Все это представлялось большинству ученых захватывающей и красивой, но все же чисто теоретической спекуляцией до тех пор, пока в 1929 году в далекой обсерватории Маунт-Вилсон в Америке, после нескольких лет напряженной работы, астроном Эдвин Хаббл не объявил свой потрясающий экспериментальный результат: Вселенная расширяется. Сами галактики не изменяются, но расстояние между ними линейно увеличивается со временем. Это означало, что галактики удаляются от нас, и чем дальше находится галактика, тем быстрее она удаляется. К 1931 году после тщательной проверки в этом больше не осталось сомнений: наблюдения Хаббла показали четкую зависимость между расстоянием до галактик и их скоростью.
Древние инки выделяли на небосводе и давали названия не только звездам и созвездиям, как это привычно нам. Они также именовали черные пятна в Млечном Пути. Среди названий таких межзвездных участков - Лама, Детеныш ламы, Пастух, Кондор, Куропатка, Жаба, Змея и Лиса.
Большой взрыв
Несмотря на изящество идеи Фридмана и высочайшую степень надежности ОТО, и даже невзирая на блестящее подтверждение факта разлета галактик Хабблом, физическое сообщество не торопилось принимать картину нестационарной, расширяющейся Вселенной, начавшейся в некоторой особой точке конечное время назад. Это притом, что против существования вечной и недвижной Вселенной в целом имелись весьма серьезные чисто физические аргументы, которые были известны давно. Но таковы уж были предписания самой классической системы мышления: движению и изменению могут быть подвержены отдельные вещи или даже части мира; однако мир как целое должен оставаться вечным и неизменным. Что можно еще сказать, если даже сам Эйнштейн, как мы уже знаем, стоял на подобных позициях!
Самой известной попыткой согласовать идею стационарной Вселенной с фридмановскими космологическими моделями была, без сомнений, теория стационарного состояния, выдвинутая в 1948 году в Кембриджском университете британским астрофизиком Фредом Хойлом и двумя австрийскими эмигрантами Германом Бонди и Томасом Голдом. Они настаивали, что в своих общих чертах Вселенная всегда остается неизменной, так что во всех местах и во все времена она выглядит более или менее одинаково. Но чтобы компенсировать расширение Вселенной (поскольку после открытия Хаббла в этом нельзя было сомневаться!), Хойл с коллегами постулировал, что вещество постоянно создается из вакуума. Это вещество заполняет пустоты, открывающиеся между удаляющимися галактиками, так что на их месте могут формироваться новые. Конечно, не было никаких подтверждений спонтанного рождения материи, и Хойл, Бонди и Голд это признавали. Однако требуемый теорией темп ее возникновения был всего несколько атомов на кубический сантиметр в столетие, так что не было и наблюдений, свидетельствующих об обратном. Защищая свою теорию, Хойл с коллегами говорили, что непрерывное возникновение материи ничуть не более сомнительно, чем одномоментное рождение всей материи в Большом взрыве.
Кстати, сам термин "Большой взрыв" был придуман именно Хойлом, когда он высмеивал конкурирующую теорию в популярном ток-шоу на радио "Би-би-си".
Между тем, ироническому термину Хойла было суждено стать обозначением одного из основных мотивов современной космологии. Как бы физики ни относились к моделям вселенной Фридмана, их эпохальное значение для науки, а может быть, и для человеческого познания вообще состоит в наличии в них начальной сингулярности, где перестает работать ОТО. В сингулярности вещество сжимается до бесконечной плотности, и становится невозможно распространить решение на более ранние моменты времени. Таким образом, если воспринимать все буквально, Большой взрыв должен рассматриваться как начало Вселенной. Возможно ли, чтобы вся Вселенная началась с единственного события, случившегося конечное время назад?
Многие специалисты считали сингулярность Большого взрыва чисто формальным следствием предположений о строгой однородности и изотропности, которые Фридман использовал для решения уравнений Эйнштейна. Если в коллапсирующей Вселенной все галактики приближаются к нам, то неудивительно, что они столкнутся в одном большом схлопывании. Но если движение галактик будет хоть немного отличаться от радиального, можно предположить, что они "промахнутся" друг мимо друга и начнут снова разлетаться. В таком случае сингулярности удастся избежать, а вслед за сжатием последует новое расширение. Была надежда, что таким способом удастся построить так называемую "осциллирующую" модель Вселенной без начала с чередующимися периодами расширения и сжатия.
