Страница:
Недалек тот час, когда люди отправятся на ближайшие планеты. Для этого прежде всего отрабатывается длительное пребывание человека в условиях корабля и в открытом космосе. Ведь при полете, скажем, к Марсу - а он и является реальной очередной целью высадки - не отделаешься 1-2 неделями, речь пойдет о годах. Исследования, связанные с длительным пребыванием космонавтов вне Земли, активно ведутся, и их результаты - особенно это касается многомесячных работ на советских орбитальных станциях - весьма обнадеживают.
Разумеется, такая программа, как полет экипажа на Марс, не решится в ближайший год-два. Стоимость марсианского проекта раза в 3 выше, чем лунного, то есть программы высадки людей на Луну "Аполлон", стоившей порядка 30 миллиардов долларов. Не исключено, что для марсианской трассы придется ввести в действие космические корабли с ядерно-плазменными двигателями. Но так или иначе марсианский вариант может осуществиться уже на рубеже 20-21-го столетий.
Можно было бы еще многое сказать о блестящих результатах космонавтики и о дерзких проектах вполне обозримого будущего. Все это в какой-то степени укладывается в образную формулу, содержащуюся в знаменитых словах Нейла Армстронга: "На Луне мы походили на пятилетних мальчишек в кондитерской лавке. У нас разбежались глаза, надо было сделать так много". Эта формула неплохо передает ощущение колоссально расширившегося мира, ощущение людей начала космической эры.
Попробуем определить главные итоги этого раздела.
Выход в космическое пространство открыл путь к мощному рывку астрономии в новые спектральные диапазоны, к наблюдениям, которые ранее не были доступны из-за атмосферы, непроницаемой для многих типов излучения. Это уже принесло ряд выдающихся результатов - от открытия рентгеновских источников до недавнего обнаружения заплутонового кольца (вероятней всего, второго астероидного пояса Солнечной системы) с помощью инфракрасного телескопа, установленного на спутнике.
Открылся путь и к непосредственному, контактному исследованию небесных тел. Это уже оказало заметное влияние на космогонические модели и потребовало перестройки теории планет.
По значимости появление космических обсерваторий - событие не меньшего масштаба, чем создание в 17 веке обсерваторий телескопических, открывших нам совершенно новую Вселенную. Ясно, что в ближайшее время круг достижений заметно расширится. На очереди грандиозные проекты стационарных внеземных обсерваторий и телескопов с базой космического масштаба, которые позволят разглядеть тончайшие детали строения Вселенной - от планет у ближайших звезд до структуры квазаров, а главное - увидеть много неожиданного, обитающего пока в пограничье астрофизических моделей и самой смелой фантастики. Не исключено, что не столь уж далекие потомки будут с уважительным трепетом читать о тех "допотопных временах", когда телескопы были ограничены толстой земной атмосферой и люди азартно обсуждали проблему марсианских каналов, не имея возможности слетать на одну из ближайших планет и как следует покопаться на ее поверхности. Но ведь и мы, уже сделав шаг в постгалилееву эпоху, с немного ироническим сыновним почтением взираем на труды и гипотезы классиков дотелескопической астрономии... Именно эту новую эпоху пророчествовал Циолковский в 1912 году: "Только с момента применения реактивных приборов начнется новая великая эра в астрономии эпоха более пристального изучения неба".
Выход в космос заставляет по-новому взглянуть на проблему взаимодействия человека с Вселенной. Мы стоим на пороге создания искусственных конструкций космического масштаба, то есть реорганизации больших участков космического пространства по своему усмотрению. Как и во имя чего это осуществлять? Ограничится ли наша экспансия Солнечной системой или надо готовить идейную основу для прорыва в иные звездные миры? Выход в масштабы межзвездных и галактических порядков - крайне нетривиальная проблема, и на ее решение нельзя механически опрокидывать опыт освоения ближайших космических окрестностей. Даже вездесущие и всеопережающие фантасты решились повторить вольтеровские идеи совсем недавно - лишь в 1928 году ("Космический жаворонок" Эдварда Смита и "Сталкивающиеся светила" Эдмонда Гамильтона).
Для того чтобы в сколь-нибудь обозримом будущем последовали и реальные попытки такого рода, нужна особая сверхзадача, скорее всего, не сводящаяся к завоеванию дополнительного жизненного пространства для землян. Станет ли такой сверхзадачей эволюционное расщепление земной цивилизации и Контакт с цивилизациями внеземными - попытка включить человечество в единую систему космической культуры?
Обсуждение этих глубоких проблем мы отложим до последних глав книги. А сейчас хотелось бы подвести некоторые итоги I части - исторического обзора взглядов на Вселенную.
ИТОГИ ПУТЕШЕСТВИЯ
На этом мы в основном завершаем путешествие в прошлое космологических представлений. Небольшие исторические экскурсы придется использовать и в следующих частях, но они добавят к пройденному не так уж много.
По пути наверняка кое-что упущено. Сотнями интересных фактов и десятками имен можно было бы дополнить рассказ о развитии астрономии, не говоря уж о совсем фрагментарно поданной картине общеисторического фона. Однако, пытаясь объять необъятное, мы, вероятней всего, понесли бы еще большие потери.
Главное, что следовало извлечь из путешествия по далеким временам,крупномасштабная картина эволюции модели Вселенной. Отталкиваясь от простенькой, но неплохо соответствующей наблюдаемому миру схемы трех типов мышления: магико-тотемического, религиозного и научного, мы сумели отыскать нечто полезное - выяснилось, что указанные типы образуют эволюционную цепочку. Эта цепочка выстраивалась в сильной взаимосвязи со взглядами на Вселенную. Три заместивших друг друга картины устройства космоса, конечно, отражают изменение типов мышления, но и являются сильнейшими стимулами такого изменения. Крупнейшие исторически зафиксированные переходы от магии к религии и от религии к науке сопровождались появлением принципиально новых точек зрения на небо и небесные явления. Но эти переходы в значительной степени и совершались "через небо ". Общий вывод, связанный с данным подходом, выглядит так. Новые типы мышления возникают благодаря качественному усложнению их носителей - социальных структур, что в свою очередь происходит за счет освоения новых рубежей практики. Мышление по характеру фиксируемых им образов социоморфно. Другое дело, что в конкретных условиях разные элементы социальной практики представлены по-разному.
