В книге крупнейшего американского физика-теоретика популярно и увлекательно рассказывается о современном взгляде на происхождение Вселенной. Описаны факты, подтверждающие модель "горячей Вселенной", рассказана история фундаментальных астрофизических открытий последних лет. С большим мастерством и научной точностью излагается эволюция Вселенной на ранних стадиях ее развития после "Большого взрыва".
В новое издание вошла также нобелевская лекция С. Вайнберга, в которой описывается история возникновения единой теории слабых и электромагнитных взаимодействий.
Для читателей, интересующихся проблемами космологии.
Содержание:
ПРЕДИСЛОВИЕ РЕДАКТОРА РУССКОГО ПЕРЕВОДА 1
ПРЕДИСЛОВИЕ 1
I. ВВЕДЕНИЕ: ВЕЛИКАН И КОРОВА 2
II. РАСШИРЕНИЕ ВСЕЛЕННОЙ 4
III. КОСМИЧЕСКИЙ ФОН МИКРОВОЛНОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ 11
IV. РЕЦЕПТ ПРИГОТОВЛЕНИЯ ГОРЯЧЕЙ ВСЕЛЕННОЙ 19
V. ПЕРВЫЕ ТРИ МИНУТЫ 23
VI. ИСТОРИЧЕСКОЕ ОТСТУПЛЕНИЕ 27
VII. ПЕРВАЯ СОТАЯ ДОЛЯ СЕКУНДЫ 29
VIII. ЭПИЛОГ: ПЕРСПЕКТИВЫ 33
СЛОВАРЬ ТЕРМИНОВ 34
МАТЕМАТИЧЕСКОЕ ДОПОЛНЕНИЕ 37
ДОПОЛНЕНИЯ РЕДАКТОРА РУССКОГО ПЕРЕВОДА 39
ПРЕДЛОЖЕНИЯ ДЛЯ ДАЛЬНЕЙШЕГО ЧТЕНИЯ 46
Приложение - ИДЕЙНЫЕ ОСНОВЫ ЕДИНОЙ ТЕОРИИ СЛАБЫХ - И ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ВЗАИМОДЕЙСТВИЙ 47
Цитированная литература 53
Примечания 54
Стивен Вайнберг
ПЕРВЫЕ ТРИ МИНУТЫ
Современный взгляд на происхождение Вселенной
МОИМ РОДИТЕЛЯМ
ПРЕДИСЛОВИЕ РЕДАКТОРА РУССКОГО ПЕРЕВОДА
Вселенная представляет собой уникальный, всеобъемлющий предмет для размышления и изучения. Предлагаемая книга уникальна по своему стилю: сложные вопросы, находящиеся в центре внимания современной науки, излагаются простым языком, без математических формул, доступно для читателя, обладающего общей культурой, и неспециалиста в области физики или астрономии. Наконец, уникален и сам автор книги, известный американский физик-теоретик Стивен Вайнберг - автор первоклассных достижений в теории элементарных частиц . Но Вайнберг не замыкается в этой тематике. Он прекрасно знает и классическую физику и живо интересуется смежными науками, особенно астрономией.
Соединение трех уникальных качеств (тема книги, способ изложения и личность автора) приводит к замечательному результату. Благодаря ей самые широкие круги читателей приобщаются к современной науке. Немало молодых читателей под влиянием предлагаемой книги выбирают теоретическую физику и астрофизику как будущую свою специальность.
Хочется особо отметить те места книги, где автор высказывается об исследовательской работе и законах развития науки в общем плане. На примере космологии он показывает, каким, по его мнению, должно быть соотношение между теорией и опытом, наблюдениями. Это, прежде всего, высказывание, что нельзя работать совсем без теоретических "предубеждений", но нужно уметь выбрать правильные предубеждения.
Но Вайнберг показывает и подчеркивает и другую сторону дела: объективную закономерность, необходимость и неизбежность тех выводов, к которым приходит наука. Он показывает, как в конечном счете опыт и наблюдения решают судьбу теорий, как опыт становится верховным судьей истины. Поучительный пример, приводимый автором, - судьба печально знаменитой теории стационарной Вселенной с непрерывным рождением вещества, компенсирующим расширение. Симпатизируя философским аспектам этой теории, Вайнберг указывает на то, что наблюдения безусловно отвергли теорию стационарной Вселенной. Он говорит о высшей объективности коллективного разума ученых разных специальностей.
