Вселенная между мгновением и вечностью

Каких-нибудь пятьдесят-шестьдесят лет тому назад то, о чем здесь было рассказано, еще не приходило в голову даже самым проницательным мыслителям. Теперь оно становится всеобщим достоянием. А то, что многие вопросы еще не решены, ни в коей мере не умаляет значения уже достигнутого. Это обычное состояние науки, которая по самой своей природе чужда косности и застоя, не приемлет авторитарности и догматизма, находится в постоянных исканиях, отвечает на бесконечные «почему», ошибается и исправляет ошибки, совершая свой нескончаемый путь к вечно ускользающей истине.

Большие художники всегда имели собственный взгляд на мир. Нередко их интуитивное восприятие позволяло пристальнее вглядеться в суть окружающих нас вещей и отыскать закономерности, которые впоследствии находили научное подтверждение. Картина голландского художника М. Эшера «Другой мир».

С давних пор – вот уже более двух тысячелетий (а быть может, и много дольше) живут бок о бок три подхода к восприятию и осмыслению окружающего нас мира.

Один из них и, вероятно, самый древний – это искусство, стремление проникнуть в суть вещей через внелогическое отображение, которое принято называть интуитивным: оно недоказуемо и не вытекает из непреложных научных фактов. Пример такого суждения – эпиграф, выбранный для статьи. Так более семидесяти лет тому назад, на заре становления современных представлений о структуре и свойствах микромира, поэт, философ, мыслитель Валерий Брюсов с непостижимым прозрением, присущим большому художнику, выразил в изящной метафорической форме свой взгляд на глубинную сущность окружающей нас природы. Его догадка блестяще выдержала проверку временем и ныне подкреплена реальным знанием. Хотелось бы, однако, сразу же отделить интуитивное суждение от бытующего пока еще, к сожалению, термина «озарение» – знание, якобы полученное свыше. Коренное различие между этими двумя понятиями заключается в том, что интуиция – исключительное умение обобщить конкретные знания и опыт, между тем как «озарение» не включает в себя ничего, кроме очковтирательства и шарлатанства.

Второй подход – научный, последовательное изучение законов природы и свойств материи. Он опирается на эксперимент и строгие логические построения. Искусство и наука отнюдь не антагонистичны, наоборот, они взаимно дополняют друг друга. Уже давно замечено, что стройная логика сама по себе никогда не приводит к выдающимся и в особенности к революционным научным открытиям. Напротив: они, как это на первый взгляд ни парадоксально, часто делаются вопреки логике, преодолевая ее ограниченность на крыльях гениальной догадки, обобщающей накопленный опыт. Два выдающихся примера дает нам физика двадцатого века. Это, во-первых, теория относительности, которая возникла на руинах логически безупречных и «совершенно очевидных» представлений о пространстве и времени, никак друг с другом не связанных. Во-вторых, это квантовая механика, которая покончила, казалось бы, вопреки здравому смыслу, с убеждением (лучше сказать – заблуждением) в абсолютном различии между волнами и частицами. Эти примеры (можно было бы привести еще много других) показывают, что великое открытие в науке требует не только высочайшего профессионализма, но и способности проникнуть в глубинную суть вещей и подняться над канонической схемой мышления. Тогда, обобщив накопленный в науке опыт, ученый может вынести парадоксальное интуитивное суждение, которое, конечно же, опять подлежит проверке опытом.

Наконец, есть третий подход – теологический. Он противостоит прежде всего научному по самой своей сути, поскольку зиждется на вере в сверхъестественное божественное начало и не апеллирует к эксперименту. Конечно, мы ни в коем случае не покушаемся на священное право каждого человека верить в Бога или быть атеистом. Единственное, что представляется нам неприемлемым – это стремление подменить объективное и нелицеприятное знание какой бы то ни было априорной или субъективной концепцией.

Так пополняются и совершенствуются наши знания. Повседневный опыт и наблюдения позволяют выработать ряд основополагающих научных принципов. На их основе создается теория, которую подтверждают экспериментальные проверки. Но с ростом точности эксперимента появляются новые данные, приходящие в противоречие с теорией. Их появление заставляет выдвигать новые основополагающие принципы, которые, однако, не отвергают старые, а расширяют и дополняют их.

Но для многих в религии есть и своя притягательная сила: вера не требует интеллектуального напряжения – она преподносит все истины в окончательном и неизменном виде. Как бы ни архаично выглядел такой подход, опровергнуть его невозможно. Последовательный идеализм представляет собой безупречное логическое построение: нельзя доказать ни существование, ни отсутствие Бога, опираясь только на формальную логику. Если бы дело обстояло иначе, борьба между наукой и религией закончилась бы уже давно. Единственным оружием науки в этой борьбе служит опыт, эксперимент, позволяющий рано или поздно дать разумное объяснение всему, что казалось невозможным трактовать иначе, как чудо, сотворенное божественной волей. Астрономия уже нанесла много чувствительных ударов по главному – сотворению мира, но она же (а точнее, ее часть, предмет которой изучает возникновение и эволюцию Вселенной – космология) пока еще дает предрассудкам наиболее надежное убежище. Вселенная представляет собой уникальный объект, и невозможно поставить эксперимент, который воспроизводил бы весь долгий путь ее развития, доказав, что нет необходимости в «божественном творении». И все же, благодаря блестящим научным открытиям последних десятилетий, мы сумели очень и очень многое понять и объяснить в процессах, отдаленных от нас на миллиарды лет, – в зарождении и развитии Вселенной.

ВСЕЛЕННАЯ РАСТЕТ

Ошеломительный успех космологии в последние десятилетия связан с двумя выдающимися открытиями двадцатого века, с которых мы и начнем. История вопроса такова.

Каждый элемент таблицы Менделеева характеризуется вполне определенным спектром излучения. Этот спектр служит «визитной карточкой» элемента, по которой его сразу же можно распознать среди всех прочих. Но так дело обстоит только в том случае, если источник излучения неподвижен.