В доступных историческому исследованию рамках мы сразу сталкиваемся с социоморфностью мышления, а через это и с социоморфностью модели Вселенной.
Тотем австралийского аборигена или бушмена, символ локальной группы образ, бесспорно, социоморфный. Человек в какой-то степени лучше воспринимает свой род, чем себя индивидуально. Правила поведения относительно тотема (по сути, неявные законы поведения человека в обществе) крайне далеки от современной логики, но объективно полезны.
Однако тотему, как и любым внешним факторам, разрешается своевольничать как угодно - нет предписанных общих законов. Сообразно с этим за любым явлением может угадываться совершенно особый механизм поэтому отсутствуют законы, стягивающие сколь-нибудь широкий круг явлений окружающего мира.
В обществах с развитой иерархической структурой социоморфизм космических представлений просматривается довольно легко. Пантеон всегда выглядит, как царский двор во главе с более или менее своевольным монархом. Суть не в его тотемном образе Солнца или Пернатого Змея, или антропоморфности в духе Мардука или Зевса, суть в системе отношений богов между собой и с людьми. Образец Римской империи с ее весьма совершенной для античности юриспруденцией и могучей централизованной властью в слиянии с монотеизмом христианства, а потом ислама стал основой модели бога-императора, абсолютного самодержца, ни с кем не делящего свою власть, но снабдившего Вселенную (свою империю) системой абсолютных законов. Познавать их и восторженно им подчиняться - такова была установка христианской и мусульманской церквей, сулящая весьма практические блага и моральное удовлетворение. Эта установка и определила уровень развитого религиозного мышления, можно сказать, главное его направление*.
*В отличие от христианства, которое в силу многих причин поддерживало дистанцию между духовной сферой и государственными интересами ("богу божье, кесарю - кесарево") и в связи с Реформацией не сумело фетишизировать абсолютистские формации, конфуцианство довело эту установку до предела, не поощряя притом активности в познании небесных явлений. Слияние моральных норм, юрисдикции и религии в высшей степени характерно для ислама, но здесь в отличие от конфуцианства духовная власть реально преобладала над светской, как бы стояла над государством. В буддизме дистанция оказалась фактически еще большей, чем в христианстве, и образцом для мировоззрения стала не та или иная государственная формация, а индивидуальное совершенствование. Эти факторы во многом обусловили различия в последующей ориентации Европы, Китая, Индии и мусульманского мира.
В эру научного мировоззрения Вселенную стали изучать прежде всего как гигантскую машину с мощной энергетикой. Объективные законы ее функционирования - так называемые законы природы*, подлежащие экспериментальному обнаружению и теоретической привязке ко всей системе знаний, стали символом нового мировоззрения.
* В картезианском понятии "законы природы" как нельзя лучше усматривается социоморфизм - применение юридического термина, который вполне оправдан в рамках религиозного типа мышления (законы, установленные Богом) и сразу становится расплывчатым при строгой научной трактовке.
Может показаться, что социоморфизм такого рода неполноценен техносфера представляет собой лишь подсистему любой социальной структуры. Пытливый читатель сумеет сформулировать вопросы: а не соответствует ли наш уровень чему-то вроде фетишизма этой подсистемы? А где же место человека, вообще мыслящего социального организма?
И все это вообще-то правда. Мы действительно фетишизируем машины, а до недавних пор и не стеснялись рекламировать такой подход, развивая мифы о мыслящем венце мироздания, вооружающемся все более мощной техникой, о безграничном покорении природы и неисчерпаемых ресурсах всего и повсюду.
Мы пытались навязать познанию внесоциальные критерии, когда оно вышло на особо опасный и необычайно стремительный вираж, пытались, вроде бы отвергая примитивные теистические доктрины, но все-таки наивно полагая, что чья-то мудрая рука остановит нас за секунду до последнего смертоносного эксперимента... Сейчас хорошо видно, что розовой магии безграничностей и неисчерпаемостей приходит конец. Когда развитие техносферы достигло уровня, угрожающего существованию социальных организмов и между прочим самой техносферы в масштабах планеты, неизбежно вступают в игру мощнейшие социальные силы, которые должны перехватить управление выходящими из-под контроля факторами. Другого варианта просто нет, если предполагать долгосрочную и успешную эволюцию человечества более важной целью, чем удовлетворение имперских притязаний или чистого любопытства.
В связи с этим отмеченную неполноценность социоморфизма на уровне научного мировоззрения можно считать временным явлением. Вселенная (а в частности Земля и ее окрестности) должна выглядеть не просто суперавтоматом, но и системой, пригодной для существования хотя бы земной цивилизации и созданной ею культуры, более того, системой, искусственно регулируемой в тех или иных масштабах.
Наконец придется осознать и тот общий факт, что мы видим Вселенную сквозь линзу именно земной социальной практики в самом широком смысле, включая сюда и биосоциальный уровень нашего развития и соответствующие этому уровню технические структуры. Это дает лишь одну из возможных систем отсчета, и нельзя приписывать именно нашей системе уникальную объективность видения мира. Иначе никогда не удастся всерьез поставить и решить такую грандиозную проблему, как Контакт с внеземными цивилизациями. В силу иной социокультурной и даже биологической конституции наши будущие партнеры могут иметь совершенно иные представления по поводу одних и тех же событий, вовсе не совпадающие с представлениями земной науки. Не отказавшись от геоцентризма своего мировоззрения, мы попросту не сумеем их понять. И именно такая цель - понимание в масштабах Контакта - послужит маяком для попыток последовательного выяснения социоморфной природы наших знаний.
Так и вырисовывается круг задач для дальнейших глав этой книги. В III части мы попробуем заглянуть в картину Вселенной, соответствующую уровню Контакта, а ближайшая задача - ознакомиться с некоторыми современными моделями космологии и астрофизики.
ЧАСТЬ II: КОСМОЛОГИЧЕСКИЙ СЦЕНАРИЙ
Глава 7: ВОКРУГ БОЛЬШОГО ВЗРЫВА
Как жаль, что Господь не посоветовался
со мною, когда он творил Вселенную!
Он, может быть, установил бы в ней
более простой и разумный порядок.
