НА ГЛАВНУЮТЕКСТЫ КНИГ БКАУДИОКНИГИ БКПОЛИТ-ИНФОСОВЕТСКИЕ УЧЕБНИКИЗА СТРАНИЦАМИ УЧЕБНИКАФОТО-ПИТЕРНАСТРОИ СЫТИНАРАДИОСПЕКТАКЛИКНИЖНАЯ ИЛЛЮСТРАЦИЯ

Библиотечка «За страницами учебника»

Мир астрономии. Мухин Л. М. — 1987 г.

Лев Михайлович Мухин

Мир астрономии

Рассказы о Вселенной,
звёздах и галактиках

*** 1987 ***


DjVu


 

PEKЛAMA

Услада для слуха, пища для ума, радость для души. Надёжный запас в офф-лайне, который не помешает. Заказать 500 советских радиоспектаклей на 9-ти DVD. Ознакомьтесь подробнее >>>>


Доктор физико-математических наук Лев Михайлович Мухин — заведующий лабораторией Института космических исследований АН СССР, лауреат Государственной премии СССР. Круг научных интересов автора широк: в течение последних пятнадцати лет он занимается исследованием планет средствами космической техники. Он принимал участие в постановке сложных химических экспериментов на советских автоматических станциях «Венера-11» и «Венера-12», «Вега-1» и «Вега-2»
В серии «Эврика» в 1980 и 1984 годах вышла его книга «Планеты и жизнь», а в 1983 году — «В нашей Галактике».


СОДЕРЖАНИЕ

От автора 6
Системы мира
От Аристотеля до Коперника 9
Мир по Ньютону 13
Вселенная расширяется 16
Отголоски начала 20
Большой взрыв и космология
Планковская Вселенная 25
Микрофизика 30
Новые подходы 37
Неортодоксальные взгляды 41
Будущее Вселенной 43
Астрономы наблюдают
Астрономия древности 49
Тихо Браге и другие 57
Телескопы — новая эра астрономии 61
Расстояние до звезд, их яркость, спектр 67
Всеволновая астрономия 76
Что такое галактика? 91
Рождение галактик 93
Свойства галактик ЮО
Галактики задают вопросы 104
Наша Галактика 107
Ядра галактик 114
Звезды
Характеристики звезд 121
Как рождаются звезды 123
Звезды светят 131
Источник энергии 138
Солнечные нейтрино 142
Модели звезд 146
Эволюция звезд 151
Взрывающиеся звезды 155
Сюрпризы гравитации
Нейтронные звезды 165
Черные дыры 171
Солнце
Желтый карлик 185
Фотосфера 191
Хромосфера 196
Корона 202
Заключение 206


      ОТ АВТОРА
      Результаты астрономических наблюдений XX века совершили радикальный переворот в мировоззрении человека. Мы поняли, что окружающий нас мир имеет начало и что наша Вселенная живет и изменяется со временем. Ученые обсуждают сейчас вопросы о том, что уготовано нашей Вселенной в будущем.
      Но возможность проникновения в сокровенные тайны природы появилась совсем недавно. Великим астрономическим открытиям XX века предшествовал кропотливый труд астрономов прошлых веков. Именно благодаря их работам человек сумел понять, что Солнце — обычная звезда в бесчисленном множестве окружающих нас звезд, сумел оценить свое истинное место во Вселенной.
      Путь построения картины нашего мира был нелегким, вот почему я начал книгу с рассказа о том, как изменялись представления человека об окружающем мире от древности до сегодняшних дней.
      Далее мы обсудим наиболее волнующие проблемы, связанные с рождением и эволюцией Вселенной. Читатель познакомится с основными методами современной наблюдательной астрономии, узнает о последних достижениях в этой области науки.
      Поскольку основными строительными блоками в окружающем нас мире являются галактики, мы обсудим вопросы их происхождения. Кстати говоря, в современной астрофизике эти вопросы — одни из наиболее сложных.
      Мир астрономии всегда ассоциировался с миром звезд, и проблемам жизни звезд, их рождения и смерти, посвящена значительная часть этой книги. Читатель узнает также о нейтронных звездах и знаменитых черных дырах. Книгу завершает рассказ о нашем светиле — Солнце, о связанных с ним загадках.
      Современная астрономия неразрывно связана с физикой, и читателю, имеющему определенный багаж знаний в этой области, будет легко ориентироваться в материале книги. В то же время я не избегал в книге вопросов, которые и по
      сей день служат предметом ожесточенных споров между исследователями. Обсуждение этих вопросов поможет читателю лучше понять всю сложность и глубину проблем, стоящих перед современной астрономией.
      Астрономия — одна из древнейших наук — наука о Вселенной. Круг вопросов, входящих в «компетенцию» современной астрономии, исключительно широк. И поэтому сегодня от астрономии отпочковались самостоятельные ветви.
      Астрометрия — наука об измерении пространства и времени. Небесная механика изучает закономерности движения небесных тел под действием сил тяготения. Звездная астрономия исследует распределение и движение звезд, звездных систем и межзвездной материи в пространстве. Астрофизика изучает строение, физические свойства и химический состав небесных объектов. Наконец, космогония рассматривает проблемы, связанные с происхождением и эволюцией небесных тел, а космология — самые общие закономерности строения и развития нашей Вселенной.
      Мир астрономии поражает своим величием. И трудно назвать какую-либо науку, которая развивалась бы в последнее время так быстро, как астрономия.
      Путешествие в мир астрономии и увлекательно, и трудно. Увлекательно оно потому, что современная астрономия имеет дело с такими явлениями, о которых несколько лет назад можно было читать лишь на страницах научно-фантастических романов. Здесь и таинственные квазары, и взрывающиеся звезды, излучающие чудовищные количества энергии, и застывшие звезды. Здесь и загадки множественности миров.
      Мне хотелось бы выразить искреннюю благодарность моим друзьям и коллегам J1. С. Марочнику, В. И. Морозу, И. Д. Новикову, И. J1. Розенталю, В. Ф. Шварцману, взявшим на себя труд прочесть целиком рукопись книги или отдельные ее части. Без их доброжелательной критики и помощи я не сумел бы написать эту книгу.
      При создании рисунков к этой книге художник использовал иллюстрации, опубликованные в книгах К. Сагана «Космос» и Т. М. Пасачоффа «Астрономия: от Земли до Вселенной».
     