В начале века было обнаружено, что спектры ближайших к нам галактик и их скоплений (туманностей), которые только и были доступны наблюдению в то время, слегка сдвинуты либо в фиолетовую, либо в красную сторону. Причину этого явления поняли сразу – эффект Доплера, изменение воспринимаемой частоты излучения источника при его движении к наблюдателю или от него. В первом случае спектр излучения смещается в сторону больших частот (фиолетовое смещение), во втором – в сторону меньших (красное смещение). Величина смещения тем больше, чем выше скорость источника относительно наблюдателя. Таким образом, сдвиг спектров указывал поначалу только на то, что источник излучения либо приближается к нашей Галактике, либо удаляется от нее. Так, например, туманность Андромеды приближается к Земле со скоростью около 300 километров в секунду, а более удаленное скопление галактик в созвездии Девы движется со скоростью около 1000 километров в секунду от Земли. Однако по мере накопления наблюдательных данных стало выясняться, что подавляющее число туманностей удаляется от Земли и притом тем быстрее, чем дальше от нас туманность. К Земле движется только несколько ближайших галактических систем вроде Андромеды.

Неподвижный источник излучает световую волну постоянной частоты. Приемник излучения ее регистрирует и определяет длину волны принятого излучения. Если источник движется по направлению к приемнику, воспринимаемая длина волны окажется меньше (или, что то же самое, частота излучения будет больше). Если источник удаляется, длина волны окажется больше (частота ниже); спектр излучения будет смещен в красную область. Так возникает красное смещение разбегающихся галактик.

Конечно, это отнюдь не означает, что Земля расположена в центре Вселенной. Общая картина заставила предположить, что Вселенная испытала в далеком прошлом чудовищной силы взрыв, после которого все ее части стремительно полетели прочь друг от друга. Эта точка зрения окончательно восторжествовала после 1929 года, когда американский астроном Эдвин Хаббл, подытожив накопившийся к тому времени обширный наблюдательный материал, сделал вывод, что имеется прямая пропорциональность между расстоянием до галактики и скоростью ее удаления. Весьма примечательно, что такой же результат непосредственно вытекает из так называемого космологического принципа. Последний очень привлекателен с философской точки зрения и попросту сводится к утверждению, что для наблюдателя, где бы он ни находился, распределение движения видимых им галактик по скоростям должно быть одинаковым. Это эквивалентно утверждению, что Вселенная однородна и изотропна, то есть во всех направлениях имеет одинаковые свойства. Читатель может сразу же возразить: более 99 % массы Солнечной системы сосредоточено в самом Солнце, а оставшаяся часть – в планетах, которые вместе с Солнцем занимают лишь ничтожную часть объема системы. Все остальное пространство между ними практически пусто. Какая уж тут однородность и изотропия! И мы, конечно, согласимся с ним, что тут их нет и в помине. Но когда речь идет об однородности и изотропии Вселенной, имеется в виду, что она обладает этими свойствами только в среднем. Причем усреднение следует производить по весьма внушительным пространственным масштабам, заметно превышающим характерные расстояния между соседними скоплениями галактик – порядка 100 миллионов световых лет. А размеры части Вселенной, видимой невооруженным глазом, значительно меньше. Именно по этой причине закон разбегания галактик не стал известен раньше.

Американский астроном Эдвин Хаббл в 1929 году, измеряя величину красного смещения галактик, обнаружил, что все они разбегаются друг от друга, и тем быстрее, чем больше расстояние между ними.

Все галактики (в том числе и Галактика, в которой живем мы, – черный кружок) движутся, увлекаемые общим космологическим расширением. Скорости и направления их движения различны. Но любому наблюдателю (в том числе и земному) будет казаться, что именно он неподвижен, а вся остальная Вселенная разбегается от него в разные стороны.

Его нельзя было установить и проверить без мощных современных телескопов, позволяющих заглянуть весьма далеко в глубины Вселенной. Сегодня мы способны различать крупные звездные образования, удаленные от нас на расстояния до двадцати миллиардов световых лет (2 ·10 23 километров). И по многим причинам полагаем, что это и есть истинный размер, который сейчас имеет наша Вселенная. Такая оценка основана на следующем простом рассуждении. Как уже говорилось, галактики разлетаются с относительными скоростями, пропорциональными их расстоянию друг от друга. Подчеркнем, что это относится к любой паре галактик. Если экстраполировать картину вспять по времени, то неизбежен кажущийся парадоксальным вывод, что когда-то все они, а точнее, вся заключенная в них материя, вылетели из одной точки. Здесь, конечно, необходима большая осторожность. Бездумно переносить действующие сейчас закономерности сколь угодно далеко по времени нельзя, хотя бы потому, что, углубляясь в прошлое, мы сталкиваемся с неограниченно растущей плотностью материи, когда ее свойства нам совершенно неизвестны. Однако вплоть до огромных плотностей – порядка миллиарда тонн в кубическом сантиметре, которые существуют внутри атомных ядер, – мы свойства материи уже знаем, и этого достаточно для оценки. Многолетние наблюдения показали, что скорость разлета галактик возрастает примерно на 15 километров в секунду на каждый миллион световых лет расстояния между ними. Эта величина называется постоянной Хаббла. Самые далекие уносятся от нас со скоростью, приближающейся к скорости света – 300000 километров в секунду. Сопоставив оба факта, находим время, прошедшее с начала разлета. Для этого нужно один миллион лет умножить на отношение скорости света к постоянной Хаббла, то есть на 20000. Получаем двадцать миллиардов лет. Если учесть замедление, вызванное силами гравитационного притяжения, то время расширения оказывается несколько меньше. В известном смысле это время называют возрастом Вселенной.

