Стивен Вайнберг - Первые три минуты
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.
Примерно через одну сотую долю секунды, самое раннее время, относительно которого мы можем говорить с какой-то определенностью, температура Вселенной была равна примерно ста тысячам миллионов (1011) градусов Цельсия. Это значительно горячее, чем в центре самой горячей звезды, так горячо на самом деле, что ни одни из компонентов обычного вещества — молекулы, атомы или даже ядра атомов — не могли существовать. Вместо этого вещество, разлетавшееся в разные стороны в таком взрыве, состояло из различных типов так называемых элементарных частиц, являющихся предметом изучения современной физики высоких энергий.
