пренебрежительное отношение к иммигрантам. Так же традиционна, если не для большинства, то, во всяком случае, для многих, религиозность. Сын священника-конгрегационалиста Эдвард Морли также окончил духовную семинарию. И лишь неожиданно проснувшаяся в нем любовь к химии спасла его от сутаны. Морли остался чрезвычайно религиозным человеком. Даже место профессора в университете он принял с тем условием, что ему разрешат регулярно читать проповеди и играть на органе в часовне. Тем не менее описанные качества не помешали его дружбе с убежденным атеистом Майкельсоном. Внешне разница между обоими профессорами была не менее разительной. Окончив военную академию, Майкельсон на всю жизнь сохранил любовь к подтянутости, был строен, щеголеват в одежде, любил спорт. Он имел очень привлекательную внешность.

Морли был типичным рассеянным профессором XIX века. Огромные рыжие усы и длинные, до плеч, волосы, вечно в движении, вечно обуреваем идеями. Незастегнутая жилетка или мел на брюках — боже, какие пустяки! Он никогда не только не заботился о своей внешности, он даже не подозревал, что она существует.

Однако в работе, в конструировании приборов и в исследованиях у этих столь различных людей обнаруживался удивительный педантизм. И упрямство. Ни тот, ни другой не любили отступать, взявшись за какую-либо проблему. Кроме того, оба были страстные музыканты. И если Морли любил посидеть за органом, извлекая из его труб не только мотивы псалмов, то Майкельсон с детства весьма прилично играл на скрипке.

К 1885 году оба профессора были уже достаточно известны в науке: Морли — скрупулезными исследованиями процентного содержания кислорода в воздухе и относительного веса кислорода и водорода в составе воды, Майкельсон — своими экспериментами по определению скорости света.

В Европе уже несколько лет бушевали страсти вокруг вопроса об эфире. И потому не мудрено, что два английских физика, Уильям Томсон и Джон Уильям Стретт, оба получившие за научные заслуги титулы лордов (соответственно: Кельвина и Рэлея), обратились к Майкельсону с предложением проверить, как влияет среда на скорость света. Предложение было лестным. Майкельсон поделился идеей с Морли. Морли загорелся и тут же великодушно предоставил приятелю подвал, в котором находилась его лаборатория.

И уже первая совместная работа принесла Майкельсону первую ученую степень — доктора философии.

Затем друзья стали готовить второй опыт. О! Он был задуман как настоящий «решающий эксперимент».

«Мы с Майкельсоном приступили к новому эксперименту, — писал Морли отцу-священнику 17 апреля 1887 года, — который должен показать, одинакова ли скорость распространения света в любых направлениях. Я не сомневаюсь, что мы получим окончательный ответ».

Оба экспериментатора были уверены, что, измерив скорость светового луча по направлению движения Земли и против, им удастся уловить разницу, доказать существование «неуловимого эфира» — носителя световых волн — и определить абсолютное движение Земли в пространстве, заполненном все тем же эфиром. Увы, в июле 1887 года, когда опыты были закончены, а результаты сведены воедино и проанализированы, оба исследователя обнаружили, что никакой разницы в скорости света нет. В каком бы направлении наблюдатель ни двигался, упрямая скорость света оставалась одной и той же. Такое заключение казалось абсурдным. Оно противоречило всему человеческому опыту, который говорил, что летящая птица при попутном ветре движется быстрее, чем против ветра. Майкельсон и Морли написали короткое сообщение об отрицательном результате эксперимента, послали его в научный журнал. В том же году оно было напечатано в английском журнале, и об опыте американцев узнал мир.

Пройдет немало времени, и английский физик, философ и общественный деятель Джон Десмонд Бернал назовет это открытие «величайшим из всех отрицательных результатов в истории науки». Однако в 1887 году Майкельсон далеко не был убежден, что «провалившийся» опыт окончательно похоронил эфир. «Проблема по-прежнему ждет своего решения», — публично заявлял он, выступая с лекциями по поводу совершенного. Однако пора, пожалуй, открыть тайну, почему этот неудачный эксперимент так взволновал ученый мир. И почему, заканчивая введение в седьмую главу упоминанием о знаменитой статье Эйнштейна, мы бестактно прерывали повествование в пользу сомнительного эксперимента?.. Пора объясниться!

Дело заключалось в том, что результат опыта Майкельсона — Морли не поддавался объяснению с помощью существующих классических теорий. Действительно, в те годы пространство, читатель помнит, считалось чем-то вроде помещения, заполненного эфиром. Эфир был необходим. Во-первых, в нем распространялись световые волны. Можно ли представить себе волны без среды? Пожалуй, такой образ был бы сродни улыбке невидимого кота из чудесной книжки Кэролла «Алиса в Стране чудес». Помните, кот сидел на заборе, улыбался и исчезал. Исчезал до тех пор, пока от него не осталась одна улыбка… Так и волны без среды… Волны в воде — наглядный образ. Волны в воздухе — тоже понятно — звук. Волны в светоносном эфире — свет. Только каков он, этот эфир?

Была и еще одна не менее важная причина заинтересованности физиков-классиков в мировой субстанции. Эфир заполнял пространство. Материя в пространстве находилась в непрерывном движении. Значит, если принять эфир за неподвижную систему отсчета, можно говорить об абсолютном движении, абсолютном пространстве, абсолютном… Короче, представление об эфире, подобно Атланту, держало на своих плечах вселенную Ньютона. А результат эксперимента двух американцев говорил, что никакого эфира нет. Во всяком случае, они не обнаружили «эфирного ветра», дующего в лицо всем пассажирам Земли — корабля, который летит сквозь неподвижную мировую субстанцию, заполняющую пространство. И скорость света оказывалась независимой от движения наблюдателя… Эти результаты заводили классическую мысль в тупик. Может быть, мы все-таки неправильно измеряем?..

И вот на рубеже 1892–1893 годов Лоренц — сам Гендрик Антон Лоренц, — создатель электронной теории, убежденный материалист и авторитет среди ученых, выдвигает совершенно «нелепое» объяснение отрицательного результата опыта Майкельсона — Морли. «Мы действительно не получим никакого результата, — говорит он, — если допустим, что все тела сокращаются в своих размерах по направлению движения…» Ведь тогда прибор американских исследователей вследствие движения Земли несколько укоротится и каждому последующему лучу света придется идти чуть-чуть меньший путь. Лоренц даже вычислил это сокращение. Для земного шара формула давала величину примерно шести сантиметров, на которые должен был укоротиться диаметр нашей планеты. Это сокращение Лоренц объяснил «электромагнитными действиями тех электрических зарядов, которые, как мы видели, находятся в каждом атоме». Ради сохранения эфира Лоренц пожертвовал «здравым смыслом». Так казалось в преддверии XX столетия.

Самое оригинальное заключалось в том, что результаты этой немыслимой теории совпадали с фактами… Все равно большинство физиков были весьма смущены вольным обращением нидерландского профессора Гарлемского исследовательского института со здравым смыслом. Вспоминали изречение Гиббса: «Математик может говорить все, что ему вздумается, но физик должен сохранять хоть каплю здравого смысла».

Смущение усилилось, когда в Гарлем пришло письмо из Дублина. Ирландский физик профессор Тринити-колледжа Джордж Френсис Фитцджеральд сообщал Лоренцу, что уже давно пользуется этой гипотезой в своих лекциях студентам. Беда — ирландец не любил писать… Ввиду чего Лоренц и заметил в дальнейшем, что упоминание о гипотезе сокращения он нашел только в статье физика О. Лоджа. Но в конце концов «дикая» гипотеза Фитцджеральда — Лоренца стала проникать даже в бронированные крепости физиков-ортодоксов. Ведь она одна более или менее объясняла «нелепый» результат опыта, исходя из привычных законов классической физики. Кроме того, оба автора гипотезы говорили только о субсветовых скоростях. В обычном «наглядном» мире это сокращение было ничтожным. Сторонники здравого смысла утешали себя тем, что даже при полете пули (что можно представить себе быстрее?) сокращение длины равно всего одной биллионной доле процента. Разве может уловить такую разницу какой-нибудь реальный прибор?

Однако неприятности на этом не кончились. В 1901 году молодой немецкий физик В. Кауфман доказал, что масса недавно открытой, быстродвижущейся частицы — электрона — непостоянна! Причем ее изменение определяется скоростью движения и подчиняется гипотетическому закону Фитцджеральда — Лоренца. Рухнула еще одна опора, поддерживающая классическую постройку, — постоянство массы.

В 1904 году на конгрессе в Сент-Луисе выступил прославленный французский математик, член Парижской академии наук Анри Пуанкаре. Он заявил о своем убеждении в том, что скоростей больше скорости света существовать в природе не может. Тогда же Пуанкаре впервые высказал принцип относительности как строгое и всеобщее положение. Никакие эксперименты, по мнению французского ученого, проводимые внутри лаборатории, не позволяют установить исследователю — движется его лаборатория равномерно и прямолинейно или находится в покое. Никакие… Впрочем, сделав столь смелое предположение, отрицающее эфир, Пуанкаре спешит оговориться о возможности опровержения результатов эксперимента Майкельсона — Морли более точными измерениями. «Сейчас, — продолжает он в статье „О динамике электрона“, опубликованной год спустя, — во всяком случае, представляется интересным посмотреть, какие следствия могут быть из него выведены». И в этой фразе — весь Пуанкаре-математик, для которого познание физической реальности мира не являлось задачей первостепенной важности. Более того, будучи убежденным сторонником учения о непознаваемости сущности вещей, отрицая связь между сущностью и явлением, Пуанкаре считал, что ценность любой теории заключается не в том, насколько правильно она отражает действительность, а насколько целесообразно и удобно ее применение, философские взгляды Пуанкаре были глубоко рассмотрены и подвергнуты критике Владимиром Ильичем Лениным в работе «Материализм и эмпириокритицизм». Но математиком французский академик был блестящим. Достаточно сказать, что за семь лет после окончания Политехнической школы в Париже им написано сто две научные статьи и заметки! Он был почетным доктором восьми университетов и состоял членом двадцати двух академий…

Он «опередил математические построения Эйнштейна», — пишет известный советский историк науки Б. Г. Кузнецов. Фактически Пуанкаре на фундаменте идей Фитцджеральда — Лоренца возвел первые этажи специальной теории относительности. Об этом мало кто задумывался в то время. Во-первых, как отмечает Д. Д. Иваненко, Пуанкаре сам был не особенно уверен в полученных результатах. Неустойчивая философская платформа и слишком крепкие связи с периодом классической физики делали для него этот шаг особенно трудным. Во-вторых, он опубликовал свою работу в итальянском математическом журнале, практически неизвестном физикам. Тогда как вышедшая следом аналогичная работа А. Эйнштейна появилась в широко читаемом журнале «Анналы физики» и была подхвачена многочисленной армией немецких физиков-теоретиков.

Впрочем, тоже не сразу. Надо сказать, что первые пять лет после опубликования статьи отклики на нее были весьма редкими и весьма недоброжелательными. Причем одним из первых высказался уже знакомый нам В. Кауфман. «Я предвижу, — писал он, комментируя выводы специальной теории относительности, — что общий результат измерений будет несовместим с фундаментальными предположениями Лоренца и Эйнштейна». Еще более скептически описывал существующее положение профессор физики Московского университета А. К. Тимирязев (сын Климента Аркадьевича). В роскошном многотомном сборнике «История нашего времени» можно прочесть: «Весьма характерно, что среди английских физиков, которые все свои идеи воплощают в конкретные образы: всегда стараются построить ясную и понятную всем „модель“, принцип относительности почти не имеет успеха». И далее. «Но, может быть, эта новая теория указала и новые пути? Позволила предсказать новые факты, которые бы не были предвидены другими теориями? И на это придется ответить отрицательно, так как весь ее смысл заключается только в приведении в систему уже известных фактов. И если этой теории или, правильнее, ее уравнениям, составляющим ее содержание, суждено сохраниться, то несомненно, что они должны быть истолкованы иначе; эта теория, несомненно, должна принять другую форму — форму, мыслимую физически, форму, не отрицающую эфира — этого, по словам знаменитого лорда Кельвина, единственного тела, которое известно физикам! …Любопытно отметить, что все сторонники этой новой революционной теории в настоящее время уже заняты другими вопросами, более насущными, и это всего семь лет спустя после ее возникновения».

Здорово сказано, правда? Особенно если учесть, что еще семь лет спустя не теория изменилась в угоду «мыслимой физической форме», а форма изменилась согласно специальной теории относительности. Эфир же пошел на свалку, где уже отдыхали такие понятия, как флогистон, теплород и «страх перед пустотой». Все это были первые приближения, модели, изжившие себя.

Однако А. К. Тимирязев продолжал отрицать новую теорию, несмотря на ее успехи. И он был не одинок.

Эйнштейн стал символом беспокойного XX века. Популярному описанию его идей посвящено множество прекрасных книг и брошюр, статей, очерков и рассказов. Читатель наверняка встречал их. Нам понадобятся лишь некоторые выводы теории относительности, выводы, породившие новое необычное представление сначала о структуре, а потом и о развитии мира, в котором мы с вами живем.

Когда Альберт Эйнштейн был еще Альбертхеном, брат отца — дядя Якоб — принес ему книжку по алгебре.

— Алгебра — это веселая наука, — говорил он, держа мальчика на коленях. — Когда мы не можем обнаружить зверя, за которым охотимся, мы временно называем его Икс и продолжаем охоту, пока не поймаем и не засунем его в сумку.

И двенадцатилетний Альберт с увлечением выслеживал хитрого Икса в дебрях математических джунглей. Потом он познакомился с геометрией. Стройность, строгость и красота логики Эвклида заворожили его… Ах, как это важно уметь увидеть красоту математического доказательства! Для этого не обязательно быть Эйнштейном и самому искать наиболее выразительное решение. Для этого часто бывает достаточно, чтобы кто-то показал его красоту. В этом, наверное, заключается одна из главных задач настоящего учителя…

Бедный студент-медик, обедавший в семье Эйнштейнов по пятницам, посоветовал Альберту читать научно-популярные книги. И эта литература разбудила в Эйнштейне интерес к тому, как устроен мир.

Особенно большое влияние оказала на формирование мировоззрения юноши книга немецкого врача и философа Людвига Бюхнера «Сила и материя». Материализм и атеистический характер этого сочинения казались необычайно смелыми и новаторскими в годы подъема естествознания в Германии. Книга много раз переиздавалась, несмотря на упрощенный подход к философским вопросам.

Вульгарный и плоский материализм книги Бюхнера был подвергнут критике Ф. Энгельсом и В. И. Лениным. Но его взгляды помогли Эйнштейну навсегда искоренить в себе веру и стать атеистом. Потеряв веру в религиозную догму, Эйнштейн посвятил жизнь поискам гармонии мироздания, способной истиной заместить миф.

Находясь уже в зрелом возрасте, Эйнштейн рассказывал, что когда ему было шестнадцать лет, он впервые задумался о скорости распространения света для двух движущихся относительно друг друга наблюдателей. В те годы Альберт уже достаточно интересовался физикой, чтобы знать о нашумевших результатах опыта Майкельсона и Морли. Вот как сам он свидетельствует об этом. «Нет сомнения, — пишет А. Эйнштейн в письме к Бернарду Джеффу, автору прекрасной биографии Майкельсона, — что опыт Майкельсона оказал значительное влияние на мою работу, поскольку он укрепил мою уверенность в правильности принципа специальной теории относительности. С другой стороны, я был почти полностью убежден в правильности этого принципа еще до того, как узнал об эксперименте и его результате».

В основе классической механики лежали, в частности, два фундаментальных положения. Первое заключалось в механическом законе сложения скоростей. Мы уже приводили пример с движением пассажира вдоль вагона мчащегося поезда. Чтобы немного разнообразить тему, представим себя на палубе парохода во время шторма. Волны бегут в одном направлении и с одинаковой скоростью. По приказанию капитана корабль поворачивается кормой к ветру и устремляется вслед за волнами. Проходит некоторое время. Скорость корабля сравнивается со скоростью волн, и картина шторма вокруг нас застывает. Наш теплоход, словно «Летучий голландец», замер на гребне волны и оказался как бы в мире неподвижных водяных горбов и впадин.

Второе положение — это принцип относительности. Вот как объяснял его сам Эйнштейн: «Представим себе двух физиков, у каждого из которых лаборатория, снабженная всеми мыслимыми физическими аппаратами. Лаборатория одного из физиков находится в открытом поле, а лаборатория другого в вагоне поезда, быстро несущегося в некотором направлении. Принцип относительности утверждает: два физика, применив все аппараты для изучения всех существующих в природе законов — один в неподвижной лаборатории, другой в вагоне, найдут, что эти законы одни и те же, если вагон движется равномерно и без тряски. Если сказать в более абстрактной форме, то это выглядит так: согласно принципу относительности законы природы не зависят от переносного движения систем отсчета». Оговоримся, что до Эйнштейна в формулировке принципа относительности фигурировали не любые возможные законы природы, а лишь законы механики.

Повторяя про себя принципы классической механики, Альберт Эйнштейн возвращался мыслью к результатам опыта Майкельсона. Американцу не удалось обнаружить сложения скорости света со скоростью Земли. Почему?.. Эйнштейн пытался представить себя движущимся вслед за лучом света со скоростью 300 тысяч километров в секунду. Тогда, следуя законам классической механики, он должен был бы видеть свет в виде покоящегося в пространстве переменного электромагнитного поля. Однако представить себе такую картину было невозможно, она просто не имела права на существование.

«Интуитивно мне казалось ясным с самого начала, что с точки зрения такого наблюдателя все должно совершаться по тем же законам, как и для наблюдателя неподвижного относительно Земли, — говорил он в дальнейшем, рассказывая о парадоксе, занимавшем его мысли в пору юности. — В самом деле, как же первый наблюдатель может знать или установить, что он находился в состоянии быстрого равномерного движения?»

Мы, современники XX столетия, привыкли к неожиданным выводам теории. Нас даже удивить, к сожалению, стало трудно открытием парадоксальных явлений или доказательствами того, что еще вчера казалось фантастикой. Это сомнительная привилегия нашего века. В XIX столетии не было ни такого обилия сногсшибательных открытий, ни такой массы научно-фантастических романов, отнимающих у читателей под видом прославления науки способность к удивлению.

Эйнштейн окончил Цюрихский политехникум и после довольно продолжительных поисков устроился на постоянную работу в Берне, заняв скромную должность технического эксперта третьего класса в патентном бюро. Начался самый счастливый и плодотворный период в его жизни. Биографы часто сравнивают это время с годами жизни Ньютона в Вулсторпе во время лондонской чумы.

«Составление патентных формул было для меня благословением, — писал Эйнштейн в своей автобиографии за месяц до смерти. — Оно заставляло много думать о физике и давало для этого повод. Кроме того, практическая профессия — вообще спасение для таких людей, как я: академическое поприще принуждает молодого человека беспрерывно давать научную продукцию и лишь сильные натуры могут при этом противостоять соблазну поверхностного анализа».

В Берне Эйнштейн близко сошелся с несколькими молодыми людьми, интересовавшимися, как и он, физикой и математикой. Образовалась удивительно дружная компания, названная ее членами «академией Олимпией». Молодые люди вместе гуляли, вместе читали философские книги, трудно поддающиеся чтению в одиночку, много спорили и обменивались идеями. Эйнштейн, будучи в жизни весьма непритязательным человеком, был счастлив. «Подумайте, — писал он одному из друзей, покинувшему Берн, — ведь кроме восьми часов работы, остается восемь часов ежедневного безделья и сверх того воскресенье».

Результатом столь интенсивной интеллектуальной жизни и полного пренебрежения к достижению житейских благ явилось то, что в 1905 году Эйнштейн написал несколько научных статей, которые послал в журнал «Анналы физики». Одна из них, как писал он в письме к приятелю, «…исходит из понятий электродинамики движущихся тел и видоизменяет учение о пространстве и времени…». Это и была частная, или специальная, теория относительности. В ней, обобщив классический принцип относительности, выдвинутый Галилеем лишь по отношению к ходу механических процессов, на оптические и любые другие явления и заменив механический закон сложения скоростей постулатом независимости скорости света от скорости движения источника, Эйнштейн построил новую механику. Его теория была свободна от противоречий, с которыми столкнулась классическая теория в объяснении опытов Майкельсона и Кауфмана.

Проницательный читатель уже, наверное, заметил повторение истории с открытием неэвклидовой геометрии.

Отбросив безусловную глобальную справедливость постулата Эвклида о параллельных и заменив его, казалось бы, абсурдным утверждением обратного характера, Лобачевский пришел к открытию новой геометрии.

Точно так же «абсурдный» постулат о постоянстве скорости света привел Эйнштейна к созданию новой механики, отличной от классической механики Ньютона. Аналогию можно продолжить. Точно так же, как мало отличается геометрия Лобачевского для небольших расстояний от геометрии Эвклида, так и механика Эйнштейна дает результаты, практически не отличающиеся от классических результатов для скоростей, много меньших скорости света.

Автор уже говорил о том, что о теории относительности написано много прекрасных книг советскими и зарубежными специалистами. Какая-нибудь из них наверняка лежит и на вашей полке, дорогой читатель. И потому автор не станет изощряться в поисках новых примеров и аналогий. Тем более что в наши дни теория относительности перестала быть чем-то из ряда вон выходящим. С ее парадоксами ребята впервые знакомятся на страницах приключенческих романов, затем учат ее в школе и на первых курсах институтов. Правда, при этом некоторые пользуются модным названием лишь для того, чтобы, взмахнув рукой, произнести сакраментальную фразу: «Все равно все в жизни относительно». Расширяя несколько представление о смысловых особенностях сочетания слов «теория относительности», автор хотел бы напомнить: термин «теория относительности» не имеет в виду относительность человеческих знаний, а лишь относительную равноценность систем отсчета (или систем координат), движущихся с постоянной скоростью друг относительно друга. Не более…

Профессор математики Герман Минковский, лекции которого так старательно некогда прогуливал студент Эйнштейн, с удивлением говорил профессору физики Максу Борну после того, как прочитал статью в «Анналах физики»: «Это было для меня большой неожиданностью. Мой цюрихский студент Эйнштейн?.. Да ведь раньше он был настоящим лентяем и совсем не занимался математикой…»

В Политехникуме Эйнштейн записался сразу на тринадцать математических курсов, из которых шесть читал профессор Минковский. Но бывал на лекциях редко, предпочитая самостоятельно заниматься интересующими его вопросами. Принудительное изучение предметов было для него невыносимо. «В сущности, почти чудо, — писал он в конце жизни, — что современные методы обучения еще не совсем удушили святую любознательность, ибо это нежное растеньице требует наряду с поощрением прежде всего свободы — без нее оно неизбежно погибает». Здесь, надо думать, Эйнштейн несколько сгустил краски.

Однако нелестное мнение о студенте Эйнштейне не помешало Минковскому настолько проникнуться взглядами специальной теории относительности, что он занялся разработкой ее математического аппарата.

Герман Минковский (1864–1909) прожил недолгую и небогатую внешними событиями жизнь. Он родился в России в маленьком местечке Алексоты Минской губернии. А затем, как и Майкельсона, его увезли родители с родины. Но не за океан, а в Германию. Там он окончил гимназию и университет, там выдвинулся своими работами, посвященными геометрической теории чисел. Сейчас он заслуженно считается основателем этой отрасли математики, несмотря на то, что геометрическими методами в теории чисел до него пользовались и другие математики. Уже в конце своей короткой жизни Минковский занялся геометризацией еще одной теории. На этот раз теории физической, носящей сегодня имя специальной теории относительности.

В 1908 году на собрании естествоиспытателей и врачей в Кельне он прочел свой знаменитый доклад о геометрических основах теории относительности, озаглавленный «Пространство и время».

«…Никто еще не наблюдал, — говорил Минковский, — какого-либо места иначе, чем в некоторый момент времени, и какое-нибудь время иначе, чем в некотором месте». И он называет точку пространства, соответствующую данному моменту времени, «мировой точкой», а совокупность всех мировых точек, которые только можно себе представить, для краткости — «миром». Тогда любому телу, существующему некоторое время в пространстве, будет соответствовать некая кривая — мировая линия.

«…Весь мир представляется разложенным на такие мировые линии, — продолжает свою речь Минковский, — …физические законы могли бы найти свое наисовершеннейшее выражение как взаимоотношения между этими мировыми линиями».

Так возник четырехмерный мир пространства-времени Минковского, созданный специально для того, чтобы решать задачи о явлениях, происходящих с субсветовой скоростью, с помощью новой теории относительности.

Вспомним еще раз о сути четырехмерности этого мира, чтобы убедиться, что это не чудо.

Чем же отличается привычный нам трехмерный мир от четырехмерного пространства-времени Германа Минковского? Прежде всего это последнее — вовсе не чудо! Не какое-то новое изобретение чудака математика, а вполне реальный мир, в котором живем мы с вами, уважаемый читатель. Надо только взглянуть на окружающее чуть-чуть с иной точки зрения. Приведем пример…

Автор надеется, что читатель не станет протестовать против утверждения, что любое событие происходит всегда в некоторой точке пространства и в некоторый момент времени. Даже самым выдающимся детективам нашего времени для распутывания и восстановления динамической картины происшествия нужны ответы на вопросы: где? и когда?

На первый вопрос: «Где?» — нетрудно ответить, зная собственные координаты, скажем, x₁, y₁, z₁, и координаты места происшествия: x₂, y₂, z₂. При этом вы прикидываете величину пути, решая известное, уравнение: r² = (x₁ ― x₂)² + (y₁ ― y₂)² + (z₁ ― z₂)², и получаете полную пространственную обстановку события «в ньютоновском смысле».

Чтобы придать картине динамичность, вы должны ответить на второй вопрос «Когда?». Для этого примерный момент происшествия и момент получения сообщения о нем обозначаются соответственно t₂ и t₁. И составляется еще одно уравнение временного промежутка: t = t₂ ― t₁.

Только вооружившись указанными выше уравнениями, вы можете начинать розыск.

Однако насколько ускорилось бы следствие, если бы мосье Эркюль Пуаро и комиссар Мегре знали и пользовались бы геометрическими основами теории относительности.

В четырехмерном мире пространства-времени вместо двух равенств вводится единый пространственно-временной интервал между событиями:

S² = (x₁ ― x₂)² + (y₁ ― y₂)² + (z₁ ― z₂)² ― c²(t₁ ― t₂)².

