Реферат: Модель большого взрыва и расширяющейся Вселенной. Реферат модель большого взрыва и расширяющейся вселенной

Доклад - Модель большого взрыва и расширяющейся Вселенной

Сочинский Государственный Университет Туризма иКурортного Дела

Реферат:

На тему: Модель большого взрыва ирасширяющейся Вселенной

ВыполнилГоликов А.С.

Студент 2 курса

Группы 20 ГМУ

СОЧИ 2002 г.

введение.

  Одной изосновных концепций современного естествознания является учение о Вселенной какедином целом и обо всей охваченной астрономическими наблюдениями областиВселенной (Метагалактике) как части целого — космология.   Выводы космологии основываются и на законах физики, ина данных наблюдательной астрономии. Как любая наука, космология в своейструктуре кроме эмпирического и теоретического уровней имеет также уровеньфилософских предпосылок, философских оснований.   Так, в основании современной космологии лежитпредположение о том, что законы природы, установленные на основе изучениявесьма ограниченной части Вселенной, чаще всего на основе опытов на планетеЗемля, могут быть экстраполированы на значительно большие области, в конечном счете- на всю Вселенную. Это предположение об устойчивости законов природы впространстве и времени относится к уровню философских оснований современнойкосмологии.

Цель моего реферата состоит втом, чтоб разобраться, что же  все-таки представляет с себя вселенная. В моемреферате поставлены такие  задачи:

1.   Изучить, как произошел тот темп развития вселенной, начиная с момента«большого взрыва»?

2.    Рассмотреть взгляды различных ученых, философов, политологов о том, какрасширяется вселенная?

3.   Исследовать, почему Вселенная начала расширятся со скоростью, стольблизкой к критической, которая разделяет модели с повторным сжатием и модели свечным расширением, так что даже сейчас, через десять тысяч миллионов лет,Вселенная продолжает расширяться со скоростью, примерно равной критической?

 Модель эволюционной историиВселенной, согласно которой она возникла в бесконечно плотном состоянии и с техпор расширяется. Это событие произошло от 13 до 20 миллиардов лет назад иизвестно как «Большой Взрыв». Теория Большого Взрыва теперьобщепринята, так как она объясняет оба наиболее значительных факта космологии:расширяющуюся Вселенную и существование космического фонового излучения. Можновоспользоваться известными законами физики и просчитать в обратном направлениивсе состояния, в которых находилась Вселенная, начиная с 10-43 секунд послеБольшого Взрыва. В течение первого миллиона лет вещество и энергия во Вселеннойсформировали непрозрачную плазму, иногда называемую первичным огненным шаром. Кконцу этого периода расширение Вселенной заставило температуру опуститься ниже3000 K, так что протоны и электроны смогли объединяться, образуя атомыводорода. На этой стадии Вселенная стала прозрачной для излучения. Плотностьвещества теперь стала выше плотности излучения, хотя раньше ситуация былаобратной, что и определяло скорость расширения Вселенной. Фоновое микроволновоеизлучение — все, что осталось от сильно охлажденного излучения раннейВселенной. Первые галактики начали формироваться из первичных облаков водородаи гелия только через один или два миллиарда лет. Термин «БольшойВзрыв» может применяться к любой модели расширяющейся Вселенной, которая впрошлом была горячей и плотной.

     Как-то один известныйученый ( Бертран Рассел) читал публичную лекцию об астрономии. Он рассказывал,как Земля вращается вокруг Солнца, а Солнце, в свою очередь, вращается вокругцентра огромного скопления звезд, которое называют нашей Галактикой. Когдалекция подошла к концу, из последних рядов зала поднялась маленькая пожилаяледи и сказала: «Все, что вы нам говорили, — чепуха. На самом деле наш мир- это плоская тарелка, которая стоит па спине гигантской черепахи».Снисходительно улыбнувшись, ученый спросил: «А на чем держитсячерепаха?» — «Вы очень умны, молодой человек, — ответила пожилаяледи. — Черепаха — на другой черепахе, та — тоже на черепахе, и так все ниже иниже».      Такое представление оВселенной как о бесконечной башне из черепах большинству из нас покажетсясмешным, но почему мы думаем, что сами знаем лучше? Что нам известно оВселенной, и как мы это узнали? Откуда взялась Вселенная, и что с ней станется?Было ли у Вселенной начало, а если было, то что происходило до начала? Каковасущность времени? Кончится ли оно когда-нибудь? Достижения физики последнихлет, которыми мы частично обязаны фантастической новой технике, позволяютнаконец получить ответы хотя бы на отдельные из таких давно поставленныхвопросов. Пройдет время, и эти ответы, может быть, станут столь же очевидными,как-то, что Земля вращается вокруг Солнца, а может быть, столь же нелепыми, какбашня из черепах. Только время (чем бы оно ни было) решит это.      Еще в 340 г. до н. э.греческий философ Аристотель в своей книге «О небе» привел два вескихдовода в пользу того, что Земля не плоская тарелка, а круглый шар. Во-первых,Аристотель догадался, что лунные затмения происходят тогда, когда Земляоказывается между Луной и Солнцем. Земля всегда отбрасывает на Луну круглуютень, а это может быть лишь в том случае, если Земля имеет форму шара. БудьЗемля плоским диском, ее тень имела бы форму вытянутого эллипса, если толькозатмение не происходит всегда именно в тот момент, когда Солнце находится точнона оси диска. Во-вторых, по опыту своих путешествий греки знали, что в южныхрайонах Полярная звезда на небе располагается ниже, чем в северных. (ПосколькуПолярная звезда находится над Северным полюсом, она будет прямо над головойнаблюдателя, стоящего на Северном полюсе, а человеку на экваторе покажется, чтоона на линии горизонта). Зная разницу в кажущемся положении Полярной звезды вЕгипте и Греции, Аристотель сумел даже вычислить, что длина экватора равна 400000 стадиев. Что такое стадий, точно неизвестно, но он близок к 200 метрам, и,стало быть, оценка Аристотеля примерно в 2 раза больше значения, принятогосейчас. У греков был еще и третий довод в пользу шарообразной формы Земли: еслиЗемля не круглая, то почему же мы сначала видим паруса корабля, поднимающиесянад горизонтом, и только потом сам корабль?      Аристотель думал, чтоЗемля неподвижна, а Солнце, Луна, планеты и звезды вращаются вокруг нее покруговым орбитам. Он так полагал, ибо в соответствии со своими мистическимивоззрениями Землю считал центром Вселенной, а круговое движение — самымсовершенным. Птолемей во II веке развил идею Аристотеля в полнуюкосмологическую модель. Земля стоит в центре, окруженная восемью сферами,несущими на себе Луну, Солнце и пять известных тогда планет: Меркурий, Венеру,Марс, Юпитер и Сатурн (рис. 1.1). Сами планеты, считал Птолемей, движутся поменьшим кругам, скрепленным с соответствующими сферами. Это объясняло тотвесьма сложный путь, который, как мы видим, совершают планеты. На самойпоследней сфере располагаются неподвижные звезды, которые, оставаясь в одном итом же положении друг относительно друга, движутся по небу все вместе какединое целое. Что лежит за последней сферой, не объяснялось, но во всякомслучае это уже не было частью той Вселенной, которую наблюдает человечество.

