В этой части описывается переворот во взглядах людей на устройство Вселенной, который начался примерно в 1916 годц и закончился в середине 1960-х.

 

1. Комфортная, но неправильная картина мира

Опуская всяческих китов, слонов и хрустальные сферы, начнем исторический очерк с картины мира, которая уже может обсуждаться в рамках науки. Это вечная, бесконечная, в среднем неизменная Вселенная. Такая концепция постепенно сложилась в XVI—XIX веках и служила основной космологической парадигмой вплоть до 1920-х годов. Впрочем, наверняка эту концепцию, как и большинство философских откровений эпохи Просвещения, уже сформулировал кто-то из древних греков. Современный человек как будто впитывает идею вечной бесконечной Вселенной с молоком матери и очень удивляется, когда узнает про Большой взрыв.

Вечная бесконечная Вселенная комфортна для человеческого разума. Человеку хочется думать, что звезды будут светить всегда, что у мира нет ни конца, ни начала, что перед жизнью и разумом нет никаких пределов, даже в отдаленном будущем.

Такая Вселенная понятна и логична. А как же еще? Как представить себе начало и конец? А что раньше начала? А что дальше конца? Вопрос, откуда взялась Вселенная, в этой парадигме тоже не актуален — это всё остальное откуда-то взялось во Вселенной, которая есть просто вместилище всего сущего.

Однако уже в XIX веке в грандиозной картине мироздания появились первые трещины. Причем эти трещины имели вид простых вопросов. Во-первых, почему ночью небо темное? Именно такой вопрос был однажды задан школьником команде «знатоков» в телепередаче «Что? Где? Когда?». «Знатоки», уповая на то, что вопрос задан школьником (даже не старшеклассником), дали простой ответ: «Потому, что ночью мы находимся в тени Земли, и атмосфера над нами не может рассеивать солнечные лучи». Школьник был не столь прост. Оказывается, если Вселенная бесконечна, вечна и изотропна, прямой луч в любом направлении упрется в звезду (как любой горизонтальный взгляд в лесу упрется в лист или ствол дерева) — значит, небо должно сиять столь же ярко, как поверхность звезды. Поглощение не спасает — любой поглотитель нагреется и засияет с той же яркостью. Этот факт носит название «фотометрический парадокс Ольберса». Он говорит о том, что Вселенная либо не вечна, либо не бесконечна.

Интересно попробовать парадокс Ольберса «на зуб» — насколько должна быть велика Вселенная, чтобы он сработал. Здесь следует предупредить читателя, что если он не любит оперировать большими числами, то может пропустить два следующих абзаца.

Стволы деревьев в лесу перекроют перспективу на нескольких сотнях метров. А на каком расстоянии звезды перекроют небо? Это нетрудно прикинуть, зная среднюю плотность Вселенной. Нам нужно обычное вещество, сейчас известно, что его плотность во Вселенной около 10-30 г/см3 (в XIX веке этой величины не знали и при попытке оценить скорее всего получили бы значение на несколько порядков выше), и примерно десятая часть вещества находится в звездах. Значит, средняя плотность вещества, заключенного в звездах, 10-31 г/см3 . Будем считать, что все звезды подобны Солнцу, — это даст не слишком большую ошибку, расстояние будет завышено, может быть, в пару раз. Масса Солнца — 2·1033 г. Значит, средняя плотность звезд во Вселенной n ≈ 0,5·10-64 см-3 . Надеемся, читателя не смущает такая величина, как число звезд в кубическом сантиметре — ее смысл можно выразить иначе: одна звезда в кубе с ребром 2·1021 см (2 тыс. световых лет). Теперь надо взять площадь диска Солнца σ  = πR2 ≈ 1022 м2 (радиус Солнца — 696 тыс. км) и определить среднюю длину луча до попадания в звезду: S = 1/nσ ≈ 2·1041 см.

Это чудовищное расстояние, на 13 порядков больше, чем размер видимой части современной Вселенной. На столько видимая часть Вселенной больше Солнечной системы, и на столько последняя больше собаки. Соответственно, время существования такой Вселенной тоже должно быть на 13 порядков больше, чем возраст нашей, — иначе свет далеких звезд не успеет дойти до наблюдателя.

Единицы измерения, используемые в книге

Физики — очень упрямые люди: внедрить в их среду систему единиц СИ не удалось и, видимо, уже не удастся, поэтому и мы будем пользоваться сантиметрами, граммами, эргами. Энергию частиц физики измеряют в электронвольтах (эВ) (1,6·10 -12 эрг), мегаэлектронвольтах (МэВ), гигаэлектронвольтах (ГэВ) и т.п. Причем в этих же единицах измеряется и масса частиц. Как так? Да просто используется знаменитая формула  E = mc 2 , и скорость света полагается равной единице. Вообще, эквивалентность массы и энергии в книге используется весьма активно в надежде, что читатель к этому привык либо быстро привыкнет. Кстати, температура тоже часто измеряется в эВ или ГэВ. А может быть, и в эргах. Достаточно вспомнить, что температура пропорциональна энергии, приходящаяся на степень свободы частицы в веществе, а в чем эту энергию измерять — дело вкуса.

Для измерения больших расстояний используются световые годы (10 18 см) или парсеки (3·10 18 см). Большие массы обычно измеряются в массах Солнца (2·10 55 г).

Итак, парадокс Ольберса в полноценном варианте подразумевает гигантские размеры и времена, но запрещает бесконечность. Бесконечную неподвижную неизменную Вселенную со звездами лучше и не пытаться представить. Наблюдатель, телепортировавшийся в нее, мгновенно бы сгорел.

1.1. Глубокий снимок космического телескопа «Хаббл». Расстояние до галактик, видимых на снимке, — от 1 до 12 млрд световых лет. Снимок взят из архива NASA с сайта hubblesite.org

А если бы Вселенная возникла 13,8 млрд лет назад, как это и есть на самом деле, но не расширялась бы? Ее горизонт имел бы примерно такие же размеры — 13,8 млрд световых лет. Посмотрите на «глубокий» снимок космического телескопа «Хаббл» (то есть снимок участка неба, где нет близких объектов, сделанный с большой экспозицией). Несколько процентов площади снимка занимают далекие галактики. Если бы не было расширения, их поверхностная яркость превышала бы яркость Млечного Пути (молодые галактики ярче). Поэтому всё небо слегка бы светилось — слабее, чем Млечный Путь, но достаточно, чтобы это можно было почувствовать в темную ночь. На самом деле из-за расширения Вселенной далекие галактики становятся во много раз тусклей, и чтобы увидеть почти равномерное свечение неба, нужна хорошая техника.

Второе умозаключение, портящее картину, называется «тепловая смерть Вселенной». Принципом, обрекающим Вселенную, оказывается второе начало термодинамики — всё должно со временем прийти в состояние тепловой бани, где всё имеет одну температуру, все источники энергии исчерпаны и никакая жизнь не возможна. Так и вечная Вселенная в ее современном живом состоянии, хоть в ту, хоть в другую сторону по стреле времени, получается, невозможна. Кстати, современная физика способна дать вполне реалистичную картину предстоящей тепловой смерти — она будет постепенной и не мучительной.

Вселенная уже заметно состарилась. Сейчас за единицу времени рождается в 20 раз меньше звезд, чем 10 млрд лет назад. Солнце погаснет через 5 млрд лет — тогда новые звезды типа Солнца будут рождаться заметно реже, чем сейчас. Но через 100 млрд лет еще будут светить ныне существующие красные карлики, близ которых возможна жизнь.

Постепенно, строительный материал для новых звезд будет становиться всё более дефицитным, их рождение почти остановится. Но если где-то через триллион лет столкнутся две галактики (а это и тогда будет изредка происходить в гравитационно связанных скоплениях), то остатки газа и пыли в этих галактиках сожмутся ударной волной от столкновения и это выльется в сотни миллионов или миллиарды новых звезд всех типов с планетными системами. Где-то снова возникнет жизнь ничем не хуже нашей, и разумные существа ничем не хуже нас.

И у них тоже будет звездное небо над головой! Единственно, чего у них не будет, так это множества других галактик, видимых в телескопы. Будут видны только погасшие или чуть тлеющие галактики местного скопления, которые не разлетелись на безнадежные расстояния из-за того, что оказались гравитационно связанными в первые миллиарды лет. Космический телескоп «Хаббл» там окажется не столь полезным. А всё великолепие молодой Вселенной будет полностью закрыто для наблюдения любыми инструментами из-за ускоренного расширения пространства.

1.2. Пример возврата бурной молодости галактик в результате столкновения. Маленькая галактика (справа, вероятно, та, что голубая), сотни миллионов лет назад пролетела через большую галактику слева и вызвала в ней круговую ударную волну в диске, сжимающую газ с пылью, дающую толчок образованию миллиардов звезд. Яркие звезды быстро прогорают, отчего светящееся кольцо тонкое, но за ним остаются менее яркие звезды типа Солнца. Подобные эпизоды возрождения будут изредка происходить и тогда, когда галактики полностью погаснут. Снимок космического телескопа «Хаббл» (NASA) с hubblesite.org

Итак, мы знаем, что «умирание» Вселенной будет очень долгим, что ее температура будет только падать, знаем, что в обозримое время не случится тотального апокалипсиса типа коллапса Вселенной. Есть экзотические варианты теории, где Вселенную когда-нибудь нескоро ждет внезапный конец («большой разрыв» или коллапс), но в простых незатейливых вариантах теория предсказывает для Вселенной очень долгое будущее. Однако мы сильно забежали вперед — из XIX века в конец XX. Вернемся назад.