Отдельные личности, талантливые или влиятельные, могут ускорить или замедлить успех правильной точки зрения, но никому не дано навязать природе и человечеству неверную теорию. Правильность или ошибочность той или иной определенной теории является объективным фактом. Другое дело, что для установления этого факта иногда требуется большое время, годы или десятилетия, и в течение этого времени теория находится в неопределенном состоянии. В этот период может быть правильнее называть ее гипотезой.
Заметим, наконец, что когда правильность теории установлена, то одновременно выясняются и границы применимости теории и открываются новые горизонты дальнейших исследований. Весь опыт двадцатого века учит такому соотношению; наилучшим примером является классическая механика, верная в пределе малых скоростей (иначе нужна теория относительности) и больших масс, импульсов, перемещений (иначе нужна квантовая теория).
В изложении Вайнберга теоретические положения оживают. Он рассказывает не только о судьбе Вселенной, но и об истории ее исследования.
Редактор в примечаниях отметил некоторые этапы, принадлежащие истории космологии и, в частности, истории советских работ, недостаточно отраженные в книге.
В целом, однако, Вайнбергу удалось великолепно показать ту драму идей, борьбу, сотрудничество и переплетение различных школ мышления, без которых не обходится развитие науки. Поэтому книга Вайнберга оказалась такой увлекательной, получила такую широкую аудиторию и полное признание.
За время, прошедшее после написания книги (она возникла из лекции 1973 года и вышла из печати первым изданием в 1977 году), приводимые в ней сведения не устарели. Нет необходимости что-либо менять в основном тексте. Однако по некоторым вопросам появились новые данные и новые точки зрения.
Наиболее принципиальным является, пожалуй, изменившееся отношение к вопросу о сохранении барионов. В книге Вайнберг объявляет закон сохранения барионного заряда одним из самых фундаментальных законов природы. В последнее время все чаще рассматривается возможность того, что барионы не сохраняются, что устойчивость протона не абсолютна. Подробно история вопроса и современное состояние рассмотрены в дополнении редактора 6.
Другие дополнения касаются новых наблюдательных данных и новых возможностей наблюдения, связанных, главным образом, с использованием микроволнового фонового радиоизлучения Вселенной. Здесь редактор существенно опирается на работы советского астрофизика Р.А. Сюняева и свои. Рассмотрено также влияние ненулевой массы покоя нейтрино на наши представления о строении и эволюции Вселенной. Вопрос этот возник в связи с работами советских и американских экспериментаторов. Одновременно изменилось и отношение физиков-теоретиков к гипотезе тяжелого нейтрино. Выводы из этой гипотезы, касающиеся космологии, оказываются фундаментальными.
В своих дополнениях редактор старался не выйти за рамки общего стиля книги, не оторваться от того читателя, неспециалиста, на которого книга рассчитана. Ни основной текст книги, ни дополнения к ней не могут и не должны заменить специальные руководства и книги для читателя, желающего специализироваться по астрофизике.
В заключение редактор хочет от души поблагодарить Стивена Вайнберга за активное сотрудничество в связи с русским переводом книги.
Пользуюсь случаем поблагодарить переводчика книги, кандидата физико-математических наук доцента А.В. Беркова, бережно сохранившего стиль оригинала.
Академик Я. Б. Зельдович
ПРЕДИСЛОВИЕ
Эта книга возникла из доклада, сделанного мной на церемонии открытия научного центра для студентов младших курсов в Гарварде в ноябре 1973 года. Эрвин Глайкс, президент и издатель фирмы Basic Books, услышал от нашего общего друга Дэниэла Белла об этом докладе и убедил меня превратить его в книгу.
Поначалу эта идея не вызвала у меня восторга. Хотя время от времени я и вносил малую лепту в исследования по космологии, все же моя работа значительно больше была связана с физикой микромира - теорией элементарных частиц. Кроме того, физика элементарных частиц чрезвычайно бурно развивалась в последние несколько лет, и я уже провел слишком много времени в отрыве от нее, занимаясь сочинением популярных статей для разных журналов. Мне очень хотелось отдать, наконец, все свое время моей естественной среде обитания - журналу Physical Review.
Однако скоро я обнаружил, что не могу выбросить из головы мысль о книге, посвященной ранней Вселенной. Что может быть интереснее проблемы Генезиса? Кроме того, именно при изучении ранней Вселенной, особенно первой сотой доли секунды ее существования, проблемы теории элементарных частиц пересекаются с проблемами космологии. Наконец, сейчас настало хорошее время для того, чтобы написать книгу о ранней Вселенной. Как раз в последнее десятилетие детальная теория развития событий на ранней стадии существования Вселенной под названием "стандартной модели" стала общепринятой.