ВСЕЛЕННАЯ ОСТЫВАЕТ

Вторым крупнейшим достижением астрофизики последних десятилетий стало открытие реликтового излучения. Само название говорит о том, что речь пойдет о явлении, возникшем в незапамятно древние времена. А вот обнаружено это излучение было только в 1964 году американскими радиоастрономами Арно Пензиасом и Робертом Вилсоном. В 1978 году им за это открытие была присуждена Нобелевская премия. Оно сыграло решающую роль в становлении и дальнейшем триумфальном шествии теории «горячей» Вселенной. Но чтобы рассказать о ней, нам придется сделать еще одно отступление в область общей физики.

Мысленный эксперимент, поясняющий механизм возникновения реликтового излучения. Вообразим излучение, которое заключено в ящике с абсолютно черными стенками и находится с ними в тепловом равновесии. Пусть теперь стенки ящика начнут раздвигаться. Объем ящика станет расти, а плотность энергии заключенного в нем излучения, то есть частота излучения и его температура, – падать. Чем дальше отодвигаются стенки, тем ниже становится температура. Когда-то температура молодой Вселенной составляла миллиарды градусов, а чрезвычайно плотная материя «запирала» горячее излучение в очень малом (по космическим масштабам) объеме. В процессе расширения Вселенной температура излучения уменьшилась до трех градусов выше абсолютного нуля.

Представим себе, что внутри ящика с полностью поглощающими стенками заперто электромагнитное излучение и что вся эта система находится в тепловом равновесии. Электромагнитное излучение включает радиоволны, инфракрасное (тепловое) излучение, видимый свет, ультрафиолетовое, рентгеновское и гамма-излучение. Термин «тепловое равновесие» означает, что излучение, попадая на стенки, отдает им ровно столько энергии, сколько стенки излучают обратно в ящик. Как при таких условиях распределится интенсивность излучения по частотам или, что то же самое, по длинам волн? Этот вопрос довольно долго мучил физиков и был решен выдающимся немецким ученым Максом Планком всего лишь за несколько недель до начала нашего века* (см. «Наука и жизнь» №№ 5 и 6, 1996 г.). Выяснилось, что это распределение полностью определяется температурой стенок, причем по мере роста частоты (уменьшения длины волны) его интенсивность сначала возрастает, затем при определенной частоте, растущей с температурой, достигает максимума, после чего начинает падать, приближаясь к нулю при очень больших частотах. Поэтому излучение обычно характеризуют температурой: распределение его энергии по частотам, то есть энергетический спектр, описывается знаменитой формулой Планка, в которую следует подставить соответствующую температуру. Эта формула и положила начало всей современной квантовой физике.

Что произойдет, если убрать стенки? Очевидно, что тогда излучение начнет свободно распространяться в окружающее пространство, словно газ, выпущенный из сосуда. При этом плотность его энергии будет убывать обратно пропорционально занимаемому им в каждый данный момент объему (поскольку его полная энергия – произведение плотности энергии на объем – остается неизменной). Значит, будет убывать и его температура. Но это означает, что максимум излучения будет приходиться на все меньшие и меньшие частоты или, что то же, на все более длинные волны. Другими словами, при расширении в свободное пространство волны излучения как бы растягиваются и весь его спектр смещается в сторону меньших частот: гамма-излучение постепенно переходит в рентгеновское, оно, в свою очередь, в ультрафиолетовое и так далее.

Кривая Планка связывает температуру, энергию и частоту излучения. Каждой температуре отвечает своя кривая. С ростом температуры максимальная энергия излучения приходится на все более высокую его частоту.

Спрашивается, какое все это имеет отношение к астрофизике? Оказывается, самое непосредственное. Именно так возникло реликтовое излучение, которым заполнена вся Вселенная.

Когда-то, очень давно, плотность материи была чрезвычайно велика. Энергично взаимодействуя с излучением, материя препятствовала его свободному расширению. Другими словами, она играла роль того самого ящика с полностью поглощающими стенками. По мере расширения Вселенной плотность материи постепенно уменьшалась, а температура падала. Наконец, наступил момент, когда излучение стало настолько слабо взаимодействовать с веществом, что смогло распространяться практически свободно – стенки ящика стали прозрачными. Принято говорить, что в этот момент излучение оторвалось от вещества. Сейчас температура излучения упала почти до трех градусов по абсолютной шкале температур (около – 270° С). При этом максимум его энергии приходится на длину волны, несколько меньшую одного миллиметра. Оно почти однородно. Это означает, что измерения, проведенные в любой точке Вселенной, должны дать почти одинаковые результаты. И оно почти изотропно в системе центра масс Вселенной. Это означает, что оно почти одинаково по всем направлениям в любой координатной системе, в которой Вселенная как целое неподвижна (то есть в системах, где движения ее частей – галактик, туманностей – взаимно уравновешивают друг друга). Приходится лишь удивляться тому, что реликтовое излучение не было обнаружено значительно – лет на двадцать-тридцать – раньше, поскольку для этого уже тогда имелись все возможности. Единственное объяснение этому состоит в том, что его просто не искали и не знали, что нужно искать. Ведь Пензиас и Вилсон тоже наткнулись на него совершенно случайно.

Арно Пензиас и Роберт Вилсон возле рупорной антенны, которая в 1964 году приняла радиоволны длиной около миллиметра, идущие из всех точек небосвода, – реликтовое излучение.

Очень интересен вопрос, как движется наша Земля относительной такой неподвижной системы координат. Это в принципе можно установить, используя все тот же эффект Доплера, который, кстати говоря, служит не только уникальным средством изучения относительных скоростей очень удаленных космических объектов. По смещению спектральных линий сейчас можно определять скорости самолетов и автомобилей. Точность приборов теперь настолько высока, что при желании можно было бы таким способом измерять даже скорости пешеходов.

Созвездие Льва. Солнечная система вместе с Землей летит в его направлении со скоростью 390 километров в секунду.

