Лев Шильник - Удивительная космология
После того как Эдвин Хаббл сформулировал свой закон, от стационарной модели пришлось отказаться раз и навсегда. Стало ясно, что Вселенная представляет собой сложную динамическую структуру, которая непрерывно эволюционирует. Галактики разбегаются, как тараканы, когда посреди ночи зажжешь свет на кухне, причем скорость их удаления растет пропорционально расстоянию, на котором эти галактики от нас находятся. Если какая-то галактика расположена вдвое дальше от нас, чем другая, то и двигаться она будет в два раза быстрее. Кстати, следует иметь в виду, что разбегаются не звезды и даже не отдельные галактики, а скопления галактик. Скажем, галактики, входящие в состав Местной группы, расставаться друг с другом не спешат. Более того, многие из них наоборот сближаются, как, например, галактика Андромеды и наш Млечный Путь, которые летят на встречных курсах со скоростью 120 километров в секунду. Дело в том, что расширение Вселенной как целого не сказывается (если говорить совсем строго – практически не сказывается) на движении объектов, связанных силами гравитации в единую систему. Местная группа как раз является такой гравитационно устойчивой системой.
Но если скорость разбегания далеких галактик прямо пропорциональна расстоянию до них и подобная картина удручающе однообразна, в какую сторону ни посмотри, возникает резонный вопрос: не находимся ли мы в таком случае в центре Вселенной? Если Солнечной системе в этом смысле откровенно не повезло (как известно, она прозябает на задворках Млечного Пути), тогда, быть может, хотя бы наша Галактика является центром мироздания? Такой вывод наверняка многим согрел бы душу, потому что антропоцентризм сидит у нас в печенках. Увы, придется вас, читатель, разочаровать: первая особенность глобального расширения Вселенной как раз в том и заключается, что оно не имеет выделенного центра. Это понимал еще Фридман, когда предложил на суд почтеннейшей публики свою модель. Он исходил из двух очевидных посылок: во-первых, Вселенная изотропна и однородна на больших расстояниях, а во-вторых, то же самое утверждение справедливо для любой другой ее точки. Иными словами, в какой бы из галактик ни оказался наблюдатель, он всюду увидит удивительную картину расширяющейся Вселенной, а его собственная галактика покажется ему неподвижным центром мира.
Модель расширяющейся Вселенной
Сказанное легко пояснить на примере. Если взять резиновый шнурок с завязанными на нем узелками и растянуть его, предположим, вдвое или втрое, то расстояние между парой соседних узлов увеличится в точно такое же количество раз. Если же выбрать один узелок в качестве точки отсчета, то скорость удаления других узлов будет расти прямо пропорционально расстоянию до них. Можно обратиться и к двумерной модели. Возьмем детский воздушный шарик и нанесем на его поверхность метки. По мере надувания шарика метки станут расползаться в разные стороны, но при этом ни одна из них не будет занимать привилегированного центрального положения, а расстояния между ними начнут расти согласно все тому же пропорциональному закону. Итак, первая особенность расширения заключается в том, что все его субъекты (то есть галактики) совершенно равноправны, а выделенный центр, от которого они разбегаются, отсутствует.
Вторая особенность расширения нам уже знакома. Не только сами галактики (не говоря уже об отдельных звездах или планетах), но даже их скопления представляют собой стабильные системы, повязанные силами гравитации, поэтому расширение Вселенной их не затрагивает. При растягивании резинового шнура расстояния между узелками растут, но вовсе не потому, что они скользят вдоль нити. Все дело только лишь в упругих свойствах резины, а сами узлы бежать никуда не думают.
Отсюда вытекает и третья особенность расширения Вселенной. Его нередко представляют как разбегание галактик в пространстве, что совершенно неверно, поскольку в данном случае отсутствует движение «чего-то в чем-то». Можно сказать, что это распухание самого пространства, хотя и такое утверждение будет всего лишь метафорой, потому что пространство Вселенной не расширяется в некий внешний по отношению к нему объем. Если воспользоваться терминологией Иммануила Канта, это расширение пространства an sich, то есть в себе самом. Вообразить наглядно подобное невозможно, ибо для этого пришлось бы нарисовать замкнутую на себя сферу в четвертом пространственном измерении.