/>

     Модель Птолемея позволяланеплохо предсказывать положение небесных тел на небосводе, но для точногопредсказания ему пришлось принять, что траектория Луны в одних местах подходитк Земле в 2 раза ближе, чем в других! Это означает, что в одном положении Лунадолжна казаться в 2 раза большей, чем в другом! Птолемей знал об этомнедостатке, но тем не менее его теория была признана, хотя и не везде.Христианская Церковь приняла Птолемееву модель Вселенной как не противоречащуюБиблии, ибо эта модель была очень хороша тем, что оставляла за пределами сферынеподвижных звезд много места для ада и рая. Однако в 1514 г. польскийсвященник Николай Коперник предложил еще более простую модель. (Вначале,опасаясь, наверное, того, что Церковь объявит его еретиком, Коперникпропагандировал свою модель анонимно). Его идея состояла в том, что Солнцестоит неподвижно в центре, а Земля и другие планеты обращаются вокруг него по круговыморбитам. Прошло почти столетие, прежде чем идею Коперника восприняли серьезно.Два астронома — немец Иоганн Кеплер и итальянец Галилео Галилей — публичновыступили в поддержку теории Коперника, несмотря на то что предсказанныеКоперником орбиты не совсем совпадали с наблюдаемыми. Теории Аристотеля-Птолемея пришел конец в 1609 г., когда Галилей начал наблюдать ночное тения,согласно которому всякое тело во Вселенной притягивается к любому другому телус тем большей силой, чем больше массы этих тел и чем меньше расстояние междуними. Это та самая сила, которая заставляет тела падать на землю. (Рассказ отом, что Ньютона вдохновило яблоко, упавшее ему на голову, почти наверняканедостоверен. Сам Ньютон сказал об этом лишь то, что мысль о тяготении пришла,когда он сидел в «созерцательном настроении», и «поводом былопадение яблока»). Далее Ньютон показал, что, согласно его закону, Луна поддействием гравитационных сил движется по эллиптической орбите вокруг Земли, аЗемля и планеты вращаются по эллиптическим орбитам вокруг Солнца.      Модель Коперника помоглаизбавиться от Птолемеевых небесных сфер, а заодно и от представления о том, чтоВселенная имеет какую-то естественную границу. Поскольку «неподвижныезвезды» не изменяют своего положения на небе, если не считать их круговогодвижения, связанного с вращением Земли вокруг своей оси, естественно былопредположить, что неподвижные звезды — это объекты, подобные нашему Солнцу,только гораздо более удаленные.      Ньютон понимал, что поего теории тяготения звезды должны притягиваться друг к другу и поэтому,казалось бы, не могут оставаться совсем неподвижными. Не должны ли они упастьдруг на друга, сблизившись в какой-то точке? В 1691 г. в письме Ричарду Бентли,еще одному выдающемуся мыслителю того времени, Ньютон говорил, что такдействительно должно было бы произойти, если бы у нас было лишь конечное числозвезд в конечной области пространства. Но, рассуждал Ньютон, если число звездбесконечно и они более или менее равномерно распределены по бесконечномупространству, то этого никогда не произойдет, так как нет центральной точки,куда им нужно было бы падать.      Эти рассуждения — примертого, как легко попасть впросак, ведя разговоры о бесконечности. В бесконечнойВселенной любую точку можно считать центром, так как по обе стороны от неечисло звезд бесконечно. Лишь гораздо позже поняли, что более правильный подход- взять конечную систему, в которой все звезды падают друг на друга, стремясь кцентру, и посмотреть, какие будут изменения, если добавлять еще и еще звезд,распределенных приблизительно равномерно вне рассматриваемой области. По законуНьютона дополнительные звезды в среднем никак не повлияют на первоначальные, т.е. звезды будут с той же скоростью падать в центр выделенной области. Сколькобы звезд мы ни добавили, они всегда будут стремиться к центру. В наше времяизвестно, что бесконечная статическая модель Вселенной невозможна, еслигравитационные силы всегда остаются силами взаимного притяжения.      Интересно, каким былообщее состояние научной мысли до начала XX в.: никому и в голову не пришло, чтоВселенная может расширяться или сжиматься. Все считали, что Вселенная либосуществовала всегда в неизменном состоянии, либо была сотворена в какой-томомент времени в прошлом примерно такой, какова она сейчас. Отчасти это, можетбыть, объясняется склонностью людей верить в вечные истины, а также особойпритягательностью той мысли, что, пусть сами они состарятся и умрут, Вселеннаяостанется вечной и неизменной.      Даже тем ученым, которыепоняли, что ньютоновская теория тяготения делает невозможной статическуюВселенную, не приходила в голову гипотеза расширяющейся Вселенной. Онипопытались модифицировать теорию, сделав гравитационную силу отталкивающей наочень больших расстояниях. Это практически не меняло предсказываемого движенияпланет, но зато позволяло бесконечному распределению звезд оставаться вравновесии, так как притяжение близких звезд компенсировалось отталкиванием отдалеких. Но сейчас мы считаем, что такое равновесие оказалось бы неустойчивым.В самом деле, если в какой-то области звезды чуть-чуть сблизятся, то силыпритяжения между ними возрастут и станут больше сил отталкивания, так чтозвезды будут и дальше сближаться. Если же расстояние между звездами чуть-чутьувеличится, то перевесят силы отталкивания и расстояние будет нарастать.      Еще одно возражениепротив модели бесконечной статической Вселенной обычно приписывается немецкомуфилософу Генриху Олберсу, который в 1823 г. опубликовал работу, посвященнуюэтой модели. На самом деле многие современники Ньютона занимались той жезадачей, и статья Олберса была даже не первой среди работ, в которыхвысказывались серьезные возражения. Ее лишь первой стали широко цитировать.