Оказалось, однако, что притягивающая природа гравитации делает такой сценарий невозможным. Британские физики Роджер Пенроуз и Стивен Хокинг, тогда еще аспиранты, доказали серию теорем, показывающих, что в очень широком диапазоне условий космологической сингулярности избежать нельзя. Основные предположения, использованные в этих доказательствах, состоят в том, что ОТО Эйнштейна верна и что материя во всей Вселенной обладает положительной плотностью энергии, так что гравитация не может стать отталкивающей. Таким образом, пока мы держимся в рамках ОТО и не предполагаем существования экзотической гравитационно-отталкивающей материи, сингулярность будет неизбежной, а вопрос о начальных условиях останется неразрешенным.
7 января 1610 года Галилео Галилей впервые в истории человечества направил построенный им телескоп на небо.
Теория Большого взрыва, которая не описывает Большой взрыв
Так теория Большого взрыва стала основанием новой физической науки - космологии.
Самый сильный аргумент в пользу теории Большого взрыва - это расширение Вселенной, открытое в 1929 году Эдвином Хабблом. Он, как мы уже знаем, обнаружил, что далекие галактики стремительно разлетаются от нас. В таком случае выходит, что если проследить движение галактик назад во времени, то в некоторый момент в прошлом все они сливаются вместе, что и говорит о взрывном возникновении Вселенной.
Другим важным подтверждением Большого взрыва служит космическое микроволновое излучение. Космос заполнен электромагнитными волнами, примерно такими же, что и в привычных микроволновках. Интенсивность этого излучения снижается по мере расширения Вселенной, так что мы сейчас наблюдаем лишь слабый отсвет раскаленного первичного огненного шара.
Теория Большого взрыва помогает космологам в изучении того, как этот огненный шар расширялся и остывал, как возникали атомные ядра и как из бесформенных газовых облаков возникали грандиозные спирали галактик. Результаты этих исследований прекрасно согласовывались с астрономическими наблюдениями, и это практически не оставляло сомнений в том, что теория развивается в правильном направлении. Однако было одно занятное обстоятельство: теория Большого взрыва описывала только последствия Большого взрыва и ничего не говорила о нем самом!
Вдобавок ко всему при ближайшем рассмотрении Большой взрыв выглядит весьма странно. Дело в том, что окружающий нас огромный мир, полный звезд и галактик, образуется только при том условии, что энергия первичного состояния выверена с немыслимой точностью. Ничтожное отклонение приводит либо к тому, что огненный шар "схлопывается" под действием собственного тяготения, либо к тому, что Вселенная оказывается почти пустой.
Космология Большого взрыва просто постулирует, что Вселенная в начальном состоянии обладала требуемыми свойствами. Физическая наука в состоянии лишь описать, как развивалась Вселенная из заданной начальной конфигурации. Но попытки разобраться, почему все началось именно с этого конкретного состояния, выходят за рамки физики. Вот какой показательный случай описывает Стивен Хокинг, один из самых знаменитых ученых-космологов современности. В 1981 году Хокинг участвовал в конференции по космологии, организованной орденом иезуитов в Ватикане: "В конце конференции участники были удостоены аудиенции Папы. Он сказал, что эволюцию Вселенной после Большого взрыва изучать можно, но не следует вторгаться в сам Большой взрыв, потому что это был момент Сотворения и, следовательно, Божественный акт. Я был очень рад, что Папа не знал темы только что сделанного мной доклада о возможности того, что пространство-время… не имеет границ, то есть что оно не имеет начала, а значит, нет и момента Сотворения".
Попробуйте умножить 37 037 на любое число от 1 до 9, а затем умножьте полученный результат на 3. Сами увидите, что выйдет!
Горячая Вселенная
Идея первичного огненного шара родилась в голове Георгия Гамова, очень колоритного физика русского происхождения, работавшего во многих ведущих исследовательских лабораториях Европы и США. Его коллега Леон Розенфельд писал, что Гамов "был ярок во всем, даже в своей физике". Еще аспирантом Гамов прослушал курс лекций Фридмана по общей теории относительности, так что знал об идее расширяющейся Вселенной, можно сказать, из первых рук. Кроме того, за очень короткое время Гамов стал мировым авторитетом в области ядерной физики.