Здесь c — скорость света, равная приблизительно 300 тысячами километров в секунду. Произведение c² · (t₁ ― t₂)² имеет ту же размерность, что и остальные члены уравнения, и потому с формальных позиций здесь тоже все обстоит благополучно. Но самое главное заключается в том, что написанное уравнение не меняется при переходе от одной системы отсчета, движущейся прямолинейно и равномерно, к другой, движущейся не менее прямолинейно и не менее равномерно, но в другом направлении и с иной скоростью. Говорят, такое уравнение инвариантно, а системы инерциальны.

Теперь автор призывает читателя обратить внимание на сходство обоих уравнений: для привычного нам трехмерного мира и мира четырехмерного пространства-времени. Разница всего в одном члене со знаком минус… И вот тут-то и поджидает нас знатная западня-ловушка!.. В зависимости от величины c²(t₁ ― t₂)² квадрат интервала S² может быть больше нуля, равен нулю или даже меньше нуля. Это значит, что в отличие от обычного эвклидова пространства ньютоновской механики «мир» Минковского делится на области, разграниченные поверхностями, которые можно построить, положив S² = 0! Такие поверхности называются световыми конусами.

А теперь, если читатель согласен пожертвовать одним из пространственных измерений, можно попробовать изобразить мир с двумя оставшимися пространственными координатами и одной временной. Посмотрите, пожалуйста, внимательно на рисунок: перед вами, как говорят специалисты, трехмерный пространственно-временной континуум. Внутри конусов, где S² меньше нуля, мы встречаемся с миром нормальных причинно связанных событий. Здесь промежуток между исходной мировой точкой О и любой другой, находящейся внутри данного светового конуса, таков, что сигналы имеют вполне достаточное время для прохождения из одной точки в другую со скоростью, не превышающей скорость света.

Интересно отметить, что нижний конус по отношению к точке O является областью абсолютного прошлого. Верхний конус — абсолютного будущего. И читатель, наверное, догадался сам, что центральная точка O связывается с любым исходным событием.

Световой конус прошлого включает все направления, по которым информация, переносимая светом, от небесных объектов поступает к наблюдателю. При этом наблюдатель всегда находится в той точке пространства и в тот момент времени, через которые проходит вершина светового конуса.

Один из сотрудников Эйнштейна в Принстоне, ныне профессор физики Сиракузского университета в Нью-Йорке П. Бергман, приводит в своей книге «Загадка гравитации» чрезвычайно интересный пример, поясняющий описываемую модель: «…любое направление на световом конусе прошедшего может быть сопоставлено с точкой на небесной сфере, представляющей собой ту картину, которая открывается нам, когда мы рассматриваем небо и звезды (в точности так же, как глобус отражает наше представление о Земле). Угол между двумя видимыми положениями звезд (измерение таких углов очень важно для астрономов) — это угол между двумя световыми направлениями на световом конусе прошедшего. Если два наблюдателя движутся относительно друг друга со скоростями, сравнимыми со скоростью света, то определенные ими углы между направлениями на одни и те же звезды не будут совпадать. Так и должно быть, потому что относительные положения звезд существенно зависят от движения Земли, определяемого в конкретной инерциальной системе отсчета. Однако скорость Земли за полгода меняется на две десятитысячные доли (2·10^-4) от скорости света из-за годичного движения Земли вокруг Солнца. Из-за этого возникает видимое смещение звезд. Это явление известно под названием аберрации света».

Совсем иная картина ожидает нас в области вне конусов. Причинная связь с событием, находящимся вне светового конуса, невозможна в принципе, потому что требует сверхсветовой скорости.

Конечно, нарисованная картинка световых конусов никогда не остается неподвижной. Центральная точка O, в которой сидите вы, уважаемый читатель, даже если вы сидите в своей системе отсчета совершенно неподвижно, есть ваша «мировая точка». И она непрерывно ползет по оси времени, увлекая за собой, как улитка домик, световые конусы.

Введя понятие четырехмерного мира событий, Минковский внес существенный вклад в развитие теории относительности, точно так же, как и в развитие пространственно-временных представлений современной физики.

«Воззрения на пространство и время, которые я намерен развить перед вами, возникли на экспериментально-физической основе. В этом их сила. Их тенденция радикальна. Отныне пространство само по себе и время само по себе должны превратиться в тень, и лишь некоторый вид соединения обоих должен сохранять самостоятельность» — так говорил он на собрании в Кельне перед обществом врачей и естествоиспытателей в 1908 году.

А теперь попробуем сделать предварительный и совсем небольшой вывод. Ньютонова теория удовлетворительно описывала события, принимая пространство существующим абсолютно, независимо ни от времени, ни от материи, заключенной в пространстве. Не зависело ни от чего и время, единое мировое время, идущее для всего бесконечного мира одинаково.

Скоро, однако, стали накапливаться ошибки, парадоксы, не получающие объяснения с позиций классической ньютоновой теории. И тогда усилиями Фитцджеральда, Лоренца и Пуанкаре были выдвинуты новые идеи, которые легли в основу разработанной Эйнштейном специальной теории относительности. Эта теория разрушала старые представления о мироздании. Она не отказалась от теории Ньютона, нет! По-прежнему, если события происходили со скоростями, ничтожными по сравнению со скоростью света, «старые добрые уравнения, сэра Исаака» верно служили человечеству. Новые же выводы обобщали их для субсветовых скоростей. Конечно, относительный мир Эйнштейна был далеко не таким уютным и привычным, как мир Ньютона. Ему не хватало определенности, математической фундаментальности, и, если бы автор не боялся этого слова, он бы сказал, ему не хватало «абсолютности», но абсолютности в новом, уже не в ньютоновском смысле.

И вот тут-то подошло время для упоминания о трудах Минковского. Минковский пишет: «Понятия пространства ни Эйнштейн, ни Лоренц не касались…» О Лоренце он говорит, что тот верил в существование абсолютно покоящегося эфира и абсолютного времени. Об Эйнштейне — что тот «отвергал время как понятие, „однозначно определенное событиями“». На пересмотр понятий пространства и времени Минковский претендовал сам. В своих построениях он вместо абсолютного ньютонова пространства и абсолютного ньютонова времени, отброшенных новой теорией, ввел свой абсолютный мир пространства-времени, который описывал действительность на новом уровне, более сложном, но и более близким к природе, к истине.

Идеи специальной теории относительности витали в воздухе. Их подготовило все развитие «благополучной» физики XIX века. Она созрела в недрах классической теории и потому вызвала столь небывалый резонанс в мире. Никогда еще научная теория не затрагивала так глубоко массы людей. Человечество поистине раскололось на два лагеря. К одному примкнули те, кто сумел разглядеть в новой теории грядущий прогресс и неизбежную смену мировоззрений. К другому — те, кто не смог принять новых выводов. Секретарь Французской академии наук Эмиль Пикар даже значительно позже, в 1922 году, признавался: «Теория относительности для меня все равно что красная тряпка для быка!» Однако для развития науки важно было, что проблема никого не оставила равнодушным.

Над созданием специальной теории относительности работали многие ученые. Кто же истинный автор СТО, как называют сокращенно специальную теорию относительности? Кому отдать пальму первенства?

Эйнштейн всю жизнь был очень скромным человеком. Уже в 1955 году, незадолго до смерти, он писал: «Вспоминая историю развития специальной теории относительности, мы можем с уверенностью сказать, что к 1905 году открытие ее было подготовлено. Лоренц уже знал, что преобразование, получившее впоследствии его имя, имеет существенное значение для анализа уравнений Максвелла, а Пуанкаре развил эту мысль…» В своей работе он видит новым лишь то, что она показала, «что преобразования Лоренца выходят за рамки уравнений Максвелла и касаются сущности пространства и времени».

В этом последнем замечании заключена суть роли Эйнштейна. Если у Фитцджеральда были лишь идеи, а Лоренц строил теорию, только касающуюся электрических явлений, причем «никогда не претендовал на авторство принципа относительности», оставаясь на позициях нерелятивистской классической физики, то с ролью Пуанкаре дело обстоит сложнее… Французский математик подошел к самой границе нового: «Может быть, мы должны построить совершенно новую механику, пока еще туманную, в которой инерция увеличивается со скоростью и скорость света является предельной». «Это, — как пишет философ Д. Холтон, — иллюстрирует силу его интуиции и качественный характер его указания».

«Почему, — спрашивает Луи де Бройль, — Пуанкаре не удалось перешагнуть за рамки своего собственного мышления? — и отвечает так: — Несомненно, что это произошло отчасти в силу того, что он был чистым математиком.

Он занимал довольно скептическую позицию в отношении физических теорий, считая, что вообще существует бесчисленное множество различных, но логически эквивалентных точек зрения и образов, которые ученый выбирает лишь из соображений удобства».

Работа Эйнштейна вобрала в себя мысли и идеи, носившиеся в воздухе. Он обобщил достижения своего времени и совершил прорыв в неизвестное, построив теорию пространства и времени.

Создателями новой картины мира справедливо считать и тех, чьи имена вынесены в заголовок этого раздела. Макс Планк писал в 1909 году: «Едва ли надо говорить, что новый, эйнштейновский подход к понятию времени требует от физика величайшей способности к абстракции и огромной силы воображения. По своей смелости эта теория превосходит все, что было достигнуто до сего времени в спекулятивном исследовании природы и даже в философской теории познания; …принцип относительности имеет все основания претендовать на реальное физическое значение. По своей глубине и последствиям переворот, вызванный принципом относительности в сфере физических воззрений, можно сравнить только с тем переворотом, который был произведен введением новой картины мироздания, созданной Коперником».

Однако сам Эйнштейн отзывался об этой своей работе значительно сдержаннее: «Я совершенно не понимаю, почему меня превозносят как создателя теории относительности. Не будь меня, через год это бы сделал Пуанкаре, через два года сделал бы Минковский, в конце концов больше половины в этом деле принадлежит Лоренцу. Мои заслуги здесь преувеличены… — И после паузы, со вздохом добавлял: — Что же касается теории тяготения, то я почти уверен, что если бы не я, ее не открыл бы никто до сих пор…»

Эти слова он произносил уже позже, уже добившись признания, уже став при жизни великим, когда если не все, то многие трудности построения общей теории относительности, или, как ее иногда называют, «теории тяготения Эйнштейна», остались позади. А было их немало…

Специальная теория относительности не удовлетворила полностью Эйнштейна в его поисках гармонии мироздания, в поисках достаточно полного и убедительного объяснения устройства вселенной. Ведь выводы теории относительности касались лишь систем, движущихся равномерно и прямолинейно. А как быть, если системы двигались с ускорением?

Увы, любое ускорение нарушало единообразие хода процессов. Геометрические свойства реального пространства-времени оказывались гораздо сложнее, чем свойства «мира» Минковского. Они менялись во времени, зависели от физических процессов и проявлялись в опытах как тяготение.

Следующий шаг исследований был теперь неизбежен. Эйнштейн должен был узнать, какие эффекты мог обнаружить наблюдатель, если пространство само по себе не описывается геометрией Эвклида. Следующий шаг был шагом в новую область, в теорию тяготения. Правда, чтобы сделать его, Эйнштейну понадобилось десять лет напряженной работы. Результатом этого труда явились уравнения, описывающие поле тяготения, и пояснения к ним, занявшие четыре страницы статьи, опубликованной 2 декабря 1915 года.

Всю последующую жизнь, за небольшим исключением вроде работы, напечатанной в 1924 году и обобщающей идею индийского физика Бозе, Эйнштейн занимался разработкой принципов, открытых им в 1915 году.

Середина второго десятилетия XX века выдалась трудной. Догорал третий год мировой войны. По улицам стучали костыли. Слепые солдаты, прикрыв синими очками глаза, выжженные ядовитыми газами, молчаливо стояли в длинных очередях за пайком. Хлеб — по карточкам, уголь — по карточкам. В кайзеровской Германии табак не выдавали вовсе. В Берлине на улице Габерландштрассе на седьмом этаже дома номер пять в холодной, нетопленной комнате работал профессор Эйнштейн, держа погасшую трубку в зубах. Он писал работу об общей теории относительности. Она внесла еще более радикальные изменения в представления людей о пространстве и времени, чем специальная теория относительности. Главной целью, которую ставил перед собой автор теории, являлась попытка примирения учения Ньютона о тяготении, согласно которому сила тяготения распространяется мгновенно, с противоречащими этому взгляду выводами частной теории относительности, о постоянстве скорости света и принципе относительности.

Важнейшим фактом, положенным в основание общей теории относительности (ОТО), было равенство гравитационной массы любого тела (иначе массы, создающей поле тяготения этого тела) его инертной массе, то есть сопротивлению, которое оказывает это тело, находясь в состоянии равномерного прямолинейного движения, изменению этого состояния под воздействием какой-нибудь посторонней силы.

Основываясь на этом факте, Эйнштейн сформулировал принцип эквивалентности, согласно которому отличить силу тяжести от силы инерции невозможно. А движение в поле тяготения всегда равносильно свободному движению по инерции. Короче говоря, никакой силы тяжести в ньютоновском понимании в теории Эйнштейна нет. И все привычные нам процессы, например падение камня на Землю или движение планет вокруг Солнца, а спутников вокруг планет, происходят благодаря инерции.

На первый взгляд сказанное звучит абсурдным парадоксом. Мы со школьной скамьи твердо знаем, что свободное движение равномерно и прямолинейно. А движение спутников и планет происходит по эллипсам. Камень же в поле тяготения падает ускоренно… Где же может происходить свободное движение? Очевидно, только в пространстве, полностью очищенном от гравитирующих масс, в пустом пространстве.

Действительно, чем дальше мы удаляемся от Солнца, тем меньше его влияние, тем радиус планетных орбит становится больше, а их движение как бы выпрямляется. Точно так же, чем выше мы поднимемся над Землей, тем меньше будет ускорение свободно падающего тела. Недоразумение исчезает, если принять во внимание, что движение по инерции согласно общей теории относительности происходит в искривленном пространстве-времени.

Свойства физического пространства вблизи тяготеющих масс отличаются от свойств пространства вдали от них. «Структура ОТО, — пишут Я. Б. Зельдович и И. Д. Новиков в статье „Общая теория относительности и астрофизика“, — такова, что уравнения гравитационного поля… совместимы только с таким движением масс… которое удовлетворяет уравнениям сохранения энергии и импульса». Это значит, что если в классической теории уравнения поля существовали отдельно от уравнений движения, то в общей теории относительности — ОТО — уравнения гравитационного поля содержат в себе уравнения движения. Принципиально этот важный вопрос был решен Эйнштейном совместно с сотрудниками Инфельдом и Гофманом. Советские теоретики В. А. Фок и Н. И. Петрова получили сходные результаты для обычного вещества.

Разрабатывая общую теорию относительности, Эйнштейн создал для нее и своеобразный математический аппарат, называемый в силу нашей любви к аналогиям псевдоримановой геометрией.

Если представить себе, что мы с вами, уважаемый читатель, равномерно плывем в «пустом» четырехмерном пространстве-времени, то линии наших с вами жизней выразятся некими прямыми. Вспомните мировую линию Минковского. Но стоит на нашем пути встретиться какой-нибудь массе, обладающей тяготением, как наши мировые линии искривятся. Так, если отправиться в дальнее космическое путешествие и задаться целью зарегистрировать мировую линию своего полета, то мы вправе ожидать, что, проходя мимо планет, эта линия будет слегка искривляться (поле тяготения планет сравнительно невелико), пролегая мимо звезд, искривление будет значительно большим, а в межгалактических просторах мировая линия будет почти выпрямляться, так как там поля тяготения чрезвычайно слабы.

Интересно! А нельзя ли тогда вообще, отказавшись от понятия силы тяготения, заменить ее воздействие искривлением мировых линий? Или, поскольку совокупность мировых линий есть «мир», то искривлением самого пространства-времени?..

М-да! Понять и представить себе физические идеи общей теории относительности было нелегко даже многим выдающимся ученым, воспитанным в традициях наглядной классической физики. Математический аппарат теории тоже был чрезвычайно сложным. А поправки к ньютоновой теории тяготения, получающиеся в результате каторжной вычислительной работы, оказываются настолько ничтожными, что способны убить всякий энтузиазм. Эти обстоятельства сильно препятствовали новой теории завоевать популярность среди ученых умов. Даже Макс Планк, восторженно приветствовавший создание специальной теории относительности, с грустью заметил как-то Эйнштейну по поводу ОТО:

— Все так хорошо объяснялось, зачем вы стали заниматься этими проблемами снова?..

По-видимому, тогда и появилось дополнительное двустишие к знаменитому стихотворению Александра Попа, приведенному в начале книги. Чтобы не повторяться, автор излагает его в несколько иной редакции. Впрочем, смысл от этого не меняется.

Дописанные строки из стиля торжественной оды выпадают и больше напоминают скороговорку нашего времени:

Тем не менее и у этой совершенно «сумасшедшей», с точки зрения здравого смысла, теории нашлись сторонники. Правда, их было немного. Однажды после доклада об основах общей теории относительности, прочитанного Эддингтоном в Кембриджском университете, к нему подошел коллега, чтобы пожать руку и выразить благодарность.

— Прекрасный доклад, профессор Эддингтон. Вы действительно один из трех человек в мире, по-настоящему понимающих смысл теории относительности. — И, заметив легкое смущение на лице Эддингтона, с жаром продолжал: — Уверяю вас, это действительно так, и вы напрасно смущаетесь…

— Нет, — отвечал Эддингтон, — я просто думаю и спрашиваю себя, кого вы считаете третьим…

С именем Эддингтона связано слишком многое в истории коренной ломки наших представлений о вселенной, чтобы обойти его молчанием.

Артур Стенли Эддингтон родился 28 декабря 1882 года в семье с древними фермерскими традициями. С ранних лет мальчик обнаружил феноменальную память и интерес к большим числам. По понятиям нашего времени, он был типичным вундеркиндом. Так, еще ребенком он поставил перед собой задачу сосчитать все буквы в библии… Неизвестно, насколько это предприятие ему удалось. Но по вечерам в ясную погоду он всегда пытался посчитать звезды на небе. Это увлечение детства дало ему возможность сказать в будущем: «Я начал атаковать большие числа в астрономии, когда мне было шесть лет».

Перед поступлением в школу маленький Артур не умел читать, но таблицу умножения знал с начала до конца. По окончании школы он с самыми лучшими рекомендациями поступает в Тринити-колледж, в котором имена Ньютона и Релея, Максвелла и Дж. Дж. Томсона известны просто как имена бывших студентов-выпускников…

В эти годы Эддингтон — чрезвычайно общительный и остроумный студент, с блеском преодолевающий курс за курсом. Ему все удается. В математическом обществе Тринити-колледжа он с успехом докладывает свою работу «Скорость тяготения». И вступает в шахматный клуб, где скоро становится президентом. Он увлекается велосипедными прогулками и вступает еще в один клуб, который носил название «Ŷ²V-Клуб». Здесь в течение девяти месяцев он также проходит все стадии от рядового члена до секретаря и президента. Потом он станет членом еще многих клубов. Впрочем, коллекционирование клубов и добровольных обществ — чисто английская черта.

В феврале 1906 года, по окончании учебы, Эддингтон получает направление в Гринвичскую королевскую обсерваторию в качестве главного помощника. А в 1914 он уже директор той же обсерватории. За научные заслуги Эддингтона принимают в Королевское астрономическое общество, и в нем он тоже скоро становится президентом.

Интересы Эддингтона весьма равнообразны. Он изучает движение звезд и строение звездных систем, дает первую теорию внутреннего строения звезд. И совсем отдельно стоит его огромная работа по проверке, внедрению и популяризации взглядов теории относительности. В 1918 году по просьбе Лондонского королевского общества Эддингтон подготовил «Сообщение по релятивистской теории тяготения», которое было опубликовано отдельным изданием. Это было первое полное изложение общей теории относительности, появившееся в Англии.

В 1919 году Эддингтон — участник экспедиции, созданной по его инициативе для проверки искривления световых лучей во время солнечного затмения. Экспедиция прошла успешно, и Эддингтон получил правительственную премию в 1000 фунтов стерлингов.

Год спустя он пишет книгу «Пространство, время и тяготение»; еще через три года выходит его знаменитая «Математическая теория относительности», которую и сегодня с удовольствием читают студенты, специализирующиеся в этой области. Позже он занимается квантовой теорией. Большие заслуги Эддингтона в астрономии и физике, приветливый ровный характер снискали ему не только величайший авторитет, но и уважение окружающих. У Эддингтона было множество учеников. Он не переставал работать до последнего дня своей жизни, который наступил 22 ноября 1944 года.

Эддингтон был членом ряда иностранных академий и научных обществ. Его перу принадлежит 13 книг и 161 научная работа. Причем последним его трудом была статья «Эволюция космических чисел». С детства покоренный красотой неба и математики, Артур Стенли Эддингтон не изменил своей любви до конца жизни.

Королевское астрономическое общество учредило медаль Эддингтона, присуждаемую за выдающиеся работы по теоретической астрофизике.

Вы помните, читатель, что некогда это слово, поставленное под чертежом, заменяло древним геометрам длинные рассуждения. Чертеж считался высшим доказательством справедливости. Действительно, если фигура построена, зачем доказывать возможность ее построения?..

В наше время магическое слово «смотри!» заменяют результаты эксперимента. Теория, выводы которой подтверждаются опытом, считается справедливой. Но можно ли экспериментальным путем подтвердить выводы общей теории относительности?..

Эйнштейн сам указал на три следствия, позволяющих проверить правильность теоретических выводов. Первое из них касается изменения частоты (или длины волны) света, когда луч распространяется в поле тяготения. Второе говорило о том, что орбиты планет и спутников должны все время поворачиваться, опережая величину, которая может быть рассчитана по формулам теории Ньютона. Третий эффект, который можно было наблюдать в пределах солнечной системы, заключался в отклонении луча света звезды, когда он проходит вблизи большой тяготеющей массы, например Солнца. Это последнее следствие общей теории относительности и было проверено раньше других. Эйнштейн предложил сравнить положения звезд на небе, когда на пути луча от избранной звезды стоит Солнце. Это можно было осуществить в момент полного солнечного затмения, когда на потемневшем небе проступают звезды. Сравнение следовало произвести с картиной неба, когда Солнца на нем не было.

Простота эксперимента обманчива. На самом деле провести подобные измерения невероятно сложно. Потому что даже возле края солнечного диска расчетное отклонение луча света составляет дугу менее двух секунд. А так как видимое положение всех звезд на небе довольно сильно зависит от свойств земной атмосферы, то уловить эти «две секунды дуги» задача исключительной трудности.

К 29 мая 1919 года две астрономические экспедиции собрались в зонах полного солнечного затмения, которые находились в Гвинее и Бразилии.

Эддингтон, находившийся в первой группе, очень нервничал, так ему хотелось, чтобы эксперимент был удачным. Однажды, перед самой поездкой, его коллега спросил: «Что же будет, если вы подтвердите эффект?». Случившийся поблизости Франк ответил: «Тогда Эддингтон сойдет с ума, и вам придется возвращаться домой одному».

В Гвинее, куда забралась экспедиция, с утра 29 мая небо было затянуто. И лишь незадолго до окончания полной фазы затмения облака рассеялись и нужные фотографии звездного неба были сделаны.

Обработка фотографий продолжалась несколько месяцев. Но зато в сентябре Лоренц сообщил Эйнштейну телеграммой, что выводы общей теории относительности подтвердились.

После его доклада об итогах экспедиции на объединенном заседании Королевского общества и Астрономического общества в Лондоне президент Королевского общества Дж. Дж. Томсон сказал: «Это открытие не отдельного острова, а целого континента новых научных идей. Это величайшее открытие со времен Ньютона».

С тех пор подобные измерения проводились много раз во время солнечных затмений. Есть проверка 1922, 1929, 1947 и 1952 годов. Почти все они дали похожий результат. К сожалению, пока что во всех экспериментах маловата точность, чтобы можно было сделать окончательные выводы. Очень мешает астрономам атмосфера Земли. Вот когда на Луне откроется астрономическая обсерватория, можно не сомневаться, что одним из первых ее наблюдений будет проверка искривления луча света вблизи Солнца. Пока же ученые предпочитают осторожно говорить о том, что есть основания считать кривизну пространства подтвержденной экспериментально.

Второй эффект, позволяющий убедиться в истинности выводов общей теории относительности, касается движения ближайшей к Солнцу точки орбиты Меркурия. Такая точка орбиты любой планеты называется перигелием. Впрочем, сегодня, когда число искусственных спутников Земли едва ли не перевалило за тысячу, объяснять подобные термины, по-видимому, не нужно.

В 1859 году знаменитый французский астроном Урбен Леверье, исследуя движение планеты Меркурий, обнаружил возмущения орбиты, не поддающиеся объяснению действием других планет в рамках ньютоновой теории. Перигелий орбиты Меркурия за сто лет поворачивался на тридцать одну секунду больше, чем разрешала теория. Леверье пытался свалить вину за подобные нарушения на Вулкан — гипотетическую планету, вращающуюся еще ближе к Солнцу. Однако существование еще одной планеты не подтвердилось. Зато англичанин Ньюком, пользуясь собственной более точной теорией движения больших планет, уточнил разницу в смещении перигелия Меркурия и получил на одиннадцать секунд больше — 42″ за столетие. Конечно, автор мог бы привести наглядный пример того, что составляет собой эти 42″. На расстоянии вытянутой руки — это не больше толщины страницы, на которой напечатан данный текст. И тем не менее эти сорок две секунды тяжелым гнетом легли на плечи астрономов. Классическая теория требовала, чтобы перигелий орбиты «посланца богов» смещался на 531 угловую секунду за столетие. А наблюдения упорно показывали — 574. Откуда они набегали?.. Это было тем более непонятно, что во всех остальных отношениях движение планеты ни в чем не противоречило законам Ньютона.

И вот появляется общая теория относительности. И сразу важнейший результат — перигелий Меркурия за счет релятивистских эффектов должен смещаться на 43,03 больше, чем это получается по классической теории!