Третья проблема вечной неизменной Вселенной — гравитационная неустойчивость. Любой объем вещества стремится сжаться под действием гравитации. Если в среде давление мало, то малейшие неоднородности плотности начинают расти — чем дальше, тем быстрее. Сжатие останавливается, когда давление или разброс скоростей объектов сжимающейся системы уравновешивает гравитацию. Всё, что мы видим вокруг себя, уже прошло стадию гравитационной неустойчивости и пришло к равновесию: Солнце уравновешено давлением газа, Солнечная система — движением планет, галактика — движением звезд, скопление галактик — движением галактик. А дальше — проблема! В XIX веке ничего не знали про скопления галактик и крупномасштабную структуру Вселенной. Но теоретически было понятно, что от проблемы не уйти, — чем больший объем берем, тем дольше развивается неустойчивость, но тем большее давление или разброс скоростей требуется, чтобы остановить сжатие. В конце концов, приходим к какому-нибудь парадоксу, типа того, что для стабилизации сжимающейся системы требуются скорости, превышающие скорость света (это в рамках ньютоновской механики, а на современном языке это означало бы формирование черной дыры).

Несмотря на перечисленные проблемы, многие ученые и тем более философы долго верили в старую парадигму. Про парадоксы все знали, но думали, что как-нибудь рассосется — наука развивается и найдет лазейки из тупика.

 

2. Старая космология жителей подледного океана Европы

Мы находимся в довольно благоприятном положении для обозрения Вселенной. Атмосфера Земли прозрачна, космос тоже (что не само собой разумеется — в Галактике довольно много облаков пыли). Тем не менее, пытаясь понять, как устроена Вселенная, откуда она взялась и что это такое, мы уперлись в некие пределы, о которых пойдет речь ниже. Интересно попытаться представить картину мира тех, кто находится в худших условиях, у кого пределы находятся перед самым носом.

В Солнечной системе есть несколько интересных мест, о которых с надеждой говорят как о возможном прибежище внеземной жизни. Одно из них — спутник Юпитера Европа, точнее, ее подледный океан. Аналогичные океаны, вероятно, есть у спутников Сатурна — Титана и Энцелада.

Европа — второй после Ио по удаленности галилеев спутник Юпитера. Радиус орбиты — 671 км (почти вдвое больше, чем у Луны), По размеру Европа почти равна Луне. Покрыта водяным льдом. Местами лёд загрязнен буроватыми минералами, местами он голубой. Есть много доводов в пользу того, что под слоем льда находится слой жидкой воды порядка сотни километров глубиной.

2.1. Серп Европы, снятый «Вояджером-2» (NASA)

По поводу толщины льда продолжаются споры — он может быть как километры толщиной (тонкая модель), так и десятки километров (толстая модель). В пользу тонкой модели говорят районы, где поверхность раздроблена на огромные льдины (см. фото), повернутые и даже наклоненные, вмерзшие в новый лёд. В пользу толстой модели говорит структура немногочисленных ударных кратеров.

Существование жизни подо льдом Европы не противоречит законам термодинамики.

В недрах спутника выделяется достаточно тепла из-за приливного трения, которое возникает в мощном поле тяготения Юпитера благодаря небольшой вытянутости орбиты. Соседний спутник, Ио, весь покрыт лавовыми озерами и извергающимися вулканами, прямо на наших глазах (точнее, на снимках «Галилео») выбрасывающими фонтаны на пару сотен километров. Европа в полтора раза дальше от Юпитера, но всё равно на ней должен быть подводный вулканизм, и, вероятно, что-то вроде земных «черных курильщиков», где на глубине нескольких километров кипит жизнь — есть точка зрения, что она там и зародилась.

Представим, что жизнь подо льдом Европы развилась до уровня разумных существ (вообразим их отдаленно похожими на наших головоногих моллюсков), создавших цивилизацию.

Эти воображаемые существа подледного океана (европиане) нам потребуются как некто, кто видит гораздо меньше (правильней будет сказать, почти ничего), но всё равно способен успешно познавать мир за пределами досягаемости. Пытаясь представить их методы и прозрения, мы лучше поймем свое положение и сможем по достоинству оценить достижения человеческой цивилизации, которая находится на гораздо более высоком уровне развития науки. Нужно сразу оговориться, что всё, что ниже сказано по поводу физиологии, технологии и образа жизни европиан, не претендует на полное согласие с положениями науки и относится скорее к области научной фантастики. Однако сюжеты, касающиеся их открытий и представлений, вполне поучительны. Будем считать всё это мысленными экспериментами, показывающими, на что способны разумные существа по части познания мира, даже находясь в самых невыгодных для этого условиях.

2.2. Район, где поверхность Европы была раздроблена на плавающие айсберги и затем снова замерзла. Ширина поля снимка — около 50 км. Фотография сделана аппаратом «Галилео» (NASA)

Сделаем несколько уточняющих предположений. Пусть европиане обладают чувствительным зрением (внешнего света нет, но есть биолюминесценция), хорошим слухом и развитой способностью к акустической локации, а также электрическими органами защиты. Благодаря последнему обстоятельству они оказались на ты с электричеством и легко освоили электролиз и силовую электротехнику, пусть более неуклюжую, чем наша, из-за суровой борьбы с утечками, неизбежной для всех, живущих в проводящей среде. Зато они легко освоили водородную энергетику с топливными элементами — хранить водород и кислород в отдельных емкостях под большим давлением не так сложно. При многих недостатках своего положения у европиан есть и преимущества, например, свобода передвижения в трех измерениях, отсутствие климатических катаклизмов.

Какова их «стартовая» космология, аналогичная нашей картине мира XVII—XIX веков?

Античная картина мира европиан сводилась к двум полупространствам — вода и твердь внизу. Но с развитием цивилизации стали появляться сомнения. Главную загадку составляло небесное эхо. Когда начинал извергаться вулкан, раздавались громовые удары, и от каждого через некоторое время откуда-то сверху приходило раскатистое эхо. Естественно, древнее объяснение этого явления было непосредственным и самоочевидным: это боги мрака небес вторят богам недр, извергающим гнев. Однако некоторые дотошные индивиды начали задавать вопросы:

— Почему боги недр всегда выступают первыми? Предания гласили, что однажды гром пришел с неба без всякого грома недр, но лишь однажды и лишь в преданиях.

— Почему ответ неба всегда одинаково повторяет последовательность раскатов снизу? Именно так бывает при обычном эхе. Загвоздка в том, что небесное эхо не дает объемной картины неба, подобно тому, как эхо от холма дает объемную картину части холма. Потому и думали, что это не обычное эхо, а диалог богов. На самом деле отсутствие объемной картины от небесного эха — в его растянутости во времени. Мозг европиан, как и наш, не приспособлен к автоматической обработке медленного сигнала — если замедлить развертку изображения в старом телевизоре в десятки раз, мы перестанем видеть картинку. Мало-помалу дотошные европиане заключали, что там в небе есть что-то вполне материальное, отражающее звук вулканов. Но что именно и насколько высоко? Видимо, очень высоко, поскольку задержка эха сверху была намного дольше, чем от соседних гор. Почти столь же далеко, как граница изведанного Мира.

Это нечто в небе манило смельчаков, которые, запасшись в дорогу пищей, поднимались на невероятную высоту, но их всех охватывал тяжелый давящий ужас, вынуждавший вернуться. Этот ужас на самом деле был полезной находкой эволюции, страхующей от смерти из-за набора излишней плавучести при понижении давления — вернуться назад с чрезмерных высот могло не хватить сил, особенно если попадешь в восходящий конвекционный поток.

Естественно, европиане не отступились. Во-первых, они нашли растительное снадобье, снимающее страх больших высот. После приема зелья побаливала голова и подташнивало, но зато открывалась дорога в немыслимую высоту! Во-вторых, умельцы изобрели адекватное средство передвижения в вертикальном направлении без затрат сил. Оболочка, сшитая из кожи круглобрюхов, пропитанной жиром кухляков, наполнялась жидкостью, поднимающейся от ямы с гниющими пищевыми отходами. Получалась вполне приличная подъемная сила. К оболочке цеплялась корзина с экипажем, припасами и балластом, служившим средством возвращения домой.

Несколько первых попыток оказалось неудачными. Два раза протекла оболочка, потеряв подъемную силу, три раза «высокоплавателей» скрутило от передозировки высотного зелья так, что они смогли лишь обрезать стропы и вцепиться в корзину, дожидаясь, пока она чудовищно медленно не опустится на дно, где можно отлежаться в зарослях и придти в себя.