Гамов утверждал, что ранняя Вселенная была не только сверхплотной, но также и очень горячей. Причина в том, что газы разогреваются, когда их сжимают, и охлаждаются при расширении.
Представьте, что в большой ящик помещено много-много маленьких шариков. Шарики беспорядочно движутся и отскакивают от стенок ящика. Теперь представим себе, что стенки ящика раздвигаются в стороны. Если мы бросим в стену мяч, он отлетит к нам с такой же скоростью, с какой мы его бросили. Но если стена удаляется от мяча, его скорость будет меньше после столкновения с ней. Так же и молекулы в расширяющемся пространстве будут замедляться. Конечно, в расширяющейся Вселенной нет никаких стен! Но молекулы отталкиваются друг от друга, так что расширение влияет на скорость их движения аналогичным образом. А температура по определению не что иное, как мера энергии движения молекул. Ясно, что в расширяющемся пространстве она будет убывать, и Вселенная будет становиться все холоднее. Ну а если двигаться в прошлое, мы, наоборот, заметим, что Вселенная будет становиться все горячее, и, в конце концов, в точке космологической сингулярности - в момент Большого взрыва - окажется бесконечно горячей. Собственно, поэтому космологическую сингулярность и называют Большим взрывом.
Гамов также понял, что уравнения Фридмана можно использовать для определения температуры и плотности Вселенной в любой момент времени. Например, спустя секунду после Большого взрыва температура составляет 1010 °C (10 млрд), а плотность - около 1 т/см. Самая насыщенная событиями часть истории горячей Вселенной, для которой характерна быстрая смена поколений экзотических частиц, приходится как раз на первую секунду ее существования. В течение нескольких следующих минут образуются простейшие атомные ядра: водород, дейтерий, тритий, гелий-3 и гелий-4 (цифры обозначают число нуклонов - протонов и нейтронов, частиц, из которых состоят все атомные ядра). Процесс образования гелия начинается примерно через три минуты после Большого взрыва и завершается менее чем за минуту. Вселенная продолжает расширяться в жутком темпе, а плотность и температура очень быстро падают. После насыщенных событиями первых 3–4 мин темп космической драмы замедляется. С частицами вещества мало что происходит. Но зато существенные изменения происходят с излучением, наполняющим огненный шар.
Как нам известно еще из школьного курса физики, на макроскопическом (то есть на "человеческом") уровне излучение можно представить состоящим из электромагнитных волн - колеблющихся сгустков электрической и магнитной энергии. Волны разной частоты вызывают разные физические эффекты, и мы знаем их под разными названиями. Видимому свету соответствует лишь узкая полоска во всем электромагнитном спектре. Волны с более высокой частотой называют рентгеновским излучением, а еще более высокочастотные - гамма-лучами. Двигаясь по частотам вниз, мы встретим микроволны, а за ними радиоволны. Все они распространяются со скоростью света.
По мере остывания огненного шара интенсивность излучения снижается, а его частота постепенно сдвигается от гамма-лучей к рентгеновскому диапазону и далее, к видимому свету. Через 300 тыс. лет после Большого взрыва температура становится достаточно низкой, и электроны и ядра объединяются в атомы. До этого электромагнитные волны часто рассеивались на заряженных электронах и ядрах. Однако с нейтральными атомами излучение взаимодействует очень мало, так что теперь волны начинают свободно распространяться по Вселенной, практически ни на чем не рассеиваясь. Свет и вещество разделяются. Другими словами, Вселенная вдруг становится прозрачной для света.
Что происходит дальше с космическим излучением? Ничего особенного. Частота электромагнитных волн и соответствующая ей температура продолжат уменьшаться по мере расширения Вселенной. В момент образования нейтральных атомов температура излучения составляла 4000 °C, приблизительно как на поверхности Солнца. Окажись мы там (правда, было бы немного жарковато), мы бы увидели Вселенную залитой ярко-оранжевым светом. К моменту около 600 тыс. лет после Большого взрыва цвет сменился бы на красный. Еще через 400 тыс. лет излучение уходит за пределы видимого диапазона, в инфракрасную часть спектра. Так что для нас Вселенная погрузилась бы в полную темноту. Частота волн продолжает медленно уменьшаться, и к настоящему времени - то есть приблизительно через 14 млрд лет после Большого взрыва - она опускается до микроволнового диапазона.