Если бы Земля покоилась в системе координат, где излучение изотропно, то куда бы мы ни направили наш прибор, он «увидел» бы совершенно одинаковый спектр. Это фактически и есть определение изотропии. Если же Земля движется относительно этой системы, то, в силу эффекта Доплера, воспринимаемый наземным прибором спектр излучения будет различен в зависимости от того, как ориентирован этот прибор. Направленный по скорости Земли прибор «увидит» несколько более жесткий, смещенный в сторону коротких волн спектр, чем прибор, направленный в противоположную сторону. Иначе говоря, температура реликтового излучения в направлении движения Земли должна казаться несколько выше. Соответствующий эксперимент был бы весьма прост, двигайся Земля достаточно быстро. Первые же измерения показали, однако, что дело будет нелегким, поскольку отношение ее скорости к скорости света хотя и не ноль, но весьма мало. Но, как это бывало всегда, трудности лишь подогрели усилия, и в конечном счете анизотропия, зависимость частоты от направления, была обнаружена с помощью аппаратуры, установленной на высотном самолете. Оказалось, что антенна, направленная на созвездие Льва, «видит» излучение с температурой на 0,008 градуса выше, чем антенна, ориентированная противоположно. В пересчете на скорости это означает, что в системе координат, где фоновое излучение изотропно, Земля вместе с Солнечной системой движется со скоростью (390+60) километров в секунду (+60 – возможная неточность измерений) в направлении созвездия Льва. Это лишний раз подтверждает, что положение Земли и вообще всей Солнечной системы во Вселенной ничем не выделено.

Итак, кратко подытожим то, что уже знаем. Во-первых, в течение времени порядка двадцати миллиардов лет (конечно, это цифра оценочная: истинное время может оказаться, скажем, десять или двадцать пять миллиардов лет) Вселенная, в среднем однородная и изотропная, расширяется, причем из-за гравитационного взаимодействия скорость ее расширения растет со временем. И, во-вторых, вся Вселенная равномерно заполнена реликтовым (или, как его еще называют, – фоновым) излучением, которое возникло почти в самом начале и свободно расширяется вместе с ней. С течением времени оно постепенно остывает и сейчас имеет температуру около трех градусов по абсолютной шкале, то есть около –270° С.

В первые мгновения своей жизни Вселенная представляла собой множество областей, информативно друг с другом не связанных. Их расширение, происходившее в полном согласии со специальной теорией относительности, вызвало раздувание Вселенной со скоростью, намного превосходящей скорость света. Рисунок голландского художника М. Эшера «Относительность».

ГОРЯЧАЯ ВСЕЛЕННАЯ: ПУТЕШЕСТВИЕ В ПРОШЛОЕ

Теперь давайте представим себе, что мы обладаем машиной времени, и мысленно пустим стрелки часов вспять. Чем дальше мы спустимся в глубь веков, вернее, в глубь миллионов веков – тем меньшей и более горячей предстанет перед нами Вселенная. Но пройдет очень много времени, минут миллиарды лет, останется позади более 90 % длительности всего нашего путешествия к началу расширения, за окном нашей машины исчезнет все живое, галактики станут наползать одна на другую, расплавятся и закипят даже самые жаропрочные вещества, а Вселенная по-прежнему будет прозрачной для электромагнитного излучения. Оно, как и сейчас, будет почти беспрепятственно доходить даже из самых удаленных ее уголков. В этом отношении свойства Вселенной как физического объекта останутся неизменными. Так будет продолжаться до тех пор, пока Вселенная не станет такой маленькой, что температура фонового излучения перевалит за три тысячи градусов. Тогда картина за окном нашей машины начнет быстро меняться. Одна за другой исчезнут из поля зрения галактики и их скопления, на окно наползет однородная раскаленная мгла, в которой ничего нельзя будет различить.

Физическое состояние вещества, наполняющего Вселенную, изменилось. Фоновое излучение разогрелось до такой степени, что значительная часть составляющих его фотонов достигла энергии, достаточной для ионизации атомов вещества. Поэтому длина свободного пробега фотонов резко сократилась: они начали энергично взаимодействовать с электронами атомов, ионизуя их и рассеиваясь на них. Пришел конец свободному распространению электромагнитного излучения, которое теперь стало накрепко связано с веществом. Вместе с ним излучение образовало однородную плотную плазму, состоящую из интенсивно взаимодействующих между собой фотонов, электронов и ионов. Это явление называют фазовым переходом. Расчет показывает, что описанный только что фазовый переход мы увидим в совсем юной Вселенной – ей тогда было всего около семисот тысяч лет. В новой фазе фотоны постоянно гибнут – поглощаются веществом и нарождаются вновь – излучаются веществом, но при этом их полное число не изменяется: скорости их гибели и рождения одинаковы. Температуры фотонного газа и вещества выравниваются. (Вероятно, нет нужды доказывать, что в той фазе, в которой мы сейчас живем, эти температуры сильно различаются.) Между ними устанавливается тепловое равновесие. Но две другие безмассовые частицы – нейтрино и гравитоны – по-прежнему слабо связаны с веществом, которое пока еще остается для них прозрачным, и они распространяются практически беспрепятственно.

Другими примерами фазовых переходов служат хорошо известные изменения агрегатного состояния вещества: скажем, плавление льда или кипение воды. Общим для всех фазовых переходов – и это будет очень важно для нас в дальнейшем – оказывается то, что в результате любого фазового перехода изменяется степень внутренней симметрии вещества. Высокотемпературная фаза всегда более симметрична, чем низкотемпературная. Жидкость более симметрична, чем соответствующее твердое вещество (для определенности мы здесь имеем в виду кристалл), поскольку жидкость полностью однородна, а кристалл представляет собой упорядоченную структуру атомов с определенными промежутками между ними. Газ более симметричен, чем жидкость, поскольку его атомы почти не связаны между собой и могут не только занимать любые положения в пространстве, но и заполнять его с произвольной плотностью. Наконец, плазма еще более симметрична, так как в ней сами электроны уже больше не связаны с ядрами атомов, и поэтому в любой точке можно с равной вероятностью встретить как положительный, так и отрицательный заряд, в то время как все атомы газа электрически нейтральны. Кроме того, утрачивается возможность говорить об излучении и веществе по отдельности, так как они интенсивно взаимодействуют друг с другом. Мы видим, что повышение внутренней симметрии по существу тесно связано с ростом хаотичности, неупорядоченности в системе. Или, другими словами, с уменьшением числа параметров, пригодных для ее описания, с потерей информации, которая позволила бы различать любые две точки внутри системы. Мы призываем обратить пристальное внимание на этот пункт, хотя он, видимо, наиболее труден для понимания.

