Страница:
Часто спрашивают: на чем основана уверенность в том, что земные законы действуют где-нибудь на далеких звездах? Наблюдения спектров далеких звезд доказывают, что атомы, электроны, ядра там имеют те же свойства, что и на Земле и на Солнце, - значит, везде во Вселенной законы природы, физики, химии одинаковы. Конечно, эта одинаковость законов не исключает разнообразия условий и строения небесных тел - из одинаковых кирпичиков можно построить весьма различные здания.
Большим достижением нашего века является установление факта эволюции, изменяемой Вселенной. Звезды расходуют свой запас горючего - водорода. Горение здесь заключается в превращении водорода в гелий путем ядерных реакций. Удаляются друг от друга огромные скопления звезд. Частью такого скопления является и наша Галактика с ее 100 тысячами миллионов (единица и одиннадцать нулей) звезд. Иногда кратко говорят о расширении Вселенной. Нужно только помнить, что ни сама Земля, ни Солнечная система, ни Галактика не расширяются.
До сих пор речь шла о картине, установленной к середине нашего века. Новые достижения последних нескольких лет связаны с наблюдениями космического радиоизлучения, равномерно заполняющего всю Вселенную, то есть излучения, приходящего к нам со строго одинаковой силой, куда бы мы ни направили радиотелескоп. Ясно, что никакие отдельные источники радиоизлучения не дали бы такой картины.
Новое, открытое в 1965 г. излучение объясняется тем, что много миллиардов лет назад вся Вселенная была совершенно не похожа на современную. Все пространство было заполнено тем, что физики называют плазмой, - горячим газом, состоящим из электронов, ядер водорода и гелия (то есть протонов и альфа-частиц) и излучением. Частицы излучения (фотоны, раньше их называли кванты света) при этом даже преобладали. Вселенная расширялась, и в ходе этого расширения происходило постепенное изменение, остывание плазмы. Радиоволны, наблюдаемые в настоящее время, - это потомки горячего излучения в прошлом. Такой вывод подтверждается и спектром радиоволн, - теория позволяет правильно предсказывать потоки волн в разных диапазонах.
С охлаждением связано и выделение отдельных небесных тел. Всем известно, что при охлаждении теплого воздуха возникает туман: водяные пары, содержавшиеся в воздухе, превращаются в капельки воды. Нечто похожее происходит при охлаждении и с плазмой: электроны и ядра объединяются в атомы, атомы объединяются в облака газа, далее эти облака распадаются на отдельные звезды. Часть вещества и сейчас остается в форме газа.
Подробное теоретическое исследование процесса образования Галактик и звезд является одной из центральных задач астрофизики. Решить эту задачу очень трудно, но и чрезвычайно важно для научного мировоззрения. Эта задача профессионально заманчива для физика-теоретика, и я счастлив, Что принимаю участие в ее разработке и с огромным интересом слежу за успехами коллег теоретиков и за новыми наблюдаемыми данными. Каждый год приносит новые успехи в этой области. Вспоминаются слова Тютчева: "Блажен, кто посетил сей мир в его минуты роковые" ("роковое" имеет здесь смысл - "решающее, грандиозное, эпохальное", но не обязательно трагическое). Хочется изменить конец этого стихотворения. Поэт говорил: "Во всем величье видишь ты закат звезды его кровавой". А мы предвидим - и видим - восход ясного солнца науки, проникающего везде и познающего все - вплоть до самых отдаленных и в пространстве, и во времени областей Вселенной.
Е. И. Парнов,
кандидат химических наук
В эпицентре "большого взрыва"
На перекрестке вселенских дорог
"В те времена, когда сверху не было ничего, что называется Небом, и внизу не было ничего, что носит имя Земли, был только их отец Апсу и мать всего Тиамат (первоначальные океаны)", - учили когда-то халдейские жрецы. Потом, считали они, бог Мардук рассек Тиамат на части и сотворил всю окружающую нас природу. Но вначале, как говорил вавилонский жрец Берос, "были мрак и вода". Именно над этим мраком и водой "пребывал" (обычно переводится словом "носился") библейский дух божий, который якобы разделил потом воды и создал Небо и Землю.
Подобное чудотворное разделение вод мы встречаем почти во всех мифах о сотворении мира.
"Вначале небо (Нут) и Земля (Геб) лежали, крепко обнявшись, в первобытной воде (Ну). В день творения из вод поднялся новый бог Шу и поднял богиню Нут так высоко, что только пальцами рук и ног она могла коснуться Земли. Это и есть четыре столба, поддерживающие усеянный звездами небосвод - прекрасное тело богини". Так представляли себе рождение мира бритоголовые жрецы в дельте Нила.
А древнегреческий поэт Гесиод в своей "Теогонии" пел:
Здравствуйте, дочери Зевса, и дайте желанную песню, плавьте священное племя бессмертных, от века живущих,
Кои от звездного неба и ночи глубокой родились, И от Земли, и которых соленое море питало...
И все же мы очень мало знаем об истинных представлениях древних о мироздании.
Они оставили нам прекрасные сказания, в которых отражены их воззрения на людей и природу. Но как отражены? По большей части языком искусства, а ему ведь сврйствен свой, особый, образный строй и удивительная наивность ребенка, открывающего для себя мир. Вот именно эту поэтическую наивность мы нередко принимаем за подлинную сердцевину синкретического знания древних. И вполне возможно, мы здесь допускаем ошибку. Иначе как же объяснить невероятный скачок от прекрасного поэтического лепета к стройным системам греческих философов или к догадкам Вед?
Но другого выхода у нас, очевидно, нет. Если мы хотим хоть что-то сказать о далеких истоках нашего знания, мы просто вынуждены обращаться к мифам и поэмам, так как другими, более достоверными источниками не обладаем. Предположим на минуту, что древние люди действительно думали так же, как говорили в своих священных песнях. Пусть Брама, который "са!м себя родил и непостижим для нашего ума", сделал первобытный раствор доступным чувствам через пять стихий. Пусть бог света Ормузд создал из первичной материи сначала шесть верховных божеств, а уж потом небо, солнце, огонь и воду...