Чувствуете?.. 574″ ― 531″ = 43″, и теория относительности дает 43″,03! Впрочем, измерения были разные. Более точные и менее точные. Здесь интересно отметить исследования советского астронома Г. А. Чеботарева. Он просмотрел множество старых наблюдений за орбитой Меркурия и, используя уточненные значения астрономических постоянных и масс планет, нашел значение неувязки наблюдений с классической теорией в 42,65±0,5. Что, как вы сами видите, находится в прекрасном соотношении с предсказаниями ОТО.

Конечно, соблазнительно было проверить и значение векового эффекта перигелия для других планет по данным измерений. Цифры получились такие: для Венеры — 8,4±08, для Земли — 5,0±1,2, для Марса — 1,1±0,3 угловых секунды за сто лет. И эти величины оказались в весьма хорошем соотношении с предсказанием ОТО. Теория давала для Венеры 8″,6, для Земли 3″,8, для Марса 1″,4.

В общем, сегодня подтверждение указанного эффекта считается важнейшим доказательством правильности идей общей теории относительности.

Нашло подтверждение и «покраснение» светового кванта (фотона). Это явление свидетельствовало о правильности важнейшего вывода, положенного в основу ОТО, — о равенстве инертной и гравитационной масс. Исследователи Р. Паунд и Дж. Ребка умудрились зарегистрировать покраснение света даже в условиях земной лаборатории под влиянием поля тяготения нашей планеты.

Конечно, приведенные данные не должны восприниматься как окончательная опытная проверка общей теории относительности и будто дальше тут делать нечего. Отнюдь, опыты нужно продолжать, все время повышая и повышая точность их результатов с помощью новых технических средств. Об этом говорит и академик В. Л. Гинзбург, предлагая использовать для наблюдения отклонения световых лучей, проходящих вблизи Солнца, аппаратуру на баллонах, поднятую в зону сильно разреженной атмосферы и на спутниках. Это дало бы возможность измерить отклонение световых лучей независимо от затмений.

Наблюдаемый поворот перигелия Меркурия совпадает с теоретическим значением в пределах достигнутой точности в 1 процент. Но если запустить искусственную планету с орбитой, обладающей большим эксцентриситетом, то формулу теории относительности удалось бы проверить со значительно большей точностью. Правда, на пути этого эксперимента пока стоят сложности как технического характера (запуск космического летательного аппарата на орбиту с очень большим эксцентриситетом и способы слежения за ним), так и теоретического (пока не ясно, как учитывать световое давление и солнечный ветер, а также влияние возможной сплющенности Солнца).

Наконец проверке выводов ОТО поможет уточнение орбиты естественного спутника Земли. Для этого советский луноход доставил на поверхность Луны уголковые лазерные отражатели.

Есть и еще возможности для проверки общей теории относительности, кроме указанных Эйнштейном экспериментов. Например, релятивистский эффект при радиолокации планет. Согласно теории в поле тяготения световой луч не только должен искривляться, но и запаздывать. То есть время, необходимое световому сигналу для того, чтобы долететь от Земли до Венеры или Меркурия, проходя вблизи Солнца, нужно большее, чем в том случае, когда сигнал летит к планетам вдали от тяготеющей массы нашего светила. Правда, это время запаздывания крайне невелико, не больше 2·10^-4 сек., но оно должно существовать. Значит, его можно и нужно обнаружить. Пока этот эксперимент произведен с небольшой точностью, порядка 20 процентов. Но совсем недавно группа американских исследователей под руководством Андерсона проверила этот эффект при связи с искусственным небесным телом, запущенным американцами межпланетным кораблем «Маринером». И теоретические предположения подтвердились уже с точностью до десяти процентов.

Самостоятельным и чрезвычайно интересным экспериментом по проверке ОТО могло бы служить наблюдение релятивистской прецессии оси гироскопа, заключающейся в дополнительном повороте оси по сравнению с данными согласно классической теории. Уравнения общей теории относительности позволяют вычислить эту добавку. Такой эксперимент три года назад находился в стадии подготовки.

И наконец блестящее доказательство дало бы наблюдение гравитационных волн. Ведь в классической теории Ньютона предполагается, что распространение действия силы тяготения происходит мгновенно. И потому никаких «волн тяготения» в вакууме существовать не может. Другое дело в ОТО. В теории гравитационного поля волны тяготения неизбежны, как неизбежно существование волн электромагнитных. Однако это эксперимент чрезвычайной сложности.

В 1970 году появилось сообщение профессора Дж. Вебера о том, что ему якобы удалось зарегистрировать гравитационные волны. Но пока никому не удалось ни повторить его результат, ни найти адреса, откуда они пришли. Тем не менее факт этот настолько интересный, что на гравитационных конференциях всего мира опыт Вебера непрерывно находится в центре внимания.

Проверять нужно! Но это не значит, что проверка предполагает недоверие. Результаты проверок помогут уточнить положения теории и показать направление нового развития. Потому что не следует забывать слова самого творца общей теории относительности о том, что каждая теория услышит в конце концов свое нет.

Сейчас мы можем сказать, что на существующем уровне развития науки и техники не выявлено никаких противоречий при проверке основ и следствий общей теории относительности, «и в этом отношении нет никаких указаний на несправедливость или ограниченность области применения эйнштейновской ОТО (имеем в виду, конечно, лишь макроскопические явления, или, точнее, неквантованную область). Все следствия, которые вообще удалось наблюдать по мере уточнения данных, все лучше и лучше согласуются с ОТО» — так пишет академик В. Л. Гинзбург, оценивая последние результаты проверки общей теории относительности Эйнштейна. Эта теория стала надежной базой современной космологии.

Несколько месяцев спустя после опубликования Эйнштейном работы, содержащей гравитационные уравнения, немецкий астроном Карл Шварцшильд (1873–1916) получил их первое «строгое» решение.

Карл Шварцшильд — директор Потсдамского астрофизического института, в 1912 году стал членом Прусской академии наук. Свободно владея математическими методами, он, по словам Эйнштейна, с легкостью «разгадывал наиболее существенное в астрономических или физических вопросах». У Шварцшильда, несмотря на его недолгую жизнь (умер Шварцшильд в 42 года), много важных и исключительно изящных исследований. Он занимался звездной статистикой и теорией Солнца. Интересны его работы по основам электродинамики.

О проницательности Шварцшильда говорит тот факт, что уже в 1900 году на XVIII конгрессе Немецкого астрономического общества в Гейдельберге он сделал доклад о мере кривизны пространства. Следует помнить, что теории относительности еще не было, но Шварцшильд уже понимал важность неэвклидовой геометрии для описания вселенной. Он говорил: «…можно, не противореча очевидным фактам, представить вселенную заключенную в гиперболическом (псевдосферическом) пространстве с радиусом кривизны более 4 000 000 радиусов земной орбиты или в пределах конечного эллиптического пространства с радиусом кривизны более 100 000 000 радиусов земной орбиты…»

Сегодня мы знаем, что возможный радиус кривизны вселенной должен быть значительно больше величин, предложенных Шварцшильдом, но в его работе была поставлена смелая задача решения «космологической проблемы» нашего времени.

В последние годы своей жизни он занялся новой теорией гравитации и первым применил выводы общей теории относительности к задаче нахождения гравитационного потенциала поля, которое создает массивное сферическое тело в окружающем пространстве. Другими словами, он решал задачу определения картины поля тяготения звезды в окружающем пространстве. На достаточно большом расстоянии от этой массы решение дает хорошо известный каждому школьнику потенциал тяготения по закону Ньютона. Вообще, если тело — источник тяготения — имеет умеренную массу, например, является обычной, заурядной звездой типа Солнца, то шварцшильдовское решение не так сильно отличается от ньютонова. Но давайте заставим звезду сжиматься.

Описание подобной ситуации дает в своей популярной книге «Загадка гравитации» Петер Бергман. Однако значительно подробнее об этом написано в серьезной книге Я. Б. Зельдовича и И. Д. Новикова «Релятивистская астрофизика». Для целей же ознакомительных нам достаточно лишь общего взгляда.

Итак, чем меньше становится объем звезды, тем выше ее плотность, тем сильнее проявляются гравитационные поля. Тем больше становится кривизна пространства-времени около такого тела. Мы уже знаем, что кривизну можно описывать с помощью радиуса кривизны. При этом чем больше сама кривизна, тем меньше радиус, ее измеряющий. Если радиус кривизны ненамного превышает размеры самого тела, то поле около него может считаться «сильным». Чтобы представить себе это положение более наглядно, допустим на мгновение, что вся масса нашей Земли сконцентрирована в точке. Тогда радиус кривизны пространства-времени окажется равным примерно одному сантиметру. Если такую же операцию проделать с Солнцем, кривизна пространства-времени сможет быть обнаружена на расстоянии порядка полутора километров от центральной точки. Это расстояние становится равным так называемому гравитационному радиусу.

Сфера с радиусом, равным гравитационному, описанная около большой массы, называется сферой Шварцшильда. Это чрезвычайно интересная область «мира».

И так как в свое время автор немало сил отдал ниве фантастической литературы, то при виде столь лакомого объекта, как сфера Шварцшильда, он просто не может отказать себе в удовольствии вспомнить о грехах юности.

Итак, осторожно, фантастика!

«…Глотая пространство, космический лайнер неудержимо несся вперед! Выведенные из строя двигатели молчали. В черном отсеке астронавигатора (из-за экономии энергии освещение включали редко) царила гнетущая тишина.

— Командир, приборы фиксируют ускорение. Но двигатели не работают и впереди по курсу нет ни одного светящегося массивного объекта, в поле которого мы могли бы попасть?.. Между тем скорость нашего движения приближается к „С“.

Командир неслышно вздохнул…

— Формулы теории Ньютона не годятся».

Дальше следует монолог, показывающий внутреннюю борьбу между долгом и чувством в душе командира, который, конечно, уже давно обо всем знает. Автор просит прощения за опущенную деталь. Главный астронавигатор космолета… Но вы, конечно, сами догадались… Она умна, восхитительно хороша собой, и ей только двадцать… нет, двадцать три… В общем, командир ее любит.

В конце внутреннего монолога долг побеждает, и командир говорит уклончиво:

«— Мы в ловушке. Поле „черной“ звезды взяло нас в гравитационные клещи. Корабль летит, приближаясь к сфере Шварцшильда, которая окружает сколлапсировавшего сверхгиганта».

Астронавигатор сразу понимает ужасную правду его слов. Вспыхнувшее внезапно чувство подсказывает ей, что она должна продолжать расспросы, чтобы дать возможность выговориться этому суровому и бесконечно дорогому ей человеку. Она спрашивает:

«— Но почему, если впереди звезда, да еще сверхгигант, мы не видим ее блеска?

— Бывший сверхгигант, — с горечью поправляет ее командир. — Равновесие звезды нарушилось, и наступил коллапс… Внешние слои рухнули к центру, притянутые чудовищной силой гравитации. Вещество спрессовалось. Ядра атомов с ободранными электронными оболочками смяты, сдавлены и лежат плотно упакованные друг возле друга. Лучи света, излучаемые сколлапсировавшим телом, не могут выйти наружу за пределы сферы Шварцшильда и движутся внутри по искривленному замкнутому пространству… Смотри! — он резко встал и подошел к переднему иллюминатору. Она чувствовала его большое и сильное тело совсем рядом, кажется, протяни руку, и она коснется бьющегося сердца. А впереди, среди чуть заметного мерцания фосфоресцирующих туманностей, зияло непроглядно-черное пятно — угольный мешок… — Фотоны, траектория полета которых проходит близко, не далее 2,6 гравитационного радиуса от центра коллапса, тоже захватываются, попадая в гравитационную могилу…

Космическим холодом повеяло от этих слов.

— Но ведь нас должны увидеть, спасти… — Большая рука медленно легла на ее плечи, обтянутые пушистым свитером.

— Для наблюдателей извне мы будем приближаться к сфере Шварцшильда бесконечно долго.

— Бесконечно долго? Значит, мы не попадем в лапы „гравитационной могилы“?..

— Бесконечно долго по удаленным часам. По часам, находящимся на борту звездолета, мы пересечем сферу Шварцшильда и упадем на центральное тело за конечное время.

Некоторое время она молчала».

Дальше следует еще один внутренний монолог, показывающий глубину чувства астронавигатора и не имеющий прямого отношения к глубине «угольного мешка».

«— …Но может быть, имеет смысл подать световой сигнал бедствия?

— Поздно! С приближением к гравитационному радиусу красное смещение испущенного нами светового сигнала резко возрастает и частота света, при приближении к удаленным приемникам, устремится к нулю. Нашего сигнала не увидят.

Корабль был обречен. На мгновение забывшись, ощущая лишь тепло и тяжесть его руки на своих плечах, она по привычке попыталась рассчитать в уме скорость падения по ньютоновской формуле и обнаружила, что она перевалила за „С“. И тогда в темном пространстве штурманского отсека на краю гравитационной могилы их руки нашли друг друга…»

Продолжать дальше эту грустную историю, приключившуюся с простыми хорошими людьми, у автора нет сил. Он уверен, что и читатель глубоко переживает события описанной драмы. Потому что нужно быть бездушным, чтобы увидеть в рассказанном лишь пять неожиданных результатов, к которым приводит общая теория относительности тела, приблизившиеся на критический гравитационный радиус к шварцшильдовской сфере.

Автор не может продолжать свой рассказ об отважных покорителях космоса еще и по той причине, что никакой сигнал из сферы Шварцшильда не в состоянии пробиться наружу к внешнему наблюдателю. Тем не менее любознательному и в меру сентиментальному читателю, безусловно, интересно, что ожидает наших героев дальше.

Пространство внутри сферы Шварцшильда также будет иметь две резко отличающиеся друг от друга области. Их можно назвать «внутренней областью прошлого» и «внутренней областью будущего». Из внешнего мира можно видеть события, происходящие во «внутренней области прошлого», и можно даже посылать сигналы во «внутреннюю область будущего», лишь бы не наоборот. Но никакие сигналы из «внутренней области будущего» не могут попасть в область вне сферы Шварцшильда. И провалившиеся туда герои будут чувствовать себя очень одиноко.

Они по-прежнему будут видеть внешнюю область, хотя и не смогут с ней общаться. Впрочем, это обстоятельство «провалившиеся» должны знать из теории, потому что это будет вовсе не очевидным. С точки зрения обитателей такого «внутреннего мира» сигналы, которые они станут рассылать во все стороны, распространяются вполне нормально. Вот только сам «мир» внутри сферы покажется чем-то вроде многослойной раздувающейся сферы, внешняя оболочка которой будет удаляться от наблюдателя со скоростью света, скрывая все, что находится за ней, за границей, которую специалисты называют «горизонтом событий». Понятно, что никакие сигналы внутренних обитателей никогда не дойдут до коллег и безутешных товарищей, оставшихся во внешнем мире. Потому что никакой сигнал не в состоянии догнать «горизонт событий», удаляющийся со скоростью света.

Конечно, все описанные выше парадоксальные следствия, вытекающие из общей теории относительности, скептически настроенного читателя могут заставить лишь пожать плечами. «Зачем, дескать, все эти головоломки? Мы живем в условиях слабого гравитационного поля, и столь сильное искривление пространства до образования горизонта событий может действительно занимать лишь воображение теоретиков».

Однако это не совсем так. Прежде всего с проникновением вглубь вселенной, как говорится, кто знает, с чем нам придется встретиться. Природа на выдумки щедра. Только за последние годы она подарила людям квазары — небесные объекты со светимостью, во сто крат превышающей светимость средней галактики, содержащей сотню миллиардов звезд. Что представляет собой пространство вблизи таких монстров звездного мира?

Открытие пульсаров оживило дискуссии по поводу нейтронных звезд — небесных тел, сложенных из тяжелых элементарных частиц и имеющих плотности около миллиона тонн на один кубический сантиметр.

Наконец, рассмотренные выводы оказываются чрезвычайно плодотворными при обсуждении космологических моделей. То есть при переходе к объекту нашей непосредственной заинтересованности. Итак, будем считать, что новый инструмент познания вселенной — ОТО — выкован, выверен в первом приближении. Пора его пустить в дело.

Глава восьмая

Мы помним с вами, уважаемый читатель, что задача космологии заключается в изучении строения вселенной в целом. Существовавшие в XIX веке представления базировались на классической теории Ньютона. Естественно, что, создав новую теорию пространства и тяготения, Эйнштейн должен был приняться за конструирование и новой модели мира…

Семнадцатый год! Год великих потрясений в жизни народов, в политике и в науке. В феврале в Берлине вышел десятый том журнала «Сообщения Прусской академии наук» с короткой статьей, подписанной именем Эйнштейна. Статья называлась «Вопросы космологии и общая теория относительности» и умещалась всего на десяти страницах. Но этого было достаточно для рождения современной науки о вселенной. Науки, не только имеющей свою теорию, но и претендующей на экспериментальное подтверждение своих выводов.

Вселенная Ньютона, атакованная парадоксами Ольберса и Зеелигера, стала к началу нашего столетия для физиков и астрономов расплывчатым и неконкретным понятием. Ее бесконечность в ньютоновском смысле приводила к фотометрическому и гравитационному парадоксам, противореча наблюдениям. Оба парадокса свидетельствовали о катастрофическом неблагополучии в классической физике. Ведь только подумать, ей противоречило само существование вселенной! Нельзя было оставаться и на позициях Гершеля, считая, что в пустом бесконечном пространстве имеется лишь одна звездная система с конечным и вполне определенным числом звезд. В этом случае небесные тела должны были притягиваться друг к другу и слипаться в один ком.

Ньютоновская вселенная, описываемая законами эвклидова пространства, наблюдаемой действительности не отвечала. Мир был другим. Не таким, каким представлял его себе XIX век. Заботливо собираемая «по кирпичику», постройка мироздания рухнула, как карточный домик, под напором вскрывшихся противоречий. Следовало срочно предпринять какие-то кардинальные меры, чтобы вернуть людям гармонию мироздания. Нужно было найти такую модель мира, которая, не противореча уже открытым и проверенным законам физики, не только противостояла бы парадоксам Ольберса и Зеелигера, но и могла предсказать новые результаты, которые поддавались опытной проверке на базе возросших технических возможностей астрономии и физики.

Читатель, надо полагать, помнит, что выход из тупика, созданного гравитационным и фотометрическим парадоксами и вторым началом термодинамики, искали многие. Автор уже упоминал об изящных математических решениях К. Шарлье, иерархические структуры которого были свободны от парадоксов. Астрофизик Эмден строил так называемые изотермические сферы, находящиеся в термодинамическом равновесии и противостоящие «тепловой смерти». В 1897 году задача исследования однородной стационарной модели была решена Л. Бьянки, который нашел девять различных типов однородных пространств. Все они являлись пространствами постоянной кривизны и, как пишут С. Шюкинг и О. Гекман, «обладали тем свойством, что любой наблюдатель в любом направлении видит одну и ту же картину мира».

Тем не менее никто из исследователей не сумел построить модель вселенной, не имеющей центра и одновременно свободной от гравитационного и фотометрического парадоксов, а также от термодинамических затруднений.

Теперь автор убежден, что читателю вполне ясна обстановка, в которой появилась работа Эйнштейна. Прежде всего следовало решить, от каких канонов старой теории можно отказаться. Исчерпавшая себя ньютоновская модель вселенной опиралась на «трех китов»: 1) на стационарность, или неизменность, вселенной во времени, 2) на «космологический принцип», или «мировой постулат» однородности и изотропности, предусматривающие отсутствие единого центра мира и невозможность существования привилегированных направлений в нем, 3) на эвклидовость пространства. От чего же отказываться?..

Выход указывала общая теория относительности. Она обобщила ньютонову теорию всемирного тяготения, приведя ее в соответствий с принципом относительности. Правда, при этом геометрия мира оказывалась неэвклидовой. И Эйнштейн пожертвовал этим «китом».

Он предложил вместо бесконечной, стационарной и однородной модели вселенной Ньютона с плоским эвклидовым пространством конечную модель с римановым замкнутым в себя трехмерным пространством (трехмерной сферой), но также однородную и стационарную! Правда, чтобы построить свою модель, Эйнштейну пришлось несколько видоизменить уравнения тяготения, выведенные в общей теории относительности. «Я пришел к убеждению, — писал он, — что уравнения гравитационного поля, которых я до сих пор придерживался, нуждаются еще в некоторой модификации». Дело в том, что единственное стационарное решение уравнений в первозданном виде приводило к плоскому пространству Минковского, что принципиально ничем не отличалось от вселенной Ньютона и представляло собой тривиальный результат.

И вот тогда Эйнштейн вводит в свои уравнения космологический член, связанный с некой постоянной λ (лямбда), вводит, с трудом решившись на это действие, «не оправданное нашими действительными знаниями о тяготении». Но иного выхода не было!

В ньютоновском приближении наличие космологической постоянной в уравнениях тяготения соответствовало введению дополнительных сил во вселенную. Причем сил, пропорциональных расстоянию. Лямбда очень мала, и потому на небольших расстояниях влияние космологического члена незначительно. Модифицированные уравнения Эйнштейна с лямбда-членом почти ничем не отличаются от исходных. Но совсем другое дело, когда рассматриваемые расстояния приобретают космологические масштабы, то есть становятся равными десяткам или сотням миллионов парсеков…

Потому и называют постоянную λ космологической постоянной. Силы притяжения, действующие между космической начинкой замкнутой вселенной, пытаются стянуть вещество в единый ком. В уравнении космологический член с λ больше нуля играл бы ту же роль, что и силы отталкивания, поддерживающие вселенную в равновесии. То же произошло бы и в противном случае. Если представить себе, что вещество вселенной не сжимается, а, наоборот, разлетается в разные стороны, лямбда-член, с λ меньше нуля станет играть роль дополнительного притяжения, удерживающего вселенную в неизменном состоянии.

«Вновь введенная универсальная константа λ определяется, если известны средняя плотность распределения (вещества во вселенной) — ρ, сохраняющаяся в состоянии равновесия, а также радиус сферического пространства R и его объем — 2π²R³», — писал Эйнштейн.

Пусть читателя не смущает странная форма записи. Следует помнить, что мы имеем дело с трехмерной сферой четырехмерного пространства-времени. Так привычная нам величина поверхности двухмерной сферы в привычном нам трехмерном мире — 4πR² — в четырехмерном мире превращается в гиперповерхность и вычисляется по формуле 2π²R³.

Так возникла статическая, неизменная во времени, замкнутая и однородная модель вселенной, подчиняющаяся аксиомам неэвклидовой геометрии с искусственно введенной силой отталкивания — силой отрицательного давления.

Чтобы представить себе вселенную Эйнштейна более наглядно, обратимся к испытанному способу — мысленному эксперименту. Предположим, что нам удалось, стартовав с Земли, выдерживать направление полета строго по «прямой», к примеру, по направлению светового луча. Тогда если считать, что пространство вселенной обладает общей положительной кривизной, мы должны непременно вернуться в исходную точку пространства. Это значит, что, начавши наше движение с космодрома Земли и стремясь удалиться как можно дальше от исходной точки, мы все равно через миллиарды лет вернемся туда же.

Модель такой вселенной получится более наглядной, если сплющить трехмерное пространство в двухмерное пространство-поверхность, а координату времени оставить неизменной прямой, уходящей в бесконечность. Получится длиннющая труба — цилиндр. По этой аналогии первая модель мира, предложенная Эйнштейном на основании общей теории относительности, и получила название «цилиндрической» вселенной.

Автор надеется, что проницательный читатель и сам пришел к выводу, что если бы все ухищрения, включая и введение ничем не оправданной лямбды, приводили к единственному возможному решению, дающему модель «цилиндрической» вселенной, то это означало бы полное поражение ОТО, «скромные похороны по третьему разряду». Понимал это и сам Эйнштейн. Однако необычные идеи теории привлекали…

В том же 1917 году голландский астроном Виллем де Ситтер (1872–1934) разработал на основании ОТО модель, в которой время искривлялось так же, как и пространство. Теперь, вылетев из одной точки пространства и выдерживая прямой линию полета, путешественник должен был возвратиться не только в ту же точку пространства, но и в то же самое время. Однако, рассчитывая свою модель, де Ситтер допустил, что вещества в ней нет! Его модель была пустая, вакуумная, как говорят сегодня.

Строго говоря, это допущение противоречило одному из основных принципов общей теории относительности, согласно которому именно наличие вещества и его движение определяют геометрические свойства мира. При полном отсутствии вещества (включая и гравитационные поля) пространство-время должно быть плоским.

Почему же модель де Ситтера все-таки обладала кривизной? Причиной как раз и была лямбда — космологический член в уравнениях Эйнштейна, играющий роль источника тяготения, искривляющего пространство-время.

Отсутствие вещества было, конечно, слабым местом модели де Ситтера. Но было у нее и одно существенное достоинство. Согласно теории де Ситтера, чем дальше взгляд земного наблюдателя проникал в пространство, тем медленнее должны были ему казаться происходящие там процессы. Стоило же предпринять путешествие «в эти отдаленные области лени и неторопливости» на космическом корабле, как по мере нашего приближения мы увидели бы постепенное оживление хода времени. И к моменту нашего прибытия жизнь кипела бы там в обычном темпе. Это явление можно было истолковать, как предсказание будущего красного смещения. К сожалению, в те годы на это никто не обратил внимания.

Сейчас моделью де Ситтера довольно часто пользуются теоретики для приближенных исследований. Эйнштейн чрезвычайно высоко ценил работу голландского астронома. «Мы ему обязаны глубокими исследованиями в общей теории относительности», — говорил он впоследствии.

Виллем де Ситтер родился в последней четверти XIX столетия — «века покоя и удовлетворенности в науке». И хотя большая часть его творческой жизни пришлась на наше беспокойное время, де Ситтер до конца оставался типичным ученым прошлого столетия.

Да, он принял специальную теорию относительности и даже пытался в 1911 году на ее основе объяснить некоторые неувязки в движениях Луны и планет.

Да, он проникся идеями общей теории относительности и первым дал ее космологическое приложение, а в конце жизни много занимался вопросами расширяющейся вселенной.

Но все это говорит лишь об отсутствии у него консерватизма. Он был «последним могиканином» среди астрономов-наблюдателей. Он предпочитал сам глядеть в окуляр телескопа, когда другие уже передоверили эту работу фотокамере; он занимался астрометрией и увлеченно мерял положения звезд по своим наблюдениям. Де Ситтер — астроном в самом полном понимании этого слова. В заключение следует еще добавить, что, родившись в Голландии, окончив там же университет, он всю жизнь проработал почти на одном месте, в Лейдене, не стремясь ни к почестям, ни к какой-то выгоде. Однако работы этого скромного и лишенного ложного честолюбия человека сильно укрепили позиции новой теории, содействуя славе ее творца.

