Джон Малоун - Нераскрытые тайны природы. Расширяющий кругозор экскурс в историю Вселенной с загадочными Большими Взрывами, частицами-волнами и запутанными явлениями, не нашедшими пока своего объяснения
Мы все еще не нашли ответов на ряд весьма старых вопросов, а поиск решений привел к возникновению новых серьезных проблем. Иногда кажется, что увеличение наших знаний лишь подтверждает слова Гамлета, произнесенные им у замка Эльсинор: «Есть многое на свете, друг Горацио, что и не снилось вашим мудрецам».
Глава 1.
Как возникла Вселенная?
Большинство основных научных теорий ассоциируется с именами великих основателей. При упоминании слова «гравитация» в голове тотчас возникает имя Исаак Ньютон. «Эволюция»? — Чарльз Дарвин. «Относительность»? — Альберт Эйнштейн. А вот слова «Большой Взрыв» оказываются не связаны с чьим-либо именем. На протяжении нескольких последних десятилетий модель Большого Взрыва была признана космологами в качестве стандартного объяснения происхождения Вселенной, о ней упоминают в учебниках и популярных журналах. Однако ее не связывают с кем-либо из крупных ученых. Противники этой теории иногда в шутку говорят, что просто никто не хочет брать на себя ответственность. В действительности же сам термин «Большой Взрыв» ввел один из наиболее ярых его оппонентов — английский астроном Фред Хойл, желавший тем самым опорочить всю идею. Однако название укоренилось. В 1993 г. найти лучшее наименование для теории пытались с помощью международного конкурса. В жюри входили популяризатор науки Тимоти Феррис, астроном Карл Саган и телевизионный комментатор Хью Дауне. Но, по словам Ферриса, описавшего эту историю в своей книге, вышедшей в 1997 г. [1], среди 13 099 предложений, поступивших из 41 страны, не оказалось ни одного лучше.
Концепция Большого Взрыва ведет свое начало от гипотезы епископа бельгийской католической церкви Жоржа Леметра, который увлекался физикой и в 1927 г. в возрасте 33 лет получил в Массачусетском технологическом институте докторскую степень. Основываясь на законах гравитации, сформулированных Эйншнейтом в 1915 г. в общей теории относительности, Леметр в 1927 г. пришел к выводу, что Вселенная должна с одинаковой скоростью расширяться во всех направлениях[1]. Далее Леметр выдвинул предположение, что началом Вселенной послужил взрыв первичного атома, в котором было сконцентрировано все вещество Вселенной. Дальнейшая поддержка теории Леметра была связана с открытием Эдвина Хаббла, которое заключалось в том, что далекие галактики удаляются от нас и друг от друга во всех направлениях со скоростями, пропорциональными их расстоянию от нашей Галактики. Хаббл не был знаком с концепцией Леметра, однако обнаруженное им в 1929 г. расширение Вселенной способствовало тому, что возросло число астрономов, считающих некий первоначальный взрыв источником энергии, достаточной для создания расширяющейся Вселенной.
В 40-е годы XX века физики, увлеченные идеей начального взрыва, рассуждали о том, что непосредственно вслед за этим событием образовавшаяся плазма была гораздо горячее недр любой из существующих ныне звезд, но со временем она охладилась, сохранив, по крайней мере, небольшое количество тепла. По их предположению, от этого процесса должен был сохраниться след в виде все еще существующей некой довольно плотной дымки. Согласно теории того, что теперь называют микроволновым космическим реликтовым излучением, чем дальше мы продвинемся в пространстве (и назад во времени), тем плотнее будет эта дымка. В то время этот вывод совершенно не принимали во внимание, так как большинство астрономов и физиков не принимали всерьез теорию Большого Взрыва, и, во всяком случае, не существовало способа измерить это реликтовое излучение или хотя бы подтвердить его существование.