Таким образом, из эпохального открытия Хаббла и работ физиков-теоретиков следовало, что наша Вселенная, по всей вероятности, имеет конечный объем и родилась в некий нуль-пункт времени. Или, если говорить более строго, в точке «ноль» произошло рождение тройни, ибо материя, пространство и время не могут существовать порознь. Остается разобраться, как именно развивались события в этой особой сингулярной точке. Впервые этим вопросом всерьез озаботился бельгийский астроном Жорж Эдуард Леметр, который в 1927 году высказал предположение, что в нуль-пункт времени вещество и энергия будущей Вселенной представляли собой некий сверхплотный сгусток – своего рода «космическое яйцо». В силу неизвестных причин случился катастрофический взрыв, разметавший материю во все стороны, и осколки этого всемирного катаклизма мы наблюдаем до сих пор в виде разбегания галактик. Леметровская модель Вселенной была физической аналогией теоретических выкладок Фридмана или Ситтера, но при этом оказалась проще и понятнее абстрактных построений высоколобых математиков. Поэтому английский астрофизик Артур Стэнли Эддингтон сделался ее рьяным пропагандистом, а через некоторое время ее охотно взял на вооружение и основательно развил американский ученый русского происхождения Георгий Антонович Гамов. С его легкой руки нестационарная модель горячей Вселенной получила название теории Большого взрыва и после неизбежной, но необходимой ретуши остается в большом ходу до сих пор. Гамов предложил свой сценарий в 1948 году вместе с коллегами Альфером и Бете, что говорит о хорошем чувстве юмора Георгия Антоновича, поскольку фамилии Альфер, Бете и Гамов удивительно напоминают первые буквы греческого алфавита. Иногда теорию Гамова называют а, р, у-теорией, на что, по-видимому, он и рассчитывал.
Судя по выкладкам Гамова, температура и плотность внутри «космического яйца» должны были превосходить все мыслимые пределы, но уже через одну минуту после Большого взрыва температура упала до 109—1010 градусов Кельвина, а протоны и нейтроны, оставшиеся после аннигиляции с антипротонами и антинейтронами (об этом подробнее будет рассказано ниже), начали объединяться в ядра дейтерия, трития, гелия и лития. Этот процесс получил название первичного нуклеосинтеза, и Гамов сумел показать, что наблюдаемое сегодня соотношение водорода и гелия (примерно 75 и 25 % соответственно) возникло в первые же секунды после Большого взрыва. По его расчетам, звезды за все время существования Вселенной не могли «наработать» более 1 % гелия, что совсем не похоже на те 24–25 %, о которых недвусмысленно говорят астрономические наблюдения. Таким образом, теория горячей Вселенной получила еще один дополнительный аргумент в свою пользу.
Все это очень хорошо и даже замечательно, но настало время взять негодяев к ногтю и жестко спросить в духе Михаила Жванецкого: а почему, собственно? Почему не знавшее горя и печали «космическое яйцо» вдруг сделалось нестабильным и взорвалось? Неужели это такая чуточная эфемерида, которая рассыпается в пыль от малейшего прикосновения? Если же «яйцо» было все-таки устойчивой структурой, безбедно прожившей многие миллиарды лет, то следует внятно объяснить, какие неведомые силы подвигли бедняжку проделать череду внезапных метаморфоз.
Вопросы, что и говорить, архитрудные, поэтому физики-теоретики предложили в свое время немало моделей, в которых не мытьем, так катаньем пытались свести концы с концами. Вот, например, так называемый гиперболический сценарий: Вселенная изначально представляла собой облако чрезвычайно разреженного газа, который постепенно конденсировался и разогревался под влиянием гравитационных сил. Когда газ стянулся в плотный сгусток, центробежное действие высокой температуры и давления переломило гравитационное сжатие и вещество юной Вселенной брызнуло во все стороны, подобно тому как струя горячего пара вылетает из-под притертой крышки чайника, стоящего на огне. Таким образом, Вселенная начинает свою жизнь почти в абсолютном вакууме, а потом, перешагнув фазу максимальной плотности, вновь возвращается в состояние пустоты. Гиперболическая Вселенная описывается геометрией Римана, а ее радиус кривизны колеблется в широких пределах – от минимума в период сжатия до максимума в период расширения. Она начинается с пустоты и кончается пустотой, а стадия «космического яйца» оказывается коротким промежуточным этапом на фоне необратимых полярных перемен. Минусом такой модели оказываются необратимые состояния, разнесенные по разным концам временной шкалы.