Трое друзей, потерпев две неудачи и набравшись опыта, собрались на решительный штурм. Точнее, в экипаже было четверо, четвертым был смышленый шустрый улзень по кличке Дзынь, настолько преданный своему хозяину, что даже пытаться оставить его было немыслимо.

Через четыре смены, после того, как с возгласом «Понеслись!» был обрублен швартовый канат, они оказались на такой высоте, где еще никто никогда не был.

Снадобье избавляло от животного ужаса перед высотой, но не спасло трех первопроходцев от отчаяния, подступавшего по мере жуткого долгого подъема в полной пустоте, мраке и безмолвии. Путешественники своим трезвым разумом понимали, что там нет никаких ужасных небожителей, которыми с древних пор пугали проповедники. Но когда тянется время, которому, кажется, нет конца, и на твое звонкое щелканье нет ни малейшего ответа, словно всё пространство забито ватой, разум перестает быть трезвым, и вся жуткая орава сказочных монстров оживает и корчит рожи в съежившемся сознании.

Дзыню было куда легче — он прекрасно переносил высоту без всякого зелья и его никто не пичкал с детства рассказами о небесных чудовищах. А раз хозяин рядом, значит, всё в порядке, несмотря на странное безмолвие пространства. Он прильнул к хозяину, который, забившись в угол корзины, завернувшись в покрывало, рефлекторно продолжал издавать локационные щелчки и посвисты. В таком же состоянии находились два других члена экипажа. Вдруг Дзынь встрепенулся, вытянул голову и начал попискивать и щелкать.

Следом очнулся хозяин и растолкал остальных. — Смотрите, Дзынь точно что-то учуял или услышал. — А ну-ка, свистни изо всех сил — у тебя это лучше получается! — Есть! Точно! Там твердое небо! Тихо… Оно, кажется, чуть волнистое!

Ко всем мгновенно вернулось ясное сознание, хотя голова у каждого гудела и казалась распухшей.

Твердое небо оказалось состоящим из неведомого прозрачного материала, поддававшегося зубилу. Отколотые куски стремились вверх, как камни стремятся вниз, поэтому по пути домой их пришлось держать в сетке из-под съеденных моллюсков.

Однако доставить прозрачные куски домой так и не удалось: они стали уменьшаться, округляясь, и на полпути вообще исчезли к большому огорчению путешественников. И кто им теперь поверит?!

Едва восстановившись физически и морально, они повторили экспедицию. На сей раз они откололи куски побольше и по наитию завернули их во много слоев кожи. Драгоценные образцы неба были представлены руководству придворной академии наук, где и растаяли на глазах у изумленных ученых мужей.

— Д-а-а… — сказал президент академии.

— Не знаю, что и сказать… — сказал первый вице-президент.

— Надо как-то отреагировать, — сказал второй вице-президент.

— Э-э-э…- задумался президент.- А ты знаешь, как надо отреагировать, чтобы там это не вызвало гнева?

— Не знаю, — ответил второй вице-президент, — а также не знаю, не вызовет ли это недовольство здесь, даже если не вызвало гнева там.

— Давайте никак не реагировать, — подвел итог президент, — да и незачем: свидетельство-то исчезло.

— Но ведь они еще привезут! — возразил первый вице-президент.

— Вот пусть тогда и выпутываются сами, а там посмотрим на результат и поймем, как реагировать, — завершил дискуссию президент.

После этого, конечно, лёд привезли еще и еще. Как реагировать, не знали ни «там» ни «здесь». Но природное любопытство европиан брало свое: стихийные экспериментаторы выяснили, что куски неба превращаются в воду, правда в такую, в которой чего-то не хватает, безвкусную. И стало удивительным, как это сразу не поняли, что лёд — твердое состояние воды, подобно тому, как бывает жидкий свинец и твердый свинец. Из этих опытов постепенно вырастала настоящая наука и настоящие ученые, а тем временем (а может быть и в связи с этим) начиналась первая промышленная революция со своими электрическими машинами, винтоходами, электролизным алюминием, медью а потом и сталью.

Изменилась и картина мира. Теперь это был бесконечный плоский слой воды между полупространствами скального грунта и льда. Скальная среда — вечный источник тепла и плодородия, ледяная — холода. Вполне логичная картина, даже с точки зрения термодинамики: поток энергии избавляет мир от термодинамического равновесия, которое есть тепловая смерть. Кусок льда, отломленный от ледяного полупространства, тяготеет назад ко льду, а кусок скального полупространства, камень, тяготеет к своей среде. Вскоре этот факт оформился в своеобразную версию закона Архимеда: на каждое тело действует сила, направленная вниз, пропорциональная массе этого тела, и сила, направленная вверх, пропорциональная массе воды, занимающей объем тела. Таким образом, вселенная в космологии европиан, соответствующей космологии землян XVII-XIX веков, была бесконечной однородной и изотропной в двух измерениях и неизотропной неоднородной в третьем.

Картина мира устоялась, но в ней всё более явно проступала логическая дыра. На камень действует сила, направленная вниз. На кусок льда — сила, направленная вверх. А на камень, принадлежащий дну (недрам), или на кусок льда, принадлежащий твердому небу, — что, не действует? Тогда где и как прекращается действие? Странная сила получается! А если сила универсальна, почему она не разорвет Мир? Приходилось прибегать ко всяким метафизическим уловкам вроде тезиса, что природа не терпит пустоты.

Догадаться о том, что их мир сферичен, европианам оказалось намного сложнее, чем обнаружить ледяной панцирь. Кривизна поверхности не видна (и не слышна). Нет внешних ориентиров; таких как солнце и звезды. Нет компаса (магнитное поле Юпитера на Европе намного слабее земного, свое европианское отсутствует). Но знание элементарных законов физики дает ключ даже жителям глубин, чтобы определить топологию и форму своего мира. Однако, для этого потребуется технология, немного выходящая за рамки той, что имели земляне в XVII—XIX веках. Об этом рассказано ниже, а сначала вспомним про нашу собственную первую космологическую революцию.

 

3. Первая космологическая революция

Парадигма вечной Вселенной дожила до 1920-х годов и пала жертвой не столько собственных противоречий, сколько новых фактов и теорий. Для начала уточним, что именно в картине мира XIX века потерпело крушение.

Вопреки тезисам современных философских поветрий, родственных постмодернизму, достижения науки прошлых веков никто не отвергал — они просто приобрели новый, более ограниченный смысл в более широком контексте. Астрономия XVII—XIX веков дала примерную картину ближней Вселенной, которая в целом выдержала испытание временем, хотя и была существенно дополнена и пересмотрена в ряде деталей.

Крушение потерпела не научная теория, а, скорее, философская доктрина, вышедшая за круг научно установленных фактов. Она казалось естественной, очевидной, простой и была желанной для разума. Природа в очередной раз преподала нам урок: не всё, что кажется очевидным и привлекательным с философской точки зрения, является истиной. Реальность оказалась сложнее, драматичнее и даже трагичнее: Вселенная родилась, эволюционирует и перестанет существовать в ее нынешнем виде. Как и всё, что в ней содержится. Всё течет, всё изменяется, всё проходит. Вселенные — тоже.

Сокрушающим фактом стал закон разбегания галактик, открытый Эдвином Хабблом, теоретической основой революции — общая теория относительности Эйнштейна и решения уравнений Эйнштейна для Вселенной как целого, найденные Александром Фридманом и позже Жоржем Леметром. Главные события революции произошли в 1920-х годах.

Хроника примерно такова

1915-1917 годы: Эйнштейн формулирует общую теорию относительности, из которой следует нестационарность Вселенной как целого. Эйнштейн этого не хотел и попытался подправить теорию, введя произвольно дополнительный лямбда-член (или космологическую постоянную, как чаще называют ее сейчас), который мог бы стабилизировать Вселенную (хотя и не обеспечивал устойчивости).

1922 год: Александр Фридман показывает, что Вселенная с лямбда-членом неустойчива, и публикует решения уравнений Эйнштейна, описывающие нестационарную Вселенную. Поначалу его работа не нашла поддержки в научном сообществе, в частности, поддержки Эйнштейна.

1923-1925 годы: Эдвин Хаббл видит в спиральных туманностях цефеиды -переменные звезды с известной зависимостью периода от светимости. Из видимой яркости цефеид следует гигантское расстояние до них. Такое расстояние, что спирали не могут быть ни чем иным, кроме как галактиками, подобными нашей собственной. Так утвердилась внегалактическая астрономия, начало которой было положено чуть ранее Слайфером, разглядевшим в спиральных туманностях звезды.

1927 год: Жорж Леметр продолжает дело Фридмана, независимо воспроизведя его решения и активно пропагандируя теорию нестационарной Вселенной. Вводит понятие Большого взрыва (сам термин появился много позже; Леметр использовал понятие «первичный атом»).