Однако в 1965 г. Арно Пензиас и Роберт Уилсон из Лаборатории Белла объявили, что, разрабатывая приемник для первого искусственного спутника связи «Телстар», они случайно обнаружили устойчивый «свист», обусловленный реликтовым излучением. Это изменило умонастроение огромного числа космологов. До 1965 г. Большой Взрыв был всего лишь очередной гипотезой, которая не допускала проверки; теперь же существовало доказательство того, что первоначальный взрыв оставил свой след. Хотя в этот момент многие серьезные ученые заинтересовались теорией Большого Взрыва, для ее подтверждения нужно было гораздо больше свидетельств. В 40-х и 50-х годах было предложено несколько гипотез относительно природы возможного реликтового излучения. Удалось рассчитать, что его температура должна быть примерно на 3° выше абсолютного нуля. Это то небольшое количество тепла, которое осталось после охлаждения, способствовавшего образованию вещества по прошествии некоторого промежутка времени с момента первоначального взрыва. Тепло должно было распределяться изотропно, а это, по словам Тимоти Ферриса, означало, «что любой наблюдатель, где бы во Вселенной он ни находился, измерит одинаковую температуру реликтового излучения по всему небосводу». Кроме того, согласно квантовой механике, реликтовое излучение должно иметь спектр, отвечающий излучению абсолютно черного тела, с наибольшей интенсивностью на длине волны, определяемой его температурой. Этот спектр описывается определенными квантово-механическими выражениями.
Когда стала ясна важность микроволнового космического реликтового излучения, Национальное управление по аэронавтике и космическим исследованиям (NASA) согласилось запустить микроволновый спутник, предназначавшийся для измерения этого «космического фона». Ожидалось, что, находясь вне искажений, создаваемых земной атмосферой, этот исследовательский спутник СОВЕ[2] позволит заглянуть в далекое прошлое вплоть до момента, отстоящего примерно на 500 000 лет от Большого Взрыва. К тому времени Вселенная уже достаточно остыла, благодаря чему энергия стала превращаться в массу, а Вселенная стала прозрачна для выхода света. Запущенный в 1989 г. спутник СОВЕ в полной мере оправдал надежды космологов, предоставив доказательства того, что реликтовое излучение действительно изотропно и что его температура почти на 3° выше абсолютного нуля (2,726 К). Кроме того, его спектр с поразительной точностью совпадает со спектром излучения абсолютно черного тела.
К 1992 г. на основе карты всего небосвода, построенной по данным спутника СОВЕ, был сделан еще один вывод: вещество, которое стало образовываться из остывающих газов спустя некоторое время после Большого Взрыва, собиралось в сгустки, из которых впоследствии возникли галактики — скопления звезд. Это соответствовало представлению о том, что на ранних стадиях существования Вселенной однородное распределение вещества нарушалось квантовыми флуктуациями. Попросту говоря, мы имеем дело как бы с содержащим комки соусом, в котором мука размешана не так уж равномерно, и хотя комков может быть немного, они все же есть.
Еще в 1939 г. американский физик Ханс Бете показал, что в недрах звезд могут возникать тяжелые элементы (в отношении их атомной массы). Эти элементы, входящие в вещество планет и наших с вами тел, составляют всего лишь 2% от всей массы Вселенной. Остальное приходится на водород (около 75%), гелий (23%) и следы лития. Согласно расчетам физиков, чтобы объяснить распространенность водорода и отношение содержания водорода к гелию в звездах, эти легкие элементы должны были возникнуть в результате Большого Взрыва. Превращение водорода в гелий только в Солнце высвобождает ежесекундно энергию, эквивалентную массе 4 млн. тонн, и если бы соотношение между водородом и гелием не соответствовало процессу Большого Взрыва, при этом выделялось бы гораздо больше энергии. Более тяжелые элементы «выплавляются» в звездных недрах и в конце концов выбрасываются в пространство, обеспечивая, как считается, Вселенную сырьем для образования твердого вещества. У самых старых звезд должно сохраняться меньшее количество тяжелых элементов, поскольку они продолжительное время выбрасывались из звездных недр — это удалось наблюдать, когда прогресс техники позволил проводить подобные измерения. Как оказалось, распределение элементов, или их космическая распространенность, также вполне соответствует предсказаниям теории Большого Взрыва.
Казалось бы, пора сделать вывод, что теория Большого Взрыва справедлива. Когда новая теория делает какие-либо прогнозы, которые можно проверить, и эти прогнозы соответствуют наблюдениям или эксперименту, ученых всегда радует каждое очередное подтверждение. При накоплении достаточного количества таких фактов можно считать, что справедливость теории доказана. Хотя большинство космологов принимает концепцию Большого Взрыва, тем не менее признано, что проблемы еще остались, причем достаточно серьезные, чтобы порождать сомнения в справедливости теории. В действительности проблемы возникают так часто, что эта теория почти постоянно находится в критическом состоянии.
Как возникла Вселенная?