      От Аристотеля до Коперника
      Путь человечества к познанию окружающего мира длился тысячелетия. Это был путь временного торжества ложных истин, путь костров и отречений. Но в то же время это была дорога величайших открытий, предвидений и прозрений, дорога торжества человеческого гения.
      Вполне понятно стремление человека во все времена создать систему окружающего мира. Разработка таких систем началась в глубокой древности и продолжается по сей день. Если отвлечься от наивных мифологических систем, то, бесспорно, первой внутренне логичной и всесторонне продуманной стала система мира Аристотеля. Недаром усиленная и¦подкрепленная впоследствии трудами греческого астронома Птолемея, она просуществовала почти две тысячи лет.
      Согласно этой системе Земля — центр Вселенной, а так как все тяжелые частицы стремятся к центру, то именно здесь и образовалось твердое тело нашей планеты. Легкие элементы — воздух и огонь — поднимаются в высокие слои, там они загораются, и тогда люди видят кометы и падающие звезды. Вечно движение небесных тел по сферам, окружающим неподвижную Землю, а Вселенная сферична и конечна.
      Интересно, что сферичность Вселенной Аристотель аргументировал тем, что сфера — единственная совершенная геометрическая фигура, которая при вращении всегда занимает одно и то же место в пространстве. А чтобы сферы, окружающие Землю, вращались, должна была существовать некая движущая сила — это Аристотель прекрасно понимал. Он считал, что эта сила исходила из самой внешней
      Николай Коперник (1473—1543) —автор гелиоцентрической системы мира.
      по отношению к Земле сферы и «запускала» движение всех остальных.
      Стоит заметить, что за несколько столетий до Аристотеля знаменитый математик Пифагор Самосский высказал мысль о том, что Земля имеет шарообразную форму и обращается вокруг собственной оси. Более того, он считал, что и Солнце, и Земля, и Луна вращаются вокруг некоторого общего гипотетического центра, который он назвал центральным огнем. Это движение планет и Солнца создает гармонию небесных сфер. Ученики Пифагора утверждали, что только их великий учитель был способен ощущать эту гармонию.
      Нетрудно заметить, что в мироощущении Пифагора просматриваются основные принципы гелиоцентрической системы мира. И все же созданная легендарным Пифагором картина мира просуществовала недолго. На смену ей пришла геоцентрическая система Аристотеля.
      Не следует думать, что у древних идея Аристотеля не вызывала никаких возражений.
      Она, к примеру, не могла объяснить очевидных изменений яркости планет при движении их по небесному своду. А ведь как легко это можно было сделать, предположив, что планеты то приближаются к Земле, то удаляются от нее.
      Самый смелый шаг был сделан греческим математиком Аристархом Самосским вскоре после смерти Аристотеля. Он первым из греческих мыслителей расположил Солнце в центре мира, а Землю заставил вращаться вокруг Солнца. Этот факт доподлинно установлен, поскольку Архимед упоминает о нем в своем труде «Исчисление песчинок».
      Гипотеза Аристарха Самосского не нашла единомышленников, поскольку астрономия в то время обладала небольшим количеством наблюдательных фактов. Потребовалось более полутора тысяч лет, чтобы она возродилась в знаменитой книге Коперника «О вращениях небесных сфер».
      Творец гелиоцентрической системы Николай Коперник родился в семье польского купца в городе Торуне на Висле в 1473 году. Оставшись в десять лет без отца, он оказался на попечении брата матери — каноника Лукаша Ваченроде, который дал Николаю великолепное образование.
      В Краковском университете, где учился Коперник, астрономию преподавал декан факультета искусств В. Брудзеевский, видный польский гуманист, математик и астроном. Он критиковал в своих лекциях учение Птолемея. Биографы Коперника до сей поры ведут дискуссии о влиянии Брудзеевского на молодого студента.
      Известна легенда о том, что именно Брудзеевский сообщил Николаю свои идеи о гелиоцентрической системе. Скорее всего это не так, и существуют исторические документы, опровергающие эту версию. Но ясно одно: преподаватели Краковского университета использовали в своих лекциях комментарии Брудзеевского к работам Аристотеля и Птолемея. Авторитет Брудзеевского был исключительно высок, и вполне возможно, что Николай Коперник увлекся астрономией во время своей учебы в Кракове.
      Однако по окончании Краковского университета Коперник не получил ни ученой степени доктора, ни магистра и отправился продолжать образование в Италию, в старейший в Европе Болонский университет. Именно там Коперник начал первые самостоятельные астрономические наблюдения, которые продолжил потом в Риме.
      Заметим, что уже в 1500 году он получил в Италии звание профессора математики, а в 1503 году степень доктора канонического права. Застенчивый и скромный поляк к этому времени в совершенстве знал древнегреческий язык и ознакомился с работами крупнейших ученых и философов. Затем он вернулся в Польшу и занял должность канцлера капитула (совета при епископе) в небольшом городке Фромборке на берегу Вис-линского залива.
      По всей видимости, начиная с 1515 года он систематически разрабатывал новую систему мира и одновременно наблюдал движение небесных светил. Очень кратко основные положения, тезисы новой теории он изложил на двенадцати страницах рукописи, которую сейчас принято называть «Малым комментарием». Сам Коперник называл эти тезисы аксиомами.
      Первые аксиомы гласили, что «не существует одного центра для всех небесных орбит или сфер, ...центр Земли не является центром мира. Все сферы движутся вокруг Солнца... Так что около Солнца находится центр мира».
      В «Малом комментарии» нет каких-либо математических выкладок. Это была философская квинтэссенция последующего гениального произведения «О вращении небесных сфер».
      Требовалось немалое мужество, чтобы отказаться от учения Птолемея и Аристотеля в то время, когда за гораздо меньшую «ересь» инквизиция жестоко карала отступников. Особенно от человека, который занимал должность в епископальном совете. Ведь Коперник имел сан священника, и в капитуле он занимал административную должность.
      Коперник не делал тайны из своих идей, уже в 1533 году отцы римской церкви и даже сам папа Клемент VII были ознакомлены с новым учением, и тем не менее Коперник долгое
      время не публиковал своей книги. Первое издание появилось в год его смерти. Предисловие этой книги было обращено к новому владыке римской церкви папе Павлу III.
      Основная идея Николая Коперника, состоявшая в том, что Земля не центр мира, не могла не прийти в противоречие с библейскими догмами. Глубокий философский смысл его учения серьезно подорвал позиции церкви. Не в церковных канонах содержалась теперь истина. Человек-творец показал, как устроен мир. И когда эта теория повлекла за собой сомнения в правильности и незыблемости церковных догм, Ватикан понял, какой чувствительный удар ему нанесен.
      Интересно, что это случилось не сразу. Лишь в 1616 году, через шестнадцать лет после сожжения Джордано Бруно, бессмертная книга Коперника была внесена в так называемый Индекс — список запрещенных книг. И лишь спустя два аека, в 1835 году, церковь исключила книгу Николая Коперника из Индекса.
      Но еще до 1616 года нашлись люди, которые в полной мере поняли и, более того, показали всю глубину философского смысла учения Коперника. И конечно же, первым среди них был Джордано Бруно, называвший себя Ноланцем. Нола — небольшой городок в провинции Терра ди Лавора, неподалеку от которого в 1548 году родился Бруно, получивший при крещении имя Филипио. Впоследствии в монастыре он сменил это имя на Джордано, и нынче весь мир знает его как Джордано Бруно Ноланца. В Джордано счастливо сочетались несгибаемая сила духа и выдающиеся таланты. Он обладал феноменальной памятью, о чем писали многие его современники.
      Когда в 1572 году Джордано Бруно получил сан священника, его вызвали из Неаполя в Рим продемонстрировать папе свои удивительные способности. Папский двор был потрясен, когда молодой монах прочитал предложенный ему текст и тут же повторил его вслух без единой ошибки.
      Бруно неустанно совершенствовал свое образование. И конечно же, для человека с такими способностями, с глубоким философским взглядом на жизнь, на окружающий мир не могли быть хоть в какой-то степени приемлемы методы «воспитания» людей римской церковью.
      Когда юному Джордано было всего двенадцать лет, в Неаполитанском королевстве произошли чудовищные события, связанные с действиями римской инквизиции по искоренению «ереси». Папские войска практически полностью истребили небольшую общину протестантов. Попавших в плен жгли, детей сбрасывали с городских башен. Историки не решились описать изощренные пытки, которым были подвергнуты шестьдесят захваченных в плен женщин. Ни одна из них не перенесла этих пыток.
      Джордано Бруно не мог не знать обо всем этом. И бесспорно, что с самых юных лет в нем росли ненависть и недоверие не только к отцам церкви, но и к самому церковному учению.
      Я специально сделал небольшой исторический экскурс, чтобы показать, в какой мрачной обстановке пришлось жить и творить одному из величайших мыслителей человечества.
      Свои взгляды Бруно изложил в трех книгах, написанных в форме диалогов: «Пир на пепле», «О причине
      начала и едином» и «О бесконечности вселенной и мирах». Именно здесь он и сформулировал новое научное миропонимание.
      Он много путешествовал, вернее сказать — скитался по Европе, спасаясь от преследований инквизиции, был в Англии, Франции и многих других странах, принимал там участие в философских диспутах. Поэтому
      учение его получило широкую известность.
      И конечно же, нельзя считать, что Бруно лишь развил учение Коперника или обосновал его философски. Бруно — творец нового научного мировоззрения. Гениальное предвидение о бесконечности миров, «которые носятся в эфирном океане, подобно нашему миру», возрождение атомистической теории, создание новой картины космоса выдвигают Джордано Бруно в первые ряды величайших мыслителей.
      Он был арестован по доносу своего знакомого и провел много месяцев в застенках инквизиции. Его жестоко пытали, но ни иезуитам, ни доминиканским монахам не удалось добиться от Бруно отказа от своих идей. 17 февраля 1600 года его вывели на римскую площадь Кампо ди Флоре — Площадь цветов, где уже было приготовлено два костра: один для священника-еретика Чиприани Кручи-феро, другой для Бруно. Великого ученого привязали цепями и мокрыми веревками к железному столбу, у ног сложили его книги. Как только был зажжен костер, началось сильное землетрясение, словно сама природа гневалась на церковь за ее жестокость. Все биографы великого Но-ланца единодушно отмечали его беспримерное мужество во время казни.
      Казнь Бруно была пирровой победой церкви. Учение Аристотеля агонизировало, и эта агония была необратимой. Но триумф идей Коперника бесспорно не состоялся бы еще многие годы, если бы вскоре после гибели Бруно в Европе не появились телескопы. Именно наблюдательные данные великого Галилея, его точная и последовательная интерпретация этих данных с позиций коперникиан-ства, несмотря на драму отречения, нанесли окончательный удар по системе мира Аристотеля. Одним из творцов астрономии нового времени
      Система мира по Копернику.
      был также И. Кеплер, открывший законы движения планет по эллиптическим орбитам. Только благодаря работам Галилея и Кеплера система мира Коперника стала одним из краеугольных камней фундамента науки.
     