Для нас в данном случае не это важно. Важно то, что человечество издавна пыталось разрешить "вечный" вопрос, "вопрос вопросов": как и когда возник окружающий мир, Вселенная?
Нам выпало счастье жить в грозном и прекрасном веке, когда наука раскрыла многие тайны вещества и энергии, пространства и времени, сознания и жизни. В последнее время появились и четкие, полученные экспериментально данные, которые уже позволяют нам представить себе величественную картину эволюции Вселенной. Современная теория "большого взрыва", "большой вспышки" - это не наивный миф о сотворении мира, но она не лишена известной образности, можно даже сказать, поэтичности. В самом деле...
Данные астрофизики сегодня убедительно говорят: наш мир находится в состоянии "большого взрыва", и люди со своей небольшой планеты наблюдают за тем, как "раздувается" невообразимых размеров "пузырь", имя которому Вселенная. Поскольку галактики разлетаются от нас во все стороны, условно можно сказать, что мы находимся как бы в эпицентре этого события. На "границах" Вселенной разлетающееся вещество достигает световых скоростей (300000 км/сек). Мчась по замкнутым траекториям, кванты света "наливают" внутреннюю поверхность раздувающегося "пузыря" ослепительным сиянием. Но мы не видим этих сияющих "границ" - они ведь постоянно убегают от нас со скоростью света.
Да и разве можно назвать границами то, что отделяет нас от "ничто" и уносится в "никуда"?..
Окинем же оком простирающиеся вокруг нас туманные бездны! В отличие от древних вавилонян, ученые сегодня не только пассивно наблюдают звездный мир, но и активно исследуют его, даже сумели его измерить. Достоверность, реальность, число и мера - вот что прежде всего отличает наше знание от представлений древних людей, от их легенд и мифов.
Итак, теперь известно: расширяющаяся Вселенная в данное время простирается примерно на 1010 световых лет, или на 1028 сантиметров. Цифры эти невообразимо велики. Чтобы наглядно представить себе их, понять, какие пространства мы исследуем, сидя на своей планете, достаточно сказать, что сам человек в 1026 раз меньше Вселенной, которую он дерзновенно посмел измерить. В самом деле, гамбургский математик Г. Шуберт как-то на досуге подсчитал, что 29 апреля 1902 г. в 10 часов 40 минут истек ровно 1 миллиард минут с начала нашего летосчисления. А ведь 1 миллиард - это "только" 109! Привычные земные масштабы не позволяют даже приблизительно ощущать необъятность такой разницы. И Человек велик уже одним тем, что сумел найти ее.
Обратимся теперь к другой дороге, ведущей нас в сердце мироздания, - в микромир. Самое малое из известных сегодня ученым расстояний - 10-14 сантиметров. Оно отличается от самого большого в 1042 раз. Это значит, что диаметр элементарных частиц в 1042 раз меньше диаметра Вселенной.
Давайте теперь вдумаемся в эти цифры! По сути дела, они - границы нашего познания на сегодняшний день, измеренные отрезки дорог, ведущих невообразимо далеко. 10 в 42-й степени - это столь много, что никто даже не может вразумительно разъяснить, как действительно велико такое число. Но все же попробуем представить себе его.
Допустим, что до таких размеров увеличилось число людей. Земной шар может вместить лишь 1015 человек, да и то, если они станут на планете вплотную - локоть к локтю. Подсчитано, что во всей необъятной Вселенной имеется примерно 1021 звезд. Если предположить, что у каждой звезды есть 10 планет, то мы получим число планет, близкое к 1022. Теперь, если все эти планеты заселить, подобно Земле, то есть поставить на них людей плечом к плечу, то удастся разместить на них 1037 человек. И все же это намного меньше, чем цифра "1042". Нет, не представить нам с помощью привычных образов число 1042!
Давайте теперь от пространственной характеристики исследуемого мира перейдем ко времени.
Если, например, взять самое малое из известных нам расстояний - 10-14 сантиметров, то этот путь свет успевает пройти за 10-24 секунд. Значит, это и есть на сегодня для нас самый маленький, кратчайший временной промежуток. Доступными в настоящий период ученым методами измерить его невозможно. Ну а самый большой из ныне известных нам промежутков времени - конечно же "время жизни Вселенной", то есть продолжительность ее расширения. Астрофизики подсчитали, что оно составляет 10 - 20 миллиардов лет - примерно 1018 секунд.
И вот что особенно интересно. Когда мы подсчитаем, какой итог дает соотношение самого малого известного нам временного промежутка с самым большим, то получим то же самое умопомрачительное число - 1042 секунд. Вот какие временные масштабы сумел теперь осмыслить ничтожный, как утверждают защитники религии, Человек, сам живущий в среднем всего 70 лет, или 109 секунд.
Кстати сказать, совпадение интервалов времени и расстояний отнюдь не случайно. Самые далекие участки Вселенной удаляются от нас со скоростью, близкой к световой. И с такой же скоростью движутся частицы в микромире. Именно скорость света объединяет между собой обе бесконечности: бесконечность большого и бесконечность малого. А мы стоим как бы на перекрестке. Привычный повседневный мир, окружающий нас, не знает таких скоростей. Только разум, мысль позволяет людям познавать невообразимый мир, мерилом которого является скорость света.
Мы оценили масштабы пространства и времени. Осталось вещество, которое окружает нас. Оно, как известно, меняется со временем и перемещается в пространстве. Вещество чрезвычайно многолико, проявления его неисчерпаемы. Но есть у него одно характерное качество - масса, которую мы измеряем в граммах. Попробуем же приближенно оценить всю массу обозримой для нас на сегодня Вселенной. Как уже говорилось, в ней около 1021 звезд. По подсчетам ученых, одна звезда в среднем весит 1035 граммов. Значит, масса Вселенной составляет что-то около 1056 граммов - цифра, еще более грандиозная, чем 1042. И опять обратимся для сравнения к Человеку. Он ведь весит сам менее чем 105 граммов. А мозг его оказался способным осмыслить тяжесть всего мира!
Как далеко до него всем богам всех религий! Человек всемогущ в своем познании окружающей природы, он сумел, сидя на небольшой Земле, очертить границы необъятного мироздания, он черпает мощь даже из сознания своей ограниченности во времени и пространстве, в силах и средствах.