Слава Эйнштейна особенно возросла после экспедиции Эддингтона и подтверждения общей теории относительности во время солнечного затмения 1919 года. В книге «Эйнштейн» профессор Б. Г. Кузнецов приводит слова польского физика Леопольда Инфельда, долгое время работавшего с Эйнштейном, о причинах «беспрецедентного роста популярности» автора теории относительности.

«Это произошло после окончания первой мировой войны. Людям опротивели ненависть, убийства и международные интриги. Окопы, бомбы, убийства оставили горький привкус. Книг о войне не покупали и не читали. Каждый ждал эры мира и хотел забыть о войне. А это явление способно было захватить человеческую фантазию. С земли, покрытой могилами, взоры устремлялись к небу, усеянному звездами. Абстрактная мысль уводила человека вдаль от горестей повседневной жизни. Мистерия затмения Солнца и сила человеческого разума, романтическая декорация: несколько минут темноты, а затем картина изгибающихся лучей — все так отличалось от угнетающей действительности… Тяга людей к миру была, как мне кажется, главной причиной возрастающей славы Эйнштейна».

Но слава никогда не приходит в одиночку. Одновременно с признанием теории прогрессивной частью ученых началась травля ее творца и попытки подорвать к ней доверие. Враги революций, враги прогресса понимали взрывную силу новой теории, понимали и то, что время разобщения науки и политической жизни миновало. Отныне наука стала реальной силой общественной борьбы. В Германии возникли специальные организации с целью борьбы против влияния теории Эйнштейна. Даже кое-кто из видных физиков и философов, не в силах справиться с новым взглядом на мир, пытался опровергнуть выводы теории любыми способами. Парадоксы теории относительности оказались в самой гуще политической борьбы.

«В течение прошедших лет весь мир находился в состоянии беспокойства умственного и физического, — злобно писал один из профессоров Колумбийского университета. — По всей вероятности, война, большевистская революция были видимым результатом глубокого умственного расстройства. Это беспокойство проявилось в стремлении отбросить испытанные методы государственного руководства в угоду радикальным и непроверенным экспериментам. Это же чувство беспокойства вторглось в науку. Многие хотели бы заставить нас отбросить испытанные теории и взамен построить основу современного научного и механического развития во имя спекулятивной методологии и фантастических представлений о вселенной».

Однако ни злобные выпады, ни прямая клевета не могли уже остановить цепной реакции признания теории относительности. Наоборот, все это еще больше приковывало к ней внимание масс, еще выше поднимало популярность выводов, обновляющих старые, чуть ли не врожденные понятия о Мире.

В 1922 году в берлинском журнале «Zeitschrift für Physik» появилась статья, присланная из новой, послереволюционной России. Называлась она «О кривизне пространства» и была подписана А. Фридманом. Статья была совсем маленькой, а имя автора на Западе совсем неизвестным. И тем не менее этот петроградский математик, кажется, пытался поправлять самого Эйнштейна!..

Здесь автор позволит себе маленькое отступление, чтобы обратить внимание благосклонного читателя на то, что модели вселенной, предложенные Эйнштейном и де Ситтером на основании решения гравитационных уравнений, были как бы полярны. Они отвечали двум крайним точкам зрения. Вселенная Эйнштейна была «набита» веществом, но отличалась статичностью, и в ней не было места красному смещению. Вселенная же де Ситтера предсказывала существование красного смещения, но она была пустой. Очевидно, истина должна была лежать где-то посередине. Впрочем, в 1922 году о красном смещение еще никто и не помышлял, а представление о вселенной как о неподвижном мире, пребывающем в вечном покое, казалось вполне логичным.

По решениям А. Фридмана геометрия вселенной непрерывно менялась во времени. Расстояния между всеми ее частями должны были расти, а кривизна пространства-времени и плотность вещества — уменьшаться… Вывод совершенно невероятный!

В августе журнал со статьей А. Фридмана попал в руки Эйнштейна. Эйнштейн прочел статью. Эйнштейн пожал плечами. Он не поверил в правильность решений, найденных Фридманом, и набросал несколько строк в «Физический журнал», в которых категорически заявил, что работа А. Фридмана скорее неверна и результаты петроградского математика сомнительны. Редакция срочно напечатала отзыв. Прошло довольно много времени, понадобившегося для того, чтобы сначала толстый немецкий журнал доехал до России, а затем оттуда — в Берлин, в командировку, отправился физик Ю. А. Крутков с обстоятельным письмом А. Фридмана к А. Эйнштейну. В результате в том же почтенном берлинском журнале появилась новая статья Эйнштейна: «Заметка о работе А. Фридмана „О кривизне пространства“».

Прекрасный и поучительный пример научной объективности и доброжелательности.

Короткий «конфликт Фридмана с Эйнштейном» привлек всеобщее внимание. Это был настоящий научный спор. Победил в нем Фридман. Однако, если разобраться строго, никакого спора не было. Физик Эйнштейн, исходя из чисто физических соображений, искал стационарное решение своих уравнений, потому что был убежден в неизменности вселенной.

Математика Фридмана физические условия волновали не в первую очередь. «По этому поводу, — говорил академик Петр Леонидович Капица во вступительной речи на сессии отделения физико-математических наук Академии наук СССР, посвященной памяти А. А. Фридмана, — иногда говорят, что Фридман не очень-то верил в свою собственную теорию и относился к ней лишь как к математическому курьезу. Он будто бы говорил, что его дело — решать уравнения, а разбираться в физическом смысле решений должны другие специалисты-физики.

Это ироническое высказывание о своих трудах остроумного человека не может изменить нашу высокую оценку его открытий. Даже если Фридман не был уверен в том, что расширение вселенной, вытекающее из его математических выкладок, существует в природе, это никаким образом не умаляет его научной заслуги».

Кто же такой Александр Фридман, вступивший в спор с «самим Эйнштейном»?

Александр Александрович Фридман родился 17 июня 1888 года в Петербурге в артистической семье. Отец его был музыкант и композитор, мать — дочерью чешского композитора Воячека.

Мальчиком Фридман воспитывался у родственников отца. Одно время, в тревожные годы первой русской революции, он даже жил с родственниками в царской резиденции — Зимнем дворце. Сохранились воспоминания о том, как, восхищенный поднимающейся грозной волной, восемнадцатилетний Саша Фридман писал в Зимнем листовки. Друг-приятель его Володя Смирнов (впоследствии видный советский математик, академик, лауреат Государственной премии Владимир Иванович Смирнов) приходил, забирал прокламации и распространял их по городу.

В 1905 году вместе с Тамаркиным (тоже будущим профессором математики) Фридман в последнем классе гимназии пишет свою первую научную работу, посвященную числам Бернулли. Публикация появилась год спустя в солидном научном журнале, который издавали такие известные математики, как Клейн и Гильберт. В том же 1906 году Александр Фридман окончил гимназию с золотой медалью и поступил в Санкт-Петербургский университет на математическое отделение физико-математического факультета.

На последних курсах Фридмана увлекла динамическая метеорология — сложная математическая теория движения атмосферы. Математический аппарат динамики сплошных сред как раз соответствовал интересам молодого человека. Надо сказать, что в области дифференциальных уравнений в частных производных, которыми описывались процессы в атмосфере, русская математическая школа тех лет занимала ведущее место в мировой науке.

Дифференциальными уравнениями называются математические соотношения, которые связывают, например, скорость изменения какой-либо величины со значением самой величины. В уравнения могут входить и ускорения, определяющие «скорость» изменения скорости. Установив зависимость между заданной величиной, скоростью ее изменения и ускорением, математик решает уравнение и получает формулу, по которой значение искомой величины можно найти в любой момент времени. Если вы представите себе эти вычисления, то легко поймете, что дифференциальные уравнения способны описывать конкретные явления природы в самом широком и общем виде.

Обычно математики не обращают внимания на то, какие прикладные вопросы выясняются «чистым» решением дифференциальных уравнений. Однако А. Фридман придерживался иного взгляда. Профессор А. Ф. Гаврилов писал в своих воспоминаниях.

Фридман удивительно умел охватить реальные явления в целом. Понимая, что любое познание есть лишь приближение к истине, он выработал свой стиль работы, ставший сейчас основным в теоретических исследованиях.

На первом этапе он считал задачей теоретика разумное упрощение — идеализацию рассматриваемой задачи. Все второстепенное должно быть отброшено. Этот этап завершался составлением систем уравнений или неравенств, трактующих задачу в чистом виде на языке математики. Затем начинался второй этап — решение! Здесь уже никакой физики — чисто математическая работа. И лишь когда окончательные формулы выведены, оценить их достоинство и степень упрощения может только эксперимент. Только опыт подтверждает право теории на существование.

С портрета смотрят на нас внимательные, иронические и грустные глаза из-под стекол очков. Интеллигент до мозга костей, он с первыми выстрелами 1914 года добровольно пошел воевать. Фридман попал в авиационный отряд, зачисленный туда «нижним чином». Всякая война для солдата означает конец науке гражданской. Но Фридман не просто солдат. «В настоящее время я занимаюсь вопросом об определении температуры и давления, когда заданы скорости… — пишет он с фронта. — Затем собираюсь написать, если вы найдете это удобным, для Географического сборника небольшую заметку о причинах возникновения и исчезновения вихрей в атмосфере, хотя бы в общей математической форме, — было бы очень интересно».

А вот другое письмо: «В отряде, скуки ради, я немного учусь летать». И немного ниже: «За разведки я представлен к Георгиевскому оружию, но, конечно, получу ли — большой вопрос. Конечно, это как будто мелочность с моей стороны — интересоваться такими делами, как награда, но что поделаешь, так видно уж устроен человек, всегда ему хочется немного „поиграть в жизнь“».

Широта интересов Александра Александровича была поразительна. Он работал в области теоретической метеорологии и электродинамики. В период войны 1914 года получил звание летчика и занялся теорией бомбометания. Написал две основополагающие работы по космологии. И в июле 1925 года совершил вместе с пилотом П. В. Федосеенко рекордный полет на аэростате.

Воспитанник Петербургского университета, он одним из немногих ученых пришел на службу революционному пролетариату Петрограда и до самого конца, до самой смерти — нелепой и случайной, от брюшного тифа в 1925 году — оставался верным своему народу.

Знаменитые уравнения тяготения Эйнштейна представляют собой систему из десяти дифференциальных уравнений в частных производных. Грубо говоря, они показывают, как распределение масс в пространстве влияет на кривизну этого пространства. Иными словами, они показывают, как метрика пространства зависит от распределения и движения масс и как, в свою очередь, та же метрика определяет движение вещества.

Из-за чисто математических трудностей система уравнений Эйнштейна не поддавалась общему решению. Приходилось идти на различные упрощения.

Те, кто учился и работал рядом с Фридманом, часто вспоминают его любимое присловье: «А нельзя ли здесь чего-нибудь откинуть?» Не с этих ли позиций подошел он к решению уравнений Эйнштейна? Впрочем, он не откидывал лямбда-члена системы Эйнштейна, он просто решал уравнения. Оказалось, что при этом возможно множество решений. Особенно интересен случай при λ = 0. Решение это настолько интересно, что стоит остановиться на нем поподробнее.

В своей первой работе А. Фридман сохранил все предположения Эйнштейна, за исключением стационарности, и исследовал получившиеся нестационарные однородные изотропные модели с замкнутым пространством постоянной положительной кривизны. При этом ему удалось в отличие от Эйнштейна получить нетривиальные решения уравнений и без космологического члена. Что же представляли собой теоретические модели, полученные петроградским математиком?

Прежде всего они были нестационарны. Радиус кривизны и плотность вещества во вселенной менялись со временем. И от того, какой величины выбрать среднюю плотность, зависела судьба модели мира.

Представим себе ρ = ρ_кр: средняя плотность равна некоторому определенному критическому значению. Его можно вычислить по несложной формуле, воспользовавшись значениями некоторых «мировых постоянных». Но сейчас нам это не нужно. Достаточно, что такое значение существует. При критической плотности вещества пространственная часть четырехмерного мира — плоская. Однако это не неподвижная модель мира Минковского, о которой мы уже говорили. Фридмановское решение делало вселенную подвижной! Все расстояния в пространстве растут, то есть частицы разлетаются в разные стороны со скоростью, которая для малых расстояний пропорциональна приблизительно самому расстоянию.

Если для наглядности отказаться от одного измерения и перейти к двухмерному пространству, меняющемуся во времени, то такую модель можно представить себе в виде равномерно растягиваемой в разные стороны резиновой пленки. Пылинки, налипшие на ее поверхности, будут играть роль звездных систем — галактик.

Посмотрите на наш рисунок. На нем изображен график изменения расстояний в такой модели. Сухая абстрактная кривая на самом деле хранит в себе целый приключенческий роман, только в зашифрованном виде.

Начнем расшифровку с крайней левой точки нашего графика. Она убедительно говорит, что некогда все расстояния между любыми двумя точками во вселенной были пренебрежимо малыми. Не существовало ни пространства, ни времени, ни звезд, ни планет, ни туманностей… Ничего!.. Это область нулевого времени. Потом сработал некий механизм, и стало появляться вещество, частицы его стали разлетаться, начался отсчет времени, стало расширяться пространство — расстояния между любыми двумя частицами вещества стали расти со скоростью, пропорциональной самому расстоянию. Это значит, что далекие частицы разлетаются с большей скоростью, близкие — с меньшей.

Для растягивающейся пленки такое утверждение сомнений не вызывает. Отметьте одну из пылинок на ее поверхности и представьте, что это вы — наблюдатель. Когда поверхность пленки увеличивается, то ближайшая к вам пылинка будет удаляться от вас с какой-то вполне определенной скоростью. Более далекая покажется вам куда более шустрой. Скорость ее будет больше, чем ближайшей, и так далее.

В дальнейшем это решение использовали Эйнштейн и де Ситтер. И потому иногда эту простейшую модель называют именем этих ученых.

Но в статье Фридмана было и более «трагическое» решение. Он предположил, что средняя плотность вещества во вселенной больше критической. Прежде всего это потребовало отказа от эвклидова пространства и перехода к сферическому, риманову трехмерному пространству, да еще с переменным радиусом кривизны.

При этом начало, то есть пресловутый «нуль-пункт», ничем не отличалось от начала предыдущей модели.

Но дальше все шло не так. Радиус неэвклидова сферического пространства, как вы можете видеть из следующего рисунка, не увеличивался бесконечно. В точке M он достигал максимума, а потом снова уменьшался до нуля. Это означало, что в истории расширяющейся вселенной должен наступить момент, когда «разбегание» прекратится, после чего все пойдет в обратном направлении. Начнется сжатие. И через некоторое время планеты, звезды и галактики снова сольются в единый комок праматерии. Эта модель получила название закрытой.

В 1924 году из-под пера А. Фридмана вышла новая работа, посвященная теории Эйнштейна. Называлась она «О возможности мира с постоянной отрицательной кривизной». В новой работе он исследовал уравнения Эйнштейна, предположив, что плотность вещества во вселенной меньше критической. Получилась новая модель с неэвклидовой геометрией — неограниченно расширяющееся пространство отрицательной кривизны. Гиперболическое пространство Лобачевского, вызывавшее столько насмешек при жизни Великого Геометра, получило право на существование наравне с эвклидовым и римановым. Радиус пространства Лобачевского рос немного быстрее, чем в первой модели. Чтобы показать это, мы постарались выпрямить кривую третьего графика, который вы видите на предыдущей странице.

Таковы три фридмановские модели вселенной. Все они начинаются с нулевого радиуса. Все расширяются. Две из них утверждают ненулевую кривизну пространства…

Но как поверить в эти теоретические рассуждения? Как убедиться в том, что вселенная, которую человечество испокон веков видит одной и той же, на самом деле находится в состоянии непрерывного движения, расширения, разлетания… Как понять, что пусть в далеком прошлом, но существовал такой момент, когда весь мир был сжат в точку? Момент начала всего, даже нашего времени?.. Как, наконец, убедиться в том, что пространство, окружающее нас, обладает кривизной? И какую из трех моделей Фридмана принять в качестве наиболее близкой к объективной реальности?

Эти вопросы буквально не давали спать по ночам теоретикам. Не только физики, не только астрономы и математики оказались втянутыми в дискуссию. Спор особенно обострился, когда в него вступили философы, а за ними и теологи, не желающие упустить возможности сказать и свое слово о науке с позиций религии… Вот уж поистине «куда конь с копытом, туда и рак с клешней»… И если у читателя не иссякло терпение, то автор рад ему сообщить, что последующие главы как раз и будут посвящены разрешению указанных недоумений и вопросов.

История открытия, о котором пойдет речь в этой главе, началась в 1912 году, когда американский астроном Весто Мелвин Слайфер предпринял на ловелловской обсерватории исследование спектров туманностей. В то время люди еще не знали точно, что собой представляют эти странные туманные пятнышки на небе — то ли действительно облака тумана, то ли скопления невообразимо далеких звезд. Не было уверенности и в том, насколько далеки от нас эти плохо различимые объекты и принадлежат ли они к нашей Галактике или находятся за ее пределами.

Впрочем, приступая к работе, Слайфер все-таки имел определенное мнение. Касалось оно спектров туманностей. Американский астроном был убежден, что примерно половина спектров всех объектов наблюдения должна быть сдвинута в красную сторону, а половина в фиолетовую.

Причина таких сдвигов объяснялась эффектом Доплера. Суть этого явления заключается в том, что при достаточно больших скоростях движения источников света — в данном случае туманностей — воспринимаемая наблюдателем частота электромагнитных колебаний будет либо увеличиваться при сближении источника света с наблюдателем, либо уменьшаться при удалении от наблюдателя.

Получается, что если туманное пятнышко летит в сторону Земли, длина световых волн должна укорачиваться. Спектральные линии покажутся нам сдвинутыми в фиолетовую область. Если же туманность летит от Земли, то все происходит наоборот и линии ее спектра должны казаться сдвинутыми в красную область более длинных волн. Это смещение измерялось в относительных величинах и определялось изменением длины испущенной волны к длине волны, принятой наблюдателем (Z = Δλ_n/λ_n).

Физик Георгий Гамов, чтобы заставить студентов запомнить правило доплеровского эффекта, рассказывал на лекциях такой анекдот. Касался он коллеги Гамова, тоже известного американского физика по имени Роберт Вуд. Однажды в Балтиморе полиция задержала Вуда за то, что он въехал под красный свет. Знаменитый физик блестяще объяснил на суде, что из-за эффекта Доплера, в результате большой скорости его автомобиля, красный свет сдвинулся в фиолетовую сторону спектра до зеленого. И что он как водитель в нарушении не виноват. Судья уже решил было оправдать Вуда. Но, как на грех, в зале оказался студент, только что проваленный Вудом на экзамене. Студент быстро подсчитал скорость, требуемую для превращения красного света в зеленый. И судья, отказавшись от первоначального обвинения, оштрафовал Вуда за превышение скорости.

Приступая к наблюдениям, Слайфер рассуждал так: поскольку никакого преимущественного направления в космосе быть не может, примерно половина туманностей должна от нас удаляться, а половина приближаться. Можно представить себе недовольство исследователя, когда самые тщательные наблюдения показали, что из семнадцати наблюдаемых туманностей лишь две, судя по фиолетовому смещению, приближаются к Земле. Все остальные туманности имели красное смещение. А следовательно, направляли свой полет от нас.

Определение лучевых скоростей по спектральному сдвигу, надо полагать, считалось кропотливой и, по-видимому, довольно малоперспективной работой, потому что почти десять лет Слайфер был едва ли не единственным астрономом, занимающимся этим делом.

К началу двадцатых годов он измерил уже спектральный сдвиг и рассчитал скорости 41 туманного пятна. Почти все они удалялись. Лучевые скорости, рассчитанные по величине красного смещения, распределялись в пределах от 300 до 1800 км/сек — это значительно больше, чем самая высокая из известных в то время лучевых скоростей звезд.

Допустить, что один класс объектов Галактики принципиально только удаляется от нас, означало бы наделить и этот класс, и нашу солнечную систему какой-то исключительностью.

Непонятное поведение слайферовских туманностей заинтересовало еще двух астрономов. Это были Милтон Ла-Салль Хьюмассон, начинавший свою астрономическую карьеру сторожем обсерватории, и штатный астроном-наблюдатель Эдвин Пауэлл Хаббл. Впрочем, Хаббл был едва ли не больше, чем Хьюмассон, «астроном божьей милостью». Окончив Чикагский университет с дипломом адвоката, он в двадцать пять лет поступает в Иеркскую обсерваторию и становится астрономом-наблюдателем. Читатель, обладающий хорошей памятью, наверняка заметит про себя, что подобный случай в астрономии не уникален для прошлых лет. Но сменить так круто специальность в XX столетии — для этого нужно иметь не только мужество, но и истинное призвание к астрономии.

К этому времени в обсерватории на горе Вилсона вошел в строй самый большой телескоп в мире, обладающий зеркалом диаметром в два с половиной метра. И Хаббл вместе с Хьюмассоном начали ювелирную работу, фотографируя слабые туманности с выдержкой в несколько часов, а то и суток. Молодые астрономы виртуозно владели техникой, и наступил день, когда впервые в истории астрономии им удалось увидеть на фотографии туманности Андромеды — звезды.

Значит, все-таки туманности имеют звездный состав! А неразличимы они по той причине, что находятся от нас слишком далеко, за пределами нашей собственной звездной системы, нашей Галактики. Потому и предложили называть эти удаленные небесные объекты сначала внегалактическими туманностями. Однако доказательство звездного состава этих туманностей было таким значительным шагом вперед, что английский астроном Харлоу Шепли предложил переименовать внегалактические туманности в «галактики». Тем самым одновременно подчеркивалось колоссальное расширение пределов вселенной, которая оказалась состоящей из множества звездных островов, аналогичных нашему.

Почти всю жизнь посвятил Хаббл исследованию внегалактических туманностей, или галактик, расширив границы нашей вселенной до миллиарда световых лет. Последние десятилетия своей жизни астроном потратил на то, чтобы классифицировать и составить своеобразный каталог галактик. И к 1953 году — последнему году жизни Хаббла — его классификация была в основном готова. В нее вошло около тысячи наиболее ярких галактик северного и частично южного неба.

В 1928 году, фотографируя спектр наиболее слабого и удаленного туманного объекта, Хьюмассон сделал особенно длительную выдержку. Когда пластинка была проявлена, Хаббл вместе с Хьюмассоном углубился в ее изучение. Астрономы не поверили своим глазам. Галактика, обозначенная в каталоге Дрейера как NGC 7619, имела такой красный сдвиг спектра, что расчет ее скорости дал величину 3800 км/сек! Это была совершенно фантастическая в те времена скорость для небесного объекта. С этого момента Хаббл с еще большим вниманием стал исследовать поведение спектров внегалактических объектов.

Постепенно, по мере накопления результатов наблюдений, подтвердилась упомянутая выше странная особенность: почти все галактики, за небольшим исключением, показывали красное смещение. Это значило, что они удаляются от нашей звездной системы. При этом наиболее слабые галактики — самые удаленные от нас — имели это смещение спектра наибольшим. Напрашивался вывод, что далекие звездные острова разлетаются с большими скоростями, чем находящиеся ближе…

К 1929 году Хаббл сообщил, что ему удалось установить фундаментальную закономерность: красное смещение в спектрах галактик ^Δλ/_λ пропорционально расстоянию до галактик.

Это было великим открытием, поражающим воображение. Оно блестяще подтверждало фридмановскую гипотезу расширяющейся вселенной. Если верить тому, что красное смещение спектров далеких галактик действительно следствие эффекта Доплера, то есть вызывается скоростью удаления звездных островов, то галактики должны удаляться со скоростями, пропорциональными их расстояниям:

где H — некоторый коэффициент пропорциональности с размерностью (¹/_сек.). Для удобства расчетов, чтобы избавиться в ответе от громадных чисел, измеряется H в других единицах:

где Мгпс — мегапарсек — расстояние, равное 3,084·10¹⁹ км. Буква H выбрана для обозначения коэффициента пропорциональности тоже неспроста, а в честь Хаббла (Hubble), именем которого назван этот фундаментальный закон вселенной и сама постоянная.

Теперь оставалось определить значение коэффициента H потому, что он определяет время T, прошедшее от таинственного «нуль-пункта» до наших дней. Для большинства фридмановских моделей время T (по порядку величины) обратно пропорционально H (T = ¹/_H). Однако надежное определение этой мировой константы (H) оказалось весьма непростым делом. Лишь к 1936 году Хаббл пришел к выводу, что H = 540 км/сек на мегапарсек. Отсюда получался срок жизни вселенной:

То есть всего примерно два миллиарда лет?.. Два миллиарда лет прошло с момента образования нашей вселенной, если применить этот коэффициент для расчета времени фридмановских моделей? Но согласно геологическим данным возраст нашей Земли больше двух с половиной миллиардов лет! Не могла же наша планета образоваться раньше, чем вся вселенная?..

Противники фридмановских моделей пытались использовать этот абсурдный вывод, чтобы подорвать доверие к новой теории. Сторонники общей теории относительности утверждали, что причина расхождения в неточности измерения расстояний до галактик. В общем, «этот странный факт возбудил много спекуляций», — писал Макс Борн.

Само по себе открытие красного смещения позволило части ученых, считавших себя приверженцами теории Эйнштейна — Фридмана, торжествовать победу. Некоторые даже считали, что теперь эта теория полностью и вполне надежно обоснована экспериментально. Другая часть, наоборот, стала возражать не только против модели расширяющейся вселенной, но и против всех выводов общей теории относительности. Короче, в среде физиков-теоретиков, астрономов и философов начался бурный идейный разброд. Было высказано недоверие к интерпретации красного смещения как результата эффекта Доплера. Стали лихорадочно искать другие объяснения наблюдаемому явлению.

Одна из гипотез, имевших довольно большую популярность в то время, утверждала, что частицы света — фотоны, путешествуя по вселенной, теряют часть своей энергии. Энергия же фотона пропорциональна его частоте и, следовательно, обратно пропорциональна длине волны. Значит с уменьшением энергии фотона длина волны излучаемого света должна увеличиваться. И весь спектр удаленного объекта оказывается таким образом смещенным в красную сторону. При этом нет никакого разбегания. Величина смещения спектра должна быть пропорциональна расстоянию, пройденному светом, и все!..