Альфонс Кастильский Мудрый
ОСТОРОЖНО НА ПОВОРОТЕ!
Сейчас сюжет этой книги делает довольно резкий поворот. До сих пор мы более или менее неспешно путешествовали по истории космических взглядов. Пора переходить к тому, ради чего это делалось,- к изложению современной точки зрения на эволюцию Вселенной. Мы попробуем сначала построить достаточно последовательную картину так называемой стандартной или эталонной модели эволюции, а лишь потом уйти в обсуждение тех или иных дискуссионных моментов.
В процессе ознакомления с последующим материалом стоит иногда заглядывать в приложения - особенно это касается элементарных частиц. И, конечно, хочется верить, что терпеливый читатель преодолеет некоторую жестокость текста ближайших глав.
Итак, к делу!
СТАНДАРТНАЯ МОДЕЛЬ
В промежутке от 15 до 20 миллиардов лет назад с первоначальным состоянием Вселенной - будем называть его Сингулярностью - что-то произошло. Пространство и заполняющая его материя как бы вырвались из точки и стали расширяться. Такое явление иногда называют Первовзрывом, или Большим Взрывом*. Этот красивый образ математически оправдан тем, что в нулевой момент времени плотность материи становится бесконечной** (((t) = 3/32?Gt2), но его нельзя слишком прямо ассоциировать с обычным взрывом заряда в пространстве. Здесь расширяется именно все пространство Вселенной, а в наблюдательном отношении это выглядит как разбегание вещества, увеличение расстояний между любой парой точек.
*Большой Взрыв - соответствует английскому Big Bang,
** Это обстоятельство, наряду с бесконечностью при t = 0 ряда метрических величин, и связано с представлением о физической сингулярности, то есть физически значимой особенности (разрыве) в решениях космологических уравнений.
ДВУХМЕРНЫЙ АНАЛОГ КАРТИНЫ РАСШИРЕНИЯ ВСЕЛЕННОЙ (В ЗАМКНУТОЙ МОДЕЛИ).
ВСЕ ТОЧКИ ЗАШТРИХОВАННОЙ ОБЛАСТИ, ОГРАНИЧЕННОЙ ГОРИЗОНТОМ, МОГУТ БЫТЬ
СВЯЗАНЫ С НАБЛЮДАТЕЛЕМ А СВЕТОВЫМИ СИГНАЛАМИ.
То, что происходило до Сингулярности, непосредственно в ней и примерно вплоть до 10-7-10-5 с, относится - точнее, до недавних пор относилось! - к области более или менее свободного полета мысли. По истечении одной десятимиллионной доли секунды можно рисовать довольно конкретные картинки. Вещество очень высокой плотности находится в состоянии весьма горячего (Т ~ 1014 К) "супа" из кварков, лептонов и фотонов, которые движутся как частицы идеального газа со световыми скоростями.
Когда температура падает до 1012К (t ~10-5 с), плотность вещества становится порядка той, которая характерна для атомных ядер и адронов. Вероятно, где-то на этом этапе и протекает образование адронов - кварки отходят друг от друга на предельно большие средние расстояния и поневоле сливаются в адронные структуры.
Начиная с этого момента, можно определенно говорить о горячей смеси адронов, лептонов и фотонов, причем последние довольно долгое время играют основную роль.
Через 200 секунд после Первовзрыва температура падает до миллиарда градусов, средняя кинетическая энергия частиц уже невелика - ее не хватает для рождения лептонных пар, а тем более адронов. Теперь протоны и нейтроны могут объединяться в простейшие составные ядра дейтерия, не рискуя немедленно развалиться в слишком горячей среде. Начинается эра нуклеосинтеза.
Дейтерий сам по себе очень нестабилен, но в результате столкновений с протонами и нейтронами он может превращаться в гелий-3 или в тритий. В свою очередь, гелий-3 подбирает нейтрон, а тритий - протон, образуя весьма стабильные ядра обычного гелия-4. За несколько последующих минут практически все нейтроны расходуются на гелиосинтез или распадаются (бета-распад: n ( p + e-+ ?). Завершается аннигиляция античастиц.
Более тяжелые ядра образоваться попросту не успевают. Это связано со "щелями" в Периодической системе элементов Менделеева - отсутствием стабильных ядер с 5 или 8 нуклонами. Иными словами, присоединение к гелию протона или нейтрона или слияние двух ядер гелия не ведут к усложнению ядерной структуры.
Следующий структурный уровень появляется много позже - примерно через 700 тысяч лет после Первовзрыва. Температура падает настолько, что возможен синтез атомов водорода и гелия из соответствующих ядер и электронов. Фотоны уже не настолько энергичны, чтобы легко выбивать связанные электроны.
Так разрывается связь между первичным излучением и веществом. У фотонов просто не хватает энергии на ионизацию атомов, с электрически же нейтральными объектами они не взаимодействуют. Поэтому фотоны начинают распространяться практически свободно - Вселенная становится как бы прозрачной для них.
Отсюда и берет начало так называемая эра доминирования вещества, которое пока выглядит как примитивная смесь водорода и гелия в пропорции примерно 7 : 3. Первичное фотонное и, видимо, нейтринное излучения, постепенно охлаждаясь, превращаются в реликты - живые памятники великим событиям первых мгновений.
Наступающую эру можно также назвать и космогонической - именно теперь гравитация формирует галактики и звезды.
Но перед обращением к этой очень интересной фазе стоило бы обсудить кое-какие космологические и околокосмологические проблемы.
ЧТО ОЖИДАЕТ ВСЕЛЕННУЮ?
Всякая космологическая теория пытается увязать самые общие свойства распределения материи в сегодняшней Вселенной с картиной, соответствующей наиболее ранним эпохам, но непременно заглядывает и в далекое будущее. Что касается будущего, стандартная модель предлагает на выбор два варианта замкнутый и открытый.
Замкнутая Вселенная похожа на поверхность расширяющегося воздушного шарика, но, разумеется, это лишь двухмерная аналогия. Со временем такая Вселенная должна достичь максимального размера, после чего она будет сжиматься. Для наблюдателя это выглядело бы как постепенное исчезновение красных смещений в спектрах галактик. В какой-то момент они сменились бы постепенно усиливающимися фиолетовыми смещениями.