      Мир по Ньютону
      В 1642 году умер великий Галилей. В этом же году 25 декабря (по старому стилю) километрах в десяти южнее городка Грэнтэм, в деревне Вульсторп, недалеко от восточного побережья Англии родился Исаак Ньютон
      Предшествующее столетие было временем величайших открытий в науке. Достаточно упомянуть такие имена, как Коперник, Тихо Браге, Галилей, Кеплер. Каждый из них внес неоценимый вклад в астрономию. Но
      можно ли сейчас, бросая ретроспективный взгляд, сказать, что к XVII веку сложилась стройная научная система взглядов на окружающий мир?
      Конечно же, нет. Новая система мира не могла быть создана, прежде чем был открыт закон всемирного тяготения. А чтобы открыть этот закон, в науку должен был прийти гений. Этим гением был Ньютон.
      И до Ньютона многие ученые говорили о силе притяжения между различными телами. Еще Коперник пытался объяснить шарообразную форму Земли взаимным притяжением слагающих ее частиц.
      Романтический, а порой и ударявшийся в мистику Кеплер писал: «Если бы Земля не мешала притягивать воды, то вся морская вода притянулась бы к Луне и улетела».
      На пороге великого открытия стоял и современник Ньютона Р. Гук, блестящий физик, который чисто интуитивно предположил, что притяжение обратно пропорционально квадрату расстояния между взаимодействующими телами. Гук получил ответ, не решая задачи. Это, кстати говоря, послужило причиной длительного спора между Ньютоном и Гуком за приоритет открытия закона всемирного тяготения.
      Идея об обратной квадратичной пропорциональности носилась в воздухе. Об этом говорил и Э. Галлей — друг Ньютона, в честь которого была названа знаменитая комета, и даже... известный архитектор К- Рен. Во время одной из встреч с Гуком и Галлеем Рен предложил приз тому, кто покажет, что под действием силы тяготения планеты должны двигаться по эллиптической траектории. Сделать это не смог никто— ни Гук, ни Галлей, ни тем более Рен.
      Лишь в знаменитой книге Ньютона «Математические начала натуральной философии» дан последовательный, общий принцип решения любых задач физики и астрономии. Именно после выхода в свет этой книги и возникла
      классическая физика. Как писал в своей книге о Ньютоне академик С. Вавилов: «В истории естествознания не было события более крупного, чем появление «Начал» Ньютона... Сложные перипетии развития механики, физики и астрономии, выраженные в именах Аристотеля, Птолемея, Коперника, Галилея, Кеплера, Декарта, поглощались и заменялись гениальной ясностью и стройностью «Начал»... «Начала» стали казаться многим последним принципиальным словом, на основе которого должно и может быть построено все здание науки».
      Знаменитый французский математик Ж. Лагранж называл Ньютона величайшим гением и пояснял: «Систему мира можно установить только один раз». На могиле автора «Начал» была высечена эпитафия английского поэта А. Попа:
      Природы строй, ее закон
      В извечной тьме таился.
      И бог сказал: «Явись, Ньютон!»
      И всюду свет разлился.
      Так что же такое система мира Ньютона? Что говорит она об окружающем мире, о нашей Вселенной?
      Эти вопросы отнюдь не праздные, и они связаны не только с моим желанием совершить экскурс в историю науки. Дело в том, что система мира Ньютона владела умами людей более двухсот лет, и поэтому она не могла не оказать самого серьезного влияния на мышление и мировоззрение многих поколений.
      Итак, прежде всего Вселенная по Ньютону бесконечна, и, кроме того, выражаясь языком современного физика, она стационарна, вечна. Движение тел в ней описывается законами Ньютона. Не следует забывать о том, что Ньютон был человеком глубоко религиозным. Сама идея вечности Вселенной с эстетической и философской точек зрения весьма привле-
      кательна, и, как мы увидим позже, многие крупные ученые соглашались платить весьма большую цену, чтобы сохранить стационарную, вечную Вселенную.
      Гениальный Ньютон, конечно же, не мог не ставить перед собой вопроса о происхождении мира. Но для него решение этого вопроса было простым. В своих «Началах» он писал: «Изящнейшее соединение Солнца, планет и комет не могло произойти иначе, как по намерению и по власти могущественного и премудрого существа». Ньютон отстаивал акт первичного сотворения и полагал, что ему удалось лишь открыть основные принципы, управляющие миром. Быть может, именно с этим обстоятельством и связана его знаменитая фраза «Гипотез не измышляю».
      Ньютон не мог не понимать, что открытые им законы должны приводить к некоторым следствиям, не укладывающимся в наблюдаемую астрономами картину мира. Например, он сам, затрагивая космологические вопросы, приходил к мнению, что в бесконечном пространстве должны быть лишь бесчисленные подобные друг другу сферы. В силу закона всемирного тяготения они должны двигаться с бесконечной скоростью.
      Разнообразие небесных объектов, хорошо известное уже в XVII веке, ученый объяснял с теологических позиций. Философия Ньютона, его система мира долгое время устраивала всех. Это был тот редкий случай, когда научная теория (именно теория, система, а не догма) не вызывала возражений со стороны церкви: вечный и безграничный мир был создан Творцом.
      Правда, одна неприятность со Вселенной Ньютона обнаружилась довольно скоро. Эта неприятность называется парадоксом Ольберса. Бременский врач с большой практикой и в то же время астроном-любитель
      Г. Ольберс (1758—1840) среди профессиональных астрономов своего времени пользовался непререкаемым авторитетом.
      Суть парадокса Ольберса состоит в следующем. Пусть мы живем в бесконечной Вселенной Ньютона (из этого положения, разумеется, исходил Ольберс). Попробуем провести мысленный эксперимент. Окружим нашу Землю воображаемой сферой достаточно большого радиуса. Тогда внутри этой сферы окажется какое-то число звезд (для нас сейчас абсолютно неважно, какое именно), которые дадут определенный вклад в яркость нашей сферы.
      Удвоим теперь радиус сферы. Если предположить, что все звезды одинаковы по своей яркости и равномерно распределены в пространстве, при операции удвоения радиуса должна увеличиться и яркость ночного неба.
      Действительно, хотя при такой операции яркость самых далеких .звезд уменьшится в 4 раза, так как она зависит от расстояния как 1/г2, но количество звезд внутри сферы прямо пропорционально ее объему, то есть г3, и поэтому общая яркость ночного неба возрастет. В конце концов мы получим такую картину: ночное небо должно быть таким же ярким, как наше Солнце!
      Сам Ольберс пытался спасти положение, «вводя» в космическое пространство поглощающую свет среду, но на самом деле в этом случае поглощающий газ должен был бы нагреваться до высокой температуры и излучал бы почти столько же энергии, сколько поглощал. Парадокс оставался неразрешимым.
      В чем же дело?
      Цель рассуждений Ольберса о яркости неба, равной примерно яркости нашего Солнца, безупречна. Законы Ньютона незыблемы. Может быть, Вселенная устроена не так, как она виделась Ньютону?
      Вселенная расширяется
      Заглянуть глубже в тайны мироздания, чем это сделал Ньютон, долгое время казалось невозможным. Лишь в начале нашего века в 1915 году появилась работа А. Эйнштейна, которая в конце концов заставила пересмотреть систему мира Ньютона, и, заметим, самым радикальным образом. Здесь нельзя не вспомнить уже упоминавшуюся эпитафию А. Попа, на которую после появления работ Эйнштейна «вышло дополнение»:
      ...Но сатана недолго ждал реванша —
      Пришел Эйнштейн, и стало все, как раньше.
      Вряд ли здесь уместно выражение «стало все, как раньше». Но совершенно ясно одно: стало все гораздо интереснее.
      Знаменитые уравнения Эйнштейна — основа общей теории относительности — были опубликованы в 1916 году. Они подарили нам новый • мир, существенно отличающийся от мира Ньютона. Как образно сказал один из крупнейших современных физиков, Дж. Уилер, в общей теории относительности пространство «говорит» материи, как ей двигаться, а материя «указывает» пространству, как ему искривляться.
      Нам сейчас нужно обязательно запомнить чрезвычайно важное обстоятельство, заключающееся в том, что специфические свойства пространства-времени, которые естественно могут быть объяснены при введении такого понятия, как кривизна, проявляются лишь в сильных гравитационных полях. В локальных областях справедливо классическое приближение Ньютона. Кстати говоря, закон всемирного тяготения Ньютона легко выводится из ОТО (как сейчас называют физики общую теорию относительности). «Самая красивая из всех существующих физических теорий»,— писали об ОТО советские физики, академики Л. Ландау и Е. Лифшиц.
      Поскольку речь у нас сейчас пойдет
      о космологических проблемах, об истории Вселенной, следует попытаться понять хотя бы основные выводы и следствия из ОТО. Это нелегкая задача, поскольку ОТО имеет дело с четырехмерным пространством, где одной из координат является время.
      Трудность состоит в том, что четырехмерный мир нельзя представить себе наглядно. Для нас число «наглядных» измерений не превышает трех. Двухмерна плоскость, трехмерен шар, куб, но как представить себе четырехмерие? Математики имеют дело с пространствами и больших размерностей, но для нас, как, впрочем, и для них, это абстракции.
      Четырехмерный мир Эйнштейна, конечно же, не абстракция. Дело в том, что мы живем геометрически в трехмерном пространстве, но все физические процессы в этом мире связаны со временем, а сам ход времени для наблюдателя зависит от свойств пространства, от скорости процессов. Поэтому время связано в мире Эйнштейна с геометрией, а геометрия со временем. Недаром Уилер предложил называть теорию Эйнштейна геометродинамикой.
      Геометродинамика, ОТО предсказывает удивительные явления, которые должны происходить в нашем мире: изменение темпа течения времени, искривление лучей света в сильных полях тяготения и многое другое. Но нас сейчас будут интересовать несколько иные вещи.
      Обратимся к основному отличию ОТО от классической физики Ньютона при рассмотрении Вселенной, мира. Об этом отличии лучше всего сказал сам Эйнштейн: «Потребовалась
      жестокая борьба (для Ньютона), чтобы прийти к понятию независимого и абсолютного пространства, неоценимому для развития теории... Выводы Ньютона при современном ему состоянии науки были единственно
      возможными и, в частности, единственно плодотворными.
      ...Не менее напряженные усилия потребовались для того, чтобы впоследствии преодолеть это понятие (абсолютного пространства)».