Возражение таково: в бесконечной статической Вселенной любой луч зрения долженупираться в какую-нибудь звезду. Но тогда небо даже ночью должно яркосветиться, как Солнце. Контраргумент Олберса состоял в том, что свет, идущий кнам от далеких звезд, должен ослабляться из-за поглощения в находящемся на егопути веществе.      Но в таком случае самоэто вещество должно нагреться и ярко светиться, как звезды. Единственнаявозможность избежать вывода о ярко, как Солнце, светящемся ночном небе — предположить, что звезды сияли не всегда, а загорелись в какой-то определенныймомент времени в прошлом. Тогда поглощающее вещество, возможно, еще не успелоразогреться или же свет далеких звезд еще не дошел до нас. Но возникает вопрос:почему зажглись звезды?      Конечно, проблема возникновенияВселенной занимала умы людей уже очень давно. Согласно ряду ранних космогонии ииудейско-христианско-мусульманским мифам, наша Вселенная возникла в какой-тоопределенный и не очень отдаленный момент времени в прошлом. Одним из основанийтаких верований была потребность найти «первопричину» существованияВселенной. Любое событие во Вселенной объясняют, указывая его причину, т. е.другое событие, произошедшее раньше; подобное объяснение существования самойВселенной возможно лишь в том случае, если у нее было начало. Другое основаниевыдвинул Блаженный Августин (православная Церковь считает Августина блаженным,а Католическая — святым. — прим. ред.). в книге «Град Божий». Онуказал на то, что цивилизация прогрессирует, а мы помним, кто совершил то илииное деяние и кто что изобрел. Поэтому человечество, а значит, вероятно, иВселенная, вряд ли очень долго существуют. Блаженный Августин считал приемлемойдату сотворения Вселенной, соответствующую книге «Бытия»:приблизительно 5000 год до нашей эры. (Интересно, что эта дата не так уж далекаот конца последнего ледникового периода — 10 000 лет до н. э., которыйархеологи считают началом цивилизации).      Аристотелю же ибольшинству других греческих философов не нравилась идея сотворения Вселенной,так как она связывалась с божественным вмешательством. Поэтому они считали, чтолюди и окружающий их мир существовали и будут существовать вечно. Доводотносительно прогресса цивилизации ученые древности рассматривали и решили, чтов мире периодически происходили потопы и другие катаклизмы, которые все времявозвращали человечество к исходной точке цивилизации.      Вопросы о том, возниклали Вселенная в какой-то начальный момент времени и ограничена ли она впространстве, позднее весьма пристально рассматривал философ Иммануил Кант всвоем монументальном (и очень темном) труде «Критика чистого разума»,который был издан в 1781 г. Он назвал эти вопросы антиномиями (т. е.противоречиями) чистого разума, так как видел, что в равной мере нельзя нидоказать, ни опровергнуть ни тезис о необходимости начала Вселенной, ниантитезис о ее вечном существовании. Тезис Кант аргументировал тем, что если быу Вселенной не было начала, то всякому событию предшествовал бы бесконечныйпериод времени, а это Кант считал абсурдом. В поддержку антитезиса Кантговорил, что если бы Вселенная имела начало, то ему предшествовал быбесконечный период времени, а тогда спрашивается, почему Вселенная вдругвозникла в тот, а не другой момент времени? На самом деле аргументы Канта фактическиодинаковы и для тезиса, и для антитезиса. Он исходит из молчаливогопредположения, что время бесконечно в прошлом независимо от того, существовалаили не существовала вечно Вселенная. Как мы увидим ниже, до возникновенияВселенной понятие времени лишено смысла.      Когда большинство людейверило в статическую и неизменную Вселенную, вопрос о том, имела она начало илинет, относился, в сущности, к области метафизики и теологии. Все наблюдаемыеявления можно было объяснить как с помощью теории, в которой Вселеннаясуществует вечно, так и с помощью теории, согласно которой Вселенную сотворилив какой-то определенный момент времени таким образом, чтобы все выглядело, какесли бы она существовала вечно. Но в 1929 г. Эдвин Хаббл сделал эпохальное открытие:оказалось, что в какой бы части неба ни вести наблюдения, все далекие галактикибыстро удаляются от нас. Иными словами, Вселенная расширяется. Это означает,что в более ранние времена все объекты были ближе друг к другу, чем сейчас.Значит, было, по-видимому, время, около десяти или двадцати тысяч миллионов летназад, когда они все находились в одном месте, так что плотность Вселенной былабесконечно большой. Сделанное Хабблом открытие перевело вопрос о том, каквозникла Вселенная, в область компетенции науки.      Наблюдения Хабблаговорили о том, что было время — так называемый большой взрыв, когда Вселеннаябыла бесконечно малой и бесконечно плотной. При таких условиях все законы наукитеряют смысл и не позволяют предсказывать будущее. Если в еще более ранниевремена и происходили какие-либо события, они все равно никак не смогли быповлиять на то, что происходит сейчас. Из-за отсутствия же наблюдаемыхследствий ими можно просто пренебречь. Большой взрыв можно считать началомотсчета времени в том смысле, что более ранние времена были бы просто неопределены. Подчеркнем, что такое начало отсчета времени очень сильноотличается от всего того, что предлагалось до Хаббла. Начало времени внеизменяющейся Вселенной есть нечто, что должно определяться чем-то,существующим вне Вселенной; для начала Вселенной нет физической необходимости.Сотворение Богом Вселенной можно в своем представлении относить к любомумоменту времени в прошлом. Если же Вселенная расширяется, то могут существоватьфизические причины для того, чтобы она имела начало. Можно по-прежнемупредставлять себе, что именно Бог создал Вселенную — в момент большого взрываили даже позднее (но так, как если бы произошел большой взрыв). Однако было быабсурдно утверждать, что Вселенная возникла раньше большого взрыва.Представление о расширяющейся Вселенной не исключает создателя, но налагаетограничения на возможную дату его трудов!