Очень примечательно, что есть возможность сказать, на что была похожа Вселенная в конце первой секунды, или первой минуты, или первого года. Каждый физик рад, что он может получать числовые результаты, что он способен сказать, что в такой-то и такой-то моменты времени температура, плотность и химический состав Вселенной имели такие-то и такие-то значения. Откровенно говоря, мы не абсолютно уверены во всем этом, но весьма волнует, что сейчас мы способны говорить о подобных вещах хоть с какой-то долей уверенности. Именно это волнение я и хотел донести до читателя.
Пожалуй, надо сказать, на кого рассчитана эта книга. Я писал для читателя, который хочет разобраться в ряде подробно изложенных доводов, но который при этом плохо знаком с математикой или физикой. Хотя мне пришлось объяснить несколько довольно сложных научных идей, в основном тексте книги не используется математика, кроме арифметики, и почти не предполагается знание читателем физики или астрономии. Я пытался быть очень внимательным при определении научных понятий там, где они впервые используются, а в приложении поместил словарь физических и астрономических терминов. Я также писал там, где это возможно, числа вроде "сто миллиардов" полностью словами, вместо того, чтобы использовать более удобную научную запись: 10.
Однако все это не означает, что я старался написать легкую книгу. Когда юрист пишет для широкой публики, он предполагает, что она незнакома, например, с французским законодательством или с законом против пожизненной ренты, но из-за этого он не думает о публике слишком плохо и, в то же время, не снисходит до ее уровня. Я хочу поступить так же: читатель представляется мне в облике ловкого старого адвоката, который не умеет говорить на моем языке, но который, по крайней мере, надеется услышать несколько убедительных аргументов прежде, чем составит собственное мнение.
Для тех читателей, которые хотели бы увидеть некоторые вычисления, лежащие в основе доводов, приведенных в книге, я подготовил "Математическое дополнение", следующее за основным текстом. Уровень использованной там математики должен сделать эти замечания доступными для каждого, кто обладает знаниями студента-младшекурсника, специализирующегося в любой области физики или математики. К счастью, наиболее важные расчеты в космологии действительно просты; только в отдельных местах начинают играть роль более тонкие вещи, связанные с общей теорией относительности или ядерной физикой. Читатель, который захочет продолжить изучение предмета на более техническом уровне, найдет ссылки на ряд более сложных руководств (включая мое собственное) в "Предложениях для дальнейшего чтения".
Хочу также пояснить, что именно я намереваюсь рассмотреть в этой книге. Она, безусловно, не касается всех аспектов космологии. Существует "классическая" часть предмета, которая имеет дело, главным образом, с крупномасштабной структурой сегодняшней Вселенной, сюда относятся споры вокруг внегалактической природы спиральных туманностей; открытие красных смещений у далеких галактик и зависимость этих смещений от расстояния; связанные с общей теорией относительности космологические модели Эйнштейна, де Ситтера, Леметра и Фридмана и тому подобное. Эта часть космологии уже была очень хорошо описана во многих превосходных книгах, и я не собирался давать еще один полный обзор этой темы. Данная книга посвящена ранней Вселенной и в особенности тому новому пониманию ранней Вселенной, которое возникло после открытия в 1965 году космического фона микроволнового излучения.
Конечно, теория расширения Вселенной является существенной составной частью наших сегодняшних представлений о ранней Вселенной, поэтому я был вынужден дать в главе II краткое введение в более "классические" вопросы космологии. Я надеюсь, что даже для читателей, полностью незнакомых с космологией, эта глава даст соответствующую основу для понимания недавних достижений в теории ранней Вселенной, чему посвящена остальная часть книги. Однако читателю, желающему подробнее изучить более старые разделы космологии, рекомендуется обратиться к книгам, упомянутым в "Предложениях для дальнейшего чтения".
В то же время, мне не удалось найти последовательного исторического обзора недавних достижений в космологии. Поэтому я был обязан сам заняться небольшими раскопками, особенно в связи с поразительным вопросом, почему задолго до 1965 года не было поисков космического фона микроволнового излучения (этот вопрос обсуждается в главе VI). Я не хочу сказать, что рассматриваю данную книгу как точную историю указанных достижений, - у меня достаточно уважения к тем усилиям и тому вниманию к деталям, которые нужны в истории науки, чтобы питать на этот счет какие-то иллюзии. Все же я был бы счастлив, если бы настоящий историк науки использовал эту книгу в качестве отправной точки и написал адекватную историю последнего тридцатилетия космологических исследований.