Леметра воодушевляли первые данные Хаббла и Слайфера, говорящие, что спектры большинства галактик смещены в красную сторону. Это трудно интерпретировать иначе, как эффект Доплера: большинство галактик удаляется от нас. Леметр теоретически предсказывает закон красного смещения: скорость удаления галактики пропорциональна расстоянию до нее. Более того, он берет данные Слайфера по красному смещению галактик и результаты Хаббла по оценке расстояний до галактик и подтверждает свою догадку: числа свидетельствуют о расширении Вселенной с темпом 625 км/с на мегапарсек. Но данные были еще не убедительны, и автором закона в историю вошел Хаббл.

1929 год: Хаббл, основываясь на большем количестве измерений, публикует свой закон пропорциональной зависимости красного смещения от расстояния, ошибившись в 7 раз в определении коэффициента этой зависимости. Эйнштейн признает нестационарность Вселенной и Большой взрыв, а также называет лямбда-член своей ошибкой. Лямбда-член, однако, остался висеть, подобно ружью, на стене и впоследствии, как в хорошей пьесе, выстрелил, да еще как!

На этом первую космологическую революцию можно было считать свершившейся, хотя факт ее свершения осознали совсем немногие. Сам Хаббл в то время не был уверен, что его закон доказывает расширение Вселенной. К тому же ошибка в определении постоянной Хаббла ставила под сомнение всю складывающуюся картину: возраст Вселенной, определяемый как момент начала разлета галактик, получался слишком маленьким — где-то 2 млрд лет.

Ошибка Хаббла складывалась из нескольких составляющих. Во-первых, неправильная калибровка «стандартной свечи» в качестве которой использовались цефеиды — звезды с периодическими колебаниями блеска, у которых абсолютная яркость жестко зависит от периода. Эта яркость была занижена, и расстояние до ближайших галактик с различимыми цефеидами, соответственно, занижено. Расстояние до более далеких галактик определялось с помощью их ярчайших звезд — это была вторая, более яркая «стандартная свеча». Здесь Хаббл тоже ошибся — он во многих случаях за ярчайшие звезды принял компактные очаги звездообразования, которые ярче любой звезды. Эти и другие неточности сработали в одну сторону, дав огромную ошибку — недооценку расстояний до галактик. Более-менее правильная величина постоянной Хаббла была определена лишь в 1950-е годы, но еще долго оценки разных групп различались почти в два раза.

3.1. Эдвин Хаббл (1889-1953). Фото «Википедии»

Концепция Большого взрыва решает перечисленные в первой главе парадоксы одним легким движением. Парадокс Ольберса объясняется красным смещением в расширяющейся Вселенной. Когда объект удаляется, его яркость снижается по двум причинам: энергия квантов падает из-за эффекта Доплера и уменьшается темп их прихода к наблюдателю. Кроме того, у Вселенной появляется горизонт, из-за которого не приходит ничего. Проблема тепловой смерти снимается простым соображением о том, что она еще только впереди. Проблема гравитационной неустойчивости отпадает вообще: в расширяющейся Вселенной неоднородности растут медленней и заведомо не успевают привести к каким-либо парадоксам.

Несмотря на блестящее решение космологических противоречий, новая парадигма утверждалась долго и довольно мучительно. Прошли еще десятилетия, когда образованные родители говорили своим вопрошающим детям (в числе которых был и автор данной книги), что Вселенная не имеет ни начала, ни конца, ни пределов. Еще долгое время вполне заслуженные ученые пытались дать альтернативные объяснения закона красного смещения. В частности, предполагали некий механизм «старения фотонов» — они, дескать, теряют энергию по пути, что имитирует эффект Доплера. Однако механизм подобной потери энергии науке неизвестен. Даже в 1950-х годах многие хорошие ученые и слышать не хотели о Большом взрыве. Многие считали, что разбегание галактик — локальный эффект.

Интересно, что концепция Большого взрыва была благожелательно встречена церковниками самых разных конфессий. Действительно, чем не акт творения?!

Зато марксистско-ленинская философская школа держалась до конца, признав Большой взрыв лишь где-то к концу 1950-х годов.

Перелом в общественном сознании наступил, пожалуй, только в 1960-е годы, когда теория Большого взрыва, подтвержденная новыми данными, пошла в широкие народные массы через популярную литературу и СМИ. Где-то году в 1966-м или 1967-м преподавательница математики рассказывала нам, десятиклассникам, про геометрию Ри-мана и сказала, что, похоже, именно этот вариант реализуется во Вселенной в соответствии с теорией Большого взрыва. Правда, таких учителей было немного. Так или иначе, в 1960-х, более чем через 30 лет после возникновения, новая парадигма утвердилась окончательно.

Из настоящих ученых, заставших открытия 1960-х годов, до конца не признал Большой взрыв только известный английский астрофизик Фред Хойл. Его вариант стационарной Вселенной был по-своему красив и романтичен, справлялся и с парадоксом Ольберса, и с проблемой тепловой смерти, но имел свои проблемы, которые множились по мере поступления новых астрофизических данных. Эта история настолько живописна и по-своему драматична, что мы посвятим ей небольшую главу книги.

Пожалуй, самая яркая роль в первой космологической революции XX века выпала на долю Хаббла (отчасти вместе со Слайфером) — расширить «ойкумену» в тысячу раз, первым увидеть колоссальную Вселенную, да к тому же расширяющуюся! Интересно, был ли в жизни Хаббла момент просветленного потрясения от внезапно открывшегося или понятого? Вполне возможно, что яркий момент истины остался погребен под гигантским количеством рутинной работы, необходимой, чтобы эту истину добыть.

Кажется, Хаббл так и не понял значение своего закона. Он не раз подчеркивал свою позицию: закон красного смещения — эмпирический факт, а его интерпретация — задача для теоретиков. Сам он больше склонялся к версии, что красное смещение — результат неизвестного науке явления уменьшения частоты электромагнитных волн при их распространении на огромные расстояния. Ему бы прожить еще дюжину лет до открытия реликтового излучения! Тогда бы Хабблу уже некуда было деться и пришлось бы осознать, насколько грандиозен его вклад в наше новое мировоззрение.

 

4. Первая космологическая революция на Европе

Впервой половине XX века наша Вселенная оказалась расширяющейся, эволюционирующей, имеющей дату рождения и горизонт, дальше которого мы заглянуть не можем принципиально. У европиан мировоззренческая революция, соответствующая данному уровню развития, выглядела насколько иначе. Вспомним их старую космологию: Вселенная есть слой воды между двумя полупространствами — ледяным и скальным. Убедиться в том, что это не так, им было несравненно сложней, чем людям догадаться о шарообразности Земли.

Издавна эти существа подледного океана, живя во мраке, испытывали проблемы с дальней навигацией: отсутствовали ориентиры. Европиане довольно далеко, гораздо дальше, чем глазами, «видят» с помощью звуковой локации и, находясь в движении, даже воспринимают красоту ландшафта по переливам отраженного звука. Но у них нет ни солнца, ни звезд, ни компаса. Поэтому географические открытия сильно задержались — к эпохе, когда их технология достигла уровня земной начала XX века, они лишь фрагментарно исследовали дальние области.

Отсутствие внешних ориентиров европиане пытались восполнить акустическими маяками, сеть которых охватывала густонаселенные районы. А в дальних экспедициях маяки ставились друг за другом так, чтобы образовывать прямые цепочки: новый маяк ставился в створ двух предыдущих. Это было не просто: для точного определения створа приходилось делать маяки, звучащие на строго фиксированной частоте, и использовать трюки с интерференцией звука да еще учитывать поправку на течение. Стремясь расширить «ойкумену», европиане предприняли несколько сверхдальних экспедиций на больших винтоходах, напоминающих земные подводные лодки, только гораздо легче: не надо удерживать внешнее давление. Большинство вернулось назад по своей цепочке маяков, поворачивая, когда кончались запасы топлива или маяки. Были открыты великолепные леса гигантских растений, колышущихся в потоках, восходящих от еще теплых полей лавы, племена диких собратьев, новые горные хребты и плодородные вулканические кальдеры. Но пришлось вернуться, так и не утолив в полной мере своего инстинкта первопроходцев, которым европиане наделены в не меньшей степени, чем мы. Всегда остается досада: так и не узнал, что лежит за тем хребтом…

Наконец, были снаряжены две экспедиции, «Кальмар» и «Медуза» на судах, по самую рубку заправленных водородом с кислородом, с запасами маяков по несколько тысяч штук, с неограниченным ресурсом пищи, оснащенные мощными прожекторами и сонарами. Отправились в двух перпендикулярных направлениях, но вскоре вышли за пределы акустической связи и остались предоставленными самим себе. Но осталась еще экстренная связь — типа азбуки Морзе из серии мощных гидравлических ударов, слышимых на огромных расстояниях. И однажды, когда уже об экспедициях стали слегка подзабывать, в Центр пришло экстренное сообщение от «Медузы»: «Слышим маяки „Кальмара“, идем прямо». В Центре были озадачены и обеспокоены: экспедиция заблудилась — двигаясь по прямой, она никак не могла напасть на след «Кальмара», ушедшего в перпендикулярном направлении.