     Посколькууже существующих частных теорий вполне достаточно, чтобы делать точныепредсказания во всех ситуациях, кроме самых экстремальных, поиск окончательнойтеории Вселенной не отвечает требованиям практической целесообразности.(Заметим, однако, что аналогичные возражения можно было бы выдвинуть противтеории относительности и квантовой механики, а ведь именно эти теории произвелиреволюцию в ядерной физике и в микроэлектронике!) Таким образом, открытиеполной единой теории, может быть, не будет способствовать выживанию и даженикак не повлияет на течение нашей жизни. Но уже на заре цивилизации людям не нравилисьнеобъяснимые и не связанные между собой события, и они страстно желали понятьтот порядок, который лежит в основе нашего мира. По сей день мы мечтаем узнать,почему мы здесь оказались и откуда взялись. Стремление человечества к знаниюявляется для нас достаточным оправданием, чтобы продолжать поиск. А нашаконечная цель — никак не меньше, чем полное описание Вселенной, в которой мыобитаем.

     Если вясную безлунную ночь посмотреть на небо, то, скорее всего, самыми яркимиобъектами, которые вы увидите, будут планеты Венера, Марс, Юпитер и Сатурн.Кроме того, вы увидите огромное количество звезд, похожих на наше Солнце, нонаходящихся гораздо дальше от нас. При вращении Земли вокруг Солнца некоторыеиз этих «неподвижных» звезд чуть-чуть меняют свое положениеотносительно друг друга, т. е. на самом деле они вовсе не неподвижны! Дело втом, что они несколько ближе к нам, чем другие. Поскольку же Земля вращаетсявокруг Солнца, близкие звезды видны все время в разных точках фона болееудаленных звезд. Благодаря этому можно непосредственно измерить расстояние отнас до этих звезд: чем они ближе, тем сильнее заметно их перемещение. Самаяблизкая звезда, называемая Проксимой Центавра, находится от нас на расстоянииприблизительно четырех световых лет (т. е. свет от нее идет до Земли околочетырех лет), или около 37 миллионов километров. Большинство звезд, видимыхневооруженным глазом, удалены от нас на несколько сотен световых лет. Сравнитеэто с расстоянием до нашего Солнца, составляющим всего восемь световых минут!Видимые звезды рассыпаны но всему ночному небу, но особенно густо в той полосе,которую мы называем Млечным Путем. Еще в 1750 г. некоторые астрономывысказывали мысль, что существование Млечного Пути объясняется тем, что большаячасть видимых звезд образует одну дискообразную конфигурацию — пример того, чтосейчас называется спиральной галактикой. Лишь через несколько десятилетийастроном Уильям Гершель подтвердил это предположение, выполнив колоссальнуюработу но составлению каталога положений огромного количества звезд ирасстояний до них. Но даже после этого представление о спиральных галактикахбыло принято всеми лишь в начале нашего века.      Современная картинаВселенной возникла только в 1924 г., когда американский астроном Эдвин Хабблпоказал, что наша Галактика не единственная. На самом деле существует многодругих галактик, разделенных огромными областями пустого пространства. Длядоказательства Хабблу требовалось определить расстояния до этих галактик, которыенастолько велики, что, в отличие от положений близких звезд, видимые положениягалактик действительно не меняются. Поэтому для измерения расстояний Хаббл былвынужден прибегнуть к косвенным методам. Видимая яркость звезды зависит от двухфакторов: от того, какое количество света излучает звезда (се светимости), и оттого, гдe она находится. Яркость близких звезд и расстояние до них мы можемизмерить; следовательно, мы можем вычислить и их светимость. И наоборот, знаясветимость звезд в других галактиках, мы могли бы вычислить расстояние до них,измерив их видимую яркость. Хаббл заметил, что светимость некоторых типов звездвсегда одна и та же, когда они находятся достаточно близко для того, чтобыможно было производить измерения. Следовательно, рассуждал Хаббл, если такиезвезды обнаружатся в другой галактике, то, предположив у них такую жесветимость, мы сумеем вычислить расстояние до этой галактики. Если подобныерасчеты для нескольких звезд одной и той же галактики дадут один и тот жерезультат, то полученную оценку расстояния можно считать надежной.