Но для чего все это ему? В чем смысл и причина такого стремления человека к знаниям?
Загадки пространства - времени - материи так волнуют и влекут наши умы отнюдь не сами по себе. Не ради холодного света абстрактных истин мы столь упорно штурмуем тайны мироздания. И не только технический прогресс, дающий материальное изобилие, зовет нас в глубины космоса и микромира. Нет! Главная - и отнюдь не всегда осознанная - причина наших поисков лежит в нас самих. Ведь говоря о границах Вселенной, мы говорим и о возможностях нашего разума - о границах или, вернее, безграничности его познания. Измеряя Вселенную, мы измеряем, по сути дела, и силу нашего мозга. Характер самых смелых, самых "безумных" научных теорий определяется характером нашего мышления. Поэтому-то так волнуют и манят, так тревожат людей тайны космоса и микромира. Они, в сущности, важнейшее мерило наших способностей познавать, а Человек рожден для no-знания, - в этом великий смысл и цель его жизни.
Современные научные гипотезы коренным образом отличаются и от чисто отвлеченного "умствования" древних, и даже от более дисциплинированного, но тоже в сущности "умствования" натурфилософов Нового времени. Сегодняшние научные выводы, как правило, подкрепляются всей мощью реальных, строгих и проверенных знаний. Причем не только квантовая теория или астрофизика, но и космология опираются теперь на четкий эксперимент - достаточно вспомнить в этой связи открытие реликтового излучения Вселенной, когда радиотелескопы "поймали" наконец вполне реальные отголоски того самого "большого взрыва", с которого, как предполагали ученые, и начались величественные процессы рождения атомов и звезд нашего мира... Да, различие с древними мифами тут разительное! И все же если вдуматься, то стройная и величественная современная картина "большой вспышки", несмотря на всю ее математическую строгость, несет в себе весьма похожий на древние легенды аромат романтики, поэзии. Он заключается в невообразимой грандиозности познанного людьми мира, в его поразительной величественности, наконец, в том, что человек сумел все это осмыслить и охватить своим разумом, пусть и не полностью...
Маяки мироздания
Познакомимся с одной важной космологической гипотезой, которая, как кирпичик, входит в современную космологию и тоже опирается на данные непосредственных наблюдений. Ученый Ян Зельхейм исследовал в космосе 11 слабых точечных источников радиоизлучения - квазаров, удаленных от нас на миллиарды световых лет. И для каждого из них он обнаружил пару-антипод в противоположной точке неба. Что это означает?
Согласно современным научным представлениям, в основе которых лежит теория относительности А. Эйнштейна, в замкнутой Вселенной любой луч электромагнитного излучения должен вернуться в исходную точку. Следовательно, в принципе на Землю радиоволны и видимый свет от одного и того же источника излучения могут приходить двумя путями и с противоположных сторон! Если это так, то тогда 11 пар зельхеймовоких радиоисточников - просто 11 максимально удаленных от нас излучателей, испускающих радиоволны двумя путями по эйнштейновской кривизне - навстречу друг другу.
Правда, противостояние таких пар не абсолютно зеркально. Но если учесть невероятную удаленность от нас этих источников радиосигналов и чрезвычайно многочисленные местные искривления пространства, то такие небольшие отклонения легко объяснимы. На возможность фокусировки лучей в сферическом мире указывает и академик В. Л. Гинзбург. Такая фокусировка следствие положительной кривизны пространства. Это наглядно видно на двухмерной модели (Razum01.gif):
Распространяясь по большим кругам, исходящий от точки А свет соберется на другом "полюсе" - в точке В. Луч в принципе может обогнуть сферу несколько раз. Но из-за местных неоднородностей свет, идущий по разным путям, будет по-разному и отклоняться. В результате для наблюдателя изображение далекого квазара должно как бы "размножиться" - могут появиться так называемые "духи". Поиски этих "духов" - размноженных изображений одного и того же источника - это опытная проверка справедливости теоретической модели сферического мира, созданной современной наукой.
Наблюдая самый дальний квазар, мы как бы оглядываемся на бесконечно далекое прошлое. Ведь свет от такого квазара, видимый на Земле сейчас, начал свое путешествие около 8 - 10 миллиардов лет назад. Возраст нашей планеты определяется примерно в 5 миллиардов лет. Значит, от этого квазара свет пустился в путь задолго до того, как образовалась Земля. Именно подобные излучения позволяют ученым перекинуть мост через пропасть времени, "заглянуть" в эпоху образования Вселенной. Возраст Вселенной, повторяем, исчисляется в 10 - 20 миллиардов лет.
Напомним, что существуют две научные теории, пытающиеся объяснить процесс расширения Вселенной. Первая постулирует во времени некий определенный момент - "большой взрыв", "большую вспышку", положившую начало Вселенной. Эта теория так и называется "взрывной"; иногда ее именуют "эволюционной".
Другие представления исходят из того, что Вселенная по мере расширения постоянно образовывала новую материю из энергии пространства. Эта материя заполняет новыми галактиками все увеличивающиеся бездны между галактиками существующими, и таким образом Вселенная остается относительно однородной, неизменной - без начала и без конца. Такая концепция известна под названием "стационарной". Позднее в нее внесли некоторые поправки - и возникла идея пульсирующей Вселенной, которая периодически то расширяется от взрывов некоего изначального тела, то сжимается вновь, а затем опять взрывается по огромным циклам. И так до бесконечности...
Несмотря на ожесточенные споры, ученые не могли доказать явного преимущества той или другой теории. Для проверки обеих гипотез важно было, в частности, подсчитать количество галактик, расположенных по периметру Вселенной. Если бы такой подсчет показал, что там сконцентрировано больше галактик, чем в центральной части, то это подтвердило бы верность взрывной теории, утверждающей: вначале галактики находились на более близком расстоянии друг от друга. Ну а если подсчет показал бы, что галактики распределены по всей Вселенной сравнительно равномерно, то у ученых появились бы серьезные основания полагать: права теория стационарная, доказывающая, что Вселенная неизменна и ныне, и в прошлом, и в бесконечном будущем.