Температура Вселенной начинает возрастать, что неизбежно ведет к распаду структур - от живых организмов до галактик. Разогревшееся реликтовое излучение вступит во взаимодействие с веществом, обдирая электронные оболочки атомов, распадутся атомные ядра, снова образуется горячая смесь из электронов, фотонов, нейтрино и протонов, появится заметное количество античастиц, потом фотон-лептон-кварковый бульон, и, наконец, за миллионную долю секунды Вселенная уйдет в Сингулярность*.
*В англо-американской литературе этот уход иногда образно именуется Big Crunch - что-то вроде Большого Краха или Большого Треска.
Другой вариант - безграничное расширение Вселенной, когда она будет все более и более остывать, стремясь превратиться в холодное море фотонов и нейтрино с небольшой примесью других частиц. Видимо, сколь-нибудь сложная организация материи должна исчезнуть, и единственной отрадой в этой картине является то, что переход в состояние полного вымораживания будет длиться довольно долго: по разным оценкам от 1030 до 1070 лет.
Выбор между двумя вариантами будущего сводится к оценке современной плотности вещества, вернее, соотношения этой величины с так называемой критической плотностью ( кр = 3H2/8?G ( 4,7.10-30 г/см3 (при Н = 50км/сМпс =1,62.10-18 с-1)*. Если ( > ( кр, то имеет место первый вариант, и расширение неизбежно сменится сжатием. Если то ( < ( кр, расширение будет неограниченным.
* Более осторожные современные оценки для Хаббловской функции: Н = 55?75 км/сМпс, что дает несколько большую критическую плотность: ( кр = (0,6?1).10-29 г/см3.
Для пояснения разницы можно использовать аналогию со снарядом, запущенным с Земли. Если начальная скорость не очень велика (не достигает второй космической скорости), то кинетической энергии снаряда не хватит на преодоление тяготения, и он упадет назад или превратится в искусственный спутник. Наоборот, при достаточно большой скорости он будет (без учета влияния других тел Солнечной системы) неограниченно удаляться от Земли. При использовании этой аналогии важно только помнить, что разбегание галактик связано с расширением самого пространства, тогда как "разбегание снаряда и Земли" рассматривается в обычном Ньютоновом пространстве...
Сделать окончательный выбор между двумя вариантами горячего или холодного будущего очень трудно - точность измерения Н и, следовательно, ( кр невелика. Но еще сложней оценить наблюдаемую плотность. Совсем еще недавно данные сводились к ( совр. ~ (2?5).10-31 г/см3, то есть Вселенная скорее соответствовала открытой модели. Однако эта плотность оценивалась преимущественно по запасам звездного вещества в галактиках. Считалось, что реликтовый фон фотонов и нейтрино дает вклад в плотность массы на 3 порядка меньше, и этим вкладом фактически можно пренебречь.
С открытием массы нейтрино ситуация может резко измениться. Если число нейтрино, приходящихся на один протон, сохранится на уровне одного миллиарда, то окажется, что в современную эпоху именно нейтрино дают основной вклад в массу Вселенной, и наблюдаемая плотность подскочит до критической черты*. С другой стороны, немалая доля массы должна быть сосредоточена в темных объектах - выгоревших звездах. Особые надежды возлагаются на черные дыры, которыми могли завершить свой путь многие звезды первого поколения. Систематическое обнаружение такого рода объектов опять-таки позволило бы поднять оценку наблюдаемой плотности. Но, как мы видели в главе 6, независимо от природы скрытой от наблюдения массы, ее уже обнаружили, и ее плотность, скорее всего, в десятки раз превышает ( совр.
*Принимая наиболее вероятную оценку плотности обычного вещества (в = 3.10-31 г/см3, видим, что она соответствует средней концентрации порядка 1 протона в 6 м3. Протон примерно в 30 млн. раз тяжелее нейтрино. Но нейтрино выигрывает бои за Вселенную не массивностью, а массовостью. Концентрация одних только электронных реликтовых нейтрино достигает 150 частиц/см3, т. е. плотность нейтрального вещества ((?e) ~ 8.10-30 г/см (при m(?e) ~ 30 эВ = 5,3.10-32 г) вполне на уровне критической. Если вклад того же порядка дадут другие типы реликтовых нейтрино (??, ??), то сомнений в замкнутости Вселенной не останется. Важно, что уже ?e дают вклад в плотность материи, примерно в 30 раз превышающий вклад обычного вещества - как раз то, что требуется для объяснения скрытых масс.
Вообще, наметившаяся тенденция такова, что экспериментальное значение "константы Хаббла" (а значит, и критической плотности) систематически снижалось - в 10 раз за 50 лет! - а оценка средней плотности росла за счет обнаружения новых объектов или новых свойств. Поэтому сейчас закрытая модель с горячим финалом Вселенной представляется наиболее вероятным итогом исследований.
Обобщением закрытой модели является так называемая пульсирующая (или осциллирующая) Вселенная, где циклы расширения и сжатия бесконечно повторяются. Вселенная каждый раз возрождается из Сингулярности и, прожив несколько десятков миллиардов лет, гибнет в ней: что-то вроде буддийских эр, не так ли?
На самом деле выбор между одним или несколькими циклами существования Вселенной может иметь экспериментальный смысл лишь в том случае, если Сингулярность - нечто более сложное, чем в стандартной модели. Иными словами, она должна хоть что-нибудь пропускать из одной эры в другую, скажем, определенный тип элементарных частиц. Было бы очень приятно обнаружить в современном мире следы иных циклов и убедиться, что хоть какие-то объекты способны пережить Большой Взрыв. К сожалению, пока на это нет никаких указаний...
Однако изучение и очень раннего прошлого и финиша в закрытой модели показывает, что именно в Сингулярности кроются наиболее принципиальные проблемы современной космологии.
СИНГУЛЯРНОСТЬ - КЛАССИЧЕСКИЕ ПРОБЛЕМЫ
В сущности, Сингулярность, и с физической и с философской точки зрения, объект неудовлетворительный. Мир с бесконечной плотностью материи, стиснутый в одну единственную точку,- сугубо математическая абстракция. Скорее всего, Сингулярность отражает наше незнание истинных законов эволюции в моменты, близкие к Первовзрыву.