      Итак, пространство не абсолютно, оно динамично, оно живет. И самым важным свойством уравнений Эйнштейна, по крайней мере для космологии, является то, что они позволяют представить себе, как жила, живет и будет жить в дальнейшем наша Вселенная.
      Начиная рассказ об этом, нельзя не подчеркнуть, что Эйнштейн на первых порах намеренно искал такое решение своих уравнений, которое «давало» бы однородную и статичную Вселенную. То есть сначала и Эйнштейн, так же как и Ньютон, оказался в плену идеи, если так можно выразиться, «статичной вечности».
      Первым человеком, которому удалось на основании уравнений Эйнштейна получить принципиально новые выводы о структуре нашей Вселенной, был советский математик А. Фридман. Ему было всего 37 лет, когда он умер от брюшного тифа в Ленинграде в 1925 году.
      Фридман был разносторонним человеком. Он выполнил интересные работы в области метеорологии и гидромеханики. Но имя свое ученый обессмертил работами по космологии. Первая статья 1922 года, где он нашел новое космологическое решение уравнений ОТО, говорила о том, что наш мир, наша Вселенная нестационарна. Она замкнута и непрерывно расширяется. Эйнштейн отреагировал на эту статью отрицательно, немедленно опубликовав «Замечание», в котором содержалось опровержение выводов Фридмана. Но великий Эйнштейн оказался неправ. Он признал это в 1923 году: «Я считаю результаты г. Фридмана правильными и проливающими новый свет...»
      Сегодня в научной литературе прочно утвердился термин «Вселенные Фридмана». Что же это такое?
      Фридман нашел два решения уравнений Эйнштейна, каждое из которых зависит от средней плотности материи во Вселенной. Если средняя плотность р меньше некоторой величины ркр или равна ей, то Вселенная может быть пространственно как бесконечной, так и конечной, но расширение ее будет продолжаться всегда. Если же значение средней плотности больше критической (р>ркр), неизбежно получается замкнутая (но безграничная!) Вселенная. Силы гравитации в этом случае должны в конце концов остановить расширение Вселенной, и она рано или поздно начнет сжиматься.
      Попробуем пояснить, как совмещаются понятия конечности и безграничности. Наглядный пример здесь достаточно прост. Возьмем поверхность резинового надувного шарика. Она конечна, как бы мы этот шар ни раздували. Но в то же время она и безгранична, так как, путешествуя по этой поверхности, мы никогда не доберемся до границы. В крайнем случае вернемся туда, откуда начали свой путь. Эту аналогию полезно запомнить, она еще не раз нам пригодится.
      Итак, на сцене появились динамические модели Вселенной. И сразу же возникло множество вопросов. Ведь модели Фридмана — его Вселенные — построены пером теоретика (да и вообще все, что мы до сих пор обсуждали, было гениальными теоретическими построениями), и только данные наблюдательной астрономии могли подтвердить или опровергнуть эти модели — модели расширяющейся Вселенной. О чем же они свидетельствовали в то время?
      Еще в 1914—1917 годах астрономы выяснили поразительный факт, которому, к сожалению, сначала не придали значения: большинство далеких галактик разбегаются от нашей Галактики с довольно большими скоростями, причем самые далекие из них с самыми большими скоростями.
      На последнее обстоятельство обратил внимание еще в 1919 году американский астроном X. Шепли, но не сумел объяснить его («Вселенные Фридмана» еще не были созданы!). И лишь в 1929 году американский астроном Э. Хаббл вывел свой знаменитый закон, гласящий, что скорость разлета галактик прямо пропорциональна расстоянию от нашей Галактики. V = Hr, где V — скорость галактики, г — расстояние, Н — так называемая постоянная Хаббла. Закон Хаббла — один из краеугольных камней современной космологии, и поэтому нам следует остановиться на этом явлении подробнее.
      Каждый, кто стоял на железнодорожной платформе и наблюдал приближающийся и проходящий мимо скорый поезд, знает, что тон гудка меняется при движении поезда. Частота звука увеличивается, когда поезд подходит к платформе, и понижается, когда он удаляется от вас. Это следствие так называемого эффекта Доплера, хорошо известного в физике.
      Пример движущегося по направлению к нам, а потом удаляющегося от нас источника звукового сигнала является прекрасной его иллюстрацией. Звук представляет собой бегущие в воздухе волны. Пусть источник звука дает постоянную частоту, длину волны. Длина звуковой волны — это произведение скорости звука на интервал времени между «гребнями волны». Если источник звука неподвижен, то человек всегда будет слышать один и тот же тон.
      Пусть источник двигается по направлению к наблюдателю. Скорость звука не меняется. Но поскольку источник двигается к наблюдателю, то за тот же промежуток времени, что и в случае с неподвижным источником, мимо наблюдателя пройдет большее число гребней, чем в случае, когда источник неподвижен. Другими словами, наблюдателю будет казаться, что он воспринимает меньшие длины волны или более высокие частоты.
      Тот же самый случай мы имеем, когда движется источник света. Если он приближается, то наблюдателю будет казаться, что свет синеет. Если источник удаляется, то фотоны краснеют, длина их волны увеличивается.
      Астрономы наблюдали спектры далеких туманностей и установили, что хорошо известные линии, например, ионизированного кальция или водорода, находятся «не на своих местах», сдвинуты далеко в красную сторону спектра. Так был обнаружен факт разлета галактик, и вскоре в науке появился знаменитый термин «красное смещение». Закон Хаббла был установлен в 1929 году, и модели расширяющейся Вселенной получили таким образом первое надежное экспериментальное подтверждение.
      Нужно сказать о том, что закон Хаббла и красное смещение разрешают и знаменитый парадокс Ольберса.
      Здесь мне хочется сделать небольшое отступление и подробнее остановиться на некоторых поистине удивительных ситуациях, с которыми сталкиваешься, рассматривая историю научных открытий.
      Уже говорилось, что закон Всемирного тяготения Ньютона легко выводится из ОТО. Но не это самое интересное. В 30-х годах было показано, что из закона Всемирного тяготения можно получить законы расширения и сжатия Вселенной, и ОТО для этого в принципе не нужна!
      Это поистине поразительный факт, свидетельствующий лишний раз о том, насколько притягательна идея вечной и стационарной Вселенной. Нам трудно себе представить, что модели расширяющегося мира в принципе могли быть получены задолго до рождения Эйнштейна, к примеру, еще во времена Ньютона. И не построены были эти модели по чисто психологическими причинам.
      Для самого Ньютона не существовал вопрос о начале мира, для него непреложным фактом было сотворение мира Творцом. Человечество не было еще готово к постановке подобного вопроса на научной основе. Прошло два столетия со дня смерти Ньютона, и уже великий Эйнштейн не хочет говорить с аббатом Лемет-ром о вопросе начала: «Это слишком похоже на акт творения. Сразу видно, что Вы священник». А ведь аббат Леметр, будущий президент папской Академии в Ватикане, был одним из тех, кто наряду с Фридманом исследовал решения ОТО. Термин «вселенные Леметра» прочно вошел в научную литературу. Именно он ввел понятие первичного атома, при взрыве которого и образовался наш мир.
      Парадокс, а может быть, и нечто большее, чем парадокс, состоял в том, что и Эйнштейн, и многие другие ученые в течение нескольких лет после выхода в свет работ Фридмана (а затем и Леметра) не рассматривали всерьез космологические решения ОТО, зависящие от времени. Переворот в сознании и соответствующая переоценка произошли лишь после открытия Хаббла.
      Надеюсь, что рассказанная здесь история не дискредитировала ОТО в глазах читателя. Ведь эта теория — «непревзойденная вершина теоретической физики» — стала истинной основой всей современной космологии. Выше же речь шла лишь о трудных и порой неожиданных поворотах на пути развития человеческого знания, об исключительно интересной проблеме «своевременности» научных открытий.
      А теперь вернемся к явлению раз-бегания галактик.
      Закон Хаббла утверждает, что чем дальше от нас находится какая-нибудь галактика, тем с большей скоростью она от нас удаляется. При этом должна возрастать величина красного смещения. В конце концов оно станет настолько большим, что мы не сможем увидеть источник света. Как говорят в космологии, красное смещение создает «горизонт» видимости, за который наш взгляд не может проникнуть. К тому же расширение Вселенной происходит достаточно быстро. Ну а поскольку свет от объектов, лежащих за горизонтом, мы не можем воспринять, а внутри горизонта число звезд по астрономическим масштабам невелико — ~ 1025, парадокс Ольберса, основанный на введении бесконечного числа источников света и бесконечной Вселенной, разрешается просто в рамках моделей расширяющейся Вселенной.
      При анализе закона Хаббла возникает еще один вопрос. Если все наблюдаемые галактики разлетаются от нас, то не находимся ли мы, земные наблюдатели, в центре мира?
      Казалось бы на первый взгляд, что наше положение «привилегированно».
      Вернемся снова к аналогии с поверхностью резинового надувного шара. Предположим, что это и есть наша Вселенная (мы не можем покинуть поверхность или проникнуть внутрь шара). Нанесем на поверх-
      ность шара точки и будем считать каждую точку галактикой. Начнем надувать шар от радиуса R до радиуса 2R (модель расширяющейся Вселенной!). Все точки (галактики) естественно останутся на поверхности шара, расстояние между ними также увеличится в два раза.
      Но вот что самое интересное! В какую бы «галактику» на нашей сфере мы ни поместили наблюдателя (А или В), ему будет казаться, что все остальные галактики от него удаляются, и именно он находится в центре мира. Внимательно посмотрев на рисунок, читатель сам в этом убедится.
      Таким образом, наша Вселенная не имеет выделенного центра. Но давайте пойдем назад — начнем выпускать воздух из нашего шарика и предположим, что он сожмется в точку. Конечно, с реальным воздушным шариком этого не произойдет, но в качестве мысленного эксперимента подобная операция не вызывает трудностей. Тогда мы увидим, что при стремлении радиуса шара к 0 поверхность его также стремится к 0, и, естественно, расстояния между точками его поверхности (галактиками) беспредельно уменьшаются.
      Именно здесь мы и подходим к одному из основных вопросов космологии: что было вначале? Вопрос вполне правомочный. Ведь если Вселенная расширяется, то когда-то этот процесс должен был начаться. И здесь физика — наука, претендующая на то, что она может объяснить любое явление в окружающем нас мире,— обязана была сказать свое слово.
     