Экстренных сообщений больше не было. В Центре царило похоронное настроение, но однажды раздались обычные акустические позывные «Кальмара», а потом и «Медузы». Причем раздались совсем не оттуда, откуда их ждали, а, скорее, с обратной стороны. Ликование при встрече смешалось с недоумением: обе команды настаивали на том, что всё время двигались прямо. «Кальмар» уже было планировал поворачивать назад, как услышал почти прямо по ходу Центральный маяк. В какой-то момент команду охватил суеверный ужас — получалось, что они обнаружили в невероятной дали какой-то фантом родного маяка! Но когда они навели тарелку и услышали по связи знакомые голоса, когда распознали знакомые места, поняли, что просто бездарно сбились с пути и описали круг. Команда «Медузы» уже раньше подозревала, что у них что-то не так с ориентацией, и поэтому была поражена меньше.

Причина такого курьеза казалась очевидной — створ маяков выставлялся неточно, из-за чего обе экспедиции описали замкнутую кривую. Удивительно было лишь то, что они проплыли примерно одинаковое расстояние. Это наводило на мысль, что природа ошибки, заставлявшей экспедиции отклоняться в сторону, была общей. Ошибку надо было во что бы то ни стало понять. Для выяснения была организована специальная комиссия, которая, успешно освоив выделенные деньги, испустила отчет такого объема и такого качества изложения, что никто в нем и не пытался разобраться. Забыли и успокоились.

Однако один инженер придумал способ навеки решить проблему с блужданием экспедиций. Уже был известен закон сохранения вращательного момента, и автор изобретения решил создать навигационный гироскоп. Это было непростой задачей: до создания приборов в вакуумных камерах технология европиан еще не дошла, приходилось иметь дело с вязкостью и возможным влиянием движения воды.

Решение было таковым: гантель из двух массивных полированных металлических сфер, заполненных водородом для придания им нулевой плавучести. В ручке гантели — электромотор, раскручивающий сферы в противоположных направлениях. Каждая сфера — в кожухе, опять же заполненном водородом, который, в условиях океана Европы не являясь ни жидкостью, ни газом, имеет меньшую вязкость, чем вода. Единственное соединение с внешним миром — гибкий электрический кабель, подведенный к середине ручки и заодно играющий роль «поводка». Вся конструкция с неизбежностью была массивной и громоздкой, чтобы момент инерции был как можно больше, а относительное влияние вязкости и тока воды — меньше.

Рис. 4.1. Рисунок гироскопа, представленный инженером в Ассоциацию судовладельцев

Сделать такой механизм было непросто, тем более, что требовалось довольно много денег. Проект согласилась финансировать ассоциация судовладельцев, которые стонали от поборов Управления навигации, взимаемых за пользование акустическими маяками. Маяков не хватало, покрытие многократно отставало от потребностей торгового флота, а плата была несоразмерной. Одним словом — естественная монополия. Выслушав доклад инженера, председатель ассоциации заявил:

— Я не очень верю, что эта штука будет работать. Но если вдруг уважаемый заявитель исполнит обещанное, мы так надраим затылок живодерам из Управления навигации, что это оправдывает любой риск.

Работа по созданию гироскопа шла тяжело и медленно. Но, как говорят на Европе, два глаза боятся, а восемь рук делают — благодаря энтузиазму и самоотверженности создателей аппарат был смонтирован и запущен. Однако уже на стадии отладки появилась одна странность: гироскоп медленно поворачивался — всегда в одну и ту же сторону.

Чего только не предполагали! Первая гипотеза — не сбалансирована плавучесть двух сфер, что взывает прецессию. Проверили — всё сбалансировано. Второе предположение — конвекция воды в помещении. Измерили ток воды — не подтвердилось. И так далее. Вплоть до действия неизвестных науке сил. В конце концов решили предоставить работающий гироскоп самому себе и посмотреть, что он будет делать.

И гироскоп медленно и уверенно поворачивался. За семь с небольшим смен он описал круг, вернулся в исходное состояние и пошел на новый. Точнее, это был не круг, а конус: гантель, в начале эксперимента расположенная горизонтально, описывала конус полураствором 40 градусов. Гироскоп остановили, сориентировали иначе и запустили снова. Все повторилось, только изменился раствор описываемого конуса, а направление его оси осталось тем же. В третьем эксперименте гироскоп перед стартом сориентировали точно в направлении оси того самого конуса. Никакой прецессии на этот раз не было.

Команда решила не оглашать эти таинственные результаты, пока не разберется, в чем дело. Своих идей не было, поэтому решили проконсультироваться с известным специалистом в области теоретической механики. Он, выслушав это, пришел в изрядное возбуждение и заявил: «Кажется, я знаю, что это такое, но боюсь говорить, поскольку вы сочтете меня сумасшедшим». После бурных заверений, что такое никак не возможно, он все-таки сказал:

— У меня уже были смутные подозрения, теперь кажется все ясно: наш Мир — шар. Именно поэтому две недавние экспедиции вернулись с другой стороны. А вы только что открыли, что этот шар вращается, и определили период и ось этого вращения.

— Как, шар?!

— Какой шар?

— А как же с другой стороны шара — всё перевернуто?!

— Бредятина какая-то!

— В отчете же всё объяснили…

— Я в отличие от многих осилил тот жуткий отчет. Его явно писали, чтобы запутать читателя и скрыть, что просто бездарно растратили деньги, так ни в чем и не разобравшись. Кто-нибудь обратил внимание на то, что «Медуза» наткнулась на маяки «Кальмара» примерно в середине своего пути? Они вышли по перпендикулярным направлениям. Если они шли по кругу, должно быть так:

Рис 4.2. Траектории движения «Кальмара» и «Медузы» в случае, если бы они двигались по кругу из-за общей навигационной ошибки

То есть встреча должна была бы произойти либо на четверти, либо на трех четвертях пути — в зависимости от того, в какую сторону кружили. Но никак не посередине.

— А если они шли не по кругу, а по каким-то другим кривым?

— А как они тогда с такой точностью попали назад в точку выхода? Случайно? Обе? Приходится громоздить нелепые предположения. А если Мир — шар, всё становится на места: они шли прямо по окружности шара, маяки работали отлично. Пересеклись на противоположной стороне Мира. И ваш гироскоп вовсе не прецессирует — он строго держит одно направление. Вращается Мир. Неужели не ясно?

— Ты, конечно, большой ученый, но может тебе все-таки стоит отдохнуть…

— Это вам надо проспаться как следует, чтобы освежить замусоренные головы! А лучше тяните свою махину, куда указывает ось прецессии, примерно до Круглого плато — это как раз в том направлении. Там запускайте и смотрите, куда направлена эта самая ось. Она должна быть задрана круче — если последние экспедиции не сильно проврались в определении длины своего пути, то примерно на 48-49 градусов к горизонтали. И тогда с вас четыре больших баллона экстракта пупырышника трехпериодной выдержки. И чтобы каждый из вас явился на Белую площадь, стукнул головой об обелиск и прокричал: «Наш Мир — шар. И он вертится!»

Ученый получил свои четыре баллона. Однако, триумф оказался отнюдь не быстрым и не безболезненным. Не только простые европиане, но и весьма заслуженные ученые не могли принять новую идею, от которой всё внутри переворачивалось и протестовало. Наиболее добросовестные оппоненты пытались придумать новый закон природы, заставляющий гироскопы прецессировать, а экспедиции — ходить по кругу. Менее добросовестные, среди которых были чиновники из Управления навигации, упражнялись в сарказме и казуистике. Служители культа клеймили еретиков и требовали привлечь к суду за оскорбление Высших Предначертаний.

Но гироскоп, подобно огромному тарану, на который походил даже внешне, сам пробил все стены. Им начали пользоваться сперва дальние экспедиции, а потом и торговые суда, и это оказалось куда проще и точнее, чем цепочки маяков. Карты поверхности стали быстро расширять охват и вскоре явным образом замкнулись в тотальную карту Мира, у которой не было краев и которую стало удобно рисовать на шаре. И всё стало логично и просто: гироскоп, который направляли вдоль оси прецессии, показывал одновременно направление меридиана (горизонтальной проекцией) и широту (углом наклона к горизонту). А другой гироскоп, направленный поперек оси мира, указывал долготу, вычисляемую с помощью хронометра. Почему? — На этот вопрос любой штурман ответил бы: «Как это почему? Потому что мир — вращающийся шар, и медузе ясно!»

Смена парадигмы вместе с появлением навигационных гироскопов привела почти к мгновенному (в течение жизни одного поколения) исследованию всего дна и «потолка» океана Европы. Цивилизация получила новые ресурсы, намного превосходящие имевшиеся до тех пор. В лоно Цивилизации вошли, правда, не без отчаянного сопротивления, многочисленные дикие племена. Но средь находок была и утрата — неведомая, манящая и пугающая бесконечность.

 

5. Вселенная — физический объект?!