Глубокие теоретические исследования последних десятилетий показали, что Сингулярность в рамках эйнштейновской теории тяготения неизбежна - она содержится в общих решениях уравнений классической теории гравитации, а не является следствием каких-либо чрезмерных ее упрощений.
Разумеется, такая программа, как полет экипажа на Марс, не решится в ближайший год-два. Стоимость марсианского проекта раза в 3 выше, чем лунного, то есть программы высадки людей на Луну "Аполлон", стоившей порядка 30 миллиардов долларов. Не исключено, что для марсианской трассы придется ввести в действие космические корабли с ядерно-плазменными двигателями. Но так или иначе марсианский вариант может осуществиться уже на рубеже 20-21-го столетий.
Можно было бы еще многое сказать о блестящих результатах космонавтики и о дерзких проектах вполне обозримого будущего. Все это в какой-то степени укладывается в образную формулу, содержащуюся в знаменитых словах Нейла Армстронга: "На Луне мы походили на пятилетних мальчишек в кондитерской лавке. У нас разбежались глаза, надо было сделать так много". Эта формула неплохо передает ощущение колоссально расширившегося мира, ощущение людей начала космической эры.
Попробуем определить главные итоги этого раздела.
Выход в космическое пространство открыл путь к мощному рывку астрономии в новые спектральные диапазоны, к наблюдениям, которые ранее не были доступны из-за атмосферы, непроницаемой для многих типов излучения. Это уже принесло ряд выдающихся результатов - от открытия рентгеновских источников до недавнего обнаружения заплутонового кольца (вероятней всего, второго астероидного пояса Солнечной системы) с помощью инфракрасного телескопа, установленного на спутнике.
Открылся путь и к непосредственному, контактному исследованию небесных тел. Это уже оказало заметное влияние на космогонические модели и потребовало перестройки теории планет.
По значимости появление космических обсерваторий - событие не меньшего масштаба, чем создание в 17 веке обсерваторий телескопических, открывших нам совершенно новую Вселенную. Ясно, что в ближайшее время круг достижений заметно расширится. На очереди грандиозные проекты стационарных внеземных обсерваторий и телескопов с базой космического масштаба, которые позволят разглядеть тончайшие детали строения Вселенной - от планет у ближайших звезд до структуры квазаров, а главное - увидеть много неожиданного, обитающего пока в пограничье астрофизических моделей и самой смелой фантастики. Не исключено, что не столь уж далекие потомки будут с уважительным трепетом читать о тех "допотопных временах", когда телескопы были ограничены толстой земной атмосферой и люди азартно обсуждали проблему марсианских каналов, не имея возможности слетать на одну из ближайших планет и как следует покопаться на ее поверхности. Но ведь и мы, уже сделав шаг в постгалилееву эпоху, с немного ироническим сыновним почтением взираем на труды и гипотезы классиков дотелескопической астрономии... Именно эту новую эпоху пророчествовал Циолковский в 1912 году: "Только с момента применения реактивных приборов начнется новая великая эра в астрономии эпоха более пристального изучения неба".
Выход в космос заставляет по-новому взглянуть на проблему взаимодействия человека с Вселенной. Мы стоим на пороге создания искусственных конструкций космического масштаба, то есть реорганизации больших участков космического пространства по своему усмотрению. Как и во имя чего это осуществлять? Ограничится ли наша экспансия Солнечной системой или надо готовить идейную основу для прорыва в иные звездные миры? Выход в масштабы межзвездных и галактических порядков - крайне нетривиальная проблема, и на ее решение нельзя механически опрокидывать опыт освоения ближайших космических окрестностей. Даже вездесущие и всеопережающие фантасты решились повторить вольтеровские идеи совсем недавно - лишь в 1928 году ("Космический жаворонок" Эдварда Смита и "Сталкивающиеся светила" Эдмонда Гамильтона).
Для того чтобы в сколь-нибудь обозримом будущем последовали и реальные попытки такого рода, нужна особая сверхзадача, скорее всего, не сводящаяся к завоеванию дополнительного жизненного пространства для землян. Станет ли такой сверхзадачей эволюционное расщепление земной цивилизации и Контакт с цивилизациями внеземными - попытка включить человечество в единую систему космической культуры?
Обсуждение этих глубоких проблем мы отложим до последних глав книги. А сейчас хотелось бы подвести некоторые итоги I части - исторического обзора взглядов на Вселенную.
ИТОГИ ПУТЕШЕСТВИЯ
На этом мы в основном завершаем путешествие в прошлое космологических представлений. Небольшие исторические экскурсы придется использовать и в следующих частях, но они добавят к пройденному не так уж много.
По пути наверняка кое-что упущено. Сотнями интересных фактов и десятками имен можно было бы дополнить рассказ о развитии астрономии, не говоря уж о совсем фрагментарно поданной картине общеисторического фона. Однако, пытаясь объять необъятное, мы, вероятней всего, понесли бы еще большие потери.
Главное, что следовало извлечь из путешествия по далеким временам,крупномасштабная картина эволюции модели Вселенной. Отталкиваясь от простенькой, но неплохо соответствующей наблюдаемому миру схемы трех типов мышления: магико-тотемического, религиозного и научного, мы сумели отыскать нечто полезное - выяснилось, что указанные типы образуют эволюционную цепочку. Эта цепочка выстраивалась в сильной взаимосвязи со взглядами на Вселенную. Три заместивших друг друга картины устройства космоса, конечно, отражают изменение типов мышления, но и являются сильнейшими стимулами такого изменения. Крупнейшие исторически зафиксированные переходы от магии к религии и от религии к науке сопровождались появлением принципиально новых точек зрения на небо и небесные явления. Но эти переходы в значительной степени и совершались "через небо ". Общий вывод, связанный с данным подходом, выглядит так. Новые типы мышления возникают благодаря качественному усложнению их носителей - социальных структур, что в свою очередь происходит за счет освоения новых рубежей практики. Мышление по характеру фиксируемых им образов социоморфно. Другое дело, что в конкретных условиях разные элементы социальной практики представлены по-разному.
В доступных историческому исследованию рамках мы сразу сталкиваемся с социоморфностью мышления, а через это и с социоморфностью модели Вселенной.