Вряд ли нужно доказывать, что, пытаясь создать ту или иную теорию, мы всегда вынуждены прибегать к известной идеализации, то есть пренебрегать второстепенными явлениями и сосредоточиваться только на том, что представляется принципиально важным. Однако по мере развития теории можно незаметно для себя коснуться и таких вопросов, где принятая идеализация недопустима, поскольку она начинает влиять на результат исследований. Необходимо распознать эту опасность вовремя и соответствующим образом изменить постановку задачи. В своем воображаемом путешествии вспять по времени мы уже вступили в такую фазу. Теперь всякие непосредственные наблюдения становятся невозможными, и дальше нам придется двигаться, опираясь только на силу своего разума.

Итак, продолжим наше путешествие. Пройдет совсем немного времени – каких-нибудь две-три сотни тысяч лет – и окажется, что плотность энергии излучения сначала сравнялась, а затем стала больше и много больше плотности полной энергии вещества (ее, конечно, следует вычислять в соответствии со знаменитой формулой Эйнштейна E = mc 2 ). Это не повлечет за собой нового фазового перехода. Но почти весь период времени, в течение которого температура Вселенной была больше четырех тысяч градусов, принято называть эрой излучения, поскольку оно доминирует в общем энергетическом балансе. Существенные изменения наступят только тогда, когда от начала расширения нас будет отделять всего лишь немногим более трех минут. С этого момента события разворачиваются с головокружительной быстротой, и счет пойдет не на века и даже не на дни и часы, а на минуты и секунды.

Итак, от конечной цели нас отделяет около двухсот секунд. Температура Вселенной примерно миллиард градусов, в 70 раз выше, чем сегодня в центре Солнца. Быстро исчезают последние «тяжелые» ядра гелия, дейтерия, трития: их разбивают фотоны. Остаются только протоны – ядра атомов водорода – и нейтроны, причем протонов значительно больше: 86 %, в то время как нейтронов только 14 %. Дело в том, что в отличие от протонов нейтроны не стабильны и каждые 1000 секунд половина из них распадается, рождая протон, электрон и антинейтрино.

Мчимся дальше. И вот от начала расширения нас отделяет всего около 14 секунд. Температура Вселенной три миллиарда градусов. Энергии большинства фотонов уже достаточно, чтобы при взаимодействии с веществом порождать электрон-позитронные пары (позитрон – это электрон с положительным электрическим зарядом). Это знаменует собой следующий фазовый переход: при более высоких температурах позитроны населяют плазму практически наравне с электронами. Они рождаются и гибнут (аннигилируют) с одинаковой скоростью, которая зависит только от температуры, то есть приходят в тепловое равновесие с излучением. Доля нейтронов постепенно возрастает, поскольку энергии фотонов и электронов начинает хватать на то, чтобы при взаимодействии с протонами рождать нейтроны.

Когда нас будет отделять от начала расширения всего лишь 1,1 секунды, температура достигнет десяти миллиардов градусов. Плотность вещества возрастет настолько, что оно станет непрозрачным даже для нейтрино и антинейтрино, которые, подобно электромагнитному излучению, окажутся запертыми внутри вещества. Ничего особенного при этом не произойдет, кроме того, что нейтрино и антинейтрино придут в тепловое равновесие с электронами, позитронами и фотонами: все они будут постоянно уничтожаться и рождаться, взаимодействуя друг с другом. Нейтронов становится еще больше, и теперь на их долю приходится около 40 % всего ядерного вещества.

Наконец, мы уже почти у цели. Нас отделяет от нее всего одна сотая секунды. Температура Вселенной около ста миллиардов градусов. Вселенная представляет собой почти идеальный релятивистский газ в состоянии почти полного теплового равновесия. Идеальным принято называть газ из частиц, не взаимодействующих друг с другом. Протонов и нейтронов теперь поровну. В течение всей прослеженной нами истории их полное число остается неизменным: в отличие от других частиц – фотонов, электронов и позитронов, нейтрино и антинейтрино. Нуклоны (протоны и нейтроны) не могут рождаться и уничтожаться: даже при температуре в сто миллиардов градусов для этого все еще слишком холодно. Нуклоны пока могут только переходить друг в друга, хотя плотность энергии (E = mc 2 ) уже отвечает массе около пяти миллионов тонн в каждом кубическом сантиметре. При такой плотности вещества вся масса нашей Земли уместилась бы в объеме порядка одного кубического километра.

РУБЕЖ НЕИЗВЕСТНОСТИ

Теперь остановимся и переведем дух, тем более, что дальше двигаться довольно опасно. Опасно не потому, что слишком повышаются температура и плотность Вселенной – они уже давно вышли далеко за рамки всего того, что может представить себе даже самое необузданное воображение. Дело тут в другом. Становится опасным применять те теоретические концепции и методы, на которых мы основывались до сих пор. Вероятно, у реалистически мыслящего читателя уже закралось подозрение: не слишком ли беспечно и самоуверенно позволяют себе астрофизики судить о том, чего никто никогда не видел и не увидит? Знают ли они на самом-то деле, о чем говорят?