Это то самое космическое микроволновое излучение с температурой около 3–5 К (градусов Кельвина), которое было открыто двумя американскими радиоастрономами Арно Пензиасом и Рудольфом Вильсоном в 1965 году. Таким образом, теория Большого Взрыва (которую можно назвать космологией Фридмана - Гамова), предсказавшая это излучение, получила блестящее экспериментальное доказательство.
Эта история подтверждается многочисленными данными наблюдений, и нет особых оснований сомневаться в том, что в целом она верна.
Поистине удивительно, что мы можем наблюдать Вселенную такой, какой она была 14 млрд лет назад, и точно описывать события, происходившие спустя долю секунды после Большого Взрыва. Очень, очень близко к точке начала. Что в действительности случилось в тот момент, по-прежнему остается загадкой. Но мы все-таки рискнем пойти дальше, вооружившись самыми последними достижениями космологической теории.
В 1671 году Исаак Ньютон представил на суд Королевского общества телескоп нового типа - рефлектор.
Инфляция: в экономике - плохо, в космологии - хорошо!
Картину эволюции Вселенной, которую мы только что описали, можно называть классической космологической теорией. Это название будет вполне правомерным. Ведь до Эйнштейна, Фридмана и Гамова никто из физиков даже не пытался заговорить об эволюции Вселенной в целом. А если пытались, то только как агностики. Они просто замечали: физика этими вопросами заниматься не может и не должна, здесь начинаются территории философии и теологии. И это несмотря на то, что физика в строгом научном, "теоретико-экспериментально-математическом" виде существовала уже более трех веков!
Классическая теория эволюции Вселенной, как мы убедились, очень хороша. Но и она не универсальна.
Представьте себе, что вы получаете сообщение с далеких звезд: вашей тете нездоровится! Вы поворачиваетесь в разные стороны, еще и еще, и отовсюду получаете одно и то же сообщение. Как это можно объяснить? Одно из двух. Либо везде во Вселенной живут существа, которые почему-то очень беспокоятся о здоровье и самочувствии вашей тети. Довольно невероятно, не так ли? Либо все они как-то коммуницируют между собой. Иначе почему сообщения из разных, далеких областей Вселенной выглядят совершенно одинаковыми?
Как ни странно это звучит, но перед вами точное описание так называемой проблемы горизонта, которая возникает в классической космологии. Дело в том, что интенсивность микроволнового излучения, приходящего к нам со всех сторон, в высшей степени постоянна, а значит, распределение плотности и температуры Вселенной в те времена, когда испускалось это излучение, были исключительно однородными. Из этого наблюдения вытекает наличие определенного взаимодействия между излучающими областями, которое приводит к выравниванию плотностей и температур. Однако физические взаимодействия не могут распространяться быстрее света!
Со времени Большого взрыва электромагнитные волны (то есть, собственно, "свет") удалились от места, где они были испущены, на 40 млрд световых лет. Это так называемый радиус горизонта. Он ставит предел тому, как далеко мы можем видеть Вселенную, и задает максимальное расстояние, на котором могла бы быть установлена связь. Космическое излучение, которое мы наблюдаем, как раз и приходит к нам с расстояний, примерно равных радиусу горизонта.
Теперь пусть мы принимаем космические микроволны с двух противоположных направлений. Тогда области, где эти волны были испущены, находятся друг от друга на расстоянии двух радиусов горизонта. Но из этого следует, что они никак не могли бы взаимодействовать! Они не могли бы иметь одинаковую температуру, плотность и т. д. Тогда получается, что незадолго после Большого взрыва та часть Вселенной, которую мы сейчас наблюдаем, была разбита на тысячи маленьких областей, которые не могли сообщаться друг с другом. То есть никакой физический процесс не мог сделать огненный шар однородным, если бы он не был таким с самого начала.
Можно, конечно, сказать, что такой сделал Вселенную в самом ее начале Большой взрыв. Но мы знаем уже, теория Большого взрыва не определяет физических условий в самой точке взрыва. А раз никакой определенности нет, можно постулировать любые следствия. Поэтому здесь нет и никакого объяснения. В то, что Большой взрыв сам установил гармонию между множеством несвязанных областей Вселенной, можно только верить. Можно, например, заменить слова "Большой взрыв" словом "Бог" - и мало что изменится.