Тотем австралийского аборигена или бушмена, символ локальной группы образ, бесспорно, социоморфный. Человек в какой-то степени лучше воспринимает свой род, чем себя индивидуально. Правила поведения относительно тотема (по сути, неявные законы поведения человека в обществе) крайне далеки от современной логики, но объективно полезны.
Однако тотему, как и любым внешним факторам, разрешается своевольничать как угодно - нет предписанных общих законов. Сообразно с этим за любым явлением может угадываться совершенно особый механизм поэтому отсутствуют законы, стягивающие сколь-нибудь широкий круг явлений окружающего мира.
В обществах с развитой иерархической структурой социоморфизм космических представлений просматривается довольно легко. Пантеон всегда выглядит, как царский двор во главе с более или менее своевольным монархом. Суть не в его тотемном образе Солнца или Пернатого Змея, или антропоморфности в духе Мардука или Зевса, суть в системе отношений богов между собой и с людьми. Образец Римской империи с ее весьма совершенной для античности юриспруденцией и могучей централизованной властью в слиянии с монотеизмом христианства, а потом ислама стал основой модели бога-императора, абсолютного самодержца, ни с кем не делящего свою власть, но снабдившего Вселенную (свою империю) системой абсолютных законов. Познавать их и восторженно им подчиняться - такова была установка христианской и мусульманской церквей, сулящая весьма практические блага и моральное удовлетворение. Эта установка и определила уровень развитого религиозного мышления, можно сказать, главное его направление*.
*В отличие от христианства, которое в силу многих причин поддерживало дистанцию между духовной сферой и государственными интересами ("богу божье, кесарю - кесарево") и в связи с Реформацией не сумело фетишизировать абсолютистские формации, конфуцианство довело эту установку до предела, не поощряя притом активности в познании небесных явлений. Слияние моральных норм, юрисдикции и религии в высшей степени характерно для ислама, но здесь в отличие от конфуцианства духовная власть реально преобладала над светской, как бы стояла над государством. В буддизме дистанция оказалась фактически еще большей, чем в христианстве, и образцом для мировоззрения стала не та или иная государственная формация, а индивидуальное совершенствование. Эти факторы во многом обусловили различия в последующей ориентации Европы, Китая, Индии и мусульманского мира.
В эру научного мировоззрения Вселенную стали изучать прежде всего как гигантскую машину с мощной энергетикой. Объективные законы ее функционирования - так называемые законы природы*, подлежащие экспериментальному обнаружению и теоретической привязке ко всей системе знаний, стали символом нового мировоззрения.
* В картезианском понятии "законы природы" как нельзя лучше усматривается социоморфизм - применение юридического термина, который вполне оправдан в рамках религиозного типа мышления (законы, установленные Богом) и сразу становится расплывчатым при строгой научной трактовке.
Может показаться, что социоморфизм такого рода неполноценен техносфера представляет собой лишь подсистему любой социальной структуры. Пытливый читатель сумеет сформулировать вопросы: а не соответствует ли наш уровень чему-то вроде фетишизма этой подсистемы? А где же место человека, вообще мыслящего социального организма?
И все это вообще-то правда. Мы действительно фетишизируем машины, а до недавних пор и не стеснялись рекламировать такой подход, развивая мифы о мыслящем венце мироздания, вооружающемся все более мощной техникой, о безграничном покорении природы и неисчерпаемых ресурсах всего и повсюду.
Мы пытались навязать познанию внесоциальные критерии, когда оно вышло на особо опасный и необычайно стремительный вираж, пытались, вроде бы отвергая примитивные теистические доктрины, но все-таки наивно полагая, что чья-то мудрая рука остановит нас за секунду до последнего смертоносного эксперимента... Сейчас хорошо видно, что розовой магии безграничностей и неисчерпаемостей приходит конец. Когда развитие техносферы достигло уровня, угрожающего существованию социальных организмов и между прочим самой техносферы в масштабах планеты, неизбежно вступают в игру мощнейшие социальные силы, которые должны перехватить управление выходящими из-под контроля факторами. Другого варианта просто нет, если предполагать долгосрочную и успешную эволюцию человечества более важной целью, чем удовлетворение имперских притязаний или чистого любопытства.
В связи с этим отмеченную неполноценность социоморфизма на уровне научного мировоззрения можно считать временным явлением. Вселенная (а в частности Земля и ее окрестности) должна выглядеть не просто суперавтоматом, но и системой, пригодной для существования хотя бы земной цивилизации и созданной ею культуры, более того, системой, искусственно регулируемой в тех или иных масштабах.
Наконец придется осознать и тот общий факт, что мы видим Вселенную сквозь линзу именно земной социальной практики в самом широком смысле, включая сюда и биосоциальный уровень нашего развития и соответствующие этому уровню технические структуры. Это дает лишь одну из возможных систем отсчета, и нельзя приписывать именно нашей системе уникальную объективность видения мира. Иначе никогда не удастся всерьез поставить и решить такую грандиозную проблему, как Контакт с внеземными цивилизациями. В силу иной социокультурной и даже биологической конституции наши будущие партнеры могут иметь совершенно иные представления по поводу одних и тех же событий, вовсе не совпадающие с представлениями земной науки. Не отказавшись от геоцентризма своего мировоззрения, мы попросту не сумеем их понять. И именно такая цель - понимание в масштабах Контакта - послужит маяком для попыток последовательного выяснения социоморфной природы наших знаний.
Так и вырисовывается круг задач для дальнейших глав этой книги. В III части мы попробуем заглянуть в картину Вселенной, соответствующую уровню Контакта, а ближайшая задача - ознакомиться с некоторыми современными моделями космологии и астрофизики.
ЧАСТЬ II: КОСМОЛОГИЧЕСКИЙ СЦЕНАРИЙ
Глава 7: ВОКРУГ БОЛЬШОГО ВЗРЫВА
Как жаль, что Господь не посоветовался
со мною, когда он творил Вселенную!
Он, может быть, установил бы в ней
более простой и разумный порядок.
Альфонс Кастильский Мудрый
ОСТОРОЖНО НА ПОВОРОТЕ!