Вопрос более чем законный, и отмахнуться от него никак нельзя. Действительно, уязвимость науки об эволюции Вселенной в том, что предмет исследования невоспроизводим, теорию здесь нельзя подвергнуть прямой экспериментальной проверке. И все же есть много косвенных указаний, внушающих доверие, много фактов удается увязать единым и стройным, логически непротиворечивым образом. О двух из них – красном смещении и реликтовом излучении уже говорилось выше. Сейчас упомянем только еще об одном: наблюдаемое сейчас в космическом пространстве двадцатишестипроцентное содержание гелия также прекрасно вписывается в эту картину. К тому же, несмотря на многочисленные попытки, до сих пор не предложено ни одной серьезной альтернативы картине, которая получила название модели горячей Вселенной.

Но теперь мы вплотную подошли к тому рубежу, когда физическая идеализация, на которой мы все время основывались, становится непригодной (при построении теории идеализация необходима, но о ней постоянно нужно помнить). До сих пор мы рассматривали совокупность частиц, населяющих горячую Вселенную, как идеальный газ. Такая идеализация пригодна до тех пор, пока речь идет о гравитационных, слабых и электромагнитных взаимодействиях, поскольку их роднит одно общее свойство: все они сравнительно слабые. Однако за температурным рубежом в сто миллиардов градусов плотность энергии становится настолько высокой, что начинают рождаться адроны, и в первую очередь пи-мезоны (пионы). При температуре порядка тысячи миллиардов градусов этот процесс уже идет полным ходом. Но адроны взаимодействуют друг с другом сильно, и их уже никак нельзя считать точечными частицами. Поэтому мы вынуждены с большим сожалением отказаться от представления о Вселенной как об идеальном газе. А описывать неидеальный релятивистский газ сильно взаимодействующих частиц мы не умеем. Таким образом, пытаясь продвинуться еще ближе к началу расширения, мы вступаем на довольно зыбкую почву.

Правда, при температурах выше десяти тысяч миллиардов градусов мы, быть может, снова почувствуем себя несколько уверенней. Но следует сразу же сказать, что степень нашей уверенности уже далеко не та, с какой мы приближались к одной сотой секунды. Дело в том, что при таких температурах и плотностях все адроны, включая протоны и нейтроны, из которых сейчас почти полностью состоит все сущее, будут раздавлены, в результате чего освободятся составляющие их кварки и глюоны. Эти частицы, которые еще сравнительно мало изучены, отмечены одним совершенно удивительным свойством: по мере увеличения их энергии и плотности, то есть числа в единице объема, они все слабее взаимодействуют друг с другом. Но это означает, что при еще более высоких температурах Вселенная опять-таки представляла собой столь милый нашему сердцу идеальный газ. В нем, однако, в тепловом равновесии наравне с другими, много раз упоминавшимися выше частицами, находились уже и кварки и глюоны.

Теперь можно довольно уверенно продвинуться еще немного вспять – до времен порядка одной десятитысячной секунды. Им отвечают температуры около миллиона миллиардов градусов. Начинает восстанавливаться симметрия между электромагнитным и слабым взаимодействиями (см. «Наука и жизнь №№ 8, 9, 1996 г.), но Вселенная при этом не претерпевает каких-либо существенных потрясений.

Можно по-разному относиться ко всему, что было сказано (эксперимент невоспроизводим!), но по совокупности теории и наблюдений представляется почти несомненным, что так оно и было в действительности. На этом можно было бы остановиться, но имеется ряд обстоятельств, порождающих ощущение неудовлетворенности, и еще остается вечный сакраментальный вопрос: а что же было еще раньше?

Первая часть проблемы может быть решена в рамках сценария раздувающейся Вселенной, который можно охарактеризовать словом «правдоподобный». (Непривычное для научного обихода театральное словечко «сценарий» стало общеупотребительным при обсуждении данного круга вопросов. Вероятно, потому, что здесь имеется гораздо больший простор для фантазии, чем это обычно принято в научных исследованиях.) Что же касается второй части, то тут пока приходится ограничиваться некоторыми теоретическими догадками, о которых с почти равным правом можно сказать, что так могло быть, а могло и не быть. Но все же рискнем предпринять экскурс в эту бесконечную даль.

РАЗДУВАЮЩАЯСЯ ВСЕЛЕННАЯ

Почему же нас не вполне устраивает добротная теория горячей Вселенной? Упомянем только две наиболее очевидные причины. Первая – это проблема крупномасштабных неоднородностей (напомним в этой связи о слове «почти» там, где речь шла о реликтовом излучении) и тесно связанный с ней вопрос: чем обусловлено возникновение галактик и их скоплений? Вторая – это проблема барионной асимметрии: почему во Вселенной имеется огромная масса вещества (барионов), но почти нет антивещества и почему на каждый миллиард фотонов приходится только один барион? Эти и многие другие, менее очевидные, но тоже требующие ответа вопросы можно прояснить, если принять, что в коротенький, но очень важный период своей истории – в «возрасте» от 10 – 43 секунды до 10 – 35 секунды – Вселенная не просто расширялась, а раздувалась. Отсюда и название соответствующего сценария. Раздувание – это тоже расширение, но только идущее с совершенно невообразимой скоростью, гораздо большей скорости света. Потрясения, которые «пережила» Вселенная за это ничтожное время – 10 – 35 секунды, – поистине грандиозны.

Здесь приходится с сожалением отказаться от движения вспять по времени, которое вело нас на протяжении всей статьи. Для рассказа о раздувании Вселенной этот прием категорически противопоказан; теперь мы будем двигаться вперед – в сторону возрастания времени.

В момент времени 10 – 43 секунды Вселенная очутилась в состоянии с относительным минимумом потенциальной энергии, которое называется ложным вакуумом. Это состояние было абсолютно неустойчивым, и Вселенная начала стремительно раздуваться со скоростью, гораздо большей скорости света.