/>

     Таким путем Хабблрассчитал расстояния до девяти разных галактик. Теперь известно, что нашаГалактика — одна из нескольких сотен тысяч миллионов галактик, которые можнонаблюдать в современные телескопы, а каждая из этих галактик в свою очередьсодержит сотни тысяч миллионов звезд. На рис. 3.1 показано, какой увидел бынашу Галактику наблюдатель, живущий в какой-нибудь другой галактике. НашаГалактика имеет около ста тысяч световых лет в поперечнике. Она медленновращается, а звезды в ее спиральных рукавах каждые несколько сотен миллионовлет делают примерно один оборот вокруг ее центра. Наше Солнце представляетсобой обычную желтую звезду средней величины, расположенную на внутреннейстороне одного из спиральных рукавов. Какой же огромный путь мы прошли отАристотеля и Птолемея, когда Земля считалась центром Вселенной!  в ее атмосфере.      В 20-х годах, когдаастрономы начали исследование спектров звезд других галактик, обнаружилосьнечто еще более странное: в нашей собственной Галактике оказались те же самыехарактерные наборы отсутствующих цветов, что и у звезд, но все они былисдвинуты на одну и ту же величину к красному концу спектра. Чтобы понять смыслсказанного, следует сначала разобраться с эффектом Доплера. Как мы уже знаем,видимый свет — это колебания, или волны электромагнитного поля. Частота (числоволн в одну секунду) световых колебаний чрезвычайно высока — от четырехсот досемисот миллионов волн в секунду. Человеческий глаз воспринимает свет разныхчастот как разные цвета, причем самые низкие частоты соответствуют красномуконцу спектра, а самые высокие — фиолетовому. Представим себе источник света,расположенный на фиксированном расстоянии от нас (например, звезду), излучающийс постоянной частотой световые волны. Очевидно, что частота приходящих волнбудет такой же, как та, с которой они излучаются (пусть гравитационное полегалактики невелико и его влияние несущественно). Предположим теперь, чтоисточник начинает двигаться в нашу сторону. При испускании следующей волныисточник окажется ближе к нам, а потому время, за которое гребень этой волны донас дойдет, будет меньше, чем в случае неподвижной звезды. Стало быть, времямежду гребнями двух пришедших волн будет меньше, а число волн, принимаемых намиза одну секунду (т. е. частота), будет больше, чем когда звезда быланеподвижна. При удалении же источника частота приходящих волн будет меньше. Этоозначает, что спектры удаляющихся звезд будут сдвинуты к красному концу(красное смещение), а спектры приближающихся звезд должны испытывать фиолетовоесмещение. Такое соотношение между скоростью и частотой называется эффектомДоплера, и этот эффект обычен даже в нашей повседневной жизни. Прислушайтесь ктому, как идет по шоссе машина: когда она приближается, звук двигателя выше (т.е. выше частота испускаемых им звуковых волн), а когда, проехав мимо, машинаначинает удаляться, звук становится ниже. Световые волны и радиоволны ведутсебя аналогичным образом. Эффектом Доплера пользуется полиция, определяяиздалека скорость движения автомашин по частоте радиосигналов, отражающихся отних. Доказав, что существуют другие галактики, Хаббл все последующие годыпосвятил составлению каталогов расстояний до этих галактик и наблюдению ихспектров. В то время большинство ученых считали, что движение галактикпроисходит случайным образом и поэтому спектров, смещенных в красную сторону,должно наблюдаться столько же, сколько и смещенных в фиолетовую. Каково же былоудивление, когда у большей части галактик обнаружилось красное смещениеспектров, т. е. оказалось, что почти все галактики удаляются от нас! Еще болееудивительным было открытие, опубликованное Хабблом в 1929 г.: Хаббл обнаружил,что даже величина красного смещения не случайна, а прямо пропорциональнарасстоянию от нас до галактики. Иными словами, чем дальше находится галактика,тем быстрее она удаляется! А это означало, что Вселенная не может быть статической,как думали раньше, что на самом деле она непрерывно расширяется и расстояниямежду галактиками все время растут.      Открытие расширяющейсяВселенной было одним из великих интеллектуальных переворотов двадцатого века.Задним числом мы можем лишь удивляться тому, что эта идея не пришла никому вголову раньше. Ньютон и другие ученые должны были бы сообразить, чтостатическая Вселенная вскоре обязательно начала бы сжиматься под действиемгравитации. Но предположим, что Вселенная, наоборот, расширяется. Если бырасширение происходило достаточно медленно, то под действием гравитационнойсилы оно в конце концов прекратилось бы и перешло в сжатие. Однако если быскорость расширения превышала некоторое критическое значение, тогравитационного взаимодействия не хватило бы, чтобы остановить расширение, ионо продолжалось бы вечно. Все это немного напоминает ситуацию, возникающую,когда с поверхности Земли запускают вверх ракету. Если скорость ракеты не оченьвелика, то из-за гравитации она в конце концов остановится и начнет падатьобратно. Если же скорость ракеты больше некоторой критической (околоодиннадцати километров в секунду), то гравитационная сила не сможет ее вернуть,и ракета будет вечно продолжать свое движение от Земли. Расширение Вселенноймогло быть предсказано на основе ньютоновской теории тяготения в XIX, XVIII идаже в конце XVII века. Однако вера в статическую Вселенную была столь велика,что жила в умах еще в начале нашего века. Даже Эйнштейн, разрабатывая в 1915 г.общую теорию относительности, был уверен в статичности Вселенной. Чтобы невступать в противоречие со статичностью, Эйнштейн модифицировал свою теорию,введя в уравнения так называемую космологическую постоянную. Он ввел новую«антигравитационную» силу, которая в отличие от других сил непорождалась каким-либо источником, а была заложена в саму структурупространства-времени. Эйнштейн утверждал, что пространство-время само по себевсегда расширяется и этим расширением точно уравновешивается притяжение всейостальной материи во Вселенной, так что в результате Вселенная оказываетсястатической. По-видимому, лишь один человек полностью поверил в общую теориюотносительности: пока Эйнштейн и другие физики думали над тем, как обойти нестатичность Вселенной, предсказываемую этой теорией, русский физик и математикА. А. Фридман, наоборот, занялся ее объяснением.      Фридман сделал два оченьпростых исходных предположения: во-первых, Вселенная выглядит одинаково, вкаком бы направлении мы ее ни наблюдали, и во-вторых, это утверждение должнооставаться справедливым и в том случае, если бы мы производили наблюдения изкакого-нибудь другого места. Не прибегая ни к каким другим предположениям,Фридман показал, что Вселенная не должна быть статической. В 1922 г., занесколько лет до открытия Хаббла, Фридман в точности предсказал его результат!      Предположение ободинаковости Вселенной во всех направлениях на самом деле, конечно, невыполняется. Как мы, например, уже знаем, другие звезды в нашей Галактикеобразуют четко выделяющуюся светлую полосу, которая идет пo всему небу ночью — Млечный Путь. Нo если говорить о далеких галактиках, то их число во всехнаправлениях примерно одинаково. Следовательно, Вселенная действительно«примерно» одинакова во всех направлениях — при наблюдении вмасштабе, большом по сравнению с расстоянием между галактиками, когдаотбрасываются мелкомасштабные различия.      Правда, на первый взгляд,тот факт, что Вселенная кажется нам одинаковой во всех направлениях, можетговорить о какой-то выделенности нашего местоположения во Вселенной. Вчастности, раз мы видим, что все остальные галактики удаляются от нас, значит,мы находимся в центре Вселенной. Но есть и другое объяснение: Вселенная будетвыглядеть одинаково во всех направлениях и в том случае, если смотреть на нееиз какой-нибудь другой галактики. Это, как мы знаем, вторая гипотеза Фридмана.У нас нет научных доводов ни за, ни против этого предположения, и мы принялиего, так сказать, из скромности: было бы крайне странно, если бы Вселеннаяказалась одинаковой во всех направлениях только вокруг нас, а в других ееточках этого не было! В модели Фридмана все галактики удаляются друг от друга.Это вроде бы как надутый шарик, на который нанесены точки, если его все большенадувать. Расстояние между любыми двумя точками увеличивается, но ни одну изних нельзя назвать центром расширения. Притом чем больше расстояние междуточками, тем быстрее они удаляются друг от друга. Но и в модели Фридманаскорость, с которой любые две галактики удаляются друг от друга, пропорциональнарасстоянию между ними. Таким образом, модель Фридмана предсказывает, чтокрасное смешение галактики должно быть прямо пропорционально ее удаленности отнас, в точном соответствии с открытием Хаббла. Несмотря на успех этой модели ина согласие ее предсказаний с наблюдениями Хаббла, работа Фридмана оставаласьнеизвестной на Западе, и лишь в 1935 г. американский физик Говард Робертсон ианглийский математик Артур Уолкер предложили сходные модели в связи с открытиемХаббла.