      Отголоски начала
      Одним из первых физиков, подошедших вплотную к этому вопросу, был Г. Гамов. Произошло это, кстати говоря, несколько неожиданно, поскольку он занимался задачей космо-
      логической распространенности различных элементов и изотопов.
      Известно, что в природе преобладают элементы с избытком нейтронов. Гамов хотел «получить» все элементы простым способом: последовательным присоединением свободных нейтронов к ядру. Но для этого нужны очень высокие температуры, и Гамов пришел к идее горячего начала.
      Парадоксальным здесь является тот факт, что в целом теория Гамова о синтезе элементов неверна, а вывод о горячем начале Вселенной абсолютно верен. Более того, Гамов указал, что «отголоски» горячего начала должны быть видны сегодня в виде так называемого «реликтового излучения» (термин, предложенный известным советским астрофизиком И. Шкловским). Гамов даже оценил в 1956 году температуру этого излучения и получил цифру 5—6 К,. Не правда ли, очень низкая температура? Но если взглянуть в прошлое, то температура этого излучения была выше, Вселенная была плотнее и горячее...
      Идея и расчеты Гамова были преданы забвению; о них вспомнили лишь десятилетие спустя, когда было сделано удивительное открытие, удостоенное впоследствии Нобелевской премии.
      Что же это за открытие и как оно было сделано?
      В 1964 году в лаборатории фирмы «Белл телефон» была создана новая рупорная антенна. Она предназначалась для работы со спутником связи «Эхо». Но технические характеристики антенны, в частности очень низкий уровень шумов, сразу привлекли к ней внимание радиоастрономов. Первыми начали с ней работать А. Пен-зиас и Р. Вильсон, один из них был, радиофизиком, другой радиоастрономом. Они решили мерить интенсивность радиоизлучения от нашей Галактики. Эта задача отнюдь не проста, так как, если вы измеряете радиосигналы от какого-то конкретного источника, например, от звезды, то избавиться от помех, шума довольно просто. Для этого надо лишь отклонить антенну от звезды, померить сигнал, а затем снова направить ее точно на звезду и опять провести измерения. Разница между двумя сигналами и будет сигналом от объекта. Но у Пен-зиаса и Вильсона объектом было фактически все небо!
      Именно поэтому им необходимо было уменьшить до предела то, что в сегодняшней радиотехнике называется собственным шумом радиоприемного устройства. Кроме того, им, конечно, мешали так называемые атмосферные шумы. Короче говоря, прежде чем приступить к непосредственным экспериментам, они провели огромную подготовительную работу.
      Эксперименты были начаты на коротких волнах (около 7,5 сантиметра), поскольку считалось, что в этом диапазоне шум должен быть пренебрежимо мал. Это была своего рода проверка качества антенны и приемных цепей. Но в первых же проведенных опытах исследователями был зарегистрирован радиошум в этом диапазоне. Причем интенсивность сигнала не зависела от направления. Это очень существенный факт, и самое естественное его объяснение состояло в том, что шумит сама антенна или цепи радиоприемного устройства. Вообще говоря, именно так подумал бы и любой квалифицированный специалист по радиоэлектронике. Что же удивительного в том, что Пензиас и Вильсон снова начали проводить кропотливейшую работу по проверке всего устройства.
      Проверялось абсолютно все. На подозрение была взята даже парочка голубей, которая облюбовала рупор антенны и за время подготовительных работ угнездилась в нем. Вследствие этого рупор, естественно, был покрыт, по выражению интеллигентного
      Пензиаса, «белым диэлектрическим веществом». Около года ушло на ликвидацию последствий пристрастия голубей к радиоастрономическим поискам и на улучшение характеристик антенны.
      В 1965 году эксперименты начались снова и снова дали тот же результат. Небо давало микроволновый фон, шум, и величина сигнала не зависела от направления. Откуда же этот шум мог появиться, если всевозможные помехи были учтены и устранены?
      Пензиас и Вильсон не могли ответить на этот вопрос. Для начрла они попытались определить характеристики обнаруженного ими шума и в первую очередь его интенсивность. А интенсивность теплового радиошума очень удобно описывать, пользуясь понятием обычной температуры. Действительно, любое тело «шумит» в радиодиапазоне за счет теплового движения электронов* внутри тела. Грубо говоря, чем выше температура, тем выше интенсивность теплового шума. Поэтому в радиотехнике используется понятие «эквивалентной температуры» радиоизлучения. Итак, оказалось, что шум, открытый Пензи-асом и Вильсоном, имел температуру около 3,5 К- (Здесь нельзя не сказать о том, что за год до открытия Пензиаса и Вильсона советские астрофизики А. Дорошкевич и И. Новиков теоретически предсказали возможность обнаружения реликтового излучения в сантиметровом диапазоне. Но, к сожалению, на эту работу не обратили тогда должного внимания экспериментаторы.)
      Пока еще никто не мог подумать, что сделано второе великое открытие в астрофизике (первое — красное смещение).
      Случай играет не последнюю роль в науке. Ведь Пензиас и Вильсон понятия не имели о том, что такое реликтовое излучение. Они просто натолкнулись на него. А практически в то же время всего в нескольких десятках километров от антенны фирмы «Белл» группа Р. Дикке, крупного американского астрофизика, строила специальную антенну для поиска отголосков Большого Взрыва.
      Дикке знал о работах Гамова и придавал им большое значение. Именно поэтому, когда астрофизики узнали о результатах Пензиаса и Вильсона, Дикке мгновенно объяснил их, и соответствующие публикации в журнале «Nature» появились одновременно, но с экспериментальными результатами Дикке опоздал примерно на полгода. 20 лет размышлял Нобелевский комитет, кому присудить премию — счастливчикам Пен-зиасу и Вильсону или Р. Дикке. Как мы знаем, выиграли счастливчики.
      Конечно же, это открытие могло быть сделано и раньше. Ведь о Большом Взрыве говорили и до 1965 года. Но, как указал лауреат Нобелевской премии по физике Е. Вигнер, теория Большого Взрыва не привела к поиску реликтового излучения потому, что физикам было трудно серьезно воспринять любую теорию ранней Вселенной: «Это открытие заставило всех нас всерьез отнестись к мысли, что ранняя Вселенная была».
      Итак, случайное открытие реликтового излучения дало новую свежую пищу теоретикам, и на вопрос О том, «что было в начале?», стали появляться вполне конкретные ответы.
     