Лет двадцать назад эта гипотеза вполне серьезно обсуждалась на теоретических симпозиумах. Но потом оказалось, что она требовала отказа от одного из основных законов природы — закона сохранения энергии. Ибо ежели энергия фотонами терялась, никуда не передаваясь, принцип сохранения энергии явно нарушался. Ежели же фотоны передавали часть своей энергии некой среде или другим фотонам, путь их должен был искривляться. Следовательно, изображения далеких галактик не могли принципиально быть четкими. Они обязаны были приходить к нам размытыми. И чем больше было до них расстояние, тем больше они должны были «размываться». Очертания же даже самых далеких и слабых галактик получались на негативах астрономических фотосъемок такими же четкими, как и ближайших к нам звездных систем…

Вторая гипотеза гласила: предположим, что фотон неожиданно распадается на фотон меньшей энергии и некие частицы. Почему? Неизвестно! Просто распадается, и все, если ему приходится долго путешествовать. Эту гипотезу подверг резкой критике молодой талантливый советский физик-теоретик М. П. Бронштейн (1906–1938). Он работал с Л. Д. Ландау, первым в нашей стране стал заниматься квантовой теорией тяготения и фактически заложил ее основы. Он был бы, безусловно, выдающимся ученым — гордостью советской науки, если бы не трагическая гибель в 1938 году.

Критикуя гипотезу распада фотона, М. П. Бронштейн доказал, что, приняв подобное свойство световых квантов, мы получили бы различное красное смещение от разных участков спектров одного объекта. Кроме того, линии спектра неизбежно должны тогда расширяться, и радиоволны от далеких источников к нам не доходили бы вообще, они бы распадались.

В конце концов всем специалистам, всем скептикам мира пришлось согласиться с тем, что иного толкования красного смещения, кроме космологического, основанного на эффекте Доплера, быть не может. И в настоящее время нет ни одной приемлемой гипотезы, которая объясняла бы три основных свойства красного смещения иначе, чем доплеровским эффектом. А свойства эти такие:

1. Независимость красного смещения от длины волны спектра.

2. Закон Хаббла — v = H · r.

3. Изотропность красного смещения, то есть его независимость от направления.

Правда, оставалось возражение, которое основывалось на несовпадении возраста вселенной по расчетам Хаббла с возрастом Земли по данным геологов. Почти двадцать лет астрономы мирились с этим. Двадцать лет Земля была старше вселенной. Лишь в конце пятидесятых годов усилиями нового поколения астрономов был осуществлен пересмотр шкалы внегалактических расстояний, приведший к тому, что постоянная Хаббла — мировая константа H — оказалась в шесть-семь раз меньше той, которую определил сам Хаббл.

Обычно сегодня считают, что H = 75÷100 ^км/_{сек·Мгпс}. Понятно, что переход на новую шкалу увеличил и расстояния до галактик, увеличил и время жизни вселенной, сведя его к приемлемой величине. Действительно, теперь

Пришло время для того, чтобы попытаться определить горизонты окружающего нас мира.

Люди давно заметили, что небесные тела «любят» объединяться в системы. Первая из таких систем — наша собственная Земля — Луна.

У Сатурна, опоясанного уникальным кольцом, десять спутников. У Юпитера — двенадцать. Наше Солнце, по существующим воззрениям, обыкновенная звезда, каких пруд пруди, имеет тоже систему из девяти открытых на сегодняшний день планет с тридцатью двумя спутниками. Ну, а звезды? В какие системы объединяются они?

Звезды составляют различные системы: двойные, тройные, кратные. Более крупными коллективами являются рассеянные звездные скопления: от десятков и сотен до тысячи и двух тысяч звезд. Еще более крупными объединениями являются шаровые звездные скопления, насчитывающие иногда более миллиона звезд. Академик В. А. Амбарцумян открыл еще один тип звездного содружества — ассоциации молодых, горячих звезд. Все эти содружества входят в состав гигантской звездной системы, носящей название Галактики и содержащей около ста миллиардов членов.

Первым вполне научно и убедительно описал Галактику Вильям Гершель. Он наглядно объяснил, что все наблюдаемые звезды образуют огромную звездную систему, по форме напоминающую линзу. Систему назвали Галактикой. Однако это предположение долгое время не выходило за рамки гипотезы.

В двадцатые годы нашего столетия Хаббл доказал, что спиральные и некоторые другие туманные пятнышки, с трудом различимые на фотографиях, сделанных с помощью мощных инструментов, на самом деле являются удаленными от нас звездными системами, вполне сравнимыми по размерам с нашей Галактикой. Началась новая эпоха в астрономии. Радиус исследуемого человеком мира увеличился в десятки тысяч раз. Это количественное расширение горизонтов не могло не повлечь за собой и качественного изменения взглядов на вновь открываемые объекты. Во вселенной нет ничего единственного и неповторимого, но природа не ставит и на конвейер свои объекты: галактики, радиогалактики, квазары, квазаги, пульсары — кто скажет, что ждет наших астрономов, когда в строй вступит новый советский сверхтелескоп с шестиметровым зеркалом?..

Наша Галактика окружена шестнадцатью соседями — тоже галактиками, образующими довольно тесную группу — Местную систему. Астрономы полагают: есть основания считать, что все до сих пор открытые семнадцать членов Местной системы связаны не только какими-то физическими законами, общими для всей группы, но и общим происхождением. Наблюдая миллионы галактик, разбросанных почти во всех уголках неба, астрономы заметили, что галактики также имеют тенденцию к группированию, объединяясь в скопления галактик. А нельзя ли в таком случае по аналогии со звездами предположить, что скопления галактик также объединяются в некую сверхсистему?

В 1953 году французский астроном Вокулер высказал мнение, что наиболее яркие (до 12-й видимой звездной величины), то есть ближайшие к нам галактики, определенно концентрируются, объединяясь в колоссальную сплюснутую систему, которую он и назвал сверхсистемой галактик. При этом советский астроном Б. Л. Воронцов-Вельяминов обнаружил, что не все наблюдаемые галактики входят в эту сверхсистему. Значит, это не метагалактика, включающая в себя все объекты, находящиеся в пределах, доступных обозрению.

Но тогда возникает вопрос: нельзя ли следующей ступенью организации вещества во вселенной считать метагалактику?

Непосредственно наблюдаемых фактов для такого вывода пока как будто нет. И все-таки некоторые основания предполагать, что такая система, как метагалактика, существует, имеются.

Существует не очень отчетливое предположение, что в состав метагалактики входит столько же гигантских звездных островов, сколько примерно звезд содержит такая Галактика, как наша, и что метагалактика является автономной системой галактик. Размеры метагалактики не трудно подсчитать, если заранее пойти на признание закона Хаббла. Строго-то говоря, он не совсем точен для очень больших расстояний. Но давайте пренебрежем этим обстоятельством. Тогда границы обозримой вселенной отодвинутся от нас на расстояние, на котором находятся галактики, уносящиеся от нас со скоростью света C.

Итак, закон Хаббла: v = H · r.

Отсюда, если v = 300 000 км/сек, то

Нельзя сказать даже, что это «огромное» расстояние. Это просто ни с чем не сообразное расстояние в 10²⁸ сантиметров, которое нет смысла переводить в километры. Все равно его себе не представить.

Есть предположение, что метагалактика не является последней ступенью организации вещества во вселенной. Но ежели метагалактика не вся вселенная, то позволительно задать вопрос: что же дальше?

А дальше, говорят некоторые ученые, по-видимому, «следует предположить существование других метагалактик с еще большими расстояниями и, может быть, еще более грандиозными схемами организации».

«Вот это здорово! — имеет право воскликнуть читатель. — А не кажется ли автору, что изгоняемый с самых первых страниц „демон бесконечности“ снова контрабандой проник в картину мира?»

Ну, что может ответить на это автор. Он сокрушенно разведет руками и невнятно пробормочет что-то, ссылаясь на спиральный путь развития познания и на новый, все более возрастающий уровень наших знаний о бесконечности по сравнению не только с греками и арабами, но и с концепцией Ньютона и Лобачевского, Римана, Эйнштейна и Фридмана.

«Я только решаю уравнения. Разбираться в их физическом смысле должны физики». Эти слова с небольшой степенью достоверности приписываются Александру Александровичу Фридману. Дело в том, что «вселенные Фридмана» расширялись потому, что этого требовали от них решения космологических уравнений Эйнштейна. И все! Полвека назад это выглядело вовсе не так наглядно, как может показаться нам с позиций 1971 года. Люди жаждали увидеть физическую картину рождения вселенной, соответствующую абстрактной математической схеме. Люди требовали интерпретации математических решений.

В 1931 году профессор университета в Лувене, в Бельгии, аббат Жорж Эдуард Леметр (1894–1966) выступил с предложением рассматривать «нуль-пункт» вселенной именно как момент, когда все вещество, вся материя вселенной была исторгнута в разных направлениях из крошечного объема, стремящегося в «нуль-пункте» пространства и времени к нулю. Для некоторых эта гипотеза снова запахла «сотворением мира». Нечто из ничего! На такие чудеса способен только господь бог. О Жорже Леметре почти не найти подробных сведений, хотя он прочно входит в первую пятерку космологов-релятивистов. Причина, очевидно, в двойственности его жизни и судьбы.

В 1922 году двадцативосьмилетний Леметр рукоположен в сан. А в 1923–1924 годах усиленно изучает астрофизику в Кембридже и в Массачусэтском технологическом институте. Там же защищает он и диссертацию. В 1927 году Леметр возвращается в Бельгию, где он становится профессором астрономии католического университета в Лувене. Леметр много занимается вопросами общей теории относительности. Примерно девяносто процентов всех его работ (а он опубликовал 73 труда) посвящены общерелятивистской космологии и проблемам ОТО.

В 1931 году Леметр первым очень наглядно описал, как некогда все вещество вселенной было сдавлено в один ком, который он назвал «отцом-атомом», и как в один прекрасный момент t = 0 «отец-атом» взорвался. Осколки его, первоначального комка материи, полетели (и продолжают разлетаться сейчас) в разные стороны, породив наблюдаемую вселенную со всеми атрибутами ее пространства-времени.

Леметровская модель была легка для понимания и очень эффектна. Его решение немного отличалось от решения Фридмана. Радиус кривизны менялся во времени как бы с «остановкой». При этом сам Леметр, понимая несостоятельность «гипотезы творца», относился к ней с большой осторожностью и был далек от примитивного представления о боге-кудеснике, создавшем мир из ничего. Вот что сказал он по поводу теории расширяющейся вселенной с «началом» на XI Сольвеевском международном конгрессе в 1958 году, посвященном вопросам космологии.

«В той мере, в какой я могу судить, такая теория полностью остается в стороне от любых метафизических или религиозных вопросов. Она оставляет для материалиста свободу отрицать любое трансцедентное бытие. В отношении начала пространства-времени материалист может оставаться при том же мнении, которого он мог придерживаться в случае неособенных областей пространства-времени».

Так что Леметр, хоть и был аббатом — отцом Жоржем, вопросы веры и знания старался не смешивать. Однако вряд ли нашего читателя особенно заинтересует проблема отношений священнослужителя со своим кумиром. Да и наша задача иная. Как ученый Ж. Э. Леметр, безусловно, выдающаяся личность. Почетный доктор ряда университетов, член Бельгийской и Итальянской академий наук, он становится также членом Ватиканской — Папской академии наук и даже избирается в последние годы ее президентом.

Один из немногих ученых мира Леметр в 1953 году награжден медалью Эддингтона.

В свое время модель Леметра сыграла весьма существенную роль в развитии мировоззрения. Особенно популярной стала она после того, как физик Георгий Гамов (1904–1968) назвал теорию Леметра теорией большого взрыва и доработал ее начальный этап.

Фигура Георгия Антоновича Гамова весьма одиозна. И, наверное, автор бы не стал даже упоминать о его биографии, ограничившись изложением теории, если бы не смерть ученого, которая подвела грустный, но неизбежный итог избранной им для себя жизни.

Родился Георгий Гамов в Одессе, там же начал учиться, наблюдать звезды в подаренный отцом телескоп; в Одессе Гамов кончил и среднюю школу. Отпраздновав это событие, юноша поступил в Ленинградский университет. Годы учебы совпадают со временем бурного становления советской физики. Именно этот период дал нашей стране П. Л. Капицу и Н. Н. Семенова, И. В. Курчатова и Ю. Т. Харитона, В. Н. Кондратьева и А. П. Александрова, И. К. Кикоина и многих других видных ученых наших дней. Сейчас это старшее поколение советских физиков — нобелевские лауреаты, лауреаты Ленинских премий, а главное, люди, чьи имена знает и произносит с уважением народ родной страны…

Со многими из них начинал, был знаком, спорил и работал вместе Георгий Гамов. В 1928 году он защитил диссертацию и был направлен в группе талантливой молодежи в летнюю школу в Геттинген — эту «Мекку науки» начала столетия. Затем он совершенствуется в Кавендишской лаборатории у Эрнста Резерфорда и Чадвика. В Копенгагене он встречается с Нильсом Бором, которому рассказывает о своих работах по квантовой теории и строению ядра. Бор приглашает его на год к себе в Институт теоретической физики, добивается для него стипендии Датской королевской академии наук. Ослепительная научная карьера, огромный талант и блестящие перспективы. В 1931 году Гамов возвращается в СССР и избирается членом-корреспондентом Академии наук СССР — это в двадцать-то семь лет!

Но вот наступает 1933 год. Вместе с другими советскими учеными Георгий Антонович Гамов едет на Сольвеевский конгресс в Брюссель, где получает приглашение прочесть цикл лекций по ядерной физике в Мичиганском университете.

После недолгого пребывания во Франции в институте Пьера Кюри он переезжает в США, где начинает постоянную работу в качестве профессора физики университета Георга Вашингтона в Вашингтоне. Там в сотрудничестве с венгерским эмигрантом Э. Теллером он разрабатывает свою знаменитую теорию бета-распада. Затем публикует ряд работ по теории ядерной жидкости и ядерным реакциям в звездах. Вместе с Шенбергом развивает теорию «Урка процесса», которая привлекла внимание специалистов к роли нейтрино в звездных процессах. (Одессит Гамов не мог удержаться, чтобы не ввести жаргонное словечко для обозначения процессов «похищения» энергии. Так «урки» получили гражданство в научной литературе.) Здесь же начинает разрабатывать теорию образования элементов. Вступление Америки во вторую мировую войну не изменяет интересов Гамова. Он становится научным консультантом ряда военных учреждений, принимает участие в манхэттенском проекте, консультируя группу Лос Аламоса, занимающуюся непосредственно созданием атомной бомбы.

Позже его совместные работы с Теллером помогли американцам соорудить и взорвать свое первое водородное чудовище… Пожалуй, тогда-то впервые и поднялся в его душе гребень волны сожаления особенно высоко. Ни отъезд его, Гамова, одного из ведущих советских физиков тридцатых годов, ни война, выигранная его родным, но покинутым им народом, не остановили развитие науки. А не уехал бы он, этот процесс, может быть, шел бы еще быстрее. Впрочем, в то время, когда американцы еще только монтировали неуклюжую установку для производства водородного взрыва, в Советском Союзе уже была готова, испытана и передана в серийное производство водородная бомба.

После войны Гамов отходит от ядерной физики. Отголоски его прошлых трудов еще слышатся в разрабатываемой им космологической гипотезе большого взрыва в 1947–1949 годах. Но в 1954 году он резко меняет направление исследований и начинает заниматься вопросами биологии. И здесь снова вспышка таланта — Гамов предлагает идею генетического кода и публикует целый ряд пионерских работ по биологии.

В 1956 году он переходит на работу в университет Колорадо, где остается уже до конца жизни.

20 августа 1968 года Георгия Антоновича Гамова не стало. Переехав в США, он оборвал все связи с родиной, полностью натурализовался. И все-таки до конца жизни оставался русским, тосковал по России и умер одиноким и скорбным — обычная судьба эмигранта. Независимо от таланта, ума или иных качеств нет для человека более горькой судьбы, чем потерять родину. Даже если внешне его жизнь будет казаться парадом благополучия.

В Америке Гамов много занимался популяризацией науки. Им написано более сотни научных работ и около тридцати научно-популярных статей. Издано около тридцати томов его книг, из них двадцать три научно-популярные. Гамов был членом многих академий мира, а в 1956 году ООН присудила Гамову Международную премию за выдающийся вклад в популяризацию научных идей. Подобный акт — большая редкость, и надо быть действительно «выдающимся популяризатором», чтобы в нашем мире удостоиться чести признания… Впрочем, с примером образца популярного мышления Г. А. Гамова читатель сам может познакомиться в следующем параграфе.

Итак, вы помните, уважаемый читатель, что аббат Леметр дал идею «рождения» вселенной. При этом он предусмотрительно не доводил кривую изменения радиуса кривизны до начала координат. Да и сами оси предпочитал рисовать с разрывом в этой «особой» точке. Нет, о начальном периоде развития вселенной профессор Леметр предпочитал не говорить вообще…

Гамов заинтересовался именно началом. Его не устраивали названия — «первичный атом». Он предпочел назвать ком первичной, плотно спрессованной и раскаленной праматерии, находящейся в «довзорвавшемся» состоянии, илемом, позаимствовав этот термин у Аристотеля. (Стагирский философ обозначал так основную субстанцию вселенной.)

По мнению Гамова, эволюция вселенной разбивается на пять стадий. Сначала илем состоял из очень сжатой (плотной) массы водорода, у которого все электроны оболочек вдавлены в протоны ядер, а возникшие в результате этой операции нейтроны сжались еще до предела, образовав однородную массу колоссальной плотности да еще находящуюся при весьма высокой температуре.

В 1948 году Гамов вместе с соавторами Р. Альфером, Г. Бете, фамилии которых удачно образовывали начало греческого алфавита, дал «альфа, бета, гамма-теорию» образования элементов в результате взрыва илема. (Истины ради надо сказать, что Бете никакого участия в этой работе не принимал и его имя понадобилось Гамову для изящества заголовка.) Указанная теория предполагала, что илем разлетелся буквально на отдельные нейтроны. Нейтроны же в существовавших адских условиях быстро распадались на электроны и протоны.

Посмотрите на рисунки. На них представлены пять стадий, или пять эпизодов, из истории вселенной Гамова. Каждый из них помечен временем, в течение которого занавес был поднят.

Итак, первый акт — 0÷5 минут от «начала». Илем только что взорвался. Вы видите в кадре смесь частиц. Флегматичные нейтроны, не выдержав чудовищных температур, распадается на протоны и электроны, сопровождаемые юркими фотонами. В такой «атмосфере», несмотря на «тесноту», частицы движутся с энергией, которую можно сравнить с энергией современных ускорителей. В недрах илема яростно кипят ядерные реакции — частицы, сталкиваясь, образовывают ядра легких элементов, которые тут же распадаются…

Второй акт — от пятой минуты до получаса родившегося времени. Это уже не илем, но еще и не вселенная. Вместе с расширением падает температура. Надо полагать, что подобный процесс не является новостью для эрудированного читателя. Вспомните — ведь это не что иное, как хорошо знакомый принцип работы обыкновенного холодильника.

Полчаса непрерывного взрыва достаточно, чтобы заготовить основное количество стройматериала для всей дальнейшей работы. Читатель, конечно, знает, что свободные нейтроны имеют период полураспада всего 12–13 минут. И через полчаса их остается слишком мало для того, чтобы реакции могли идти с прежней легкостью. Вместе с протонами нейтроны образуют дейтоны и тритоны, ядра гелия и других, более тяжелых элементов. Тридцать минут спустя от всего первоначального количества нейтронов остается примерно восьмая часть… Реакции синтеза затухают…

Следующий, третий акт занимает период от тридцатой минуты «действа» до двухсотпятидесятимиллионного года существования. Автор надеется, что читатель понимает, насколько следует доверять приводимым цифрам. Гипотеза есть гипотеза, и самое большое, на что может претендовать ее творец, — это примерный порядок совпадения величин… Итак, через полчаса после взрыва образовавшиеся ядра приступили к ловле бездомных электронов и стали образовывать атомы. Атомы скапливались в облака, которые в дальнейшем дали начало галактикам и звездам. Этот период Гамов характеризует возникновением протогалактики…

Акт четвертый — первый миллиард существования на исходе. Во вселенной возникли галактики, в недрах которых зарождаются протозвезды и, может быть, даже протопланеты.

И наконец, последний акт охватывал следующие четыре миллиарда лет и заканчивался в нашем с вами времени. Всего получалось примерно 5 миллиардов! Но внимательного читателя это не должно удивлять, потому что он помнит, как в шестидесятых годах нашего столетия произошла переоценка временной шкалы в сторону ее увеличения, и пять миллиардов лет вселенной превратились в тринадцать! Впрочем, этот факт еще найдет себе место в нашей книжке. К сожалению, сложная и путаная история космологии не позволяет выстроить все события последовательно в хронологическом порядке. И отступления, забегания вперед неизбежны так же, как неизбежны и некоторые повторения.

Наглядность гипотез Леметра и Гамова привлекли к ним всеобщее внимание. По мнению многих сторонников гипотезы, такой взрыв чем-то должен быть очень похож на взрыв атомной или водородной бомбы; только, понятно, сверхбомбы, супербомбы, сверх-супер-ультра- и т. д. бомбы, бомбы, представить которую себе трудно, просто невозможно, даже обладая сверхфантастическим воображением. Это сравнение, возникшее в период «атомно-водородного бума», распространилось среди самых широких масс. Правда, может быть, причина этого сравнения кроется в том, что именно физики — участники разработки водородного оружия — и были главными болельщиками гипотезы «big bang’a».

Конечно, смущала всех сингулярность, присущая этой модели. Та самая пресловутая особая точка, или нуль-пункт вселенной. И еще смущало то, что в гипотезе так много внимания уделяется первым тридцати минутам после взрыва. Ведь возраст вселенной насчитывает миллиарды лет… По этому поводу уместно предоставить слово самому автору теории.

«Многие люди, — рассуждает Гамов, — считают, что не имеет физического смысла говорить о получасе или часе, который был 5 (сейчас по новой шкале соответственно 10–13 — А. Т.) миллиардов лет назад. Чтобы ответить им, я предлагаю: посмотрим на место в Неваде, где была взорвана несколько лет назад атомная бомба. Это место еще „горячо“ из-за существования долгоживущих продуктов взрыва. Для того, чтобы создать эти продукты, достаточно было миллионной доли секунды. Простая арифметика показывает, что период, прошедший с момента этого взрыва, во столько же раз больше микросекунды, во сколько 5 (соответственно читай 10–13 — А. Т.) миллиардов лет больше „того“ получаса! Но ведь от этой разницы мгновение взрыва не стало для нас менее интересным и менее существенным».

Если все было именно так, как предполагал Гамов, то и сегодня где-нибудь во вселенной можно отыскать следы колоссальных температур, царствовавших в первые мгновения «большого взрыва»?.. Ну пусть хоть «остывшие остатки» каких-то первоначальных квантов…

Пока вещество находилось в ионизованном состоянии, оно представляло собой горячую плазму из электронов, протонов и ядер легких элементов (в основном гелия).

Плазма эта сначала находилась в динамическом равновесии. Это значит, что частицы излучают и поглощают одинаковые количества квантов электромагнитной энергии. Температура излучения находится в полном соответствии с температурой плазмы. Но постепенно расстояния между частицами увеличиваются. (Ведь взрыв сообщил им громадные скорости разбегания.) Теперь, чтобы излученный квант энергии мог добраться до частицы, способной его поглотить, нужно было время. В пути энергия кванта уменьшается.

Таким образом, с расширением вселенной температура излучения падает. Чем дальше лететь кванту, тем «холоднее» он должен становиться. (Вспомните, что красное смещение от далеких галактик больше, чем от близких.)

Через несколько сотен тысячелетий после «начала» температура уже изрядно «разжижившейся» среды падает примерно до трех-четырех тысяч градусов. Теперь уже не все излученные кванты поглощаются возбужденными частицами. Среда становится «прозрачной» для излучения, оно как бы «отрывается» от нее и начинает «гулять» по вселенной. Вот эти-то электромагнитные волны и должны бы дожить до наших дней, пусть «постаревшие», «охладившиеся». Расчеты теоретиков показали, что, добравшись до нас, до нашего времени, это излучение должно иметь температуру не выше трех-четырех градусов по Кельвину.

Значит, «горячая» модель Гамова требовала, чтобы в наши дни во вселенной можно было обнаружить излучение в 3–4°К. В 1948 году средств для подобных наблюдений еще не существовало. Радиоастрономия в послевоенные годы только начинала свой «марш-бросок», и измерение излучения столь низких температур казалось радиоастрономам тех лет делом совершенно безнадежным.

В середине XX столетия, впрочем, как и во все другие времена, когда человечество оказывалось незанятым на фронтах, вторая мировая война уступила место войне «холодной». Вопросы происхождения вселенной снова оказались в центре ожесточенной идеологической борьбы.

Одно из наиболее влиятельных направлений идеалистической философии — неотомизм. Неотомисты широко пользуются введенным Фомой Аквинским еще в XIII веке принципом гармонии разума и веры, с особой охотой используя нерешенные вопросы науки для защиты религиозных догматов. Недаром еще в 1879 году неотомизм был объявлен официальной философской доктриной католической церкви. А в 1951 году папа римский Пий XII выступил с большой речью, призывая признать достижения современной науки в качестве доказательств всемогущества бога.

Часть ученых — представителей материалистического направления — поспешили решительно отмежеваться от идеалистических тенденций в космологии и… впали в другую крайность. Вместе с богом они отреклись от всей теории расширяющейся вселенной. Довольно долго среди материалистов «хорошим тоном» считалась верность идее бесконечной вселенной, тогда как релятивистская космология объявлялась «бесплодной математической игрой, лишенной какого бы то ни было астрономического значения»; общая же теория относительности рассматривалась как «математические упражнения, не имеющие ничего общего с космологией».

Так споры о моделях мира переплелись со спорами о мировоззрении двух непримиримых лагерей: материализма и идеализма.

Между тем спорящим сторонам предстояло договориться прежде всего о самом предмете спора. Потому что, как выяснилось, далеко не все представители бурно развивающейся космологии вкладывали в термин «вселенная» одинаковое понятие. Короче говоря, к середине текущего столетия космология представляла собой хорошо и со знанием дела перепутанный клубок противоречий. Распутывать его выпало на долю ученым нашего поколения.