/>

     СамФридман рассматривал только одну модель, но можно указать три разные модели,для которых выполняются оба фундаментальных предположения Фридмана. В моделипервого типа (открытой самим Фридманом) Вселенная расширяется достаточномедленно для того, чтобы в силу гравитационного притяжения между различнымигалактиками расширение Вселенной замедлялось и в конце концов прекращалось.После этого галактики начинают приближаться друг к другу, и Вселенная начинаетсжиматься. На рис. 3.2 показано, как меняется со временем расстояние междудвумя соседними галактиками. Оно возрастает от нуля до некоего максимума, апотом опять падает до нуля. В модели второго типа расширение Вселенной происходиттак быстро, что гравитационное притяжение хоть и замедляет расширение, не можетего остановить. На рис. 3.3 показано, как изменяется в этой модели расстояниемежду галактиками. Кривая выходит из нуля, а в конце концов галактики удаляютсядруг от друга с постоянной скоростыо. Есть, наконец, и модель третьего типа, вкоторой скорость расширения Вселенной только-только достаточна для того, чтобыизбежать сжатия до нуля (коллапса). В этом случае расстояние между галактикамитоже сначала равно нулю (рис. 3.4), а потом все время возрастает. Правда,галактики «разбегаются» все с меньшей и меньшей скоростью, но онаникогда не падает до нуля.      Модель Фридмана первоготипа удивительна тем, что в ней Вселенная не бесконечна в пространстве, хотяпространство не имеет границ. Гравитация настолько сильна, что пространство,искривляясь, замыкается с самим собой, уподобляясь земной поверхности. Ведь,перемещаясь в определенном направлении по поверхности Земли, вы никогда ненатолкнетесь на абсолютно непреодолимую преграду, не вывалитесь через край и вконце концов вернетесь в ту же самую точку, откуда вышли. В первой моделиФридмана пространство такое же, но только вместо двух измерений, поверхностьЗемли имеет три измерения. Четвертое измерение, время, тоже имеет конечнуюпротяженность, но оно подобно отрезку прямой, имеющему начало и конец. Потом мыувидим, что если общую теорию относительности объединить сквантово-механическим принципом неопределенности, то окажется, что ипространство, и время могут быть конечными, не имея при этом ни краев, ниграниц.      Мысль о том, что можнообойти вокруг Вселенной и вернуться в то же место, годится для научнойфантастики, но не имеет практического значения, ибо, как можно показать,Вселенная успеет сжаться до нуля до окончания обхода. Чтобы вернуться висходную точку до наступления конца Вселенной, пришлось бы передвигаться соскоростью, превышающей скорость света, а это невозможно!      В первой модели Фридмана(в которой Вселенная расширяется и сжимается) пространство искривляется,замыкаясь, само на себя, как поверхность Земли. Поэтому размеры его конечны. Вовторой же модели, в которой Вселенная расширяется бесконечно, пространствоискривлено иначе, как поверхность седла. Таким образом, во втором случае пространствобесконечно. Наконец, в третьей модели Фридмана (с критической скоростьюрасширения) пространство плоское (и, следовательно, тоже бесконечное). Но какаяже из моделей Фридмана годится для нашей Вселенной? Перестанет ли Вселенная,наконец расширяться и начнет сжиматься или же будет расширяться вечно? Чтобыответить на этот вопрос, нужно знать нынешнюю скорость расширения Вселенной иее среднюю плотность. Если плотность меньше некоторого критического значения,зависящего от скорости расширения, то гравитационное притяжение будет слишкоммало, чтобы остановить расширение. Если же плотность больше критической, то вкакой-то момент в будущем из-за гравитации расширение Вселенной прекратится иначнется сжатие.      Сегодняшнюю скоростьрасширения Вселенной можно определить, измеряя (по эффекту Доплера) скоростиудаления от нас других галактик. Такие измерения можно выполнить очень точно.Но расстояния до других галактик нам плохо известны, потому что их нельзяизмерить непосредственно. Мы знаем лишь, что Вселенная расширяется за каждуютысячу миллионов лет на 5-10%. Однако неопределенность в современном значениисредней плотности Вселенной еще больше. Если сложить массы всех наблюдаемыхзвезд в нашей и других галактиках, то даже при самой низкой оценке скоростирасширения сумма окажется меньше одной сотой той плотности, которая необходимадля того, чтобы расширение Вселенной прекратилось. Однако и в нашей, и в другихгалактиках должно быть много темной материи, которую нельзя видетьнепосредственно, но о существовании, которой мы узнаем по тому, как еегравитационное притяжение влияет на орбиты звезд в галактиках. Кроме того,галактики в основном наблюдаются в виде скоплений, и мы можем аналогичнымобразом сделать вывод о наличии еще большего количества межгалактической темнойматерии внутри этих скоплений, влияющего на движение галактик. Сложив массувсей темной материи, мы получим лишь одну десятую того количества, котороенеобходимо для прекращения расширения. Но нельзя исключить возможностьсуществования и какой-то другой формы материи, распределенной равномерно повсей Вселенной и еще не зарегистрированной, которая могла бы довести среднююплотность Вселенной до критического значения, необходимого, чтобы остановитьрасширение. Таким образом, имеющиеся данные говорят о том, что Вселенная,вероятно, будет расширяться вечно. Единственное, в чем можно быть совершенноуверенным, так это в том, что если сжатие Вселенной все-таки произойдет, тоникак не раньше, чем через десять тысяч миллионов лет, ибо по крайней мерестолько времени она уже расширяется. Но это не должно нас слишком сильнотревожить: к тому времени, если мы не переселимся за пределы Солнечной системы,человечества давно уже не будет — оно угаснет вместе с Солнцем!      Все варианты модели Фридманаимеют то общее, что в какой-то момент времени в прошлом (десять-двадцать тысячмиллионов лет назад) расстояние между соседними галактиками должно былоравняться нулю. В этот момент, который называется большим взрывом, плотностьВселенной и кривизна пространства-времени должны были быть бесконечными.      