Сейчас сюжет этой книги делает довольно резкий поворот. До сих пор мы более или менее неспешно путешествовали по истории космических взглядов. Пора переходить к тому, ради чего это делалось,- к изложению современной точки зрения на эволюцию Вселенной. Мы попробуем сначала построить достаточно последовательную картину так называемой стандартной или эталонной модели эволюции, а лишь потом уйти в обсуждение тех или иных дискуссионных моментов.
В процессе ознакомления с последующим материалом стоит иногда заглядывать в приложения - особенно это касается элементарных частиц. И, конечно, хочется верить, что терпеливый читатель преодолеет некоторую жестокость текста ближайших глав.
Итак, к делу!
СТАНДАРТНАЯ МОДЕЛЬ
В промежутке от 15 до 20 миллиардов лет назад с первоначальным состоянием Вселенной - будем называть его Сингулярностью - что-то произошло. Пространство и заполняющая его материя как бы вырвались из точки и стали расширяться. Такое явление иногда называют Первовзрывом, или Большим Взрывом*. Этот красивый образ математически оправдан тем, что в нулевой момент времени плотность материи становится бесконечной** (((t) = 3/32?Gt2), но его нельзя слишком прямо ассоциировать с обычным взрывом заряда в пространстве. Здесь расширяется именно все пространство Вселенной, а в наблюдательном отношении это выглядит как разбегание вещества, увеличение расстояний между любой парой точек.
*Большой Взрыв - соответствует английскому Big Bang,
** Это обстоятельство, наряду с бесконечностью при t = 0 ряда метрических величин, и связано с представлением о физической сингулярности, то есть физически значимой особенности (разрыве) в решениях космологических уравнений.
ДВУХМЕРНЫЙ АНАЛОГ КАРТИНЫ РАСШИРЕНИЯ ВСЕЛЕННОЙ (В ЗАМКНУТОЙ МОДЕЛИ).
ВСЕ ТОЧКИ ЗАШТРИХОВАННОЙ ОБЛАСТИ, ОГРАНИЧЕННОЙ ГОРИЗОНТОМ, МОГУТ БЫТЬ
СВЯЗАНЫ С НАБЛЮДАТЕЛЕМ А СВЕТОВЫМИ СИГНАЛАМИ.
То, что происходило до Сингулярности, непосредственно в ней и примерно вплоть до 10-7-10-5 с, относится - точнее, до недавних пор относилось! - к области более или менее свободного полета мысли. По истечении одной десятимиллионной доли секунды можно рисовать довольно конкретные картинки. Вещество очень высокой плотности находится в состоянии весьма горячего (Т ~ 1014 К) "супа" из кварков, лептонов и фотонов, которые движутся как частицы идеального газа со световыми скоростями.
Когда температура падает до 1012К (t ~10-5 с), плотность вещества становится порядка той, которая характерна для атомных ядер и адронов. Вероятно, где-то на этом этапе и протекает образование адронов - кварки отходят друг от друга на предельно большие средние расстояния и поневоле сливаются в адронные структуры.
Начиная с этого момента, можно определенно говорить о горячей смеси адронов, лептонов и фотонов, причем последние довольно долгое время играют основную роль.
Через 200 секунд после Первовзрыва температура падает до миллиарда градусов, средняя кинетическая энергия частиц уже невелика - ее не хватает для рождения лептонных пар, а тем более адронов. Теперь протоны и нейтроны могут объединяться в простейшие составные ядра дейтерия, не рискуя немедленно развалиться в слишком горячей среде. Начинается эра нуклеосинтеза.
Дейтерий сам по себе очень нестабилен, но в результате столкновений с протонами и нейтронами он может превращаться в гелий-3 или в тритий. В свою очередь, гелий-3 подбирает нейтрон, а тритий - протон, образуя весьма стабильные ядра обычного гелия-4. За несколько последующих минут практически все нейтроны расходуются на гелиосинтез или распадаются (бета-распад: n ( p + e-+ ?). Завершается аннигиляция античастиц.
Более тяжелые ядра образоваться попросту не успевают. Это связано со "щелями" в Периодической системе элементов Менделеева - отсутствием стабильных ядер с 5 или 8 нуклонами. Иными словами, присоединение к гелию протона или нейтрона или слияние двух ядер гелия не ведут к усложнению ядерной структуры.
Следующий структурный уровень появляется много позже - примерно через 700 тысяч лет после Первовзрыва. Температура падает настолько, что возможен синтез атомов водорода и гелия из соответствующих ядер и электронов. Фотоны уже не настолько энергичны, чтобы легко выбивать связанные электроны.
Так разрывается связь между первичным излучением и веществом. У фотонов просто не хватает энергии на ионизацию атомов, с электрически же нейтральными объектами они не взаимодействуют. Поэтому фотоны начинают распространяться практически свободно - Вселенная становится как бы прозрачной для них.
Отсюда и берет начало так называемая эра доминирования вещества, которое пока выглядит как примитивная смесь водорода и гелия в пропорции примерно 7 : 3. Первичное фотонное и, видимо, нейтринное излучения, постепенно охлаждаясь, превращаются в реликты - живые памятники великим событиям первых мгновений.
Наступающую эру можно также назвать и космогонической - именно теперь гравитация формирует галактики и звезды.
Но перед обращением к этой очень интересной фазе стоило бы обсудить кое-какие космологические и околокосмологические проблемы.
ЧТО ОЖИДАЕТ ВСЕЛЕННУЮ?
Всякая космологическая теория пытается увязать самые общие свойства распределения материи в сегодняшней Вселенной с картиной, соответствующей наиболее ранним эпохам, но непременно заглядывает и в далекое будущее. Что касается будущего, стандартная модель предлагает на выбор два варианта замкнутый и открытый.
Замкнутая Вселенная похожа на поверхность расширяющегося воздушного шарика, но, разумеется, это лишь двухмерная аналогия. Со временем такая Вселенная должна достичь максимального размера, после чего она будет сжиматься. Для наблюдателя это выглядело бы как постепенное исчезновение красных смещений в спектрах галактик. В какой-то момент они сменились бы постепенно усиливающимися фиолетовыми смещениями.