      Планковская Вселенная
      Как родилась Вселенная? «Конечно же, в результате Большого Взрыва»,— ответит сейчас подавляющее большинство людей. И действительно, о Большом Взрыве ежегодно публикуется огромное число статей и в научной и в научно-популярной печати. Но самое-то интересное заключается в том, что взрыва в обычном понимании этого слова не было!
      Разберемся для начала, какой смысл вкладывают в слово «взрыв» физика и химия. Возьмем самый простой случай, хорошо известный и понятный всем,— взрыв бомбы. Как он происходит? Взрывчатое вещество за очень небольшой промежуток времени сгорает и превращается в горячий газ, который создает огромное давление внутри корпуса бомбы. Поскольку это давление не уравновешено давлением снаружи, корпус разлетается на куски, так как он не в состоянии выдержать внутреннее давление, происходит взрыв. Весь этот процесс длится тысячные доли секунды. Следовательно, взрывной процесс характеризуется в первую очередь высвобождением значительного количества энергии в небольшом объеме за малое время.
      Справедливо ли применять слово «взрыв» к начальным стадиям расширения Вселенной? Другими словами, можно ли сказать, что огромное давление сжатой в точку Вселенной явилось причиной ее расширения (взрыв бомбы) ?
      Нет! При взрыве расширение происходит из-за разности между большим давлением продуктов взрыва и малым давлением окружающего их атмосферного воздуха. Но когда мы рассматриваем раннюю Вселенную, понятия «снаружи» и «внутри» теряют смысл, а давление в однородной Вселенной распределено равномерно. Между различными частями Вселенной нет разности давления, а значит, нет и силы, вызывающей расширение.
      В чем же дело? Почему Вселенная начала расширяться? На этот вопрос сегодня нет общепринятого ответа.
      Очень трудно говорить о тех временах, когда вся видимая сегодня Вселенная была величиной с маковое зернышко. Но предполагается, что она действительно миллиарды лет тому назад была именно таких размеров (и даже меньше) и действительно стала расширяться.
      Сегодня космология еще не в состоянии ответить на ряд принципиальных вопросов. Среди них основные: что было до начала наблюдаемого расширения? Будет ли Вселенная вечно расширяться или опять сожмется в точку (как говорят физики, образуется ли снова сингулярность — состояние вещества с бесконечной плотностью) ? Мы надеемся, что ответы на эти вопросы будут получены в близком будущем.
      Но отсутствие ответов сейчас, сегодня, не мешает физикам рассматривать самые ранние стадии расширения Вселенной. Некоторые теории оперируют с временами 10-35 секунды от начала. Это, по выражению академика Я. Зельдовича, «очень-очень ранняя Вселенная». Есть теории, которые «заглядывают» в еще более ранние моменты времени. О них у нас тоже пойдет разговор. А термин «Большой Взрыв» сейчас общепринят, и мы его будем использовать. Тем более что скорости процессов, происходящих при «рождении» нашего Мира, в неизмеримое число раз превышают скорости любых известных сегодня взрывных процессов. Поэтому-то расширение Вселенной действительно можно уподобить «сверхвзрыву», Большому Взрыву.
      Почему для нас так важны начальные этапы развития Вселенной, почему космологи пытаются проанализировать самые ранние моменты, заглянуть как можно глубже в прошлое нашего мира? Да потому, что никакая космологическая модель, никакая теория невозможна без достаточно полного понимания начальных этапов развития Вселенной — ведь именно тогда закладывалось ее будущее, все последующие стадии ее формирования. И эти стадии нельзя понять, не зная, какой была ранняя, горячая Вселенная. Чтобы представить себе развитие Вселенной, следует прежде всего постараться понять, что представляло собой вещество Вселенной, материя на разных этапах ее существования.
      Важность постановки такой задачи очевидна. Ведь решения уравнений ОТО, полученные Фридманом, говорят о том, что Вселенная расширяется из точки, из сингулярности. Но решения эти, с другой стороны, ничего не говорят о состоянии и поведении вещества вблизи сингулярности, а для нас сейчас, когда мы начинаем рассматривать ранние стадии Вселенной, именно это и является самым главным.
      Сегодня, миллиарды лет спустя после Большого Взрыва, во Вселенной есть наблюдатели-астрономы, и мы знаем «начинку пирога». Это звезды, планеты, галактики, кометы, скопления галактик и многое другое. Но проделаем мысленный эксперимент и начнем сжимать Вселенную. Температура и плотность начнут повышаться... Ясно, что на каком-то этапе сжатия и планеты и звезды просто-напросто перестанут существовать. При дальнейшем росте температуры и сжатия станут неустойчивыми атомы, а потом и их ядра.
      До сих пор мы говорили лишь об ОТО, которая описывает процессы расширения и сжатия мира. Но совершенно ясно, что сейчас для рассказа о поведении вещества мы должны обратиться к другим физическим теориям.
      Вопросы, рассматриваемые нами, исключительно сложны, а очень многие их аспекты еще ждут своего решения. Но именно эти задачи и являются на сегодня наиболее «горячими точками» современной физики и космологии. Какими же теоретическими «инструментами» пользуются современные ученые?
      Самая красивая из физических теорий — ОТО представляет собой типичный пример классической теории. Что это значит? В уравнения ОТО не вводится никаких новых фундаментальных физических постоянных. В них присутствуют лишь скорость света и гравитационная постоянная Ньютона.
      Другим примером классической теории является электродинамика, созданная более ста лет назад Д. Максвеллом. Всего 80 лет назад большинство физиков свято верило, что в природе существует лишь два вида фундаментальных взаимодействий — гравитация и электромагнетизм. Они имеют неограниченный радиус действия и могут быть не только измерены с помощью приборов, но хорошо известны «в быту»: если, например, кирпич упадет на голову, можно не сомневаться в том, что вы на практике столкнулись с гравитацией. Электромагнитные взаимодействия также хорошо знакомы каждому человеку, поскольку самые разнообразные физические, химические, биологические явления зависят от электромагнетизма.
      Однако более 80 лет назад из микромира поступили тревожные сигналы о том, что классическая физика не в состоянии описать явления, происходящие в масштабах отдельных атомов. Хорошо известно, что согласно классической теории электромагнетизма электрон в атоме должен «упасть» в конце концов на атомное ядро из-за непрерывного излучения энергии. С этим и другими парадоксами оказалась в состоянии справиться лишь квантовая теория поля.
      Нельзя не вспомнить о том, что великий Эйнштейн не принимал квантовой теории в ее современном виде, хотя именно он (и здесь мы опять сталкиваемся с парадоксами истории науки) наряду с Планком заложил фундамент квантовой физики. Кстати, Нобелевскую премию по физике Эйнштейн получил за создание теории фотоэффекта. А ведь фотоэффект по своей природе является типичным квантовым явлением. Эйнштейн работал над этим в 1905 году. Затем возникла квантовая механика, в частности появилось знаменитое соотношение неопределенностей Гейзенберга, налагающее ограничения на одновременное определение координаты и импульса частицы.
      Суть квантовой теории (а именно она вызывала неприятие у Эйнштейна) состоит в том, что, располагая даже максимальной информацией о физической системе, квантомеханический подход определяет лишь вероятность того или иного события в микромире и не предсказывает точного поведения системы.
      «Бог в кости не играет»,— говорил Эйнштейн, отрицая вероятностный подход квантовой физики к описанию физических явлений. В течение последних лет своей жизни Эйнштейн пытался создать единую теорию поля, общую классическую теорию, классическую в том смысле, что физические явления в ней должны полностью описываться, если известны значения всех рассматриваемых физических переменных. Мы знаем, что на этом пути Эйнштейн потерпел неудачу. Но титаническая игра гения с природой навсегда останется в истории человеческой культуры как один из наиболее ярких и драматических моментов.
      Однако вернемся к ОТО. Я уже говорил о том, что эффекты ОТО наиболее выпукло проявляются в сильных гравитационных полях. Так почему же мы заговорили о границах ее применимости? «Узкое место» здесь — сингулярность, начало расширения Вселенной.
      Совершенно ясно, что если считать сингулярность точкой, математической абстракцией, то нечего вообще говорить ни о каких физических законах в этой точке. Но дело в том, что Вселенная материальна; грубо говоря, мы знаем, что она имеет вес. Именно поэтому реальное вещество, материя всегда будет занимать какой-то конечный, отличный от нуля объем.
      Поскольку поведение Вселенной во времени описывается уравнениями ОТО, то вопрос о границах применимости этих уравнений на ранних стадиях Вселенной в условиях экстремально малых размеров и экстремально больших плотностей вполне правомочен. Пространство — время чудовищно искривлены, и, поскольку мы стремимся к сингулярности, речь идет уже не о маковом зернышке, а о гораздо меньших объемах. Не могут ли здесь играть роль квантовые эффекты?
      Когда теоретики начали исследовать этот вопрос, то оказалось, что «ответ» на него был дан в конце прошлого века, то есть когда ОТО еще не была создана. «Ответ» был дан М. Планком, одним из творцов квантовой физики. Планк ввел свою знаменитую постоянную ...
      в теорию излучения в 1899 году и тогда же, добавив к ней скорость света с и постоянную тяготения G, показал, что из этих констант можно составить величины любой размерности, например плотность, длину. Так, чтобы из Л, с и G получить длину, необходимо извлечь квадратный корень из величины
      Тогда получается так называемая
      планковская длина
      Планковское время
      а планковская плотность
      Очень интересно отношение самого Планка к этим постоянным. Он, как, впрочем, и любой другой великий физик, считал, что цель физики — объяснение устройства мира. Планк глубоко верил, что наука не должна нести в себе отголоски индивидуального мышления, физические законы должны быть абсолютны во всей Вселенной.
      «Эти единицы,— писал он,— сохраняют свое естественное значение до тех пор, пока справедливы законы тяготения, оба начала термодинамики и пока остается неизменной скорость распространения света в вакууме». И далее: «... мы получаем возможность установить единицы длины, массы, времени и температуры, которые не зависели бы от выбора тех или иных веществ и обязательно сохраняли бы свое значение для всех времен и для всех культур, в том числе и внеземных и нечеловеческих, и которые поэтому можно было бы ввести в качестве «естественных единиц измерений».
      Глубокие идеи Планка не потеряли своего значения и сегодня, спустя более 80 лет. Планковские константы сегодня считаются предельными в физике величинами. Внимательно посмотрите на них еще раз. Именно на планковской длине перестает «работать» ОТО. На этом масштабе плотность вещества чудовищна. Она неизмеримо превышает плотность атомного ядра. Эти величины очень трудно представить себе наглядно. Действительно, ядерная плотность равна примерно 1014 г/см3. Другими словами, один кубический сантиметр атомных ядер весил бы сто миллионов тонн. А планковская плотность вещества превышает ядерную на 80 порядков! Единица с 80 нулями!
      И здесь в сверхсильных гравитационных полях начинают возникать квантовые эффекты. Отметим, что когда речь идет о квантовых эффектах в условиях сильной гравитации, то, быть может, сами понятия «пространство» и «время» теряют привычный для них смысл. Как хорошо сказано в книге Я. Зельдовича и И. Новикова «Строение и эволюция Вселенной»: «Насколько легко найти область, где важны квантовые явления, настолько же трудно выяснить, что происходит в этой области. Здесь становится трудно даже сформулировать проблему».
      Действительно, задача о ранней, «планковской», Вселенной исключительно сложна. Мы просто не знаем, как ведет себя вещество, что оно собой представляет в этих бесконечно малых масштабах длин, сочетающихся с бесконечно большими плотностями и температурами.
      Экспериментаторы «добрались» пока до длин порядка лишь 10“16 см. Это мир элементарных частиц, сверхвысоких энергий, и именно поэтому физика ранней Вселенной теснейшим образом смыкается с физикой микрокосмоса. К сожалению, как сказал лауреат Нобелевской премии по физике С. Вайнберг, «незнание микроскопической физики стоит как пелена, застилающая взор при взгляде на самое начало».
      Космология оперирует с еще меньшими расстояниями и большими энергиями, чем те, что привычны для физики элементарных частиц. Ведь рассматривая самые ранние этапы, мы неизбежно приходим к какому-то моменту времени (порядка планков-ского), когда классическая ОТО неприменима. Здесь предстоит еще огромная работа. Как заметил в одной из своих статей академик Я. Зельдо-
      Остатки взрыва сверхновой. Снимок в рентгеновских лучах.
      вич, опасности безработицы в космологии не существует.
      Посмотрим, что говорят о веществе ранней Вселенной самые общие принципы и уравнения современной физики, а потом поговорим немного об «очень-очень ранней» Вселенной, некоторых перспективах и трудностях в решении этой увлекательной задачи. При этом мы не сможем обойтись без знания современной классификации элементарных частиц. Именно о них сейчас и пойдет речь. Следует, правда, отметить, что понятие элементарности в последние годы сильно пошатнулось.
     