Сценарий раздувающейся Вселенной базируется на предположении, что, будучи 10 – 43 секунды от роду, относительно холодная Вселенная очутилась в состоянии, которое принято называть ложным вакуумом. Ложным его нарекли потому, что этому вакууму отвечает относительный минимум потенциальной энергии, который отделен лишь сравнительно низким потенциальным барьером от другого, намного более глубокого минимума, именуемого истинным вакуумом. Их различие обусловлено тем, что внутренние симметрии материи, находящейся в состоянии истинного и ложного вакуума, неодинаковы. Если принять плотность энергии истинного вакуума за ноль, то у ложного вакуума она положительна. Но для любого вакуума сумма давления и плотности энергии равна нулю, а это значит, что внутри ложного вакуума давление отрицательно. Такое состояние абсолютно неустойчиво и должно проявить непреодолимую склонность к стремительному расширению. Так, вдребезги разлетелись бы атмосфера, Земля, Солнечная система, звезды и галактики, если бы гравитация вдруг сменилась антигравитацией, то есть отрицательным давлением. Тогда всё, что сейчас притягивается гравитационными силами друг к другу, стало бы взаимно отталкиваться, подобно одноименным электрическим зарядам. В этом и состоит причина раздувания Вселенной, находившейся в состоянии ложного вакуума. И, как уже отмечалось, скорость возрастания размеров Вселенной во много раз превосходила скорость света.

Эти слова обычно вызывают недоумение и даже внутренний протест почти у каждого, кто слышит их впервые, поскольку, на первый взгляд, они противоречат специальной теории относительности (СТО). В действительности же никакого противоречия нет. Необходимо помнить, что СТО ограничивает только скорость распространения сигнала (информации). Поэтому в момент времени t0 = 10 – 43 секунды информативно связанными будут только элементы пространства, размер которых не превышает r0 = ct0 = 3 ·10 – 33 сантиметра. Если при этом размер Вселенной намного больше (R1 >> r0 ), то «наблюдатели», удаленные друг от друга более чем на 3 ·10 – 33 см принципиально (в полном соответствии с СТО!) не смогут ни узнать о существовании соседей, ни обменяться информацией, что, по сути, одно и то же. Таким образом, опираясь на СТО, можно только утверждать, что внутри каждого элемента пространства размером 3 ·10 – 33 сантиметра относительная скорость движения различных точек ограничена скоростью света в пустоте c. Тогда при раздувании каждого из этих элементов со скоростью c размер всей Вселенной должен был возрастать со скоростью V = (R1 / r0 ) · c >> c. Например, если в момент времени t = 10 – 43 секунды Вселенная имела радиус около сантиметра, то скорость ее раздувания была порядка 0,3 ·10 33 c.

Раздувание Вселенной началось в момент времени t0 = 10 – 43 секунды. Любой сигнал, двигаясь со скоростью света, не успеет за это время выйти за пределы области, ограниченной радиусом r = ct0 = 3 ·10 – 33 см. Это значит, что весь объем Вселенной оказался как бы разбитым на множество элементов, не имеющих причинно-следственных связей, так, что ее радиус R1 = 2nr0 . Если каждый элемент расширялся со скоростью света c, через время t их радиусы увеличились до r1 = r0 + ct. Вселенная за это же время выросла до размеров R2 = 2n(r0+ ct). Это означает, что скорость раздувания Вселенной была равна V = (R2 – R1 ) / t = [2n · (r0 + ct) – 2nr0 ] / t = 2nc = (R1 / r0 ) · c. Если в этот момент размер Вселенной не превышал сантиметра, она должна была раздуваться с неимоверной скоростью 3 ·10 32 c!

Можно вспомнить и другой общеизвестный пример сколь угодно большой скорости: движение границы светового «зайчика» по плоскости, на которую световая волна падает под углом, близким к 90°. Тут тоже все в порядке: это не есть движение материальной точки, и никакой сигнал вдоль плоскости таким способом передать невозможно.

При падении плоской световой волны на поверхность под острым углом α граница светового зайчика движется со скоростью V, превышающей скорость света c: V = c / sin α.

Закончив это отступление, вернемся к быстро взрослеющей Вселенной. Наряду с раздуванием в разных областях обычного пространства случайно и неодновременно происходит ее «просачивание» через потенциальный барьер между ложным и истинным вакуумом. Происходит оно не в обычном пространстве, а в пространстве внутренних параметров – тех самых скрытых симметрий. При этом образуются пузыри нового состояния – состояния с истинным вакуумом. Один из этих пузырей стал прообразом и предтечей той самой Вселенной, в которой мы сейчас живем. Остальные – зачатками других вселенных, которые навсегда останутся вне поля нашего зрения, как бы за вечно убегающим горизонтом.

Здесь мы опять имеем дело с фазовым переходом. Он сопровождается освобождением огромной энергии. Действительно, истинный вакуум намного глубже ложного, а полная энергия, вне всяких сомнений, должна сохраняться. Значит, «наш пузырь» (равно как и любой другой) оказывается теперь высоко возбужденным состоянием. Это выражается в сильнейшем разогреве Вселенной и рождении огромного множества частиц. Отсюда и берет свое начало горячая Вселенная. Из-за очень быстрого расширения на стадии инфляции (раздувания) этот процесс не мог протекать вполне равновесно. Это означает, что в пространстве возникли области с разной плотностью, так что в наследство мы получили Вселенную, которая не вполне однородна. Относительные флюктуации плотности оказались порядка одной тысячной процента. Они могли послужить затравкой для последующего образования галактик. А их след дошел до нас в виде недавно обнаруженной «ряби» реликтового излучения, плотность которого флюктуирует, меняясь на ту же тысячную процента.

В конце процесса инфляции температура Вселенной падает настолько, что разрушается симметрия так называемого Великого объединения трех взаимодействий: сильное начинает жить своей жизнью, а электрослабые – своей. Дальнейшая эволюция Вселенной приводит к ее быстрому остыванию, в ходе которого неизбежно возникает наблюдаемая сейчас барионная асимметрия и устанавливается упоминавшееся выше соотношение между количеством фотонов и барионов. В таком виде Вселенная достигает возраста порядка одной десятитысячной секунды, в котором мы оставили ее, двигаясь вспять по времени.