Данный подзаголовок в XIX веке прозвучал бы как ужасное кощунство. Статус вместилища всего сущего предполагал, что Вселенная — это то, в чем разворачивается история, внутри нее работают законы мироздания, а вопрос «Есть ли какие-либо законы, управляющие Вселенной как таковой?» не имеет смысла. Но уже в 1920-х годах Вселенная была необратимо разжалована из высших философских категорий в объект, описываемый уравнениями. В простейшем случае однородной изотропной Вселенной это уравнение Фридмана.

Решения уравнений говорили следующее: вселенная типа нашей (пишем «вселенная» с маленькой буквы, имея в виду вселенную вообще, любую) может либо расширяться из бесконечно плотного состояния, либо сжиматься в бесконечно плотное состояние. Наша Вселенная расширяется. Она может быть либо «замкнутой» — конечной, либо «открытой» — бесконечной, либо — в промежуточном случае — «плоской». «Замкнутую» вселенную в принципе можно обогнуть, вернувшись с противоположной стороны, если снять ограничение на скорость передвижения. «Открытую» и «плоскую» — нельзя. Определить, в какой Вселенной мы находимся, просто — надо измерить сумму углов очень большого треугольника (миллиарды световых лет): если она больше 180° — Вселенная «замкнута» и описывается геометрией Римана, если меньше 180° — «открытая» и описывается геометрией Лобачевского, если равна — «плоская» и описывается геометрией Евклида. Если Вселенная заполнена обычной материей (с неотрицательным давлением), то в первом случае расширение когда-нибудь сменится сжатием, во втором — вселенная будет расширяться вечно. В третьем — будет тормозиться до нулевой скорости расширения в бесконечном будущем. Первый случай (вероятно, достаточно близкий к «плоскому») с точки зрения физики кажется более естественным. То, какой из этих сценариев реализован, определяется средней плотностью энергии во вселенной (или массы, поскольку для обычной материи E = mc2). Если она в точности совпадает с критической плотностью, которая в настоящее время близка к 10-29 г/см3, то реализован «плоский» вариант. Если плотность выше — вселенная «замкнута», если ниже — «открыта». По современным данным сумма вкладов всех типов материи (включая так называемую темную энергию) в пределах ошибок совпадает с критической.

Как представить замкнутую конечную вселенную? С самым простым способом автор познакомился на первом курсе Физтеха на лекции Сергея Петровича Капицы. Тот брал воздушный шарик, на котором нарисованы завитки-галактики, подсоединял его к трубке компрессора и открывал вентиль. Шар медленно надувался, а Сергей Петрович, разводя руками, показывал, как галактики разбегаются — чем дальше друг от друга, тем быстрей, как и наблюдал Хаббл. Потом шарик громко лопался, и лектор обводил аудиторию победным взглядом.

Победный взгляд оправдан: демонстрация снимает глупые вопросы: «Где произошел Большой взрыв?», «Откуда разбегаются галактики?» и «Где у Вселенной край?». Многие воспринимают Большой взрыв по аналогии с обычным взрывом: разлет вещества из некоего эпицентра в пустоту. Смотрите на надуваемый шарик, на его поверхность! Там нет и не было центра разлета. Вообразите, что шарик стал раздуваться от микроскопических размеров — сначала быстро, потом медленней. Большой взрыв и есть начало расширения «шарика» — «замкнутой» Вселенной. Надо лишь добавить, что в этой демонстрации есть третье измерение, откуда мы можем рассматривать шарик. Пример будет точнее, если допустить, что все движения возможны только вдоль поверхности шарика, а третьего, перпендикулярного измерения (в случае реальной Вселенной — четвертого пространственного) нет вообще.

Коль скоро мы признали, что Вселенная — физический объект, имеет смысл, не откладывая, перечислить основные геометрические и физические характеристики этого объекта.

Определить размер «шарика», в «поверхности» которого мы живем, мы не можем — он слишком велик и весь не доступен наблюдениям (см. ниже про горизонт). Впрочем, были попытки найти объекты, видимые с противоположных направлений, в предположении, что лучи от них обогнули замкнутую Вселенную с противоположных сторон, как взрывная волна от падения Тунгусского метеорита обогнула земной шар. В таком случае можно было бы примерно оценить размер, но сейчас мы точно знаем, что подобное невозможно — Вселенная слишком велика. Зато мы в принципе можем измерить пространственную кривизну Вселенной. Например, зная настоящий размер очень далекого объекта и расстояние до него, можно оценить кривизну пространства по углу, под которым мы видим этот объект. Другой способ измерения кривизны — определить среднюю плотность всех видов энергии во Вселенной и постоянную Хаббла (эти величины связаны через уравнения Фридмана). Сейчас мы знаем, что кривизна в пределах ошибки неотличима от нуля.

Вместо размера Вселенной для описания ее расширения можно использовать масштабный фактор. Он описывает, как меняется расстояние между точками вместе с расширением Вселенной, например расстояние между двумя галактиками, не связанными гравитацией. Нельзя сказать: «Масштабный фактор при красном смещении z = 1 был 100 мегапарсек», — это бессмыслица (величина z определяется через соотношение λ1 = λ (1 + z), где λ — длина волны испущенного, λ 1 — принятого фотона). Зато можно сказать: «Масштабный фактор с эпохи z = 1 к настоящему времени увеличился в два раза», «Две данные галактики разлетелись со 100 мегапарсек на 200» и т.п. Этот термин относится только к относительному увеличению расстояний. Объем, который, подобно увеличению масштабного фактора, расширяется вместе со Вселенной, называется сопутствующим объемом. Число частиц в единице объема уменьшается. А число частиц в сопутствующем объеме, как правило, сохраняется.

Для описания темпа расширения Вселенной используется постоянная Хаббла, обозначаемая H. Астрофизики ее выражают в привычных себе единицах — свежайшее значение постоянной Хаббла H = 68 ± 0,9 км/с на мегапарсек. Смысл тот, что галактики, отстоящие от нас на один мегапарсек, удаляются в среднем со скоростью 68 км/с. Однако внимательный читатель может заметить, что мегапарсек можно выразить в километрах (31019 км), и тогда расстояние вообще выпадает из определения величины, остаются обратные секунды, а именно 2,3·10-18 с-1, что равно единице, поделенной на 14 млрд лет. В знаменателе не случайно оказалась величина, близкая к возрасту Вселенной: если бы темп расширения был постоянным, то стартовать оно должно было бы 14 млрд лет назад. Но в классическом варианте Фридмана Вселенная расширяется с замедлением, значит, ее возраст заметно меньше 14 млрд лет, что приходит в противоречие с возрастом самых старых звезд. Это противоречие нашло разрешение лишь в конце 1990-х годов. Но не будем на сей раз забегать вперед.

Еще одна важнейшая геометрическая вещь во Вселенной — горизонт. Если Вселенная возникла 13,8 млрд лет назад, то ее первые лучи не могли распространиться дальше, чем на 13,8 млрд световых лет. В принципе, это расстояние можно принять за размер горизонта — это проще всего, и большой ошибки не будет. Но то, что мы видим, например, на карте реликтового излучения, испущенного 13,8 млрд лет назад, сейчас из-за расширения Вселенной ушло от нас более чем в два раза дальше (какое-то время точки, где сейчас находимся мы и где был испущен первый видимый луч, удалялись друг от друга со сверхсветовой скоростью). Поэтому размер области, о которой мы можем что-то знать, — это 45 млрд световых лет. Если мы видим, например, пятно пониженной яркости на карте реликтового излучения, то можем сказать, что в данном направлении на расстоянии примерно 45 млрд световых лет от нас находится войд — область, где нет скоплений галактик. То есть мы имеем информацию о том, что находится за 45 млрд световых лет от нас, точнее, информацию о том, что было там давным-давно. А то, что сейчас, можем грубо прикинуть. Это и есть общепринятое определение горизонта. О том, что еще дальше, мы ничего не знаем в принципе.

Если Вселенная — физический объект, то какова ее температура? Температура нашей среды обитания никакого отношения к температуре Вселенной не имеет — мы живем вблизи источника энергии и вдали от теплового равновесия. Что покажет градусник, если поместить его в межгалактическом пространстве, подальше от всех галактик и их скоплений?

В принципе, показания термометра в межгалактической пустоте никак не связаны с энергией редких частиц газа, находящихся там, — их слишком мало. Показания определятся балансом поглощения и излучения электромагнитных волн телом термометра. Если падающие на термометр электромагнитные волны — лишь свет звезд и излучение пыли в далеких галактиках, то термометр покажет около градуса Кельвина или чуть меньше. Но это будет не та температура! В нынешней Вселенной глобального теплового равновесия нет. А в ранней — было!