Глава девятая

Удивительны науки о вселенной. С одной стороны, их методы позволяют заметить разницу в положении небесных объектов, измеряемую долями угловых секунд. И тут же, рядом, существуют приближения, о которых говорят, что результаты вполне хороши, если не отличаются больше, чем на порядок…

Космология за последнее время из разряда чисто умозрительных наук переходит в разряд наук физических. И как всякая развивающаяся отрасль знания, переживающая период становления, она занята уточнением и переоценкой своих результатов. Поэтому автор хотел бы предупредить читателя, что значения многих величин пока не окончательны. У разных наблюдателей одни и те же исследования сегодня еще дают разные результаты, которые лишь постепенно приближаются к истине. Нужно помнить, что каждая цифра во внегалактической астрономии дается ценою невероятного напряжения, ценой дьявольских ухищрений как теоретических, так и экспериментальных. А ведь внегалактическая астрономия — это один из главных поставщиков фактического материала для космологии. Читателю, проникшемуся идеями расширяющейся вселенной, должно быть уже совершенно ясно, что чем дальше от нас расположен объект наблюдения, тем больше времени требуется свету, чтобы добраться до земных телескопов, а следовательно, тем более «молодым» мы этот объект видим…

Свет и радиоволны, несущие нам основную информацию о небесных объектах, пробегают в космосе примерно 300 тысяч км/сек. Солнце находится в восьми минутах светового хода от нас. Значит, мы каждый раз, взглянув на наше светило, видим его таким, какое оно было восемь минут назад. А если объект наблюдения находится дальше?

Свет от Проксимы центавра добирается до Земли четыре с лишним года. Следовательно, потухни соседка нашего Солнца в одночасье, мы бы узнали об этом лишь через четыре с лишним года.

А если такой объект наблюдения, как, например, галактика туманность Андромеды, отодвинут от нас миллиона на два световых лет? Значит, мы и видим его сейчас таким, каким он был два миллионолетия назад, когда световой поток покидал его звездные просторы. Рассматривая последовательно все более удаленные небесные объекты, мы словно пользуемся «машиной времени» для того, чтобы проникнуть в прошлое нашей вселенной.

«Машиной времени»! Впереди у нас еще увлекательное путешествие при помощи этого фантастического вида транспорта. Впрочем, фантазия никогда не служила науке помехой…

В 1932 году молодой инженер Карл Янский открыл радиоизлучение ядра Галактики. Затем в 1946 году в печати появилась публикация трех английских ученых Хея, Парсонса и Дж. Филлипса, обнаруживших мощное радиоизлучение из небольшого участка неба в созвездии Лебедя: был открыт первый дискретный источник радиоизлучения. Скоро за ним последовали находки и других источников. Вначале, пока разрешающая способность радиотелескопов была незначительной, небесные «радиостанции», казалось, занимали очень маленькие участки неба, как звезды. Так их и считали «радиозвездами». Но со временем «зрение» радиотелескопов становилось все острее и острее, и наблюдатели обнаружили, что контуры «радиозвезд» начинают расплываться. Не увязывались «радиозвезды» и с теорией. Все это привело к тому, что от гипотезы «радиозвезд» пришлось отказаться.

Многие радиоисточники вначале были отождествлены с облаками газа. Но вот являются эти «радиооблака» членами Галактики или это внегалактические объекты — было неизвестно. Первый дискретный источник радиоизлучения, отождествленный с оптическим объектом за пределами солнечной системы, оказался расположенным в Крабовидной туманности. В 1949 году австралийские астрономы Болтон и Стэнли определили его точные координаты.

В 1950 году англичане Хенбери Браун и Хазард обнаружили слабое радиоизлучение уже от галактики Андромеды. Но «радиозвезды» еще не окончательно сдали свои позиции. Полный переворот произошел, когда Вальтеру Бааде удалось отождествить самый первый источник Лебедь-Α с оптическим объектом, удаленным на полмиллиарда световых лет. Этот объект по очертаниям похож на восьмерку, каждая половинка которой — галактика. В связи с этим родилась гипотеза, будто космическое радиоизлучение есть результат столкновения далеких галактик. Но какой механизм мог вызвать такое мощное излучение энергии? Здесь было много предположений. Наиболее плодотворной оказалась теория советских ученых В. Л. Гинзбурга и И. С. Шкловского о том, что излучение возникает в результате движения электронов очень высоких энергий в магнитном поле. Эта гипотеза в дальнейшем получила название «синхротронного излучения» и сейчас широко применяется для объяснения космического излучения.

В конце пятидесятых годов физики-теоретики задумались над тем, какие процессы могут создавать электроны таких высоких энергий. В результате расчетов выяснилось, что почти все сто процентов энергии столкновения двух галактик должны превратиться в энергию электронов. Столкновения же, изученные в лабораторных условиях на самых лучших ускорителях, давали переход всего одного процента энергии столкновения в энергию излучения. А ведь в лаборатории процессы строго направлялись экспериментаторами и не были столь хаотичными, как в пространстве… Нет, тут явно что-то было не в порядке с самой гипотезой столкновения. Академик В. А. Амбарцумян, развивая теорию взрывов в ядрах галактик, как закономерной фазы развития последних, подверг решительной критике гипотезу сталкивающихся галактик.

И наконец, последний удар гипотезе столкновения галактик был нанесен в 1960 году. Астрономы Мэтьюз и Шмидт из Калифорнийского технологического института отождествляли большинство источников радиоизлучения с одиночными галактиками. К этому времени и относится начало работ на английской обсерватории Джорделя Бэнк по программе измерений угловых размеров небесных радиоисточников. Англичане исследовали добрых три сотни радиообъектов. Радиотелескоп с высокой разрешающей способностью позволил выяснить, что существуют источники чрезвычайно малых угловых размеров, до одной секунды дуги и даже еще меньше.

Это открытие возвращало к похороненной идее «радиозвезд», и до конца 1962 года так и считали, что открыты не что иное, как звездоподобные объекты, населяющие нашу Галактику. Но вот один из странных звездоподобных объектов, зарегистрированных в третьем кембриджском каталоге как ЗС48, показал удивительный, ни на что не похожий спектр. Ни одна линия его не совпадала с твердо установленными положениями линий атомных спектров. Мало того, его световое излучение оказалось переменным. Последнее обстоятельство окончательно указывало на то, что объект ЗС48 должен быть небольшим, компактным, короче, он должен быть типа звезды. Это, пожалуй, нуждается в объяснении.

Когда мы для звездоподобных объектов применяем эпитеты «большой» или «небольшой, компактный», то понимать их следует в звездном масштабе. «Большой» — значит от края объекта и до края свет путешествует годы… А как вы думаете, может такой гигант столь согласованно подмигивать? Пожалуй, нет! Представить себе механизм, заставляющий объект протяженностью во много световых лет одновременно менять яркость, это означало бы отказаться от принципа, согласно которому скорость света максимальна; тогда нужно допустить «мгновенное распространение сигналов». А это уж слишком явный шаг назад.

Нет, нет, единственное разумное объяснение заключалось в признании компактности вновь открытых небесных объектов. Ну, а почему они так светятся?

И. С. Шкловский предположил, что наблюдается одновременная вспышка нескольких сверхновых звезд, сопровождающаяся мощным радиоизлучением. Бербидж выдвинул гипотезу о наличии цепной реакции взрывов многих звезд. Фаулер и Хойл, по словам последнего, «пришли к мысли собрать все звезды вместе в одно сверхтело, по массе превышающее Солнце в миллионы раз». Но решиться на такое предположение было довольно трудно, потому что среди астрономов существовало твердое убеждение, что звезд с массой больше 50 масс Солнца существовать не может. Сверхзвезда Хойла и Фаулера должна была светить ярче целой галактики. Между тем ЗС48 представлял собой крошечную искорку, еле различимую в большой телескоп.

Чрезвычайно интересный путь исследования «непонятных» небесных радиообъектов выбрали австралийцы. В их распоряжении был хороший 70-метровый параболический радиотелескоп, расположенный вблизи Сиднея. Чтобы еще повысить его «зоркость», они решили воспользоваться Луной в качестве естественного экрана, закрывающего радиоисточники. Так как положение Луны в любой момент времени точно известно, то можно столь же точно указать момент экранирования и появления источников. Конечно, для этого высокой чувствительности приемник нужно было постараться оградить от любых возможных радиопомех местного происхождения.

Австралийские наблюдатели выбрали источник ЗС273. И вот как Ф. Хойл описывает этот эксперимент. «При наблюдениях они предприняли невероятные меры предосторожности… С телескопа было снято несколько тонн металла, чтобы сделать возможным наблюдения при меньших углах возвышения, чем обычный рабочий диапазон. За несколько часов до момента покрытия источника Луной все местные широковещательные радиостанции повторяли призыв: никто не должен включать радиопередатчиков во время наблюдений. Все дороги, проходящие вблизи телескопа, были перекрыты и патрулировались, чтобы быть уверенными, что по соседству нет движущихся автомобилей. И последний штрих: после наблюдений Хазард и Болтон отвезли два дубликата записей в Сидней на отдельных самолетах».

Сложный эксперимент увенчался успехом: ЗС273 оказался двойным источником, с двумя очень маленькими компонентами, удаленными друг от друга примерно на 20 угловых секунд. Столь точное положение источника позволило американскому астроному М. Шмидту на обсерватории Маунт Вилсон отождествить радиоисточник с едва заметным оптическим следом. Получалось, что радиоволны излучала звезда?..

После отождествления непонятного радиоисточника с оптической звездой предстояло получить его спектр.

Получение спектров слабых объектов — невероятно долгая и утомительная работа. Она требует от исследователя терпения, аккуратности и внимания.

Маартену Шмидту повезло. Четыре линии спектра из шести, несомненно, принадлежали либо водороду, либо атомам другого элемента, «ободранным» до последнего электрона. Но они находились совсем не на тех местах, где положено, и, как предполагает Шмидт, смещены к красному концу спектра на 16 процентов.

И сразу все четыре линии совпали с линиями излучения водорода.

Казалось бы, можно торжествовать победу. Но не тут-то было!.. Если допустить, что обнаруженное красное смещение спектра имеет космологический характер, то объект ЗС273 должен находиться на расстоянии примерно двух с половиной миллиардов световых лет и улетать от нас со скоростью порядка 45 тысяч километров в секунду! Если из такой невероятной дали он все-таки виден нам, то он вообще не звезда! Чтобы светить на таком расстоянии, он должен быть ярче целой галактики!

Можно, правда, предположить, что красное смещение спектра вызвано воздействием мощного поля тяготения на проносящиеся в нем кванты (фотоны). Тогда загадочный объект может быть расположен недалеко от нас и представлять собой ком плотной раскаленной материи. Однако вид спектра объекта характерен для облака раскаленного газа, а не для плотного тела.

Астрономы кинулись к фототекам. На крупных обсерваториях в специальных помещениях хранятся тысячи и тысячи пластинок, полученные за много лет. Оказалось, что странный объект фотографировался множество раз. В фототеке гарвардского «небесного патруля» обнаружились снимки, сделанные еще в конце прошлого столетия. На них уже были видны объекты, привлекшие внимание. Но до самого последнего времени они считались просто слабыми звездами, принадлежащими нашей Галактике; звездами, единственная особенность которых, как считалось, заключалась в том, что они испускали слишком много ультрафиолетовых лучей. Потому их и называли голубыми звездами.

Пользуясь старыми негативами, наблюдатели выяснили, что блеск ЗС273 за несколько лет изменился примерно на 50 процентов. Это означало, что звездоподобный объект по размерам не мог быть особенно большим. Иначе он бы не мог «подмигивать» с таким коротким периодом. Стало быть, это не галактика, это не облако, это… вообще неизвестно что такое. Квазизвезды — как будто звезды, — стали их называть наблюдатели; затем соединили первый и последний слоги первого слова английского названия «quasistellar object»; получилось привившееся сегодня название — «квазар».

Вслед за объектом ЗС273 были исследованы и другие квазары. К сегодняшнему дню получены спектры более сотни этих удивительных объектов, вопрос о природе которых еще далеко не решен. Астрономы ухитрились получить спектр такого удаленного квазара, линии излучения которого оказались сдвинутыми на 288 процентов к красному концу спектра. Двести восемьдесят восемь процентов означают, что принимаемая длина волны почти в четыре раза больше истинной. Расстояния до таких квазаров, если считать вселенную построенной в виде модели Фридмана, должно быть около восьми миллиардов световых лет.

В 1965 году видный астрофизик Дж. Гринстейн писал: «В качестве конкретной модели (заведомо не объясняющей вариации блеска) можно представить себе квазар как возбужденное газовое облако диаметром 600 световых лет с массой 10⁹ солнечных масс. В настоящее время кажется весьма вероятным, что источником энергии сверхзвезды могут быть грандиозные взрывы, высвобождающие либо ядерную, либо гравитационную энергию».

Поистине прав физик У. Корлисс, когда говорит: «Время от времени госпожа Природа подкрадывается к ученым и дает им хорошего пинка… С тех пор как квазары в начале 1960-х годов появились на астрономической сцене, с лиц астрономов и космологов не сходит выражение недоумения. Никто не знает, что такое квазары…»

Впрочем, квазары не ограничились безобидной ролью новой разновидности небесных объектов с неизвестной родословной. Они претендовали на большее.

Буквой «t» обычно обозначают время. Скептику в пору усмехнуться: начинаются, дескать, фантазии. Кому сейчас не известно, что только в лихих фантастических повестях герои путешествуют в завтра и вчера, как будто это соседние троллейбусные остановки.

Используют прием перемещения по времени и авторы научно-популярных книжек. Правда, для этого им приходится привлекать на помощь добрую волю и развитое воображение читателей. Отличительным признаком начала такой апелляции к читателю бывают обычно слова: «представим себе, что…»

В астрономии со временем дела обстоят иначе. Автор уже говорил, что астроному достаточно направить телескоп на небесный объект, отстоящий от Земли, скажем, на тысячу световых лет, чтобы увидеть его таким, каким он был тысячу лет назад. Свет, донесший информацию к нам на Землю сегодня, родился и начал свое путешествие во времена княжения на Руси Святослава и его войны с Византией, за два года до рождения Абу-Рейхана-Мухаммеда ибн-Ахмеда ал-Бируни — выдающегося хорезмского энциклопедиста и самого знаменитого астронома X века.

Но вот в окуляре инструмента иной объект. Красное смещение линий его спектра позволяет определить расстояние в миллион световых лет. Значит, мы видим его сейчас таким, каким он был в те далекие времена, когда наши уважаемые предки еще не очень твердо стояли на двух ногах. Углубляясь дальше в пространство, мы тем самым проникаем и в глубины времени. Внегалактическая астрономия вывела нас за пределы ста тысяч световых лет (это примерный диаметр нашей Галактики) и познакомила с небесными телами, находящимися в том состоянии, в каком их сотворила природа миллиарды лет назад…

Открытие и исследование спектров квазаров дали возможность астрономам заглянуть еще дальше по времени, примерно на 8 миллиардов лет назад. В самые последние годы получены спектры с таким красным смещением, при котором длины принимаемых волн увеличиваются даже больше, чем в три раза.

В мае 1965 года М. Шмидт обнаружил, что квазар ЗС9 имеет красное смещение, которое соответствует скорости, равной 80 процентам скорости света. Это уже 9 миллиардов световых лет. В 1967 году был опубликован список, содержащий 103 квазара. Самое большое красное смещение спектра оказалось у квазара PKS 0237–23, открытого австралийскими радиоастрономами. Скорость удаления этого объекта относительно Земли равна 247 тысяч км/сек, а расстояние, получаемое по закону Хаббла при H = (100–75) км/сек на мегапарсек, равно 8–10 миллиардам световых лет. А есть ли возможность еще приблизиться к «началу», к тому самому таинственному и жуткому моменту, когда время и радиус вселенной (мы имеем в виду фридмановскую модель) находились в «нуль-пункте»? Квазары в этом нам не помощники. Есть подозрение, что раньше, чем 8–10 миллиардов лет назад, ни звезд, ни галактик, ни квазаров не существовало. Нужно искать какой-то иной источник более ранней информации…

И вот в 1965, урожайном на открытия году лаборатория телефонной компании «Белл» в Нью-Джерси испытывала радиотелескоп высокой чувствительности. Одну за другой убирали техники помехи, налаживая систему. Наконец остался только небольшой шумовой фон, не меняющийся ни от направления, ни от времени работы.

Решили, что это шум, свойственный аппаратуре. Радиотелескоп демонтировали, еще и еще раз испытали его «начинку». Самолюбие инженеров было задето, и потому проверка шла до последней детали, до последней пайки. Устранили, кажется, все! Собрали снова — шум возобновился. После долгих раздумий теоретики пришли к выводу, что это излучение не могло быть ничем иным, как постоянным фоном космического радиоизлучения, заполняющего вселенную ровным потоком. Астрофизики рассчитали, что шум соответствует температуре, равной примерно 3 градусам Кельвина, и «прослушивается» на различных частотах. Но откуда может взяться во вселенной такой странный поток энергии?

Тут автор просит читателя предаться воспоминаниям. Помните «горячую» модель вселенной Георгия Гамова?.. Спустя примерно 300 тысяч лет после «начала» динамическое равновесие в расширяющемся илеме нарушилось. Плотность горячей плазмы уменьшилась настолько, что излучение получило возможность оторваться от среды. С тех пор эти неприкаянные радиоволны, путешествуя, подобно Агасферу, по расширяющейся вселенной, должны были «остыть» как раз до 3–4 градусов Кельвина… Так не есть ли излучения, открытые инженерами компании «Белл», следы тех самых «реликтовых волн», оторвавшихся от «адского варева» на трехсоттысячной годовщине его «кипения»?

Можно себе представить, как возрадовались сторонники «горячей» модели, когда пришло это сообщение. «Реликтовое излучение» — именно такое название получили «постаревшие и охладившиеся» кванты репортажа о состоянии вселенной, дошедшего до нас через десяток миллиардов лет. Это открытие не только укрепило позиции «горячей» модели. Реликтовое излучение позволило со ступеньки времени квазаров (8–10 миллиардов лет) опуститься на ступеньку, соответствующую 300 тысячам лет от самого «начала». Одновременно подтверждалась мысль, что некогда вселенная имела плотность в миллиард раз более высокую, чем сейчас…

Подойдем еще ближе к «нуль-пункту», следуя принципу, что аппетит приходит во время еды… Тут мы опять оказываемся перед проблемой носителя информации. Электромагнитные волны «доводят» нас только до 300 тысяч лет от начала координат. В более ранний период они были связаны с бушующей плазмой и поглощались. Да и что вообще в состоянии выжить в бурно кипящем «котле» вселенной?

И все-таки академик В. Л. Гинзбург, описывая путешествие к «началу», следующей ступенькой времени для «горячей» модели называет… сотую секунду после взрыва. В этот момент плотность вещества вселенной лишь в сто раз больше плотности воды, а температура должна равняться примерно миллиарду градусов. В такой обстановке, как мы помним, протоны соединяются с нейтронами, образуя ядра гелия и других легких элементов. Расчеты показывают, что для «горячих» фридмановских моделей гелия должно образовываться довольно много: примерно на 90 ядер водорода 7–8 ядер гелия и одно ядро какого-нибудь другого легкого элемента. Значит, если бы удалось определить количество гелия во вселенной, то тем самым мы уложили бы еще один «кирпич» в фундамент «горячей» модели. На сегодня найдено примерное содержание гелия в обозримой вселенной — оно колеблется в пределах 5–10 процентов. Физики считают, что такой химический состав вселенной подтверждает «горячую» модель.

Но продолжим обсуждение. Читатель, конечно, понимает, что ни один космолог не угомонится, зная обстановку на сотой секунде «творческой работы большого взрыва». Он захочет знать ее и на десятой и на первой секунде. Правда, возможные носители информации вроде бы исчерпаны. Хотя мы забыли о самых модных во второй половине XX столетия частицах: о нейтрино и антинейтрино…

Если бы удалось поймать и подсчитать нейтрино, те самые, что образовались в самом-самом начале «начала», то со ступеньки времени 100 секунд мы перейдем на уровень 0,3 секунды существования «горячей» модели. Почему именно 0,3 секунды? Потому что как раз в этот момент плотность взорвавшегося илема должна была достигнуть величины примерно 10 миллионов граммов на кубический сантиметр. Это как раз та плотность, которая является границей для нейтрино. При большей плотности эти неуловимые частицы, «придуманные» некогда чисто умозрительно Вольфгангом Паули, а рассчитанные и названные Энрико Ферми, не способны пробиться через вещество. Зато при меньшей плотности вещества они практически им не поглощаются и должны были бы «дожить» до нашей эпохи.

Однако поймать «реликтовые» нейтрино — это задача, которую решить пока не удается. Эти частицы настолько слабо взаимодействуют с веществом, что проходят, как сквозь пустое пространство, через планеты и звезды, ни с чем не реагируя, ничем не отклоняясь и не рассеиваясь.

Чтобы уловить «реликтовые» нейтрино, нужно почти в миллион раз повысить чувствительность предельных в наши дни измерений. Это задача чрезвычайной трудности. Она настолько трудна, что даже перспективы ее решения сегодня еще весьма туманны.

Правда, три года назад проблема регистрации нейтрино, излучаемых Солнцем, тоже казалась удручающе сложной. Между тем сейчас уже почти ни у кого нет сомнений, что именно нейтринной астрономии принадлежит будущее в исследовании Солнца, и притом будущее, не столь отдаленное. В «окуляре» нейтринного телескопа мы увидим недра нашей звезды. (Нейтринный телескоп вряд ли вообще можно назвать телескопом в обычном смысле, настолько он не похож по внешнему виду на традиционный астрономический инструмент. Но коль скоро название сохранилось, то почему не назвать счетчики «окуляром»?) Если удастся уловить «холодные» реликтовые нейтрино, это будет едва ли не главным доказательством в пользу «горячей» модели.

И наконец последний, хотя и вполне «законный», вопрос. Ну хорошо, предположим, что мы научились вылавливать и фиксировать «холодные» нейтрино и подошли на 0,3 секунды к «большому взрыву», а нельзя ли еще ближе?.. После 0,3 секунды жизни плотность «первичного кома» материи больше, как мы говорили, 10 миллионов г/см³. Даже нейтрино (!) не в состоянии вырваться из такого «теста». Как же быть?

Здесь мы приблизились к последнему реальному, хотя пока и не в практическом смысле, информационному агенту: гравитационным волнам. Они — голубая мечта физики завтрашнего дня. Да, в наши дни время от времени в печати появляются одиночные сообщения об экспериментах по приему гравитационного излучения, но все эти сообщения пока еще недостаточно убедительны, чтобы им можно было надежно поверить.

Гравитационные волны должны обладать еще большей проникающей способностью, чем нейтрино, и должны доходить до нас из областей, плотность которых описывается числом граммов на кубический сантиметр, содержащим девяносто три нуля после значащей цифры (4·10⁹³ г/см³)! Конечно, цифра эта может и не пробудить в нас особых эмоций. Но автору становится не по себе. При таких плотностях мы настолько близко подбираемся к вожделенному «нуль-пункту», что остатком времени можно пренебречь. Есть предположение, что при плотностях больше 10⁹³ г/см³ законы нашей физики перестают годиться. Нарушаются фундаментальнейшие принципы, даже такие, например, как принцип причинности. Впрочем, чтобы не удариться в чистую фантастику, автор предпочитает ограничиться сказанным и не раскрывать перед читателем горизонты сверхплотного мира.

Некогда Гамов говорил, что с физической точки зрения мы должны полностью забыть о существовании периода до взрыва и о моменте взрыва. Несмотря на то что его «пять актов» охватывают, казалось бы, все время от «нуль-пункта», Гамов считал, что мы можем проследить развитие вселенной, основанное на достоверных фактах, лишь от нашего времени до одного миллиарда лет от «начала». Так было четверть века назад. Затем «реликтовое излучение» приблизило нас на ступеньку 300 тысяч лет от начала. Не исключено, что пройдет несколько лет, и крайним сроком «начала» вселенной, о котором у нас будут надежные факты, станут 0,3 секунды. Поживем, увидим…

Критерием истинности любой теории является опыт. (Высказанная истина настолько тривиальна, что автору даже неудобно начинать с нее заключительный параграф об итогах развития классической общерелятивистской космологии за пролетевшие пятьдесят четыре года.) Для космологии это тоже закон. Во-первых, такая наука, бывшая безраздельно умозрительной, стала опираться на данные опыта, на данные наблюдений — факт сам по себе замечательнейший. Во-вторых, сочетание слов «классической, общерелятивистской космологии»… разве не говорит о ее признании? Сегодня мы смело можем сказать, что все имеющиеся в нашем распоряжении факты подтверждают космологию вселенной, построенную на фундаменте общей теории относительности.

Конечно, пока модели вселенной, построенные на основе теории Эйнштейна — Фридмана, лишь первые попытки математического описания наблюдаемого разбегания галактик; самые первые попытки и, конечно, чрезвычайно упрощенные. Мы еще слишком мало знаем наверняка, слишком мало имеем конкретных фактов о вселенной, чтобы построить адекватную модель. Но мы на правильном пути: факты, теория и снова факты.

Конечно, в космологии немало затруднений. И первое из них, о котором говорит выдающийся советский космолог А. Л. Зельманов, заключается в множественности моделей. При любом значении космологической постоянной уравнения Эйнштейна допускают множество решений, а следовательно, и множество моделей разных типов.

«Множественность моделей естественна, если их применяют лишь к ограниченным областям вселенной, — пишет А. Л. Зельманов. — Но модель вселенной, как целого, если такая, модель вообще принципиально возможна (что далеко не очевидно), должна быть единственна, как единственна и сама вселенная». «Единственна ли?» — сомневаются другие ученые.

Велики затруднения и с объяснением сингулярности, то есть наличия «особого состояния» в начале расширения фридмановских моделей. Действительно, как представить себе вселенную, стянутую в точку с чудовищной плотностью вещества?.. Мы уже знаем, что на сем затруднении усиленно пытались погреть руки теологи, но и без них это обстоятельство явилось камнем преткновения для многих теоретиков. За пятьдесят с лишним лет существования релятивистской космологии были предприняты неисчислимые попытки обойти «нуль-пункт» расширяющейся или пульсирующей модели и найти такое решение, которое, с одной стороны, не противоречило бы наблюдаемым данным, с другой — укладывалось в рамки современной физики и общей теории относительности.