НАЧАЛО БЕЗ НАЧАЛА

Ну, а что же было еще раньше, до того, как Вселенная стала раздуваться? Согласно оценкам, во времена, меньшие 10 – 43 секунды, ее температура превышала 10 32 градусов, а гравитационные поля были настолько сильны, что порождали частицы. Гравитоны, которые позднее стали разгуливать по Вселенной совершенно свободно, видимо, находились тогда в тепловом равновесии со всей остальной материей. Это не более чем предположение – мы еще слишком мало знаем о свойствах материи при столь экстремальных условиях. И уж заведомо не имеет смысла подходить еще ближе к моменту Большого взрыва, оперируя привычными для нас понятиями времени и пространства. Дело в том, что при таких условиях решающую роль начинают играть уже квантовые свойства гравитационного поля. Их влияние, по-видимому, приводит тому, что привычные для нас понятия пространства и времени вообще утрачивают свой смысл. Квантовые флюктуации гравитационного поля могут настолько изменить пространственно-временную геометрию мира, что утратит смысл само понятие причинно-следственных связей между событиями. А что такое время, как не сама эта связь? Ведь если нельзя четко определить понятия «раньше» и «позже», то что называть временем?

Здесь можно провести аналогию с температурой: никого не удивляет, что говорить о температуре ниже абсолютного нуля бессмысленно. Такого понятия нет просто потому, что при абсолютном нуле в веществе не остается никакой тепловой энергии, которую можно было бы у него отнять. И, значит, нельзя еще более понизить температуру.

Или взять хотя бы другое удивительнейшее «чудо»: скорость, большая скорости света, невозможна. Ведь, если вдуматься, это утверждение с точки зрения повседневного опыта выглядит в высшей степени неправдоподобно. Относительная скорость любых двух тел не может превышать некоторого определенного значения! Казалось бы, почему? И тем не менее всё говорит о том, что это так (см. «Наука и жизнь» № 12, 1979 г.).

Быть может, точно также нельзя говорить и о временах, меньших, скажем, 10 – 43 секунды?

Физики знают и много других, менее общеизвестных, но более близких по смыслу примеров такого рода. Все они связаны с фазовыми переходами в обычном веществе. Каждая фаза характеризуется некоторой величиной, называемой параметром порядка. В ходе фазового перехода эта величина изменяется, а может и вообще утратить смысл, как, например, при переходе от твердого тела к жидкости. Возможно, что и время также служит параметром порядка (кстати, именно такую роль оно играет в повседневном обиходе), понятием, которое может потерять свой смысл в результате фазового перехода при невообразимо огромной температуре и плотности энергии. Можно выразить эту же мысль несколько иначе, сказав, что в первоначальной фазе симметрия материи была настолько высока, что все ее точки были тождественны. Это означало бы, в частности, что никаким способом нельзя «пометить» два момента времени, так как они просто неразличимы. Если так, то вообще бессмысленно задаваться вопросом, сколько времени провела материя в фазе, где самого понятия времени не существует. Отсчет времени следует вести, начиная с того момента, когда материя вышла из той фазы. В каком-то смысле можно было бы сказать, что это был момент рождения времени.

ВМЕСТО ЭПИЛОГА

Заключая повествование, хотелось бы вернуться к его началу. Здесь было рассказано о некоторых достижениях научного метода познания природы. Он позволяет дать утвердительный ответ на вопрос: было ли начало расширения Вселенной и ответить на множество других вопросов, часть из которых обсуждалась выше. Однако на ряд других законных вопросов – почему началось расширение, что было в самом его начале, предшествовало ли ему сжатие и сменится ли оно сжатием – мы пока еще ответить не можем. По всей вероятности, со временем эти загадки также будут отгаданы, но завоеванное знание несомненно породит новые, сейчас еще недоступные нам проблемы.

31 Декабря 2011, 4:58    Den    14404    5

Комментарии (5):

VimanaPro  •  31 Декабря 2011, 15:25

Прелестная статья, искренное спасибо

bigol  •  9 Января 2012, 16:44

Вселенная, в среднем однородная и изотропная, расширяется, причем
из-за гравитационного притяжения скорость ее расширения уменьшается со временем.

Как это? Каких лет статья?

den  •  9 Января 2012, 17:40

К bigol от 9 Января 2012, 16:44

Правильно заметили статья далеко не новая но на мой взгляд в ней всё же есть кое что интересное, я сейчас её осовременю).

За несколько лет до открытия ускоренного расширения.

Сергей  •  15 Января 2012, 3:40

 

Прекрасная статья, присоединяюсь. Я понял многие вещи, которые раньше понять не мог. Благодарю автора!

Однако, исправляя неточность, Вы, по-моему, исправили не все. Во фразе "причем из-за гравитационного взаимодействия скорость ее расширения растет со временем", мне кажется, нужно "гравитационное взаимодействие" заменить на "темную материю". Ведь ГВ может как раз обяснить замедление Вселенной, а не ускорение. А за ускорения как раз отвечает ТМ. Я прав?

den  •  15 Января 2012, 5:55

К Сергей от 15 Января 2012, 3:40

За ускоренное расширение ответственна темная энергия, что обусловлено её отрицательным давлением, или что тоже самое уравнением состояния $p=w\rho,$ где $w=-1.$ В действительности Природа устроена так, что за ускоренное расширение Вселенной ответственно  второе уравнение Фридмана $$\frac{{\ddot{a}}}{a}=-\frac{4\pi G}{3}(\rho +3p)$$  если скобка отрицательна $\rho +3p<0$ Вселенная расширяется ускоренно. Предлагаю Вам ознакомится с статьями в разделе http://modcos.com/articles.php?cat=16 на нашем сайте.

Только зарегистрированные пользователи могут оставлять комментарии. Войдите или зарегистрируйтесь пожалуйста.