Первые 380 тыс. лет во Вселенной вещество и излучение находились в состоянии термодинамического равновесия при общей температуре. Отклонения от равновесия на некоторых этапах были, но скорее как исключение. Вселенная расширялась, и ее температура падала с расширением по адиабатическому закону (грубо говоря, тепло совершает работу по расширению Вселенной). Затем, когда плазма превратилась в нейтральный газ, Вселенная вышла из термодинамического равновесия: была потеряна связь между излучением и веществом. Часть вещества стала сгущаться и разогреваться. Но излучение, которое с тех пор живет само по себе, продолжая остывать по тому же самому адиабатическому закону, осталось тепловым по всем своим характеристикам. У этого излучения, называемого реликтовым, есть определенная температура и логично именно ее приписать нынешней Вселенной. Оказывается, именно она определяет показания термометра в межгалактическом пространстве. В 1965 году это излучение зарегистрировали и вскоре его температуру измерили с хорошей точностью. Она оказалась равной 2,7 градуса Кельвина. Именно эту температуру покажет термометр в межгалактическом пространстве. Кстати, разница между градусом (равновесие со светом звезд) и 2,7 градуса очень велика — плотность энергии излучения пропорциональна четвертой степени температуры. Плотность энергии реликтового излучения в сотню раз выше, чем у света звезд вдали от галактик.

В физической Вселенной менялось также состояние вещества. Одно из самых важных изменений состояния — рекомбинация водорода, произошедшая в возрасте 380 тыс. лет. Вещество из состояния полностью ионизованной плазмы перешло в газ нейтральных атомов — именно поэтому тогда тепловое излучение потеряло связь с веществом.

Вселенная также характеризуется уравнением состояния. Оно определяется как связь между плотностью энергии, е (куда входит и энергия покоя вещества), и давлением. До конца 1990-х годов думали, что давление близко к нулю; такое уравнение состояния называется «пылевым». Оказалось, что сейчас давление материи во Вселенной отрицательно — об этом пойдет речь ниже. Отрицательным давление было не всегда. Первые 80 тыс. лет в энергетическом балансе Вселенной доминировала радиация, и давление было положительным и очень высоким. На возраст 80 тыс. лет пришлось равенство энергий излучения и вещества, а еще раньше имел место предельный случай ультрареля-тивистского уравнения состояния: р = 1/3 ε.

Выше речь шла о Вселенной, подчиняющейся решению Фридмана, но с давних пор существует еще решение де Ситтера для однородной пустой вселенной с лямбда-членом. Это вечно расширяющаяся вселенная, причем расширяющаяся экспоненциально: за каждую единицу времени расстояние между любыми двумя точками увеличивается в (не «на» а «в») постоянное число раз:

В своем чистом виде решение описывает некий парадоксальный стационарный мир. Тем не менее, запомним о его существовании! Решение де Ситтера, оказывается, имеет близкое отношение к действительности.

Если Вселенная — физический объект, не значит ли это, что таких объектов много? Конечно, значит! И из множественности вселенных вытекает возможное решение ряда каверзных вопросов, касающихся нашей собственной, единственной доступной для наблюдений. Но об этом тоже ниже.

 

6. Рыцарь Вечности

В науке достаточно яркий след оставили не только правильные теории и концепции, но и некоторые красивые заблуждения. Автор одного из таковых — английский астрофизик Фред Хойл.

Он вошел в историю в четырех ипостасях: как один из пионеров теории нуклеосинтеза в звездах, как автор научно-фантастических романов, как поборник теории панспермии и как упрямый безуспешный борец с концепцией Большого взрыва (между прочим, термин Big Bang, вольно переведенный на русский как «Большой взрыв», придумал именно он).

В теории нуклеосинтеза Хойл пробил тупик, казавшийся глухим, ответив на вопрос, как в звездах образуются элементы тяжелее гелия. Оказывается, мостиком от гелия к более тяжелым элементам служит тройная гелиевая реакция — сливаются три ядра гелия, образуя ядро углерода. Вероятность реакции получается достаточно высокой лишь потому, что у углерода существует ядерный резонанс с «правильной» энергией — именно Хойл в конце 1940-х предсказал существование этого резонанса, потом этот факт был экспериментально подтвержден. Позже он с Маргарет Бербидж, Джеффри Бербиджем и Уильямом Фаулером опубликовал фундаментальную статью по звездному нуклеосинтезу, ставшую знаменитой.

6.1. Фред Хойл (1915-2001). Фото с сайта www.english.cam.ac.uk

Теория, вошедшая в историю как «стационарная модель», была впервые предложена им в 1948 году совместно с Томасом Голдом и Германом Бонди.

Хойл признавал, что Вселенная расширяется, галактики разбегаются и красное смещение — реальный эффект Доплера, а не мифическое «старение фотонов». Но! Пусть в каждом кубическом километре пространства в среднем раз в год рождается один протон и один электрон. Этого достаточно, чтобы компенсировать разбегание галактик и поддерживать среднюю плотность Вселенной на одном уровне. И так могло быть всегда — никаких «больших взрывов».

Откуда возьмутся этот протон с электроном? Да хоть из ничего! Ведь в космологии Большого взрыва целая Вселенная возникла из ничего. По мнению Хойла, Большой взрыв антинаучен и относится скорее к сфере теологии, чем физики.

Далее новое вещество потихоньку сгущается в новые галактики (на самом деле с этим могут быть большие проблемы), старые освобождают место для новых, и Вселенная самовоспроизводится, оставаясь вечно молодой. Это очень оптимистичная теория. С парадоксом Оль-берса всё в порядке — далекие звезды не светят из-за красного смещения. Тепловая смерть тоже отменяется: рождающаяся материя имеет низкую энтропию — она сгустится в звезды и станет новым топливом. Энтропия сопутствующего объема в расширяющейся Вселенной растет, но энтропия фиксированного объема остается постоянной.

В такой вечнозеленой Вселенной приобретает смысл старая идея панспермии. Жизнь возникла не на Земле — она гораздо древнее, а может быть вечна. Она переносится в космосе в виде спор примитивной жизни, например с пылью или вмороженная в глыбы льда, выброшенного с поверхности планет ударами метеоритов. Споры засевают новые планеты, жизнь на них размножается и эволюционирует к высшим формам, и так будет всегда! Не правда ли, замечательно?!

А если Вселенная родилась в результате Большого взрыва? Тогда в идее панспермии нет особого смысла. Действительно, жизнь на Земле появилась 4 млрд лет назад, а еще на 6-7 млрд лет раньше для нее во Вселенной не было никаких условий. Какая разница, зародилась жизнь на Земле или чуть раньше на другой планете и с огромными трудностями перепрыгнула на Землю? Статус панспермии уже не тот — вместо неограниченного времени на зарождение и распространение жизни отводится всего лишь раза в два больший срок, чем она существует на Земле.

У теории Хойла есть еще один плюс — она отчасти имеет под собой физическую основу, которая окрепла со временем. Такой тип расширения Вселенной, как требуется в этой теории, происходит на самом деле прямо сейчас. Это ускоренное экспоненциальное расширение, когда расстояние между парой далеких галактик увеличивается в два раза примерно каждые 10 млрд лет. В 1963-1966 годах Хойл в соавторстве с Джайацтом Нарликаром развил теорию, согласно которой Вселенная заполнена неким полем, которое он назвал «полем творения» (C-field), с отрицательными давлением и плотностью энергии, которое вызывает экспоненциальное расширение Вселенной и рождает новые частицы.

Здесь осведомленный читатель может воскликнуть: «Да это же один в один инфляция, придуманная на 15 лет позже!» Почти что так, за исключением знака плотности энергии поля. Идея, в общем, оказалась близкой к истине. Фактически Хойл первым предложил прототип механизма под названием «космологическая инфляция», занимающий центральное место в этой книге. Увы, идея была приложена к неправильному сценарию и имела неверные положения, например, теперь ясно, что поле с отрицательной энергией будет нестабильно. Сейчас мы много чего еще знаем: подобное поле существует (только плотность его энергии положительна, а не отрицательна), и оно действительно вызывает ускоренное расширение Вселенной. Однако, рождать протоны с электронами это поле по современным представлениям не может. В широких массах оно известно под именем «темная энергия». Фред Хойл дожил до открытия ускоренного расширения Вселенной (это произошло в конце 1990-х) и наверняка порадовался.

Как жаль, что эта жизнеутверждающая теория оказалось неверной!

Сильнейший удар по ней был нанесен открытием микроволнового реликтового излучения, оставшегося со времен, когда Вселенная вся была заполнена горячей плазмой. Хойл не сдался, он предположил, что это излучение — свет далеких звезд, переработанный галактической пылью. Хойлу указали на то, что Вселенная явно меняется со временем: квазары почти исчезли за последние несколько миллиардов лет, изменились типы галактик… Но он продолжал выкручиваться, искал лазейки. В частности, предположил, что творение вещества идет не равномерно, а модулировано синусоидой. Так и не сдался! Испортил себе репутацию, возможно, именно по этой причине не получил Нобелевскую премию, которая была присуждена его соавтору Уильяму Фаулеру за теорию нуклеосинтеза в звездах, но не сдался. Умер в звании рыцаря (посвящен в 1972 году), в возрасте 86 лет, в новом тысячелетии (2001 год), когда основные события, описываемые в этой книге, уже произошли.

Вероятно, драма Хойла заключается в том, что философ и поэт в его душе оказались сильнее профессионала-физика. И все-таки стоит отдать ему должное не только за правильные работы, но и за красивые и в каком-то смысле пророческие заблуждения. Без подобных заблуждений история науки была бы скучнее.