Поскольку математикиреально не умеют обращаться с бесконечно большими величинами, это означает,что, согласно общей теории относительности (на которой основаны решенияФридмана), во Вселенной должна быть точка, в которой сама эта теориянеприменима. Все наши научные теории основаны на предположении, чтопространство-время гладкое и почти плоское, а потому все эти теории неверны всингулярной точке большого взрыва, в которой кривизна пространства-временибесконечна. Следовательно, даже если бы перед большим взрывом происходиликакие-нибудь события, по ним нельзя было бы спрогнозировать будущее, так как вточке большого взрыва возможности предсказания свелись бы к нулю. Точно так же,зная только то, что произошло после большого взрыва (а мы знаем только это), мыне сможем узнать, что происходило до него. События, которые произошли добольшого взрыва, не могут иметь никаких последствий, касающихся нас, и поэтомуне должны фигурировать в научной модели Вселенной. Следовательно, нужноисключить их из модели и считать началом отсчета времени момент большоговзрыва.      В 1963 г. два советскихфизика, Е. М. Лифшиц и И. М. Халатников, сделали еще одну попытку исключитьбольшой взрыв, а с ним и начало времени. Лифшиц и Халатников высказалипредположение, что большой взрыв — особенность лишь моделей Фридмана, которые вконце концов дают лишь приближенное описание реальной Вселенной. Не исключено,что из всех моделей, в какой-то мере описывающих существующую Вселенную,сингулярность в точке большого взрыва возникает только в моделях Фридмана.Согласно Фридману, все галактики удаляются в прямом направлении друг от друга,и поэтому все они находились в одном месте. Однако в реально существующейВселенной галактики никогда не расходятся точно по прямой: обычно у них естьеще и небольшие составляющие скорости, направленные под углом. Поэтому на самомделе галактикам не нужно находиться точно в одном месте — достаточно, чтобы онибыли расположены очень близко друг к другу. Тогда нынешняя расширяющаясяВселенная могла возникнуть не в сингулярной точке большого взрыва, а накакой-нибудь более ранней фазе сжатия; может быть, при сжатии Вселеннойстолкнулись друг с другом не все частицы. Какая-то доля их могла пролететь мимодруг друга и снова разойтись в разные стороны, в результате чего и происходитнаблюдаемое сейчас расширение Вселенной. Как тогда определить, был ли началомВселенной большой взрыв? Лифшиц и Халатников занялись изучением моделей,которые в общих чертах были бы похожи на модели Фридмана, но отличались отфридмановских тем, что в них учитывались нерегулярности и случайный характерреальных скоростей галактик во Вселенной. В результате Лифшиц и Халатниковпоказали, что в таких моделях большой взрыв мог быть началом Вселенной даже втом случае, если галактики не всегда разбегаются по прямой, по это могловыполняться лишь для очень ограниченного круга моделей, в которых движениегалактик происходит определенным образом. Поскольку же моделей фридмановскоготипа, не содержащих большой взрыв, бесконечно больше, чем тех, которые содержаттакую сингулярность, Лифшиц и Халатников утверждали, что на самом деле большоговзрыва не было. Однако позднее они нашли гораздо более общий класс моделейфридмановского типа, которые содержат сингулярности и в которых вовсе нетребуется, чтобы галактики двигались каким-то особым образом. Поэтому в 1970 г.Лифшиц и Халатников отказались от своей теории.      Тем не менее их работаимела очень важное значение, ибо показала, что если верна общая теорияотносительности, то Вселенная могла иметь особую точку, большой взрыв. Но этаработа не давала ответа на главный вопрос: следует ли из общей теорииотносительности, что у Вселенной должно было быть начало времени — большой взрыв?Ответ на этот вопрос был получен при совершенно другом подходе, предложенном в1965 г. английским математиком и физиком Роджером Пенроузом. Исходя изповедения световых конусов в общей теории относительности и того, чтогравитационные силы всегда являются силами притяжения, Пенроуз показал, чтокогда звезда сжимается под действием собственных сил гравитации, онаограничивается областью, поверхность которой в конце концов сжимается до нуля.А раз поверхность этой области сжимается до нуля, то же самое должнопроисходить и с ее объемом. Все вещество звезды будет сжато в нулевом объеме,так что ее плотность и кривизна пространства-времени станут бесконечными. Инымисловами, возникнет сингулярность в некоей области пространства-времени,называемая черной дырой.      В теореме Пенроуза,согласно которой любое тело в процессе гравитационного коллапса должно в концеконцов сжаться в сингулярную точку. А что если в теореме Пенроуза изменитьнаправление времени на обратное, так, чтобы сжатие перешло в расширение, то этатеорема тоже будет верна, коль скоро Вселенная сейчас хотя бы грубо приближенноописывается в крупном масштабе моделью Фридмана. По теореме Пенроуза конечнымсостоянием любой коллапсируюшей звезды должна быть сингулярность; при обращениивремени эта теорема утверждает, что в любой модели фридмановского типаначальным состоянием расширяющейся Вселенной тоже должна быть сингулярность. Посоображениям технического характера в теорему Пенроуза было введено в качествеусловия требование, чтобы Вселенная была бесконечна в пространстве. Поэтому наосновании этой теоремы я мог доказать лишь, что сингулярность должнасуществовать, если расширение Вселенной происходит достаточно быстро, чтобы неначалось повторное сжатие (ибо только такие фридмановские модели бесконечны впространстве).      Потом Воронин Т.П.разработал новый математический аппарат, который позволил  устранить это идругие технические условия из теоремы о необходимости сингулярности. В итоге в1970 г. Воронин и  Пенроузом написали совместную статью, в которой наконецдоказали, что сингулярная точка большого взрыва должна существовать, опираясьтолько на то, что верна общая теория относительности и что во Вселеннойсодержится столько вещества, сколько мы видим. Эта работа вызвала массувозражений, частично со стороны советских ученых, которые из-за приверженностимарксистской философии верили в научный детерминизм, а частично и со сторонытех, кто не принимал саму идею сингулярностей как нарушающую красоту теорииЭйнштейна. Но с математической теоремой не очень поспоришь, и поэтому, когдаработа была закончена, ее приняли, и сейчас почти все считают, что Вселеннаявозникла в особой точке большого взрыва.