      Микрофизика
      Итак, два новых определения: адроны и лептоны. Адроны — сильно взаимодействующие частицы, образующие атомные ядра — протоны и нейтроны, а также нестабильные тяжелые частицы пи-мезоны, к-мезоны, лямбда-гипероны и другие. Лептоны не участвуют в сильных взаимодействиях и объединяют в один класс большинство легких частиц — нейтрино, мюоны и электроны; есть еще, разумеется, и безмассовые фотоны.
      Чрезвычайно важно то обстоятельство, что адроны взаимодействуют друг с другом гораздо сильнее, чем лептоны. Химические связи между атомами в молекулах во много миллионов раз слабее, чем силы, удерживающие атомное ядро от распада. Ядерные силы внутри ядра намного, примерно в 100 раз, сильнее электрических сил отталкивания. Ведь протоны согласно закону Кулона должны были бы разлетаться друг от друга, так как они несут положительный заряд. Но, как только им удается сблизиться достаточно тесно (атомное ядро!), главную роль начинают играть так называемые сильные взаимодействия; именно они и стабилизируют структуру атомного ядра, сво-
      бодно преодолевая взаимное отталкивание десятков протонов. Но при повышении температуры, ближе к началу мира, атомные ядра уже становятся неустойчивыми. Более того, при высоких температурах начинает проявляться неэлементарность адронов.
      Согласно бурно развивающейся в последние годы кварковой теории все адроны состоят из «более» элементарных частиц — кварков. Если эта теория верна (а она получает сейчас убедительные доказательства в различных экспериментах), то при температуре около нескольких тысяч миллиардов градусов Кельвина адроны, по-видимому, уже не могут существовать, они разбиваются на составляющие их кварки, точно так же, как атомы при нескольких тысячах градусов распадаются на ядра и электроны, а ядра, в свою очередь, при миллиарде градусов — на протоны и нейтроны.
      Кварки, вообще говоря, поразительные частицы, задающие и по сегодняшний день немало работы как теоретикам, так и экспериментаторам. Дело в том, что внутри адрона они ведут себя как каторжники, скованные цепями. Пока цепи не натянуты, кварки относительно свободны, но только относительно: стоит чуть увеличить расстояние между ними — и они оказываются прочносвязанными. Как принято говорить, свобода их асимптотическая.
      Итак, все адроны состоят из кварков. И возникает естественный вопрос: где же предел элементарности частиц? Ведь сравнительно недавно круг элементарных частиц был ограничен нейтронами, протонами, электронами и фотонами. А сейчас, мало того, что одних адронов порядка сотни, оказалось, они неэлементарны, состоят из кварков, антикварков. Неужели в микромире работает принцип «русской матрешки»?
      Мы опять не можем ответить на этот вопрос. Физике неизвестна сегодня модель праматерии. Как сказал член-корреспондент Академии наук СССР Л. Окунь, «ярмарочное обилие и разнообразие элементарных частиц» действительно наталкивает на мысль о существовании истинной элементарности. Ведь с эстетической стороны, а эстетичность, вообще говоря, почти всегда была одним из критериев правильности в теоретической физике, гораздо естественнее существование небольшого числа «истинно элементарных» частиц. Они уже имеют и названия — пракварки, метакварки, преоны, ришоны, глики, максимоны. Но... названия есть, а теории праматерии нет.
      Подходы к этой общей теории, которая должна в конечном итоге связать микро- и макромиры, в центре внимания и физики элементарных частиц, и космологии. Почему?
      Мы уже говорили о гравитационном и электромагнитном взаимодействии в физике. Но сегодня известно еще два типа взаимодействий. Это уже упоминавшееся сильное и так называемое слабое взаимодействия. Слабые силы взаимодействия названы так потому, что на масштабах длин порядка размеров ядер они слабее не только сильных (ядерных), но и электромагнитных. Тем не менее роль их в природе огромна. Не будь слабых взаимодействий, были бы невозможны процессы, лежащие в основе термоядерных реакций, происходящих в недрах Солнца. Другими словами, если бы не было слабых взаимодействий, погасло бы Солнце! Поистине мал золотник, да дорог!
      Эти два типа взаимодействия обладают очень малым радиусом действия: сильное работает на расстоянии порядка 10“13 сантиметра, а радиус действия слабого по порядку величины составляет около 10-16 сантиметра.
      Сейчас на повестке дня с особой остротой стоит проблема создания единой основополагающей теории, объединяющей все известные силы. Пока удалось объединить электромагнитные и слабые силы. Возникла модель так называемых электрослабых взаимодействий. На очереди — модели великого объединения, или, как их еще называют, гранд-модели. Совершенно ясно, что законченная гранд-теория должна с единых позиций объяснить действие всех сил в микромире.
      Это очень многообещающее направление в физике. Гранд-модели предсказывают массу удивительных вещей и, в частности, распад протона. Сейчас экспериментаторы пытаются обнаружить это явление, осуществить, как считают многие физики, эксперимент века. В случае успеха Природа воздаст должное пытливости человеческого ума.
      Физика микромира, так же как и физика макромира, имеет дело с огромными энергиями. Недаром в разных странах мира: в СССР, в США, Швейцарии, ФРГ — построены ускорители, на которых удается исследовать частицы с энергиями порядка сотен ГЭВ. Эта энергия соответствует температурам в миллион миллиардов градусов. Может ли современная экспериментальная физика подняться еще выше по шкале энергии?
      Тридцать с лишним лет назад Э. Ферми выдвинул идею ускорителя-гиганта, опоясывающего весь земной шар. Такой ускоритель представлял бы собой расположенное в космосе огромное кольцо вокруг Земли с радиусом около 7 тысяч километров. Это дало бы возможность достигнуть энергий в 107—108 ГЭВ, или 10 —1021 К- Ясно, что постройку такого ускорителя нельзя назвать делом ближайшего будущего.
      Попытки разработки гранд-моделей, где при еще более высоких энергиях объединяются и электрослабые, и сильные взаимодействия, требуют энергии порядка 1014—1016 ГЭВ (10 —1028 К!). Для получения таких энергий нужно было бы построить кольцевой ускоритель порядка размеров Солнечной системы. Это уже чересчур не только для физики обозримого будущего, но и для научной фантастики. Ведь пока диаметр самого большого кольцевого ускорителя — «всего» 2,2 километра.
      При переходе к высоким энергиям порядка 1014 ГЭВ мир элементарных частиц должен стать в известном смысле проще. Ярмарочное обилие их должно «испариться» и число частиц существенно уменьшиться.
      Здесь уместна следующая аналогия. Число минералов на Земле исчисляется несколькими тысячами. Но давайте начнем увеличивать температуру Земли. Стоит нам достичь двухтрех тысяч градусов, когда плавятся самые тугоплавкие минералы,— и мы будем иметь достаточно гомогенную жидкость. Это будет расплав, не содержащий ни одного минерала. В нем будут присутствовать лишь элементы таблицы Менделеева, а их всего около сотни. Охладим его, и. по мере охлаждения в нем начнут возникать множество самых различных типов минеральных зерен. Быть может, именно так, по мере перехода к неизмеримо более высоким температурам происходит некоторое «упрощение» системы элементарных частиц.
      Но так ли на самом деле оптимистично выглядят перспективы теории элементарных частиц? Объединение электромагнитных и слабых взаимодействий — действительно триумф теоретической физики, причем триумф, увенчанный убедительным экспериментом. Мы знаем теперь, как ведет себя вещество и что оно собой представляет до энергий 100 ГЭВ. Но насколько справедлива экстраполяция на энергии 1014 ГЭВ? Ведь здесь разница в 12 порядков, в тысячу миллиардов раз?