Температура Вселенной начинает возрастать, что неизбежно ведет к распаду структур - от живых организмов до галактик. Разогревшееся реликтовое излучение вступит во взаимодействие с веществом, обдирая электронные оболочки атомов, распадутся атомные ядра, снова образуется горячая смесь из электронов, фотонов, нейтрино и протонов, появится заметное количество античастиц, потом фотон-лептон-кварковый бульон, и, наконец, за миллионную долю секунды Вселенная уйдет в Сингулярность*.
*В англо-американской литературе этот уход иногда образно именуется Big Crunch - что-то вроде Большого Краха или Большого Треска.
Другой вариант - безграничное расширение Вселенной, когда она будет все более и более остывать, стремясь превратиться в холодное море фотонов и нейтрино с небольшой примесью других частиц. Видимо, сколь-нибудь сложная организация материи должна исчезнуть, и единственной отрадой в этой картине является то, что переход в состояние полного вымораживания будет длиться довольно долго: по разным оценкам от 1030 до 1070 лет.
Выбор между двумя вариантами будущего сводится к оценке современной плотности вещества, вернее, соотношения этой величины с так называемой критической плотностью ( кр = 3H2/8?G ( 4,7.10-30 г/см3 (при Н = 50км/сМпс =1,62.10-18 с-1)*. Если ( > ( кр, то имеет место первый вариант, и расширение неизбежно сменится сжатием. Если то ( < ( кр, расширение будет неограниченным.
* Более осторожные современные оценки для Хаббловской функции: Н = 55?75 км/сМпс, что дает несколько большую критическую плотность: ( кр = (0,6?1).10-29 г/см3.
Для пояснения разницы можно использовать аналогию со снарядом, запущенным с Земли. Если начальная скорость не очень велика (не достигает второй космической скорости), то кинетической энергии снаряда не хватит на преодоление тяготения, и он упадет назад или превратится в искусственный спутник. Наоборот, при достаточно большой скорости он будет (без учета влияния других тел Солнечной системы) неограниченно удаляться от Земли. При использовании этой аналогии важно только помнить, что разбегание галактик связано с расширением самого пространства, тогда как "разбегание снаряда и Земли" рассматривается в обычном Ньютоновом пространстве...
Сделать окончательный выбор между двумя вариантами горячего или холодного будущего очень трудно - точность измерения Н и, следовательно, ( кр невелика. Но еще сложней оценить наблюдаемую плотность. Совсем еще недавно данные сводились к ( совр. ~ (2?5).10-31 г/см3, то есть Вселенная скорее соответствовала открытой модели. Однако эта плотность оценивалась преимущественно по запасам звездного вещества в галактиках. Считалось, что реликтовый фон фотонов и нейтрино дает вклад в плотность массы на 3 порядка меньше, и этим вкладом фактически можно пренебречь.
С открытием массы нейтрино ситуация может резко измениться. Если число нейтрино, приходящихся на один протон, сохранится на уровне одного миллиарда, то окажется, что в современную эпоху именно нейтрино дают основной вклад в массу Вселенной, и наблюдаемая плотность подскочит до критической черты*. С другой стороны, немалая доля массы должна быть сосредоточена в темных объектах - выгоревших звездах. Особые надежды возлагаются на черные дыры, которыми могли завершить свой путь многие звезды первого поколения. Систематическое обнаружение такого рода объектов опять-таки позволило бы поднять оценку наблюдаемой плотности. Но, как мы видели в главе 6, независимо от природы скрытой от наблюдения массы, ее уже обнаружили, и ее плотность, скорее всего, в десятки раз превышает ( совр.
*Принимая наиболее вероятную оценку плотности обычного вещества (в = 3.10-31 г/см3, видим, что она соответствует средней концентрации порядка 1 протона в 6 м3. Протон примерно в 30 млн. раз тяжелее нейтрино. Но нейтрино выигрывает бои за Вселенную не массивностью, а массовостью. Концентрация одних только электронных реликтовых нейтрино достигает 150 частиц/см3, т. е. плотность нейтрального вещества ((?e) ~ 8.10-30 г/см (при m(?e) ~ 30 эВ = 5,3.10-32 г) вполне на уровне критической. Если вклад того же порядка дадут другие типы реликтовых нейтрино (??, ??), то сомнений в замкнутости Вселенной не останется. Важно, что уже ?e дают вклад в плотность материи, примерно в 30 раз превышающий вклад обычного вещества - как раз то, что требуется для объяснения скрытых масс.
Вообще, наметившаяся тенденция такова, что экспериментальное значение "константы Хаббла" (а значит, и критической плотности) систематически снижалось - в 10 раз за 50 лет! - а оценка средней плотности росла за счет обнаружения новых объектов или новых свойств. Поэтому сейчас закрытая модель с горячим финалом Вселенной представляется наиболее вероятным итогом исследований.
Обобщением закрытой модели является так называемая пульсирующая (или осциллирующая) Вселенная, где циклы расширения и сжатия бесконечно повторяются. Вселенная каждый раз возрождается из Сингулярности и, прожив несколько десятков миллиардов лет, гибнет в ней: что-то вроде буддийских эр, не так ли?
На самом деле выбор между одним или несколькими циклами существования Вселенной может иметь экспериментальный смысл лишь в том случае, если Сингулярность - нечто более сложное, чем в стандартной модели. Иными словами, она должна хоть что-нибудь пропускать из одной эры в другую, скажем, определенный тип элементарных частиц. Было бы очень приятно обнаружить в современном мире следы иных циклов и убедиться, что хоть какие-то объекты способны пережить Большой Взрыв. К сожалению, пока на это нет никаких указаний...
Однако изучение и очень раннего прошлого и финиша в закрытой модели показывает, что именно в Сингулярности кроются наиболее принципиальные проблемы современной космологии.
СИНГУЛЯРНОСТЬ - КЛАССИЧЕСКИЕ ПРОБЛЕМЫ
В сущности, Сингулярность, и с физической и с философской точки зрения, объект неудовлетворительный. Мир с бесконечной плотностью материи, стиснутый в одну единственную точку,- сугубо математическая абстракция. Скорее всего, Сингулярность отражает наше незнание истинных законов эволюции в моменты, близкие к Первовзрыву.
Глубокие теоретические исследования последних десятилетий показали, что Сингулярность в рамках эйнштейновской теории тяготения неизбежна - она содержится в общих решениях уравнений классической теории гравитации, а не является следствием каких-либо чрезмерных ее упрощений.