Было высказано предположение, что при последующем после расширения сжатии «особая точка» достигаться не будет и вместо исчезновения вселенная будет совершать бесконечные колебания — осциллировать. Такая модель не имеет ни конца, ни начала. Она лишь пульсирует с определенным периодом. Конечно, в моменты сжатия и достижения максимальной плотности все галактики, все звезды, не говоря уже о планетах, должны разрушаться. В эти моменты, в условиях, напоминающих первые секунды «большого взрыва», происходит обновление мира. Все вещество галактик и звезд превращается в раскаленное облако плазмы, состоящей снова из смеси почти равного количества протонов и нейтронов. Затем должно начаться расширение, и весь цикл образования вещества, звезд и галактик повторится сначала.

Однако последние работы как советских физиков Я. Б. Зельдовича и И. Д. Новикова, так и американцев Р. Пенроуза и С. Хоукинга настойчиво требуют признания неизбежности существования «особых точек» в космологических решениях общерелятивистских уравнений.

При этом сущность «особой точки» (сущность особого — сингулярного — состояния материи в момент наибольшего сжатия) до сих пор остается неизвестной. Некоторые специалисты считают ее математическим символом какого-то физического состояния, пока еще неизвестного и недоступного анализу.

В 1969 году советские физики В. А. Белинский, Е. М. Лифшиц и И. М. Халатников, а также американец Ч. Мизнер считали существование сингулярности результатом исходных упрощений теории. Решая уравнения общей теории относительности, они нашли новый класс космологических моделей, в которых вселенная, приближаясь к «нуль-пункту», из-за своей неоднородности начинает осциллировать во времени. Тем самым предотвращается наступление сингулярного состояния. В работах советских физиков по-новому ставится вопрос о физическом смысле времени вблизи «нуль-пункта». На конечном интервале времени число осцилляций оказывается бесконечным. А следовательно, если измерять время числом циклов, то оно само окажется бесконечным. В этом смысле у теории пульсирующей вселенной есть свои достоинства. Некоторые ее предсказания получили поразительно точное подтверждение. Но есть у нее и серьезные затруднения, все еще не преодоленные ни с помощью наблюдений, ни теорией.

Скорее всего сингулярность указывает предел, до которого теория тяготения Эйнштейна пригодна. А дальше?..

При больших плотностях, по-видимому, нужна другая теория.

Единое «начало» вселенной порождает и трудность, связанную со шкалой времени. Помните, по старой шкале метагалактических расстояний, существовавшей до 1952 года, продолжительность эпохи расширения равнялась T = ¹/_H = ¹/₅₄₀ = 1,8 миллиарда лет. Этот срок находился в вопиющем противоречии даже с возрастом земной коры. Сейчас принято считать Т = 10–13 миллиардов лет. Это, конечно, лучше, но не намного. Космогонисты предполагают, что возраст наиболее старых звезд примерно… 25 миллиардов лет. Но звезды не могли образоваться до «рождения вселенной».

Вообще надо сказать, что многие специалисты в области космогонии настроены по отношению к космологии довольно решительным образом. Вот, например, что говорил Виктор Амазаспович Амбарцумян, основатель и глава широко известной во всем мире школы космогонии.

«…Некоторые теоретики, основываясь на законе Хаббла и на ряде других очень грубых и произвольных предположений, построили гипотетические модели вселенной, которые, по-видимому, отражают некоторые свойства реальной вселенной. Но характер этих моделей настолько зависит от сделанных упрощающих предложений, что эти модели следует считать очень далекими от реальности. Что касается меня лично, то я думаю, что на современном этапе этих теоретических работ даже не имеет смысла подробно сравнивать эти модели с наблюдениями».

Академик В. А. Амбарцумян не строит заранее теоретической модели, которая лишь затем подвергается эмпирической проверке. Его космогонические гипотезы, касающиеся вопросов возникновения звезд и звездных скоплений, галактик и их взаимодействия, возникают как обобщение результатов наблюдений.

Внегалактическая астрономия — главный эмпирический фундамент космологии — еще очень молода. А трудности, с которыми ей приходится сталкиваться, поистине фантастические. Многие результаты наблюдений лежат не только на пределе возможности уникальных приборов, но даже за этими пределами. Это обстоятельство допускает возможность различного толкования некоторых эмпирических данных. Читатель, наверное, помнит, что все наши рассуждения исходили из признания либо совершенного космологического принципа, либо его ограниченного варианта. Последний предполагает, что вселенная одинакова в разных точках и по разным направлениям. Совершенный же космологический принцип требует еще и того, чтобы так было всегда в разные моменты времени. Однако на любом этапе познания наука всегда имеет дело с некоторой ограниченной частью вселенной, так что выводы о ее однородности и изотропности всегда остаются предположительными.

Последнее время многие космологи стали отходить от космологического постулата, считая требования однородности и изотропности вселенной слишком жесткими, слишком сильно снижающими степень реальности такой модели. В свою очередь, отказ от космологического постулата требует сразу пересмотра некоторых важных выводов. Так, если согласиться с тем, что более близкое описание реальной пространственно-временной структуры вселенной дается ее анизотропной и неоднородной моделью, то зависимость конечности или бесконечности пространства от знака его кривизны становится неоднозначной. Впрочем, по поводу анизотропной и неоднородной вселенной среди специалистов споры только разгораются. Многие считают, что вселенная может быть неоднородна лишь «в малом»; в достаточно же больших объемах она однородна.

Наконец, следует вспомнить и о том, что данных внегалактической астрономии все еще недостаточно, чтобы определить среднюю плотность вещества во вселенной. А это значит, что не может быть решен вопрос и о кривизне пространства. Мы не можем пока на основании эмпирических данных решить вопрос о замкнутости или незамкнутости нашего мира.

Да, трудностей много. Но тем интереснее, тем перспективнее наука. Очень интересное сравнение привел академик Гинзбург: «Космология и физика элементарных частиц — это как бы два антипода. Вместе с тем, как говорят, противоположности сходятся. И действительно, у космологии и физики элементарных частиц есть одна и та же черта, определяющая их значение в науке. Именно в этих областях — соответственно, астрономии и физике — сейчас проходит граница между областью, освещенной знанием, пусть неполным, и кромешной тьмой неведомого».

Хорошо сказано, правда?..

Глава десятая

Весной 1958 года Нильс Бор, обсуждая вопросы единой теории элементарных частиц, выдвинутой Вернером Гейзенбергом и Вольфгангом Паули, неосторожно заметил: «Нет никакого сомнения, что перед нами безумная теория. Вопрос состоит в том, достаточно ли она безумна, чтобы быть правильной».

Нельзя сказать, чтобы мысль была совершенно оригинальной. Начнем разматывать ленту времени назад: Фридман, Эйнштейн, Лобачевский, Коперник… да это все авторы совершенно безумных идей. Ряд имен можно продолжить еще в глубь столетий до древнего принципа доказательства «от противного». Напрашивается вывод, не закономерно ли то обстоятельство, что в результате планомерного хода развития постепенного накопления информации наука оказывается перед необходимостью качественного скачка?.. Диалектика — вот поистине нержавеющее оружие!

В конце пятидесятых годов нашего века нужда в качественном скачке стала ощущаться в науке повсеместно. Не даром в том же 1958 году, только осенью, в октябре, на Первом Всесоюзном совещании по философским вопросам естествознания член-корреспондент Академии наук СССР Д. И. Блохинцев высказал ту же мысль, что и Бор: «Нужен серьезный фундаментальный шаг вперед, и здесь нужно, быть может, только одно слово. Идея должна быть какой-то совершенно „сумасшедшей“».

К сожалению, за последние годы цитата Нильса Бора приводилась столько раз в различного рода литературе, что критерий «безумия» (или «сумасшествия» в отечественной транскрипции) стал едва ли не основным при оценке некоторых идей, хотя бы на научно-популярном уровне. Между тем бывают идеи «безумные» и «безумные». Впрочем, автор испытывает сильное желание предоставить читателю проявить известную самостоятельность в оценке идей. Сам он, автор, только сообщает сведения.

В 1948 году в мире еще действовала «короткая» шкала внегалактических расстояний, определенная с помощью мировой постоянной Хаббла, равной 540 км/сек на мегапарсек.

В 1948 году возраст обозреваемой вселенной в связи с этим оценивался всего в 2 миллиарда лет. Между тем даже камни на поверхности Земли были значительно старше. Этот конфликт теории с практикой беспокоил специалистов. Профессор У. Боннор рассказывал, что «даже Эйнштейн, который никогда не переоценивал значение наблюдений, был обеспокоен этим противоречием».

В 1948 году результаты наблюдений настойчиво уверяли, что наша Галактика — самый большой звездный остров во всем наблюдаемом мире, а ее звезды дают сто очков вперед звездам чужих галактик по величине и яркости… Такой вывод сводил на нет совершенный космологический принцип, лежащий в основе релятивистской космологии.

Строго говоря, общая теория относительности позволяла, конечно, выйти из многих затруднений, если предположить реальность существования λ-члена и рассматривать модели мира наподобие модели Леметра. Но предубежденность самого Эйнштейна против космологической постоянной настолько сильно влияла на психологию исследователей, что можно сказать смело: да, в 1948 году не существовало ни единого мнения, ни единой убедительной модели вселенной; вернее, последних было слишком много. Несчастье каждой заключалось в том, что, во-первых, любая теория претендовала на единственность, отвергая все остальное. Во-вторых, каждая гипотеза несла с собой новые противоречия. И наконец, ни одна из них не была настолько солидна, чтобы суметь достойно конкурировать с нестационарной (релятивистской) космологией.

В таком интеллектуальном климате в 1948 году почти одновременно появились работы английских специалистов. Одна — подписанная именами Германа Бонди, самого молодого профессора математики королевского колледжа в Лондоне, и Томаса Голда — человека еще моложе годами и по этой причине находившегося пока в должности преподавателя Тринити-колледжа: знаменитого Тринити-колледжа! И вторая работа, подписанная именем английского астрофизика, тридцатитрехлетнего профессора Фрэда Хойла.

Обе работы исходили из постулирования совершенного космологического принципа.

Бонди и Голд построили феноменологическую теорию вселенной, удовлетворяющую совершенному космологическому принципу. При этом в модели англичан присутствовало красное смещение — вселенная расширялась, но не было сингулярности — «особого (сжатого) состояния», не было «big bang’a», не было смущающего всех «начала». Как это им удалось?..

Оба автора отбросили «скользкую» гипотезу первоначального сверхплотного состояния материи и созидающего взрыва и предположили, что «мир вечен». Вселенная существовала всегда и всегда расширялась. Особенностью гипотезы являлось предположение, что в пространстве непрерывно рождается вещество. Причем рождается столько, что этот процесс полностью компенсирует убыль из-за эффекта «расширения». Из вновь созданного материала образуются новые галактики, и средняя плотность вещества во вселенной не меняется.

«Рождение материи» происходит очень незаметно. В объеме, соответствующем знаменитому зданию СЭВ в Москве, должен родиться в год всего один атом вещества. И такой ничтожной, с нашей точки зрения, производительности вселенной вполне достаточно, чтобы поддержать плотность вещества в мире на одном уровне…

В том же году Фрэд Хойл, наверняка известный читателю и как астрофизик, и как автор популярных фантастических романов, выступил с аналогичной идеей, по-новому поворачивающей космологическую проблему. Хойл всегда выделялся смелостью и оригинальностью мышления. Научную деятельность его часто сравнивают с фейерверком — столько, смелых идей и неожиданных концепций он создал. Правда, это сравнение опасное: вспышки фейерверка быстро гаснут… А пока возвратимся на 23 года назад и внемлем Хойлу и его новой гипотезе.

Чтобы избавиться от грустной картины все время «разжижающегося» мира, Хойл также предложил модель «стационарного состояния расширяющейся вселенной». Он только несколько видоизменил уравнения Эйнштейна и вывел модель Бонди и Голда как следствие новых уравнений поля. Чтобы объяснить возникновение галактик, Хойл предположил, что в пространстве рождается водород, и даже ввел понятие некоего «творящего поля», отмахнувшись от того, что подобные процессы физикам неизвестны.

«…откуда берется материя? Ниоткуда! Материя довольствуется тем, что возникает в готовом виде…

В прежних теориях предполагали, что в некоторый данный момент возникло целиком все количество материи во вселенной и весь процесс творения представлялся как гигантский взрыв. Что касается меня, то я нахожу эту идею гораздо более странной, чем идею непрерывного творения», — писал Хойл в 1952 году.

И несмотря на столь явно субъективный характер гипотезы, она показалась, привлекательной и стройной многим астрономам. «Устранялось разногласие между возрастом Земли и вселенной — мир вечен»! Устранялось и такое неприятное явление, как взрыв-созидатель, который в силу своей уникальности не поддавался объяснению, «…мне претит сама мысль о том, что для объяснения наиболее общих черт нашего бытия необходимы „начальные условия“. Это значило бы, что вселенная — весьма убогая штука, способная лишь громыхать, как огромный завод, да и то после долгой наладки, подобно той старой автомашине, которую я водил в первые послевоенные годы. В космологических исследованиях я придерживаюсь точки зрения, что все важные черты вселенной уже содержатся в ее законах, а не привносятся извне».

В этих словах Ф. Хойла, сказанных в 1963 году, выражено достаточно четкое кредо. Запомните эту дату — 1963 год. Нам она еще понадобится. А пока, начиная с 1948 года, гипотеза Хойла обрастала сторонниками и все новыми и новыми подробностями. «Кто знает, может быть, где-то в неисследованных недрах галактик скрывается механизм, рождающий „нечто из ничего“», — думали сомневающиеся и осторожные, не решаясь открыто возражать напористым англичанам. А профессор Р. Литтлтон, член Лондонского королевского общества и Королевского астрономического общества, даже придумал впечатляющую аналогию этого процесса, спекулируя на том, что мы живем в четырехмерном мире. Аналогия, как обычно в таких случаях, основывается на понижении мерности пространства с целью повышения наглядности.

Итак, представьте себе ведро, наполненное водой. Поверхность воды — наш плоский мир, в котором лежит, распластавшись, уже знакомый нам представитель — плоскун или плоскатик. А теперь вообразим, что пошел дождь. Капли падают на поверхность нашего плоского мира, создавая у плоскатика впечатление «рождения вещества». Ведь понятие «дождь» из третьего измерения ему не доступно. Дождевые капли переполняют ведро и переливаются через край, аналогично эффекту галактик, уходящих за горизонт событий в нашем мире. Вот и получается — все на месте. И «рождение вещества», и «расширение Вселенной», и ее «стационарность».

Была, конечно, маленькая загвоздка и в этом объяснении. Почему же все-таки вселенная расширяется? На этот вопрос попытались подробно ответить совместно с Р. Литтлтон и Г. Бонди в 1959 году, выдвинув модель «Электрической вселенной». Оба специалиста высказались за то, что расширение вселенной можно объяснить электрическим отталкиванием. Для этого достаточно было предположить совершенно ничтожное неравенство положительного и отрицательного зарядов.

Литтлтон был даже уверен, что в лабораторных условиях проверить эту гипотезу окажется нетрудно. В 1961–1963 годах В. Хьюз с сотрудниками сумел доказать, что величина неравенства зарядов не наблюдается и при точности измерений на два порядка выше предсказанной (то есть ). После этого гипотеза электрического отталкивания потеряла в глазах исследователей всякую привлекательность; да и сами авторы как будто настроены к ней сейчас весьма скептически.

Что ж, время идет. Наука развивается. Постепенно стали возникать и некоторые теоретические неувязки. Например, математическим эквивалентом вселенной Бонди — Голда и Хойла является пустая математическая модель де Ситтера, о которой мы уже говорили. Для модели де Ситтера закон Хаббла — точный закон, для любых расстояний. Наблюдения же этого не подтверждают…

Хотя гипотеза стационарной вселенной и пользовалась популярностью, многие советские и зарубежные физики и астрономы отказывались ее принять. Однако такие вопросы не решаются голосованием и даже авторитетными теоретическими рассуждениями. Так, например, когда в сентябре 1952 года Вальтер Бааде выступил в Риме на конгрессе Международного астрономического союза с заявлением о необходимости пересмотреть шкалу внегалактических расстояний и увеличить возраст вселенной, то это уже само по себе снижало необходимость и злободневность гипотезы стационарной вселенной. Однако для открытой и безоговорочной критики время еще тогда не пришло. Прерогатива произнесения приговора над любой теорией принадлежит эксперименту.

Правда, нашелся в том же году один откровенный противник теории Бонди — Голда и Хойла… папа римский. Да, да, все тот же неугомонный Пий XII заявил с высоты апостольского престола, что теория стационарной вселенной не годится, ибо не соответствует божественному откровению. Согласно библии ведь мир «был сотворен»! В этом отношении «большой взрыв» папу устраивал куда больше. Но, кажется, возражения католического пастыря особенно никого не взволновали. Гораздо важнее было решить вопрос с экспериментом.

Мог ли помочь опыт подтвердить или отвергнуть справедливость стационарной космологии? Да, мог! В модели Хойла, Бонди и Голда средняя плотность вещества неизменна во времени. В расширяющихся же моделях в прошлом плотность должна была быть значительно выше, чем сейчас.

В модели стационарной вселенной мир, отделенный от настоящего времени миллиардами лет, ничем не отличался от современного. Релятивистская космология предусматривала определенную эволюцию вселенной во времени.

Какой же провести эксперимент? Измерить точно среднюю плотность вещества во вселенной — такую задачу решить сегодняшней науке не под силу. Сосчитать, как меняется количество галактик с увеличением расстояния, — дело тоже пока безнадежное, потому что очень уж трудно с достаточной точностью измерять расстояние до самых удаленных звездных островов. Если бы все галактики были одинаковы, а то ведь свойства их чрезвычайно различны. Различны и яркости, являющиеся одним из главных критериев расстояния.

И вот наступил 1963 год; год, когда, как пишет Дж. Гринстейн, «астрономы обнаружили, что пять небесных объектов, которые считались слабыми звездами нашей Галактики, хотя и несколько необычными, на самом деле являются, быть может, самыми удивительными и загадочными объектами, когда-либо наблюдавшимися человеком». В 1963 году были открыты квазары!

Конечно, сам факт этого открытия еще ни о чем не говорил, хотя именно эти удивительные объекты звездного мира погубили теорию стационарной вселенной. Как вы помните, все они обладают значительными красными смещениями. То есть этих «монстров звездного мира» мы видим сейчас такими, какими они, а следовательно, и вселенная, были 3, 5, 7 и даже 9 миллиардов лет назад. В пространственно-временной дали старой вселенной странных объектов множество. В непосредственной же близи к нам, ну хоть до миллиарда световых лет, их нет ни одного.

Итак, наблюдения последних лет: открытие квазаров и особенно «реликтового излучения» — окончательно доконали гипотезу стационарной вселенной Бонди и Голда. Существует мнение, что если бы «реликтовое излучение» было открыто на двадцать лет раньше, подобная гипотеза даже не возникла бы. На сегодняшнем уровне знания можно считать доказанной гипотезу о расширении, об эволюции вселенной во времени.

Понимали это и авторы, и защитники гипотезы стационарной вселенной. Сам Ф. Хойл, — заканчивая на лекциях раздел, посвященный квазарам, вынужден был признать: «Возможно, что мы наконец-то получили ключ к связи между космологией и астрономией. Квазары выглядят так, как согласно некоторым космологическим теориям выглядела наша вселенная при ее возникновении. Последние десять лет (1955–1965) существовали так называемая теория „большого взрыва“, согласно которой вся вселенная произошла одновременно, и „теория стационарной вселенной“, по которой образование нуклонов спокойно происходит все время. Возможно, истина лежит где-то посередине. Возможно, наличие квазаров свидетельствует, что во вселенной вместо одного большого взрыва происходит множество маленьких. Тем не менее эти маленькие взрывы гораздо мощнее, чем спокойные процессы теории стационарной вселенной».

Этими словами автор гипотезы стационарной вселенной отказался от своего детища. Что же, на это надо иметь немало мужества. Чаще люди бывают не в силах, обнаружив свое заблуждение, признать ошибки. Сегодня разбегание галактик и квазаров можно считать, пожалуй, доказанным. Можно признать и то, что модель расширяющейся вселенной наиболее точно соответствует уровню современных знаний. А вот гипотеза стационарной вселенной оказалась безумной явно недостаточно.

Когда-то очень давно, может быть в самом начале нашей эры, кроме трех наиважнейших «наук»: магии, астрологии и алхимии, — весьма большим почетом пользовалась мистическая религиозная философия, изложенная в еврейских каббалистических сочинениях. Последователи каббалы, что на древнееврейском означало просто «предание», занимались символическим толкованием священных текстов, придавая словам и числам особое мистическое значение.

Но позвольте, скажет возмущенный читатель, при чем тут какие-то престарелые каббалисты, когда разговор идет о XX столетии?..

А вот при чем. Откройте-ка второй том физического энциклопедического словаря на странице 496. В статье «Космология», принадлежащей перу A. Л. Зельманова, в разделе «Основные затруднения, сыгравшие явную или неявную роль в появлении новых теорий…» под номером 2 стоит: «…2. Необъясненная эмпирическая связь межгалактических параметров с микрофизическими константами».

Что это значит?

В тридцатые годы Артур Эддингтон, весь переполненный идеями относительности, в целях популяризации задумал сосчитать… количество элементарных частиц во вселенной.

— Что за задача? — удивились многочисленные философы от физики и физики от философии. — Как можно счесть бесконечное в необъятном?..

Однако согласно теории относительности можно было представить вселенную замкнутой и вычислить ее диаметр и объем. Диаметр оказался равным примерно 10²⁸ сантиметров, а объем приблизительно 10⁸⁴ кубических сантиметров. Среднюю плотность вещества Эддингтон тоже знал; по оценкам того времени она равнялась примерно 10^-28 г/см³. Если теперь помножить объем на плотность, получится масса вещества вселенной что-то порядка 10⁵⁶ грамма. Масса же одного нуклона составляет примерно 10^-24 грамма. Тогда количество частиц во вселенной найдется простым делением 10⁵⁶ : 10^-24 = 10⁸⁰. Это огромное число.

Но почему оно так поразило Артура Стэнли Эддингтона, что в своей работе «Фундаментальная теория» он отводит едва ли не центральное место математическому манипулированию с большими безразмерными коэффициентами — мировыми постоянными?

Отойдем еще чуть-чуть назад во времени, примерно в двадцатые годы. В Бристольском университете решает проблему получения высшего технического образования долговязый студент по имени Поль Дирак. Пройдет совсем немного лет, и весь мир узнает его полное имя Поль Адриен Морис Дирак. Хотя это вовсе и не принято в Англии. Пока же он Поль, или Пол, — парень со складом ума, малопригодным для инженерной деятельности.

Однажды товарищи по курсу показали ему конкурсную задачу, которую дали в Кембридже на какой-то ежегодной студенческой конференции или олимпиаде. Условия звучали так: «Трое рыбаков поехали ловить рыбу. Ненастная ночь заставила их укрыться в одинокой пустой хижине. Чтобы переждать непогоду, рыбаки уснули. Однако одному из них не спалось. Выглянув на улицу и убедившись, что буря утихает, он решил забрать свою долю улова и отправиться домой, не беспокоя товарищей. При дележке одна рыба оставалась лишней. И дабы никому не было обидно, первый рыбак выкинул ее в море.

Вскоре после его ухода проснулся второй рыбак. Не зная, что дележ уже состоялся, он заново разложил улов на три части, получил лишнюю рыбу, выкинул ее в море, забрал свою долю и уехал домой.

С третьим рыбаком вся история повторилась. И он делил улов на три части, кидая лишнюю рыбу в море, брал свою долю и отправлялся восвояси.

Спрашивалось, какое минимальное число рыб удовлетворяло этому условию?»

Впервые кембриджскую задачу автор услыхал, будучи также студентом на семинаре по физике от прекрасного преподавателя доцента С. Б. Врасского. И насколько помнится, довольно долгое время был занят вместе с товарищами ее решением. Однако сообщенный С. Б. Врасским ответ Дирака ошеломил нас всех.

Дирак представил решение с ответом: «минус две рыбы»! Какое дело математике до того, положительными или отрицательными окажутся рыбы…

После окончания Бристольского университета П. А. М. Дирак специализируется по теоретической физике в Кембридже. В 1928 году работает у Резерфорда, строит релятивистскую теорию движения электрона. Занимается многими фундаментальными вопросами теоретической физики. Но нас интересуют работы Дирака, связавшие расчеты Эддингтона с неожиданной идеей о непостоянстве мировых констант. Некогда еще Пуанкаре высказывал идею о непостоянстве фундаментальных постоянных. Но для того чтобы хоть о чем-то говорить определенно, постоянные (или константы), казалось бы, необходимы.

Познакомившись с расчетами Эддингтона, Дирак в 1937 году решает ввести в качестве единицы измерения времени одну из величин, характеризующих мир на его элементарном уровне — время так называемых сильных взаимодействий 10^-23 сек. Грубо говоря, такое время требуется элементарной частице, чтобы со скоростью света переместиться на расстояние, равное своему диаметру. Если подсчитать в новых единицах время существования вселенной (мы имеем в виду расширяющуюся вселенную, Т = 13 млрд. лет), то получится 10⁴⁰. Интересная величина! Отношение диаметра вселенной (10²⁸ см) к размеру нуклона (10^-13 см) тоже примерно 10⁴⁰. Отношение квадрата диаметра нуклона к квадрату «планковского кванта пространства L²» (L² = G·h/c³; где h — постоянная Планка) снова 10⁴⁰.

Но самое интересное то, что число элементарных частиц во вселенной (10⁸⁰) равно квадрату безразмерного времени существования самой вселенной (10⁴⁰). Можно ли предположить, что такое соотношение — случайность, свойственная лишь нашей эпохе? Вряд ли… Реальнее считать, что это соотношение (10⁴⁰)² между временем и количеством частиц сохранялось всегда. А так как время существования вселенной непрерывно растет, то и количество частиц должно увеличиваться. Так мы, жонглируя межгалактическими параметрами и микрофизическими константами, добрались и до необходимости увеличения количества частиц с течением времени. Но и это было еще не все. Дирак взял отношение сил сильного взаимодействия к силам гравитации и опять получил 10⁴⁰. Значит, и эти величины связаны друг с другом? Но время существования вселенной, от «начала» и до сего дня, размерное оно или безразмерное, растет. Не значит ли это, что гравитационная постоянная должна уменьшаться?