В 1961 г. сотрудник Кембриджского университета Мартин Райл завершил свой восьмилетний подсчет радиоисточников и подтвердил известное скопление небесных объектов у внешних краев Вселенной. Подсчитывать радиоисточники довольно трудно и столь же сложно дать им правильную интерпретацию...
Вот почему квазары стали для исследователей своеобразными маяками, постоянно фиксируемыми и достаточно удаленными ориентирами для широкого изучения относительной скорости расширения Вселенной. Сопоставляя красные смещения галактик и квазаров на все более отдаленных точках космоса, ученые получили возможность определить, ускоряется или замедляется темп расширения Вселенной. Согласно стационарной теории, этот темп должен увеличиваться с течением времени и по мере вечного движения галактик дальше от центра в расширяющейся Вселенной. Согласно взрывной теории, темп расширения должен уменьшаться, так как галактики теряют свою энергию под влиянием всемирного тяготения и отдаляются друг от друга все более медленно, чем непосредственно после взрыва. Если темп замедления достаточно резок, то, значит, в конце концов наступит момент, когда снова начнется фаза сжатия галактик.
А если Вселенная действительно начнет сжиматься, то, по некоторым расчетам, это будет все ускоряющийся во времени процесс. Галактики станут "сбегаться" быстрее и быстрее, пока не "сольются" в сравнительно небольшой шар с исключительной плотностью вещества, который в конце концов снова взорвется, и, как в популярной песне, "все опять повторится сначала"...
Современная космология утверждает, что для расширяющейся Вселенной существует "горизонт события", за которым находится ненаблюдаемый антимир. Поэтому можно сказать, что переход всей Вселенной от расширения к сжатию подобен падению ее в зазерка-лье антимира. Наблюдая с Земли сжатие Вселенной, мы увидели бы как бы "провалы" галактик за "горизонт событий", в мир встречного времени.
Впрочем, проблемы "сжимающегося" мира имеют для нас скорее теоретический интерес. Наука сегодня кладет свою основную лепту на чашу весов "взрывной", "нестационарной" теории. Поэтому-то наряду с "переписью" галактик ученые и пытаются провести подсчет квазаров. В "стационарной" Вселенной квазары должны распределяться в постоянной пропорции в любой исторический отрезок времени. Подсчитав число этих сверхзвезд с небольшим красным смещением - они ближе к нам и, следовательно, представляют сравнительно недавние эпохи в жизни Вселенной - и сопоставив его с числом объектов, чье большое красное смещение указывает на удаленность от нас во времени и пространстве, можно проверить справедливость обеих теорий.
По последним данным, квазаров с большим красным смещением оказалось гораздо больше. Это свидетельство того, что Вселенная эволюционирует во времени, а не находится в стационарном состоянии. Сейчас получены спектры более сотни квазаров. Максимальное обнаруженное расстояние тут составляет около 8 миллиардов световых лет. Такой результат говорит о том, что ученым удалось заглянуть в то время, когда нашей Вселенной было "всего" 2 миллиарда лет! А это означает, что мы теперь непосредственно обозреваем уже о;коло 80 процентов необъятного мира!
Как видим, исследование квазаров стремительно раздвигает границы космологии.
Обнаружение в 1965 г. реликтового (остаточного) излучения, испущенного в начальные моменты развития Вселенной, указывает на то, что когда-то была так называемая догалакти-ческая фаза ее развития - тогда не было ни галактик, ни квазаров. Вот почему квазары все же дают нам о Вселенной весьма ограниченные сведения. Очевидно, с их помощью ученые не сумеют заглянуть глубже чем на 8 миллиардов лет назад.
А как же все-таки тогда узнать о догалак-тической юности Вселенной? И есть ли вообще у человека сегодня такая возможность?
Антимир родился в тот же день и в тот же час
Гипотеза сверхплотной "бомбы", из которой, как цыпленок из яйца, вылупилась наша Вселенная, остается равнодушной к великой симметрии мира. Но антивещество властно требует всех прав гражданства. Вполне допустимо предположить, что вещество и антивещество - близнецы, родившиеся в одном и том же месте и в одно и то же время. Естественно допустить также, что оба состояния материи развились в какой-то момент эволюции сверхплотного протовещества. Первая космологическая теория, которая справедливо поступила с антивеществом, была разработана американским физиком Гольдхабером. Он назвал первоначальное средоточие Вселенной "универсоном". При распаде эта исходная суперчастица разделилась на две: "космон" и "антикосмон". Как нетрудно понять из названий, "космон" дал начало веществу, "антикосмон" антивеществу. Пока все это не более чем фантастика, в лучшем случае феноменологическая "протогипотеза", которую еще только предстоит развить. Гольдхабер не называет причин внезапного распада "универсо-на". Он лишь проводит здесь параллель с распадом тета-нулымезона на положительный и отрицательный пионы. Подобно этим частицам, "космон" и "антикосмон" разлетелись в разные стороны, стремясь скорее покинуть место распада. Последовавший за этим взрыв "космона" дал жизнь окружающему нас миру. Что же касается "антикосмона", то он мог не взорваться и по сей день. Впрочем, он мог и взорваться одновременно с "космоном", но в этом случае Антивселенная находится вне пределов нашей видимости.
Гипотеза Гольдхабера - это как бы предшествующая ступень гипотезы образования Вселенной из протовещества. Кроме того, она вносит в эту последнюю гипотезу недостающий элемент симметрии. В остальном же на нее распространяются все присущие таким гипотезам недостатки. Мы не знаем и никогда не узнаем, откуда появился "универсон" и почему он вдруг претерпел распад на две противоположные частицы. Но точно так же нам приходится принимать как данное и сверхплотное протовещество, сжатое до ничтожных размеров! И с этим приходится мириться. Как говорят физики, проблема рождения Вселенной относится к числу "неприятных".
Если мы принимаем "взрыв" за начало развития Вселенной, то нужно смириться и с тем, что именно с этого момента начался и отсчет времени. "До" этого будильник стоял, точнее, его просто не существовало! Итак, окончательно договоримся, что все вопросы, касающиеся того, что было "до", просто не имеют смысла. Это позволит нам иными глазами смотреть и на "неприятные" проблемы. Все отличие этих проблем от гипотез натурфилософов в том, что "неприятные" проблемы опираются на всю мощь экспериментальных и теоретических наук, тогда как главной опорой натурфилософов была чистая фантазия. Разница очень существенная.