Я чрезвычайно признателен Эрвину Глайксу и Фарреллу Филипсу из фирмы Basic Books за их ценные предложения при подготовке рукописи к печати. Мне трудно выразить словами, как мне помогли во время написания этой книги добрые советы моих коллег - физиков и астрономов. За труд по чтению и рецензированию отдельных частей книги я хочу особенно поблагодарить Ральфа Альфера, Бернарда Берка, Роберта Дикке, Джорджа Филда, Гэри Файнберга, Уильяма Фаулера, Роберта Хермана, Фреда Хойла, Джима Пиблза, Арно Пензиаса, Билла Пресса, Эда Перселла и Роберта Вагонера. Я также признателен Айзеку Азимову, Бернарду Коэну, Марте Лиллер и Филиппу Моррисону за информацию по отдельным вопросам. Я особенно благодарен Найгелу Кальдеру, прочитавшему целиком первый вариант рукописи и сделавшему ряд глубоких замечаний. Я не могу надеяться на то, что эта книга полностью свободна от ошибок и неясностей, но я уверен, что она стала намного яснее и точнее, чем могла бы быть без той вдохновляющей помощи, которую мне посчастливилось получить.
Стивен Вайнберг
Кембридж, Массачусетс,
июль 1976 года
I. ВВЕДЕНИЕ: ВЕЛИКАН И КОРОВА
Происхождение Вселенной объясняется в "Младшей Эдде", собрании норвежских мифов, обработанных около 1220 года исландским магнатом Снорри Стурлусоном. Сначала, говорится в "Эдде", не было вообще ничего: "Земли еще не было, и небосвода, бездна зияла, трава не росла". К северу и югу от ничего лежали области холода и огня - Нифльхейм и Мусспельхейм. Тепло из Мусспельхейма растопило часть льда из Нифльхейма, и из капель жидкости вырос великан Имир. Что же Имир ел? Оказалось, что там была и корова, Аудумла. А что же она ела? Ну, там нашлось еще немного соли. И так далее.
Мне не хотелось бы оскорбить чьи-либо религиозные чувства, даже религиозные чувства викингов, но думаю, что, по совести говоря, это не очень удовлетворительная картина происхождения Вселенной. Даже оставляя в стороне все возражения, связанные с тем, что свидетельские показания основаны на слухах, надо признать, что эта история рождает столько же вопросов, на сколько она дает ответ, и каждый ответ требует новых усложнений начальных условий.
Но мы не можем просто посмеяться, читая "Эдду", и отречься от всех космогонических гипотез - стремление проследить историю Вселенной назад к самому началу непреодолимо. С момента зарождения современной науки в шестнадцатом и семнадцатом веках физики и астрономы вновь и вновь возвращались к проблеме возникновения Вселенной.
Однако подобные исследования всегда пользовались дурной репутацией. Я вспоминаю, что когда я был студентом, а затем в 50-е годы начал свои собственные исследования (по другим проблемам), то повсюду считалось, что изучение ранней Вселенной - это не та задача, которой должен посвящать свое время уважающий себя ученый. И такое суждение имело свои основания. В течение почти всей истории современной физики и астрономии попросту не существовало адекватного наблюдательного и теоретического базиса, который позволил бы реконструировать историю ранней Вселенной.
Но за последнее десятилетие все это изменилось. Теория ранней Вселенной стала столь общепринятой, что астрономы часто называют ее "стандартной моделью". Это примерно то же самое, что иногда именуется теорией "большого взрыва", но дополненное значительно более точными указаниями относительно того, из чего состояла Вселенная. Теория ранней Вселенной и рассматривается в данной книге.
Чтобы помочь увидеть цель нашего путешествия, может быть, полезно начать с краткого резюме истории ранней Вселенной, как она в настоящий момент представляется в рамках стандартной модели. Это лишь беглый обзор - в последующих главах будут объяснены детали этой истории и наши основания доверять каждой из них.
Вначале был взрыв. Не такой взрыв, который знаком нам на Земле и который начинается из определенного центра и затем распространяется, захватывая все больше и больше пространства, а взрыв, который произошел одновременно везде, заполнив с самого начала все пространство, причем каждая частица материи устремилась прочь от любой другой частицы. В этом контексте "все пространство" может означать либо все пространство бесконечной Вселенной, либо все пространство конечной Вселенной, которое замкнуто на себя, как поверхность сферы. Каждую из этих возможностей нелегко постичь, но это нам не помешает: оказывается, что на историю ранней Вселенной не влияет, является ли пространство конечным или бесконечным.