Глеб Анфилов - Бегство от удивлений
Если получится больше, чем 2·10-29 грамма на кубический сантиметр, значит, мир замкнут. Всюду в нем положительная кривизна длиннейших четырехмерных световых и геодезических линий (вспомните еще раз меридианы на глобусе), ограниченное количество вещества и света. Из такого мира нет «выхода», хоть нет у него и границ — обитатели его находятся в положений жителей четырехмерного «шара Пуанкаре». По Фридману, такая безграничная, но конечная модель, как сказано выше, медленно пульсирует.
Если же средняя плотность материи меньше, чем 2·10-29 грамма на кубический сантиметр, выходит на сцену открытая модель. Кривизна длиннейших четырехмерных геодезических отрицательна (как кратчайших трехмерных на седле или граммофонном раструбе). И — либо сжатие, либо расширение.
Что же по этому поводу говорят астрономы?
Сегодня никто не рискует назвать достоверную цифру средней плотности вещества. Выходит близко к пограничной величине, но больше или меньше ее — неизвестно. Еще не так давно многие склонялись все же к бесконечной модели. Плотности как будто чуть-чуть не хватало, чтобы замкнуть ее. Но в последние годы физики пришли к мнению, что заметная доля мировой материи существует, быть может, в форме, недоступной пока телескопам и потому выпадающей из поля зрения астрономов. Эту долю составляют неуловимые, невидимые и неощутимые частицы под названием нейтрино. Они испускаются звездами вместе со светом, пронизывают все и вся, мчат сквозь планеты, сквозь любые толщи вещества, почти не взаимодействуя с ним, и несут довольно значительную энергию, следовательно — и массу.
Как много их? Достаточно ли, чтобы замкнуть, ограничить Вселенную?
Неизвестно.
Совсем недавно отыскалась в мире еще одна невидимая материальная субстанция — фотоны низких энергий (кванты сантиметровых радиоволн). Их тоже много, и они всюду. Но и этот «фотонный фон» (или «реликтовый свет» —причина этого названия будет объяснена позже) еще не «взвешен» по-настоящему.
Таким образом, остановить выбор на закрытой или открытой модели пока нельзя. Не хватает данных. Космологи надеются, что их удастся раздобыть с развитием внеземной астрономии — при наблюдении Вселенной прямо из космоса, без помех земной атмосферы.
Все же вероятность замкнутости с открытием нейтрино и «фотонного фона» стала больше.
Уходящие галактикиНу, а расширяется мир или сжимается?
Здесь ответ однозначен. Расширяется. Основание — знаменитое «красное смещение» линий спектра далеких галактик. Именно это открытие, которого, к сожалению, не дождался Фридман (оно было сделано через четыре года после его смерти американским астрономом Хэбблом), подняло исследование советского ученого от уровня более или менее вероятной гипотезы на почетный пьедестал достоверной космологической теории.
Хэббл установил знаменательный факт: спектральные линии света далеких галактик сдвинуты к красному концу спектра, и смещение тем значительнее, чем дальше галактика от нас. Тут-то и отыскалось прямое доказательство разбегания галактик, что легче всего было объяснить расширением самого мира, моллюска отсчета. Причем тем более быстрого расширения, чем оно дальше от наблюдателя, точно в соответствии с теоретическим предвидением Фридмана.
Ведь от удаляющегося источника к неподвижному наблюдателю световые волны приходят как бы растянутыми, их колебания — замедленными (вспомните опыт Паунда и Ребки). Уменьшается частота — значит, меняется цвет излучения, линии спектра сдвигаются к низкочастотному — красному — его краю. Словно поезда с фонариками на хвостовых вагонах, уходят от нас звездные города, влекомые расширяющимся миром. И сигнализируют об этом красным смещением своих спектральных линий. Темп расширения установлен. Галактики, находящиеся от нас за три миллиона световых лет, убегают, по современным данным, со скоростью 75 километров в секунду, вдвое более далекие— вдвое быстрее и т. д.
С этой точки зрения наводит, наконец, естественное и очень простое объяснение ночная тьма. Из парадокса она превращается в закономерную необходимость, присущую даже бесконечному миру с бесконечным числом галактик, расположенных как угодно. Лишь бы было расширение. Потому что от далеких галактик, несущихся прочь от наблюдателя с колоссальными скоростями, вместо света должны приходить невидимые излучения малой частоты — инфракрасные лучи, радиоволны, то есть темнота. Может быть, «чуть тепленькая» темнота и еле слышный «контрабасовый» радиошум. От самых же далеких — бесконечно длинные волны, бесконечно медленные колебания и, значит, полное отсутствие энергии — холодная тьма, мертвая тишина.