Большим достижением нашего века является установление факта эволюции, изменяемой Вселенной. Звезды расходуют свой запас горючего - водорода. Горение здесь заключается в превращении водорода в гелий путем ядерных реакций. Удаляются друг от друга огромные скопления звезд. Частью такого скопления является и наша Галактика с ее 100 тысячами миллионов (единица и одиннадцать нулей) звезд. Иногда кратко говорят о расширении Вселенной. Нужно только помнить, что ни сама Земля, ни Солнечная система, ни Галактика не расширяются.
До сих пор речь шла о картине, установленной к середине нашего века. Новые достижения последних нескольких лет связаны с наблюдениями космического радиоизлучения, равномерно заполняющего всю Вселенную, то есть излучения, приходящего к нам со строго одинаковой силой, куда бы мы ни направили радиотелескоп. Ясно, что никакие отдельные источники радиоизлучения не дали бы такой картины.
Новое, открытое в 1965 г. излучение объясняется тем, что много миллиардов лет назад вся Вселенная была совершенно не похожа на современную. Все пространство было заполнено тем, что физики называют плазмой, - горячим газом, состоящим из электронов, ядер водорода и гелия (то есть протонов и альфа-частиц) и излучением. Частицы излучения (фотоны, раньше их называли кванты света) при этом даже преобладали. Вселенная расширялась, и в ходе этого расширения происходило постепенное изменение, остывание плазмы. Радиоволны, наблюдаемые в настоящее время, - это потомки горячего излучения в прошлом. Такой вывод подтверждается и спектром радиоволн, - теория позволяет правильно предсказывать потоки волн в разных диапазонах.
С охлаждением связано и выделение отдельных небесных тел. Всем известно, что при охлаждении теплого воздуха возникает туман: водяные пары, содержавшиеся в воздухе, превращаются в капельки воды. Нечто похожее происходит при охлаждении и с плазмой: электроны и ядра объединяются в атомы, атомы объединяются в облака газа, далее эти облака распадаются на отдельные звезды. Часть вещества и сейчас остается в форме газа.
Подробное теоретическое исследование процесса образования Галактик и звезд является одной из центральных задач астрофизики. Решить эту задачу очень трудно, но и чрезвычайно важно для научного мировоззрения. Эта задача профессионально заманчива для физика-теоретика, и я счастлив, Что принимаю участие в ее разработке и с огромным интересом слежу за успехами коллег теоретиков и за новыми наблюдаемыми данными. Каждый год приносит новые успехи в этой области. Вспоминаются слова Тютчева: "Блажен, кто посетил сей мир в его минуты роковые" ("роковое" имеет здесь смысл - "решающее, грандиозное, эпохальное", но не обязательно трагическое). Хочется изменить конец этого стихотворения. Поэт говорил: "Во всем величье видишь ты закат звезды его кровавой". А мы предвидим - и видим - восход ясного солнца науки, проникающего везде и познающего все - вплоть до самых отдаленных и в пространстве, и во времени областей Вселенной.
Е. И. Парнов,
кандидат химических наук
В эпицентре "большого взрыва"
На перекрестке вселенских дорог
"В те времена, когда сверху не было ничего, что называется Небом, и внизу не было ничего, что носит имя Земли, был только их отец Апсу и мать всего Тиамат (первоначальные океаны)", - учили когда-то халдейские жрецы. Потом, считали они, бог Мардук рассек Тиамат на части и сотворил всю окружающую нас природу. Но вначале, как говорил вавилонский жрец Берос, "были мрак и вода". Именно над этим мраком и водой "пребывал" (обычно переводится словом "носился") библейский дух божий, который якобы разделил потом воды и создал Небо и Землю.
Подобное чудотворное разделение вод мы встречаем почти во всех мифах о сотворении мира.
"Вначале небо (Нут) и Земля (Геб) лежали, крепко обнявшись, в первобытной воде (Ну). В день творения из вод поднялся новый бог Шу и поднял богиню Нут так высоко, что только пальцами рук и ног она могла коснуться Земли. Это и есть четыре столба, поддерживающие усеянный звездами небосвод - прекрасное тело богини". Так представляли себе рождение мира бритоголовые жрецы в дельте Нила.
А древнегреческий поэт Гесиод в своей "Теогонии" пел:
Здравствуйте, дочери Зевса, и дайте желанную песню, плавьте священное племя бессмертных, от века живущих,
Кои от звездного неба и ночи глубокой родились, И от Земли, и которых соленое море питало...
И все же мы очень мало знаем об истинных представлениях древних о мироздании.
Они оставили нам прекрасные сказания, в которых отражены их воззрения на людей и природу. Но как отражены? По большей части языком искусства, а ему ведь сврйствен свой, особый, образный строй и удивительная наивность ребенка, открывающего для себя мир. Вот именно эту поэтическую наивность мы нередко принимаем за подлинную сердцевину синкретического знания древних. И вполне возможно, мы здесь допускаем ошибку. Иначе как же объяснить невероятный скачок от прекрасного поэтического лепета к стройным системам греческих философов или к догадкам Вед?
Но другого выхода у нас, очевидно, нет. Если мы хотим хоть что-то сказать о далеких истоках нашего знания, мы просто вынуждены обращаться к мифам и поэмам, так как другими, более достоверными источниками не обладаем. Предположим на минуту, что древние люди действительно думали так же, как говорили в своих священных песнях. Пусть Брама, который "са!м себя родил и непостижим для нашего ума", сделал первобытный раствор доступным чувствам через пять стихий. Пусть бог света Ормузд создал из первичной материи сначала шесть верховных божеств, а уж потом небо, солнце, огонь и воду...
Для нас в данном случае не это важно. Важно то, что человечество издавна пыталось разрешить "вечный" вопрос, "вопрос вопросов": как и когда возник окружающий мир, Вселенная?