 

7. Свет Большого взрыва

Америку открыл Колумб, хотя викинги еще за сотни лет до открытия торговали с индейцами. Аналог эпохи великих географических открытий в астрофизике — 1960-е годы. Открытия шли одно за другим с интервалом в год: квазары, пульсары, реликтовое микроволновое излучение, гамма-всплески и ряд других, относительная важность которых зависит уже от точки зрения. Наиболее прямое отношение к нашей истории имеет реликтовое излучение. Лавры открытия принадлежат Арно Пензиасу и Роберту Вильсону, хотя архивные раскопки показывают, что микроволновое излучение уже видели раньше — прямо или косвенно. Так, в 1941 году канадский астроном Эндрю Маккеллар увидел в спектре поглощения звездного света межзвездным газом молекулярные линии, которые требуют постоянной накачки тепловым излучением с температурой 2,5 градуса Кельвина. Это отметили как загадочный факт и прошли мимо.

7.1. Арно Пензиас (справа) и Роберт Вильсон. Фото из архива Jodrell Bank Centre for Astrophysics

«Википедия» сообщает, что в 1955 году аспирант Тигран Шмаонов, работая в Пулковской обсерватории, обнаружил изотропный фон с температурой 4-5 К. Это было опубликовано в журнале «Приборы и техника эксперимента» и забыто. Наверняка кто-нибудь еще наблюдал реликтовое излучение, принял его за артефакт и пошел дальше.

И все-таки Америку открыл Колумб, а реликтовое излучение открыли Пензиас с Вильсоном. Все-таки слово «открытие» подразумевает «открытие миру», а не только себе. Здесь многое зависит и от исторического контекста. Для Пензиаса и Вильсона он был самым благоприятным.

Выше, перечисляя физические характеристики Вселенной, мы упоминали ее температуру, уменьшающуюся в ходе расширения. Соответствующая теория изначально горячей Вселенной была предложена Георгием Гамовым в конце 1940-х. Кстати, насколько Вселенная горяча? Этот вопрос Гамов пытался решить вместе с Ральфом Альфером и Робертом Германом: настолько горяча, чтобы в первые минуты ее существования «правильно» прошли ядерные реакции протонов и нейтронов, синтезировав наблюдаемое количество гелия. Более научная формулировка вопроса «насколько горяча» звучит следующим образом: «Какова удельная энтропия Вселенной?» — иными словами, сколько фотонов приходится на один протон. Ядерные реакции в ранней Вселенной шли при температуре в десятки и сотни килоэлектронвольт. Из наблюдаемого количества гелия можно определить концентрацию протонов с нейтронами (барионов) в тот момент — от плотности будет зависеть, сколько из них успеют слиться в ядра гелия. А поскольку плотность фотонов однозначно определяется температурой, то из требуемой плотности барионов получается соотношение примерно 109 фотонов на один барион. Это отношение в ходе расширения Вселенной не меняется. Значит, и сейчас на каждый барион приходится около 109 фотонов. И тогда современная температура Вселенной, точнее, температура излучения, оставшегося от былого теплового равновесия, должна быть 3-5 градусов Кельвина, что соответствует микроволновому диапазону. Впоследствии стало ясно, что эта оценка содержит ошибку и совпала с правильным значением случайно: только из концентрации гелия точно определить температуру сложно (зависимость довольно слабая), для этого нужна концентрация дейтерия, а тогда она не была известна.

7.2. Георгий Гамов. Фото с сайта www.aip.org

Долгое время результат Гамова с Альфером и Германом оставался в статусе сугубо теоретической модели. Кажется, никому не приходило в голову, что это проверяемо и, тем более, уже косвенно подтверждено. Ситуация изменилась только в 1960-е. Так, в 1964 году Андрей Дорош-кевич и Игорь Новиков обнародовали оценки, показывающие, что реликтовое излучение вполне может быть зарегистрировано с помощью уже существующей техники. В том же 1964 году Роберт Дикке с сотрудниками приступает к созданию изобретенного им специально для обнаружения реликтового излучения радиометра. В то же время Пензиас и Вильсон с похожим радиометром начинают астрофизические наблюдения. Обнаруживают тепловой шум, одинаковый по всем направлениям. Долго пытаются устранить этот шум, принимая его за технический артефакт. Наконец, Дикке с коллегами объясняют Пензиасу и Вильсону, что они обнаружили. Таким образом, открытие сделано случайно, но уже в то время, когда его ждали.

До сих пор реликтовое излучение остается главным источником информации в космологии. Карта реликтового излучения отражает карту неоднородностей плотности нашей Вселенной возраста 380 тыс. лет — фактически это ее детская фотография. Именно тогда плазма превратилась в нейтральный газ (момент рекомбинации) и фотоны пустились в свободное путешествие, постепенно смещаясь в красную, потом в инфракрасную, потом в микроволновую область из-за расширения Вселенной. После рекомбинации наступили темные века (dark ages), когда не существовало никаких ярких объектов, которые можно было бы обнаружить современной техникой. И только где-то через 700 млн лет из тьмы выплывают первые галактики и квазары, обнаруженные недавно в инфракрасном диапазоне. Еще до них зажглись первые звезды, не связанные с галактиками. Но этого мы пока не видим. Самый первый известный на сегодняшний день сигнал, возвестивший об окончании темных веков, — гамма-всплеск с красным смещением z = 8,2, испущенный сколлапсировавшей звездой через 630 млн после рождения Вселенной.

 

8. Почему Большой взрыв не гипотеза

До сих пор на каких-нибудь форумах в Интернете можно прочесть: «Большой взрыв — спорная гипотеза». Слава богу, сомнения в шарообразности Земли (пока еще?) не высказываются. Между тем у Большого взрыва и шарообразности Земли одинаковый статус: и то и другое — твердо установленные факты. В данном случае под Большим взрывом имеется в виду расширение Вселенной из состояния с огромной плотностью и температурой (каких именно — отдельный вопрос) в соответствии с решением Фридмана (с возможными модификациями).

Красное смещение, свидетельствующее о разбегании галактик, — лишь первый аргумент. По мере совершенствования техники наблюдений всплывали всё новые свидетельства. Телескоп часто сравнивают с машиной времени — мы наблюдаем в хороший телескоп молодую Вселенную и видим, что она существенно отличается от нынешней. Галактики выглядят по-другому. Когда-то они с виду имели неправильную форму, были меньше, но ярче — рождение звезд шло раз в двадцать интенсивнее, чем сейчас. Квазаров в ранней Вселенной было тоже во много раз больше, и они были ярче нынешних. То есть мы воочию видим, как Вселенная менялась.

На самом краю досягаемости мы видим, как изменилось состояние межгалактического водорода. Сейчас он ионизован, но есть нейтральные облака. Далекие квазары играют роль маяков, просвечивая пространство. В их спектре нейтральные облака видны как линии поглощения, соответствующие самой сильной линии водорода Лайман-альфа. Причем облака находятся на разном красном смещении, и каждое вырезает свою щель в спектре. Чем дальше в красную область спектра, тем гуще идут линии (явление получило название Лайман-альфа лес). Наконец, они сливаются в одно «корыто» — никакие кванты в этом диапазоне не доходят до нас, поскольку поглощающие облака сливаются в сплошную среду, в которой нейтральных атомов хватает, чтоб поглотить всё излучение маяка выше линии

Лайман-альфа. Квазар-маяк, с помощью которого увидели это явление, называемое эффектом Ганна — Петерсона, находится на красном смещении 6,28.

Почему где-то за красным смещением 6 (что соответствует возрасту Вселенной 900 млн лет) заполняющий космос газ частично нейтрален (целиком нейтральным он становится при z ~ 10, см. главу 32), а потом — ионизован? Эволюция молодой Вселенной дает ясный ответ: это сделали первые звезды и квазары, которые чуть раньше зажглись во Вселенной, — их ультрафиолетовое излучение ионизовало водород.

Так мы прослеживаем историю Вселенной до возраста 700 млн лет и видим, как она менялась в полном соответствии с теорией Большого взрыва. Дальше мы перепрыгиваем через темные века на отметку 380 тыс. лет, когда Вселенная имела температуру три тысячи градусов и плотность в миллиард раз больше, чем сейчас. Это эпоха рекомбинации, о которой рассказано выше. Здесь опять всё точно соответствует теории: реликтовое излучение, его температура, его спектр.

На этом мы пока остановимся. Карта реликтового излучения поведет нас дальше, гораздо ближе к истокам. Но это уже будет не предыстория, а история, которой посвящена книга.

Практика, конечно, не единственный критерий истины, но, пожалуй, самый убойный.

Человек, исследующий далекую Вселенную с помощью данных, добытых самыми разнообразными инструментами, пользуется теорией расширяющейся Вселенной, где Большой взрыв накрепко «зашит», примерно так же, как мореплаватели пользовались секстантом и хронометром. И если внезапно спросить исследователя: «А ты уверен, что Большой взрыв был на самом деле?» — он посмотрит и ответит примерно так же, как капитан времен Джеймса Кука, если бы его спросили: «А ты уверен, что Земля — шар?»