      Нельзя исключить того, что здесь мы можем столкнуться с неизвестными явлениями, с новой физикой. Боль-шинство физиков не верит, что между энергиями в 102 ГЭВ и 1014 ГЭВ лежит «пустыня», что здесь не могут проявиться какие-то новые явления, и поэтому вопрос о том, какие частицы можно считать истинно элементарными, остается открытым.
      Нам же важно сейчас отметить следующее. В нашем мысленном эксперименте мы начали сжимать Вселенную для того, чтобы посмотреть, что будет при этом с веществом. Мы дошли до энергии в сотни ГЭВ. Здесь есть эксперимент, здесь можно с уверенностью сказать, что физика дает хорошие прогнозы по интересующему нас вопросу. Теперь можно подвести некоторые итоги.
      Этой энергии соответствует температура 1015 К. Ясно, что ни атомных ядер, ни протонов, ни нейтронов при такой температуре нет. Есть лишь частицы, претендующие на роль истинно элементарных: лептоны, фотоны да вырвавшиеся на свободу кварки. Весь этот кварко-лептонный суп находится в состоянии, .близком к термодинамическому равновесию. Это означает, что концентрация частиц поддерживается постоянной, скорости их рождения и гибели равны.
      Можно, конечно, пойти дальше и пытаться смотреть, что будет с веществом при более высоких энергиях. Теоретики выпустили огромное количество работ, посвященных этой теме. Но, во-первых, твердо установившейся теории здесь нет, во-вторых, когда мы приближаемся к план-ковскому порогу, мы волей-неволей должны рассматривать Вселенную, радиус кривизны которой меньше размеров элементарных частиц, с плотностью вещества, достигающей 1094 г/см3. Это, вообще говоря, terra incognita для современной физики, и вряд ли кто-либо возьмется сказать, что представляет собой сверхплотная Вселенная. Можно надеяться, однако,
      лишь на то, что в этих экстремальных условиях применимы понятия плотности энергии и давления. Мы чуть позднее в самых общих чертах поговорим об очень-очень ранней Вселенной, а пока попытаемся описать ее начиная с времен от Ю-10 секунды после Большого Взрыва.
      Здесь при температурах 1015 К и плотностях, больших, чем плотность атомных ядер, основную роль играют адроны, лептоны и фотоны. Их энергия очень велика, а поскольку их много, они дают основной вклад в плотность энергии и определяют динамику расширения Вселенной.
      В самой Вселенной в это время непрерывно идут реакции рождения пар частиц и античастиц, например, электронов и позитронов при столкновении энергичных фотонов: ... ; происходят также реакции между электронами и позитронами с образованием нейтрино и антинейтрино:
      Для нас очень важно сейчас не забыть о кварках. Ведь именно кварки по мере остывания Вселенной образуют нейтроны и протоны; кроме этого, они участвуют в реакциях образования мезонов. Период свободной жизни для кварков кончается при энергиях 1 ГЭВ: они попадают в адронный «мешок» и навсегда становятся «невидимками», давая жизнь новым фундаментальным частицам.
      Плотность упала до значений 1014 г/см3, прошла одна десятитысячная доля секунды после начала Большого Взрыва. Именно в эти моменты времени начинается так называемая адронная стадия эволюции Вселенной. Она продолжается недолго, чуть меньше секунды, но за этот короткий промежуток времени происходит очень много важных событий.
      Температура еще достаточно высока, и в условиях обилия высокоэнергичных лептонов непрерывно идут реакции взаимных превращений нейтронов и протонов: ...
      При температуре больше 10 К концентрации протонов и нейтронов примерно одинаковы. Но с понижением температуры концентрация протонов возрастает. Действительно, ведь масса протона меньше массы нейтрона, и поэтому в указанных выше реакциях образование протона при определенной температуре становится более выгодным энергетически. С дальнейшим понижением температуры эти реакции вообще прекращаются, и мы уже имеем дело с «замороженными» концентрациями протонов и нейтронов во Вселенной, когда С нейтр.
      Здесь возникает естественный вопрос. Ведь во время адронной эры во Вселенной должны присутствовать как частицы, так и античастицы. А речь шла сейчас лишь о протонах. Где же антипротоны? Почему наша Вселенная несимметрична в зарядовом отношении? Почему в ней есть вещество и почти нет антивещества?
      Вопрос этот очень сложный и, нужно сказать честно, не имеющий на сегодняшний день окончательного решения. Более того, некоторые ученые, например лауреат Нобелевской премии по физике X. Альвен, считают, что антивещество представлено во Вселенной на паритетных началах с обычным веществом. Большинство ученых находит, что X. Альвен не прав. Но в науке голосование не принято, и на поставленные вопросы надо пытаться давать исчерпывающий ответ.
      Итак, если изначально число частиц и античастиц было одинаковым, то в принципе все они за какое-то время должны были бы в результате аннигиляции превратиться в фотоны, в свет, в нейтрино и антинейтрино. Но этого нет, и, по крайней мере, для нашей Галактики твердо установлено отсутствие звезд и планет из антивещества.
      С другими участками Вселенной, которые можно наблюдать сегодня, дело посложнее. Ведь, наблюдая другие галактики, астрономы имеют дело лишь с квантами электромагнитного излучения, и поэтому, если бы какая-либо удаленная галактика состояла из антивещества, мы не могли бы узнать об этом даже в принципе, поскольку антивещество излучает фотоны так же, как и обычная материя. Это, кстати говоря, один из сильных аргументов Альвена и его немногочисленных сторонников.
      Тем не менее гипотеза зарядовой асимметрии Вселенной имеет веские экспериментальные подтверждения. Дело в том, что обычное вещество во Вселенной присутствует заведомо. Если бы какие-то галактики состояли из антивещества, то в космосе должны были интенсивно проходить процессы аннигиляции электронов и позитронов, а также протонов и антипротонов. В результате в спектрах гамма-излучения этих галактик должен был бы наблюдаться избыток квантов с энергией ~ 0,5 МЭВ. Но подобный факт не удалось отметить в наблюдениях.
      Вещество Вселенной все-таки состоит, по всей видимости, из протонов. Почему? Здесь мы должны вернуться снова в область высоких температур и объединения взаимодействий, когда могли идти экзотические реакции рождения кварков и антикварков.
      Так вот, работами последних лет достаточно убедительно показано, что в этих реакциях кварков должно рождаться чуть больше, чем антикварков. Насколько? Ответ таков: на три миллиарда антикварков должно родиться 3 миллиарда и еще три кварка. Тогда 6 миллиардов кварков и антикварков проаннигилируют, а три оставшихся кварка «упадут» со временем в адронный «мешок» и образуют
      протон или нейтрон. Важно отметить, что в результате всех этих процессов во Вселенной на один протон приходится примерно миллиард фотонов и миллиард нейтрино.
      Таким образом, вопрос о том, почему наша Вселенная состоит из вещества, а антивещество отсутствует, находит решение с использованием гранд-моделей.
      Мы остановились на моменте времени в развитии Вселенной, когда установилось определенное отношение между нейтронами и протонами. Следующий важный процесс в расширяющейся горячей Вселенной — начало синтеза элементов.
      До сих пор Вселенная представляла собой горячий «отел, заполненный лишь частицами. С понижением температуры появляются условия для образования простейших атомных ядер. Прошло чуть больше ста секунд, температура упала до миллиарда градусов. Почему эта температура критична для нас? Собственно, не для нас, конечно, а для физики ранней Вселенной. Да просто дело в том, что энергия фотонов и лептонов уже недостаточна при этой температуре, чтобы развалить при ударе ядро атома.
      KOHEЦ ФPAГMEHTA КНИГИ

 

 

НА ГЛАВНУЮТЕКСТЫ КНИГ БКАУДИОКНИГИ БКПОЛИТ-ИНФОСОВЕТСКИЕ УЧЕБНИКИЗА СТРАНИЦАМИ УЧЕБНИКАФОТО-ПИТЕРНАСТРОИ СЫТИНАРАДИОСПЕКТАКЛИКНИЖНАЯ ИЛЛЮСТРАЦИЯ

 

Яндекс.Метрика


Творческая студия БК-МТГК 2001-3001 гг. karlov@bk.ru