Нам выпало счастье жить в грозном и прекрасном веке, когда наука раскрыла многие тайны вещества и энергии, пространства и времени, сознания и жизни. В последнее время появились и четкие, полученные экспериментально данные, которые уже позволяют нам представить себе величественную картину эволюции Вселенной. Современная теория "большого взрыва", "большой вспышки" - это не наивный миф о сотворении мира, но она не лишена известной образности, можно даже сказать, поэтичности. В самом деле...
Данные астрофизики сегодня убедительно говорят: наш мир находится в состоянии "большого взрыва", и люди со своей небольшой планеты наблюдают за тем, как "раздувается" невообразимых размеров "пузырь", имя которому Вселенная. Поскольку галактики разлетаются от нас во все стороны, условно можно сказать, что мы находимся как бы в эпицентре этого события. На "границах" Вселенной разлетающееся вещество достигает световых скоростей (300000 км/сек). Мчась по замкнутым траекториям, кванты света "наливают" внутреннюю поверхность раздувающегося "пузыря" ослепительным сиянием. Но мы не видим этих сияющих "границ" - они ведь постоянно убегают от нас со скоростью света.
Да и разве можно назвать границами то, что отделяет нас от "ничто" и уносится в "никуда"?..
Окинем же оком простирающиеся вокруг нас туманные бездны! В отличие от древних вавилонян, ученые сегодня не только пассивно наблюдают звездный мир, но и активно исследуют его, даже сумели его измерить. Достоверность, реальность, число и мера - вот что прежде всего отличает наше знание от представлений древних людей, от их легенд и мифов.
Итак, теперь известно: расширяющаяся Вселенная в данное время простирается примерно на 1010 световых лет, или на 1028 сантиметров. Цифры эти невообразимо велики. Чтобы наглядно представить себе их, понять, какие пространства мы исследуем, сидя на своей планете, достаточно сказать, что сам человек в 1026 раз меньше Вселенной, которую он дерзновенно посмел измерить. В самом деле, гамбургский математик Г. Шуберт как-то на досуге подсчитал, что 29 апреля 1902 г. в 10 часов 40 минут истек ровно 1 миллиард минут с начала нашего летосчисления. А ведь 1 миллиард - это "только" 109! Привычные земные масштабы не позволяют даже приблизительно ощущать необъятность такой разницы. И Человек велик уже одним тем, что сумел найти ее.
Обратимся теперь к другой дороге, ведущей нас в сердце мироздания, - в микромир. Самое малое из известных сегодня ученым расстояний - 10-14 сантиметров. Оно отличается от самого большого в 1042 раз. Это значит, что диаметр элементарных частиц в 1042 раз меньше диаметра Вселенной.
Давайте теперь вдумаемся в эти цифры! По сути дела, они - границы нашего познания на сегодняшний день, измеренные отрезки дорог, ведущих невообразимо далеко. 10 в 42-й степени - это столь много, что никто даже не может вразумительно разъяснить, как действительно велико такое число. Но все же попробуем представить себе его.
Допустим, что до таких размеров увеличилось число людей. Земной шар может вместить лишь 1015 человек, да и то, если они станут на планете вплотную - локоть к локтю. Подсчитано, что во всей необъятной Вселенной имеется примерно 1021 звезд. Если предположить, что у каждой звезды есть 10 планет, то мы получим число планет, близкое к 1022. Теперь, если все эти планеты заселить, подобно Земле, то есть поставить на них людей плечом к плечу, то удастся разместить на них 1037 человек. И все же это намного меньше, чем цифра "1042". Нет, не представить нам с помощью привычных образов число 1042!
Давайте теперь от пространственной характеристики исследуемого мира перейдем ко времени.
Если, например, взять самое малое из известных нам расстояний - 10-14 сантиметров, то этот путь свет успевает пройти за 10-24 секунд. Значит, это и есть на сегодня для нас самый маленький, кратчайший временной промежуток. Доступными в настоящий период ученым методами измерить его невозможно. Ну а самый большой из ныне известных нам промежутков времени - конечно же "время жизни Вселенной", то есть продолжительность ее расширения. Астрофизики подсчитали, что оно составляет 10 - 20 миллиардов лет - примерно 1018 секунд.
И вот что особенно интересно. Когда мы подсчитаем, какой итог дает соотношение самого малого известного нам временного промежутка с самым большим, то получим то же самое умопомрачительное число - 1042 секунд. Вот какие временные масштабы сумел теперь осмыслить ничтожный, как утверждают защитники религии, Человек, сам живущий в среднем всего 70 лет, или 109 секунд.
Кстати сказать, совпадение интервалов времени и расстояний отнюдь не случайно. Самые далекие участки Вселенной удаляются от нас со скоростью, близкой к световой. И с такой же скоростью движутся частицы в микромире. Именно скорость света объединяет между собой обе бесконечности: бесконечность большого и бесконечность малого. А мы стоим как бы на перекрестке. Привычный повседневный мир, окружающий нас, не знает таких скоростей. Только разум, мысль позволяет людям познавать невообразимый мир, мерилом которого является скорость света.
Мы оценили масштабы пространства и времени. Осталось вещество, которое окружает нас. Оно, как известно, меняется со временем и перемещается в пространстве. Вещество чрезвычайно многолико, проявления его неисчерпаемы. Но есть у него одно характерное качество - масса, которую мы измеряем в граммах. Попробуем же приближенно оценить всю массу обозримой для нас на сегодня Вселенной. Как уже говорилось, в ней около 1021 звезд. По подсчетам ученых, одна звезда в среднем весит 1035 граммов. Значит, масса Вселенной составляет что-то около 1056 граммов - цифра, еще более грандиозная, чем 1042. И опять обратимся для сравнения к Человеку. Он ведь весит сам менее чем 105 граммов. А мозг его оказался способным осмыслить тяжесть всего мира!
Как далеко до него всем богам всех религий! Человек всемогущ в своем познании окружающей природы, он сумел, сидя на небольшой Земле, очертить границы необъятного мироздания, он черпает мощь даже из сознания своей ограниченности во времени и пространстве, в силах и средствах.
Но для чего все это ему? В чем смысл и причина такого стремления человека к знаниям?