Сам П. А. М. Дирак, высказав идею, охладел к ней. Война с Германией и другие проблемы заслонили от него вопрос — являются ли мировые константы функциями возраста вселенной. Его идеи подхватили другие. Так, тезис о «старении гравитации» породил целый водопад работ, развивающих высказанные английским физиком предположения.

В 1944 году немецкий физик-теоретик Паскуаль Иордан пытался реализовать идеи Дирака. Он предложил сферическую модель вселенной, линейно расширяющуюся со временем. В «мире Иордана» непрерывно возникала материя, а «постоянная» тяготения изменялась обратно пропорционально возрасту вселенной…

Эта теория явилась одним из многочисленных обобщений теории Эйнштейна. И, как видит читатель, с каждым из них может быть связана своя космология.

С течением времени космологии, основанной на теории относительности, пришлось иметь дело со все возрастающим количеством гипотез-конкурентов. Если период до начала второй мировой войны специалисты считают временем «развития теоретических представлений и накопления эмпирического материала о наиболее удаленных туманностях», то после войны наступило время обобщения этих результатов и подготовки новых теорий.

Математическими моделями вселенной занимаются многие выдающиеся специалисты у нас и за рубежом. При этом некоторые решения, даже не подходящие для описания действительности, дают мощные толчки развитию чистой теории.

Возникает вопрос: можно ли считать числовое манипулирование коэффициентами чистой спекуляцией? «10⁴⁰» — модное число XX века! Но выражает оно какую-либо закономерность или имеет примерно тот же смысл, что и число десять в учении пифагорейцев, сейчас трудно сказать. Анализ еще до конца не доведен. А у обоих полярных взглядов имеются свои авторитетные сторонники и свои не менее авторитетные противники. Так что подождем…

Сегодня клан ученых, пытающихся реализовать идеи Дирака, возглавляет Роберт Дикке — молодой и исключительно активный профессор Принстонского университета. Это ему принадлежит интерпретация непонятного шумового фона как «реликтового излучения». Он же провел и великолепный эксперимент по проверке равенства инертной и гравитационной масс, повысив точность существовавших до него результатов сразу на три порядка.

Вместе со своим аспирантом Брансом Р. Дикке предложил новую теорию развития вселенной. Его модель не нуждалась в «творящем поле Иордана», и постоянная гравитации менялась в ней пропорционально времени, а не обратно пропорционально, как в предыдущих теориях. В общем, теория производила очень хорошее впечатление, пока дело не дошло до расчетов.

Согласно теории Дикке — Бранса перигелий орбиты Меркурия вращался, обгоняя классическую теорию на 39 секунд, вместо 43 секунд по теории Эйнштейна. Чтобы убрать неувязку, Дикке предполагает, что Солнце сплющено, и эта сплющенность вносит поправку в те самые 4 угловых секунды за столетие. Мало того, Дикке проводит эксперимент и объявляет, что сплющенность нашего светила доказана… Правда, научным экспериментом называется обычно то, что в аналогичных условиях может быть повторено другими.

Результат наблюдений Дикке пока еще никем не подтвержден. Однако его теория, основанная на реализации идей Дирака, сегодня рассматривается многими как главный конкурент общей теории относительности. Справедливо ли это мнение или ошибочно — покажет время.

В Стокгольме в Королевском технологическом институте отдел физики плазмы возглавляет, по выражению академика Б. П. Константинова, один из «интереснейших и оригинальных физиков и астрофизиков нашего времени», профессор Г. Альвен. Его работы в области магнитной гидродинамики, совсем молодом, но чрезвычайно быстроразвивающемся разделе современной физики, трудно переоценить. За научные достижения профессор Г. Альвен избран в 1966 году иностранным членом Академии наук СССР. Физикам известны многие глубокие исследования Альвена. Но вот совсем недавно вышла в издательстве «Мир» популярная книжка шведского профессора, посвященная описанию космологической гипотезы, которую Г. Альвен уже давно разрабатывает вместе с профессором О. Клейном. Суть гипотезы заключается в том, что оба автора, положив в основу своих взглядов концепцию о полной зарядовой симметрии мира, приходят к выводу о равноправности существования во вселенной как вещества, так и антивещества. И на этой базе вырастает гипотеза происхождения вселенной. Вот как определяет профессор Г. Альвен задачи, которые он видит стоящими перед собой:

«В нашем анализе мы старались не прибегать к каким-либо новым законам природы; напротив, мы старались понять, как далеко можно продвинуться, опираясь на уже известные законы. Иными словами, мы пытались включить проблемы космологии в систему идей лабораторной физики. Мы избегали также постановки вопросов: каким образом возникла вселенная и как далеко находятся ее границы, если таковые вообще существуют? Мы скромно ограничились рассмотрением последнего триллиона лет во времени и ближайшего триллиона световых лет в пространстве»…

Альвен и Клейн начинают рассматривать вселенную с момента, когда огромное сферическое пространство, заполненное сильно разреженной первоначальной плазмой с одинаковым содержанием протонов и антипротонов, подчиняясь законам тяготения, медленно сжимается. На какой-то стадии сжатия плотность плазмы достигает такой величины, что становятся заметными процессы аннигиляции, порождающие излучение. Излучение (главным образом, в виде гамма-лучей и радиоволн) накапливается, повышается его давление, которое останавливает сжатие. А потом наступает радиационный взрыв. Сжавшаяся плазма переходит в состояние расширения, которое продолжается и по сей день, о чем достаточно красноречиво свидетельствует галактическое красное смещение.

Но где же здесь галактики, звезды, планеты наконец? Неужели всюду плазма, да еще состоящая поровну из частиц и античастиц?.. Авторы гипотезы считают, что галактики должны образовываться одновременно с разлетанием, то есть с момента взрыва все идет так, что мало чем отличается от модели Гамова. Вот только антивещество… Сколько звездолетов стартовало со страниц фантастических романов в другие звездные системы, имея на борту «полные баки вещества» и не менее полные баки антивещества. «Встречаясь в фокусе гигантского зеркала, вещество и антивещество аннигилировали, разгоняя звездный корабль до скоростей, близких к световым».

А теперь антифантастика.

Случалось ли вам брызнуть на раскаленную плиту? Наверняка случалось. И что? Ничего? В следующий раз будьте во время эксперимента внимательнее.

«Если уронить каплю воды на плиту, нагретую немного больше 100 °C, капля почти мгновенно с шипением испарится, — пишет Г. Альвен в своей книжке „Миры и антимиры“. — Если температуру увеличить еще немного, капля как бы взрывается и исчезает за доли секунды. Но если нагреть плитку до нескольких сот градусов, докрасна, то происходит другое явление. Капля не испаряется мгновенно, она может оставаться на нагретой пластинке более 5 минут. Она начинает дрожать и метаться из стороны в сторону, постепенно уменьшаясь в размерах, прежде чем совсем исчезнуть».

Объяснение простое — между раскаленной плитой и каплей возникает слой пара, который служит изоляцией при передаче тепла. Чем выше температура плиты, тем толще слой пара — лучше изоляция, дольше держится капля. Просто, а выглядит парадоксом.

Это явление было исследовано и описано еще в XIX столетии, получив название эффект Лейденфроста, по имени первооткрывателя. А теперь вернемся на борт звездолета, движущегося с помощью аннигиляции. Выброшенные магнитными пушками, встречаются в фокусе отражателя куски вещества с антивеществом. Взрыв? Ослепительная вспышка ярче солнечного протуберанца?..

Ничуть не бывало. Не зажмуривайте глаза, не накрывайтесь белой простыней. Вспышка? Вроде есть, только маленькая, типа трамвайной искры. А дальше? Дальше неслышно (явление происходит в неслышном глубоком вакууме) оба куска разлетаются в разные стороны. Эффект, аналогичный явлению Лейденфроста. При первом соприкосновении вещества и антивещества произошла аннигиляция, и силы начавшегося взрыва разметали куски в разные стороны. Конечно, может быть, сравнивать начало аннигиляции с искрой на трамвайной дуге и не очень прилично, а главное, обидно для фантастов, но существует предположение, что реакция аннигиляции должна происходить довольно медленно, «сечение взаимодействия», как говорят специалисты, недостаточно для того, чтобы реакция аннигиляции протекала интенсивно.

А теперь вернемся ко вселенной. В начальный момент расширения, после радиационного взрыва, плазма горяча. Горячая плазма обладает прекрасной электропроводностью. В разлетающейся вселенной генерируются и бушуют магнитные поля. Они-то и играют роль сепаратора, отделяя положительно заряженные протоны от отрицательно заряженных антипротонов; не дают им сгореть, «проаннигилировать» всему веществу. В дальнейшем плазма из частиц создаст вещество, из него сконденсируются галактики, звезды, планеты, появится человек. Из античастиц произойдет все так же, только с соответствующей приставкой «анти».

Альвен и Клейн считают, что даже в пределах нашей Галактики могут существовать звезды из вещества и антивещества. Вы скажете: «А ну, как сблизятся?» Что ж? Еще на дальних подступах реакция аннигиляции настолько поднимет давление излучения в пограничном слое («слое Лейденфроста»), что тела из вещества и антивещества тут же начнут разбегаться в разные стороны. Альвен пишет, что «слой Лейденфроста» может быть очень тонким по космическим масштабам. При определенных условиях его толщина остается в пределах 0,001 светового года и даже меньше. Такой толщины, по-видимому, достаточно для эффективного разделения койновещества и антивещества. (Койновеществом шведский физик называет обычное вещество нашего мира.)

Интересно отметить, что отличить звезду от антизвезды чрезвычайно трудно. Электромагнитное излучение обеих в принципе одинаково. Другое дело, если бы научиться регистрировать нейтрино и антинейтрино от далеких светил. Но судьба «нейтринной астрономии» пока что весьма неопределенная.

Академик Б. П. Константинов говорит, что взгляды Альвена и Клейна о равноправии вещества и антивещества во вселенной не разделяются большинством физиков и астрономов. «Я бы даже сказал, что эта гипотеза вызывает у физиков в какой-то степени отвращение». Причина — отсутствие доказательств существования антивещества во вселенной, а также нарушения симметрии при взаимодействии элементарных частиц и при бэта-распаде.

«По имеющимся сейчас данным, вполне возможно, что вселенная состоит только из протонов и электронов наряду с четырьмя видами нейтрино, а также квантов электромагнитного излучения. Но и это положение так же, как и гипотезу Альвена и Клейна, нельзя считать доказанным. Именно поэтому книга Альвена представляет большой интерес» — так заканчивается послесловие к книге «Миры и Антимиры», содержащей еще одну любопытную гипотезу развития вселенной.

Можно описать много любопытных гипотез. Рассказать об идее профессора К. П. Станюковича, согласно которой мир возник в результате столкновения двух элементарных частиц… Или описать гипотезу Дж. Уиллера и Мизнера, согласно которой электрические заряды есть проявление особых свойств самого пространства; гипотезу Р. Фейнмана о так называемой «нейтринной вселенной».

Много, очень много интересных, в высшей степени остроумных идей высказано по поводу образования и развития вселенной. И в каждой, безусловно, заложено какое-то рациональное зерно. Ведь идеи высказывают люди, обладающие большими знаниями. Они сами прежде всего стремятся к тому, чтобы ничто в их предположениях не противоречило существующим законам. Новая теория, какой бы она ни была «сумасшедшей», не имеет права отрицать проверенные опытом старые законы. Она может их лишь обобщать, может подниматься над ними. Без соблюдения этого условия никто просто не станет рассматривать «новые» идеи.

Времена греков в длинных хитонах ушли безвозвратно. Это они, мудрецы и философы, создавали свои гипотетические построения, шагая по дорожкам и рассуждая. Только рассуждая… Сегодня этого мало. «Тем, кто не знает математики, трудно постичь подлинную, глубокую красоту природы… — говорит Р. Фейнман в лекциях о связи математики с физикой. — Она (природа) дает информацию лишь в одной форме, и мы не вправе требовать от нее, чтобы она изменила свой язык, стараясь привлечь наше внимание…»

Сложные и тонкие математические построения, развивающаяся теория тяготения, теория элементарных частиц, квантовая теория — вот далеко не полный научный арсенал современной космологии. Человечество накопило уже большой запас знаний, и не исключено, что еще нынешнее поколение явится свидетелем мощного качественного скачка, аналогичного перевороту, совершенному Эйнштейном, но уже на другом и, надо думать, более высоком теоретическом уровне.

«Если отказаться от принципа противоречия, то все суждения окажутся на одном уровне достоверности, и будет невозможно отличить среди них суждения истинные от суждений ложных», — пишет философ Берроуз Данэм в книге «Человек против мифов». Чего-чего, а противоречий в космологии хватает. Пожалуй, ни в одной другой науке не найти столько конкурирующих гипотез и столько недоразумений. Одно время среди части ученых даже дискутировался вопрос: можно ли считать космологию вообще наукой?

Сомнения усугублялись тем, что наблюдения внегалактической астрономии, поставляющие основной эмпирический материал космологии, в лучшем случае лежат на грани, на пределе возможностей астрономической техники. Чаще же они уходят за эти пределы. И тогда результаты эксперимента приобретают функциональную зависимость от фантазии экспериментатора, допуская самое широкое толкование этих результатов.

Практически в первой половине текущего столетия любую космологическую схему можно было согласовать с данными наблюдений, лишь слегка «подогнав» результаты. Если же те или иные данные противоречили выбранной модели, их можно было безнаказанно объявить неточными или даже просто неправильными. При таком положении дела в ряды космологов прибыло немало теоретиков, каждый из которых холил и лелеял свою собственную гипотезу, собственную модель.

Классическая физика вплоть до начала XX столетия придерживалась с «легкой руки» Бэкона и Ньютона в основном «наивнореалистической концепции» о природе научных понятий. (Так называют эту точку зрения видные советские философы: член-корреспондент АН СССР П. В. Копнин и профессор П. С. Дышлевый.) Заключалась она в том, что любое понятие считалось «прямым непосредственным отражением какого-то элемента объективной реальности». Однако, по мере накопления новых фактов, по мере возникновения необходимости в понятиях, не имеющих наглядности, физики были вынуждены все больше отходить от этой концепции.

В такое «неустойчивое» время появилась общая теория относительности. Несмотря на то что суть ее уходила корнями в огромные пласты опытных результатов и прошлых теорий, внешне она имела вид более априорный, чем, например, даже такая вершина абстрактного мышления античности, как эвклидова геометрия. Эта кажущаяся априорность послужила причиной возникновения двух непримиримых лагерей в науке. Среди одной части физиков-теоретиков возникла идея вообще «полной реконструкции физики на аксиоматической базе». Это означало отказ от опыта и вывод всех физических законов из немногих аксиом. Особенно ратовали за такую постановку вопроса англичане А. Эддингтон и Э. Милн. Исходя из идеи Канта о том, что истинная наука начинается тогда, когда разум диктует природе законы, а не заимствует их у нее, Эддингтон писал: «Во всей системе законов физики нет ничего, что не могло бы быть недвусмысленно выведено логически из соображений теории познания».

Английский астрофизик Э. Милн не ограничился, подобно А. Эддингтону, провозглашением доктрины априорности знания. Он самым серьезным образом попытался построить стройную систему теоретических знаний, положив в ее основу один лишь космологический принцип. Из этой системы, по его мнению, можно было вывести логическим путем, не обращаясь к эксперименту, все основания геометрии и физики. Эта позиция встретила резкую критику со стороны многих видных деятелей науки, «…я считаю, что эти идеи представляют собой значительную опасность для здорового развития науки», — писал Макс Борн, посвятив философии Эддингтона и Милна свой доклад, прочитанный на собрании Деремского философского общества и Общества чистой науки Королевского колледжа в Ньюкасл-апон-Тайне 21 мая 1943 года. Оба не нашли новых плодотворных идей для своей системы взглядов и остались в плену древней концепции об априорности знаний.

Впрочем, нашлись и другие представители науки, которые, обвинив первых в неоаристотелианстве, ударились в другую крайность. Они требовали, чтобы все без исключения научные принципы выводились только из опыта; от частного результата опыта к обобщению. Любой результат теории — частный или общий — должен был, по мнению «ложных галилеанцев» (именно так окрестили представителей этого направления философы), вытекать непосредственно из эксперимента.

Подобные метания из стороны в сторону, возникновение множества противоречивых теорий, гипотез и моделей, отсутствие надежных опытных данных привели к «величайшему смятению и путанице в умах астрономов». Многие понятия нуждались в уточнениях, и прежде всего следовало разделить сферы влияния естествознания и философии, научиться делать философские обобщения на базе экспериментальных и теоретических данных, а не пытаться втиснуть результаты опыта в готовую философскую схему. Естествознание не может существовать без философии, которая обобщает выводы, подготавливая платформу для следующего прорыва в неизвестность. Но философия слишком могучее оружие, чтобы им пользоваться неосмотрительно и легкомысленно.

Не нужно забывать мысль, высказанную Владимиром Ильичем Лениным об истинно философской постановке проблемы: «Вопрос не о том, есть ли движение, а о том, как его выразить в логике понятий».

Примером правильного и мудрого подхода к философскому обобщению достижений естественных наук может служить путь, показанный Владимиром Ильичем. Часто возникает вопрос: как мог В. И. Ленин, не считавший себя специалистом в области естественных наук, прийти не только к таким плодотворным предвидениям, как, например, о неисчерпаемости электрона, но и к выводам, которые имели важное принципиальное значение для развития всей науки в целом? Ответ на этот вопрос содержится в словах самого В. И. Ленина: «Само собой разумеется, что, разбирая вопрос о связи одной школы новейших физиков с возрождением философского идеализма, мы далеки от мысли касаться специальных учений физики. Нас интересуют исключительно гносеологические выводы из некоторых определенных положений и общеизвестных открытий. Эти гносеологические выводы до такой степени напрашиваются сами собой, что их затрагивают уже многие физики. Мало того, среди физиков имеются уже различные направления, складываются определенные школы на этой почве. Наша задача поэтому ограничиться тем, чтобы отчетливо представить, в чем суть расхождения этих направлений и в каком отношении стоят они к основным линиям философии».

Несомненно, правильно мнение, что естественные науки не могут развиваться в отрыве от философии, которая обобщает их выводы и помогает строить догадки. Но не менее правильно и то, что сама философия без животворного влияния естественных наук становится мертвой схемой.

Среди философов существуют различные взгляды на то, что понимать под вселенной. Одна часть считает, что физические законы, открытые для окружающего нас мира, могут быть распространены на «всю материю вообще». Так, например, саратовский профессор Я. Ф. Аскин считает, что, пока нет доказательств того, что тот или иной физический закон ограничен определенными рамками, его можно (и нужно) распространять на весь материальный мир. По аналогии с юриспруденцией Я. Ф. Аскин формулирует даже некий принцип «презумпции экстраполируемости».

Не пугайтесь сложности терминологии. Юридически «презумпция» соответствует признанию факта достоверным, пока не будет доказано обратное. Термин же «экстраполяция» может быть спокойно заменен словом «распространение», так как обозначает он распространение понятий и законов, относящихся к одной определенной области, на другую область. Принцип распространения законов, выведенных для ограниченной области вселенной, на весь мир вообще вводится по аналогии с юридическим принципом «презумпции невиновности». «Презумпция невиновности, — пишет Я. Ф. Аскин, — заключается, как известно, в том, что человек не должен доказывать свою невиновность; доказать, что он виновен, должны те, кто его обвиняет, и, пока это не доказано, он не считается виновным. Точно так же и в науке: до тех пор, пока не доказано конкретно, что данная закономерность ограничена в таких-то рамках в силу таких-то обстоятельств, не существует запрета на право ее экстраполирования». Интересная точка зрения, правда?

С другой стороны, профессор Ленинградского университета В. И. Свидерский возражает против такого неограниченного (глобального) распространения физических законов на «весь материальный мир вообще». По мнению ленинградского философа, космология не может претендовать на роль науки о мире в целом — такой наукой является философия, и лишь философия должна решать вопросы о конечности и бесконечности мира. Космологии при такой постановке вопроса остается лишь роль некой частной теоретической дисциплины.

Перед нами две крайние точки зрения. Однако существуют и другие.

Академик Г. И. Наан в большой и чрезвычайно интересной статье «Понятие бесконечности в математике и космологии» пишет: «Понятие бесконечности не может быть выведено непосредственно из физических явлений. Но тем интереснее сравнить выводы математики, которая больше всего связана с понятием бесконечности, с теми физическими явлениями, описанием которых они могли бы быть. Наибольшие возможности для этого дают явления космологического масштаба».

В нашей книжке мы с самого начала усадили философию и точные науки за круглый стол, тем самым старательно подчеркивая равноправие собеседников. Однако равноправие отнюдь не снимает остроты и серьезности проблемы: кому и чем заниматься? Что является прерогативой философии, а что — естествознания? Академик В. Л. Гинзбург пишет о «размежевании» сфер исследования: «Когда философ задумывается над какой-нибудь проблемой, имеющей отношение к естествознанию, то, как мне представляется, он раньше всего должен спросить себя: является ли данная проблема философской или естественнонаучной?..

…Материалистическая позиция в космологии состоит в признании существования вселенной совершенно независимо от человеческого познания и фактически до его появления. Кроме того, имея в виду не только субъективный идеализм, но также объективный идеализм и религию, подчеркнем, что материалист отрицает существование бога и вообще „чего-то“, стоящего за природой, „порождающего“ вселенную и т. п. К области философии относятся, кроме того, вопросы методологии и теории познания…

…Вопросы же о том, является ли пространство эвклидовым или неэвклидовым, конечен ли его объем или бесконечен, стационарна ли вселенная или нестационарна, какими законами управляется движение галактик — все это относится к области физики и астрономии, базируется на наблюдениях и экспериментах и контролируется ими».

При решении вопроса о бесконечности мира в пространстве и во времени большое эвристическое значение имеет ленинский принцип неисчерпаемости материи. Как считает советский философ А. М. Мостепаненко, из принципа качественной и количественной неисчерпаемости материи вытекает положение о многообразии в мире пространственно-временных форм и отношений с различными метрическими и топологическими свойствами. Следовательно, бесконечность мира не сводится к метрической (чисто количественной) бесконечности. Внегалактическая астрономия последних лет преподнесла космологам такие сюрпризы, что это потребовало усиления интереса ученых к топологической (качественной) структуре пространства-времени.

Автор берет на себя смелость напомнить, что топология — наука, изучающая свойства фигур, не меняющихся при любых возможных деформациях, за исключением разрывов и склеивания. Наиболее простым примером топологических свойств геометрической фигуры является ее размерность (число измерений). Так, линия одномерна, а поверхность имеет два измерения, тело — три… Или такое топологическое свойство, как «порядок связности», который зависит от количества «дырок» в геометрическом объекте. Так тор (бублик) имеет больший порядок связности, чем, скажем, сфера или плоскость, которые лишены отверстий. Еще, конечно, сложнее (и соответственно менее наглядно) обстоят дела с топологическими свойствами пространства-времени.

Именно за последнее время среди специалистов возникли серьезные и «обоснованные опасения», что топологическая структура пространства-времени намного сложнее, чем мы предполагали до сего дня. Например, «пространство может быть многосвязным, — пишет Г. И. Наан. — Могут существовать и иные „патологии“. В этом случае привычная постановка проблемы бесконечности в релятивистской космологии оказывается явно недостаточной».

Не исключено, что в мире существует множество различных пространственно-временных форм, которые могут быть как конечны, так и бесконечны, а к некоторым из них понятие метрической конечности и бесконечности может быть вообще неприменимым. Возможно, что имеет право на существование и гипотеза о неединственности нашей метагалактики. Но при этом в любом случае вопрос о метрической конечности или бесконечности нашей метагалактики должен решаться не философией, а опытным естествознанием.

А как обстоит дело с «началом», с самым что ни на есть первым моментом существования нашей вселенной? Как с позиции материализма примириться с «возникновением расширяющейся вселенной из нулевого объема»?

Если бы наше понятие вселенной действительно относилось к миру в целом, ко всему существующему, тогда решить вопрос о ее происхождении с позиций материализма было бы трудно. Потому что если материя была «сотворена», а, кроме материи в разных формах ее проявления, ничего больше материального не существует, то исходным мог быть только «дух»… Но поскольку оснований считать нашу метагалактику миром в целом нет, то и идеалистическая концепция неправомерна.

Мы убеждены, что мир не возникает из ничего! «Сотворение» можно рассматривать как качественный скачок — переход материи из одного состояния в другое. И то, что теория пока бессильна однозначно ответить на поставленный вопрос, означает лишь то, что пока, видимо, этот процесс — вне области применимости современной науки. Открывая новые законы, естествоиспытатель может и должен стараться расширить область их применения, экстраполировать свои выводы как можно дальше. Однако философы должны его постоянно предупреждать о том, что все эти законы и экстраполяции не безграничны.

«Вселенная, как объект космологии, — пишет советский философ В. В. Казютинский, — фактически охватывает целостный аспект „всего существующего“ не в абсолютном смысле, а применительно к определенному уровню развития человеческой практики. Тогда это понятие будет динамически развиваться вместе с наукой и любые „чудеса“ теории и наблюдений будут лишь обогащать наше знание.

То, что мы сегодня считаем несуществующим, завтра будет открыто, станет, таким образом, существующим с научной точки зрения и будет включено в наше понятие вселенной».

На этом автор и хотел бы закончить последнюю главу своей книжки, присоединившись к последним рассмотренным точкам зрения на перспективы развития космологии. Тем более что они, как кажется автору, исходят непосредственно из ленинского понимания предмета и методов научного познания.

«„Сущность“ вещей или „субстанция“ тоже относительны, — писал Владимир Ильич, — они выражают только углубление человеческого познания объектов, и если вчера это углубление не шло дальше атома, сегодня — дальше электрона и эфира, то диалектический материализм настаивает на временном, относительном, приблизительном характере всех этих вех познания природы прогрессирующей наукой человека. Электрон так же неисчерпаем, как и атом, природа бесконечна…»