Таков в общих чертах современный взгляд науки на современное состояние Вселенной. Интересен также взгляд в прошлое мироздания.
Сколько лет Мегамиру?«Вопреки обычному мнению, предсказывать в науке будущее несравненно легче, чем восстанавливать историю», — сказал однажды профессор Я. А. Смородинский, ободрив тем самым историков вообще, и историков природы в частности.
Но труднее — значит, любопытнее. Вероятно, поэтому о прошлом Вселенной высказано несколько оригинальных гипотез. Эта ветвь научного значения — самая, пожалуй, дерзкая, самая близкая к философии, самая антимистическая. Сейчас вы с ней немножко познакомитесь.
Многие ученые твердо убеждены в том, что если ныне Метагалактика расширяется, то когда-то она была еще не расширившейся — катастрофически сжатой, с качественно иным состоянием пространства — времени и материи. Как давно это было, судить можно. По современному темпу разбегания галактик, расстояниям до них, при внесении кое-каких поправок и допущений возраст наблюдаемого нами состояния Вселенной оценивается примерно в 10 — 15 миллиардов лет.
Это не так уж много, если вспомнить, что, по словам геологов, возраст Земли составляет 5 — 6 миллиардов лет, и Солнце, по мнению астрофизиков, живет те же 5 — 6 миллиардов лет.
Так что же представляла собой наша «комната» мироздания в начале ее бытия?
Какие процессы там разворачивались? Можно ли восстановить их сегодня?
Кухня веществаКак явствует из одной фантастически-шутливой телевизионной пьесы Станислава Лема, в Галактике действует некий «Лик», занимающийся «размешиванием» мировой материи (чтобы она «не подгорела»). Так вот, хоть «Лик» нашему миру, разумеется, не нужен (так же как «вседержитель Атлас» и прочие небесные деятели, шуточные и нешуточные), однако его работа осуществляется. Сама собой. Потому что «мировой кисель» не только отлично сварен, но и тщательно размешан. Всюду состав вещества неизменен. В любом уголке мира — одинаковое соотношение атомов разных сортов. Астрономы в этом убедились после многолетних наблюдений звездных и других спектров.
Больше всего в мире водорода, заметно меньше, но тоже много, гелия, а затем идут в определенной последовательности остальные элементы периодической системы Менделеева.
Эта четкая дозировка (известная пока, правда, довольно приблизительно) служит ключом к расшифровке начала начал мироздания. Проблема формулируется так: понять, каков мог быть исходный, лишенный современного простора, сверхсжатый мир, чтобы его расширение вызвало к жизни нынешние формы материи в их современном процентном отношении. Другими словами, надо угадать, из какого «сырья» и как некогда синтезировалось вещество Вселенной.
С первой гипотезой выступил в 1949 году американский физик Георгий Гамов. Его идея: сырье было жидкостью, спрессованной из нейтронов и света.
Основание для гипотезы такое. Материя нашего мира в целом электрически нейтральна, а потому резонно предположить, что первичное сырье для нее было составлено из самых распространенных нейтральных частиц — нейтронов и фотонов. К тому же в свободном состоянии нейтрон нестабилен — за 1000 секунд половина таких частиц распадается, обращаясь в протоны и электроны (да еще антинейтрино). А из протонов, нейтронов и электронов построены все атомы.
Вот гамовский вариант «варки вещества».
В «дозвездном» состоянии мира сжатые нейтроны были несвободны и не могли распадаться (при этом Метагалактика умещалась в объеме нескольких кубических сантиметров). Как только началось расширение, нейтроны получили свободу и стали распадаться. Рождались протоны и электроны. Новорожденные протоны соединялись с еще не распавшимися нейтронами. Так возникли атомные ядра. Они захватывали электроны — творились атомы. Разные — в зависимости от числа протонов и нейтронов, образовавших атомные ядра, в основном водорода и гелия. За несколько минут сформировалось все «легкое» вещество нашего мира.
Горячий или холодный?На бумаге сперва все выглядело благополучно. Но подробный разбор гипотезы внес сомнения. В описанной картине «вселенской кухни» не вышло современного соотношения элементов. Даже основных. Избыток изначальных нейтронов и нехватка новорожденных протонов привели бы к острому недостатку в мировой материи водорода (ведь атомные ядра водорода — это просто протоны, которые, по Гамову, отсутствовали в первичной материи). Гелия же, наоборот, должно было «свариться» больше, чем есть на самом деле (потому что мириады нераспавшихся нейтронов жадно соединялись бы с только что возникшими протонами). А из гелия водород самопроизвольно выделиться не мог — по той же примерно причине, по которой из золы не может само собой воскреснуть березовое полено.