Загадки пространства - времени - материи так волнуют и влекут наши умы отнюдь не сами по себе. Не ради холодного света абстрактных истин мы столь упорно штурмуем тайны мироздания. И не только технический прогресс, дающий материальное изобилие, зовет нас в глубины космоса и микромира. Нет! Главная - и отнюдь не всегда осознанная - причина наших поисков лежит в нас самих. Ведь говоря о границах Вселенной, мы говорим и о возможностях нашего разума - о границах или, вернее, безграничности его познания. Измеряя Вселенную, мы измеряем, по сути дела, и силу нашего мозга. Характер самых смелых, самых "безумных" научных теорий определяется характером нашего мышления. Поэтому-то так волнуют и манят, так тревожат людей тайны космоса и микромира. Они, в сущности, важнейшее мерило наших способностей познавать, а Человек рожден для no-знания, - в этом великий смысл и цель его жизни.
Современные научные гипотезы коренным образом отличаются и от чисто отвлеченного "умствования" древних, и даже от более дисциплинированного, но тоже в сущности "умствования" натурфилософов Нового времени. Сегодняшние научные выводы, как правило, подкрепляются всей мощью реальных, строгих и проверенных знаний. Причем не только квантовая теория или астрофизика, но и космология опираются теперь на четкий эксперимент - достаточно вспомнить в этой связи открытие реликтового излучения Вселенной, когда радиотелескопы "поймали" наконец вполне реальные отголоски того самого "большого взрыва", с которого, как предполагали ученые, и начались величественные процессы рождения атомов и звезд нашего мира... Да, различие с древними мифами тут разительное! И все же если вдуматься, то стройная и величественная современная картина "большой вспышки", несмотря на всю ее математическую строгость, несет в себе весьма похожий на древние легенды аромат романтики, поэзии. Он заключается в невообразимой грандиозности познанного людьми мира, в его поразительной величественности, наконец, в том, что человек сумел все это осмыслить и охватить своим разумом, пусть и не полностью...
Маяки мироздания
Познакомимся с одной важной космологической гипотезой, которая, как кирпичик, входит в современную космологию и тоже опирается на данные непосредственных наблюдений. Ученый Ян Зельхейм исследовал в космосе 11 слабых точечных источников радиоизлучения - квазаров, удаленных от нас на миллиарды световых лет. И для каждого из них он обнаружил пару-антипод в противоположной точке неба. Что это означает?
Согласно современным научным представлениям, в основе которых лежит теория относительности А. Эйнштейна, в замкнутой Вселенной любой луч электромагнитного излучения должен вернуться в исходную точку. Следовательно, в принципе на Землю радиоволны и видимый свет от одного и того же источника излучения могут приходить двумя путями и с противоположных сторон! Если это так, то тогда 11 пар зельхеймовоких радиоисточников - просто 11 максимально удаленных от нас излучателей, испускающих радиоволны двумя путями по эйнштейновской кривизне - навстречу друг другу.
Правда, противостояние таких пар не абсолютно зеркально. Но если учесть невероятную удаленность от нас этих источников радиосигналов и чрезвычайно многочисленные местные искривления пространства, то такие небольшие отклонения легко объяснимы. На возможность фокусировки лучей в сферическом мире указывает и академик В. Л. Гинзбург. Такая фокусировка следствие положительной кривизны пространства. Это наглядно видно на двухмерной модели (Razum01.gif):
Распространяясь по большим кругам, исходящий от точки А свет соберется на другом "полюсе" - в точке В. Луч в принципе может обогнуть сферу несколько раз. Но из-за местных неоднородностей свет, идущий по разным путям, будет по-разному и отклоняться. В результате для наблюдателя изображение далекого квазара должно как бы "размножиться" - могут появиться так называемые "духи". Поиски этих "духов" - размноженных изображений одного и того же источника - это опытная проверка справедливости теоретической модели сферического мира, созданной современной наукой.
Наблюдая самый дальний квазар, мы как бы оглядываемся на бесконечно далекое прошлое. Ведь свет от такого квазара, видимый на Земле сейчас, начал свое путешествие около 8 - 10 миллиардов лет назад. Возраст нашей планеты определяется примерно в 5 миллиардов лет. Значит, от этого квазара свет пустился в путь задолго до того, как образовалась Земля. Именно подобные излучения позволяют ученым перекинуть мост через пропасть времени, "заглянуть" в эпоху образования Вселенной. Возраст Вселенной, повторяем, исчисляется в 10 - 20 миллиардов лет.
Напомним, что существуют две научные теории, пытающиеся объяснить процесс расширения Вселенной. Первая постулирует во времени некий определенный момент - "большой взрыв", "большую вспышку", положившую начало Вселенной. Эта теория так и называется "взрывной"; иногда ее именуют "эволюционной".
Другие представления исходят из того, что Вселенная по мере расширения постоянно образовывала новую материю из энергии пространства. Эта материя заполняет новыми галактиками все увеличивающиеся бездны между галактиками существующими, и таким образом Вселенная остается относительно однородной, неизменной - без начала и без конца. Такая концепция известна под названием "стационарной". Позднее в нее внесли некоторые поправки - и возникла идея пульсирующей Вселенной, которая периодически то расширяется от взрывов некоего изначального тела, то сжимается вновь, а затем опять взрывается по огромным циклам. И так до бесконечности...
Несмотря на ожесточенные споры, ученые не могли доказать явного преимущества той или другой теории. Для проверки обеих гипотез важно было, в частности, подсчитать количество галактик, расположенных по периметру Вселенной. Если бы такой подсчет показал, что там сконцентрировано больше галактик, чем в центральной части, то это подтвердило бы верность взрывной теории, утверждающей: вначале галактики находились на более близком расстоянии друг от друга. Ну а если подсчет показал бы, что галактики распределены по всей Вселенной сравнительно равномерно, то у ученых появились бы серьезные основания полагать: права теория стационарная, доказывающая, что Вселенная неизменна и ныне, и в прошлом, и в бесконечном будущем.
В 1961 г. сотрудник Кембриджского университета Мартин Райл завершил свой восьмилетний подсчет радиоисточников и подтвердил известное скопление небесных объектов у внешних краев Вселенной. Подсчитывать радиоисточники довольно трудно и столь же сложно дать им правильную интерпретацию...
Вот почему квазары стали для исследователей своеобразными маяками, постоянно фиксируемыми и достаточно удаленными ориентирами для широкого изучения относительной скорости расширения Вселенной. Сопоставляя красные смещения галактик и квазаров на все более отдаленных точках космоса, ученые получили возможность определить, ускоряется или замедляется темп расширения Вселенной. Согласно стационарной теории, этот темп должен увеличиваться с течением времени и по мере вечного движения галактик дальше от центра в расширяющейся Вселенной. Согласно взрывной теории, темп расширения должен уменьшаться, так как галактики теряют свою энергию под влиянием всемирного тяготения и отдаляются друг от друга все более медленно, чем непосредственно после взрыва. Если темп замедления достаточно резок, то, значит, в конце концов наступит момент, когда снова начнется фаза сжатия галактик.
А если Вселенная действительно начнет сжиматься, то, по некоторым расчетам, это будет все ускоряющийся во времени процесс. Галактики станут "сбегаться" быстрее и быстрее, пока не "сольются" в сравнительно небольшой шар с исключительной плотностью вещества, который в конце концов снова взорвется, и, как в популярной песне, "все опять повторится сначала"...
Современная космология утверждает, что для расширяющейся Вселенной существует "горизонт события", за которым находится ненаблюдаемый антимир. Поэтому можно сказать, что переход всей Вселенной от расширения к сжатию подобен падению ее в зазерка-лье антимира. Наблюдая с Земли сжатие Вселенной, мы увидели бы как бы "провалы" галактик за "горизонт событий", в мир встречного времени.
Впрочем, проблемы "сжимающегося" мира имеют для нас скорее теоретический интерес. Наука сегодня кладет свою основную лепту на чашу весов "взрывной", "нестационарной" теории. Поэтому-то наряду с "переписью" галактик ученые и пытаются провести подсчет квазаров. В "стационарной" Вселенной квазары должны распределяться в постоянной пропорции в любой исторический отрезок времени. Подсчитав число этих сверхзвезд с небольшим красным смещением - они ближе к нам и, следовательно, представляют сравнительно недавние эпохи в жизни Вселенной - и сопоставив его с числом объектов, чье большое красное смещение указывает на удаленность от нас во времени и пространстве, можно проверить справедливость обеих теорий.
По последним данным, квазаров с большим красным смещением оказалось гораздо больше. Это свидетельство того, что Вселенная эволюционирует во времени, а не находится в стационарном состоянии. Сейчас получены спектры более сотни квазаров. Максимальное обнаруженное расстояние тут составляет около 8 миллиардов световых лет. Такой результат говорит о том, что ученым удалось заглянуть в то время, когда нашей Вселенной было "всего" 2 миллиарда лет! А это означает, что мы теперь непосредственно обозреваем уже о;коло 80 процентов необъятного мира!
Как видим, исследование квазаров стремительно раздвигает границы космологии.
Обнаружение в 1965 г. реликтового (остаточного) излучения, испущенного в начальные моменты развития Вселенной, указывает на то, что когда-то была так называемая догалакти-ческая фаза ее развития - тогда не было ни галактик, ни квазаров. Вот почему квазары все же дают нам о Вселенной весьма ограниченные сведения. Очевидно, с их помощью ученые не сумеют заглянуть глубже чем на 8 миллиардов лет назад.
А как же все-таки тогда узнать о догалак-тической юности Вселенной? И есть ли вообще у человека сегодня такая возможность?
Антимир родился в тот же день и в тот же час
Гипотеза сверхплотной "бомбы", из которой, как цыпленок из яйца, вылупилась наша Вселенная, остается равнодушной к великой симметрии мира. Но антивещество властно требует всех прав гражданства. Вполне допустимо предположить, что вещество и антивещество - близнецы, родившиеся в одном и том же месте и в одно и то же время. Естественно допустить также, что оба состояния материи развились в какой-то момент эволюции сверхплотного протовещества. Первая космологическая теория, которая справедливо поступила с антивеществом, была разработана американским физиком Гольдхабером. Он назвал первоначальное средоточие Вселенной "универсоном". При распаде эта исходная суперчастица разделилась на две: "космон" и "антикосмон". Как нетрудно понять из названий, "космон" дал начало веществу, "антикосмон" антивеществу. Пока все это не более чем фантастика, в лучшем случае феноменологическая "протогипотеза", которую еще только предстоит развить. Гольдхабер не называет причин внезапного распада "универсо-на". Он лишь проводит здесь параллель с распадом тета-нулымезона на положительный и отрицательный пионы. Подобно этим частицам, "космон" и "антикосмон" разлетелись в разные стороны, стремясь скорее покинуть место распада. Последовавший за этим взрыв "космона" дал жизнь окружающему нас миру. Что же касается "антикосмона", то он мог не взорваться и по сей день. Впрочем, он мог и взорваться одновременно с "космоном", но в этом случае Антивселенная находится вне пределов нашей видимости.
Гипотеза Гольдхабера - это как бы предшествующая ступень гипотезы образования Вселенной из протовещества. Кроме того, она вносит в эту последнюю гипотезу недостающий элемент симметрии. В остальном же на нее распространяются все присущие таким гипотезам недостатки. Мы не знаем и никогда не узнаем, откуда появился "универсон" и почему он вдруг претерпел распад на две противоположные частицы. Но точно так же нам приходится принимать как данное и сверхплотное протовещество, сжатое до ничтожных размеров! И с этим приходится мириться. Как говорят физики, проблема рождения Вселенной относится к числу "неприятных".
Если мы принимаем "взрыв" за начало развития Вселенной, то нужно смириться и с тем, что именно с этого момента начался и отсчет времени. "До" этого будильник стоял, точнее, его просто не существовало! Итак, окончательно договоримся, что все вопросы, касающиеся того, что было "до", просто не имеют смысла. Это позволит нам иными глазами смотреть и на "неприятные" проблемы. Все отличие этих проблем от гипотез натурфилософов в том, что "неприятные" проблемы опираются на всю мощь экспериментальных и теоретических наук, тогда как главной опорой натурфилософов была чистая фантазия. Разница очень существенная.