     В общейтеории относительности Эйнштейна, самой по себе, делается вывод, чтопространство-время возникло в сингулярной точке большого взрыва, а свой конецоно должно находить в сингулярной точке большого хлопка (если коллапсирует всяВселенная) и в сингулярности внутри черной дыры (если коллапсирует какая-нибудьлокальная область типа звезды). Любое вещество, упавшее в такую дыру, всингулярности должно разрушиться, и снаружи будет ощущаться лишь гравитационноевоздействие его массы. Когда же были учтены квантовые эффекты, то оказалось,что масса и энергия вещества в конце концов должны, по-видимому, возвращатьсяоставшейся части Вселенной, а черная дыра вместе со своей внутреннейсингулярностью должна испариться и полностью исчезнуть. Будет ли столь жебольшим влияние квантовой механики на сингулярности в точках большого взрыва ибольшого хлопка? Что в действительности происходит на очень ранних и оченьпоздних стадиях развития Вселенной, когда гравитационные поля настолько сильны,что нельзя пренебрегать квантовыми эффектами? Есть ли действительно у Вселеннойначало и конец? А если есть, то каковы они?        Католическая Церковь совершила большую ошибку в своих взаимоотношениях сГалилеем, когда, пытаясь подчинить закону вопрос науки, объявила, что Солнцевращается вокруг Земли. Теперь, через века, Церковь решила пригласитьспециалистов и получить у них консультацию по космологии. В конце конференцииучастники были удостоены аудиенции Папы. Он сказал, что эволюцию Вселеннойпосле большого взрыва изучать можно, но не следует вторгаться в сам большойвзрыв, потому что это был момент Сотворения и, следовательно, Божественныйакт.  Папа не знал, что пространство-время конечно не имеет границ, т. е. чтооно не имеет начала, а значит, нет и момента Сотворения. Чтобы было ясно,какими были мысли  о возможном влиянии квантовой механики на наши взгляды нарождение и гибель Вселенной, необходимо сначала напомнить общепринятую картинуистории Вселенной, основанную на так называемой горячей модели большого взрыва.В ней считается, что Вселенная от наших дней до большого взрыва описываетсяодной из моделей Фридмана. В подобных моделях оказывается, что по мерерасширения Вселенной вещество и излучение в ней охлаждаются. (С удвоениемразмеров Вселенной ее температура становится вдвое ниже). Поскольку температура- это просто мера энергии (т. е. скорости) частиц, охлаждение Вселенной должносильно воздействовать на вещество внутри нее. При очень высоких температурахчастицы движутся так быстро, что могут противостоять любому взаимномупритяжению, вызванному ядерными или электромагнитными силами, но при охлажденииможно ожидать, что некоторые частицы будут притягиваться друг к другу и начнутсливаться. Более того, даже типы частиц, существующих во Вселенной, должнызависеть от температуры. При достаточно высоких температурах энергия частицстоль велика, что при любом столкновении образуется много разных парчастица-античастица, и, хотя некоторая доля этих частиц аннигилирует,сталкиваясь с античастицами, их образование происходит все равно быстрееаннигиляции. Но при более низких температурах, когда энергия сталкивающихсячастиц меньше, пары частица-античастица будут образовываться медленнее ианнигиляция частиц будет происходит быстрее рождения.      Считается, что в моментбольшого взрыва размеры Вселенной были равны нулю, а сама она была бесконечногорячей. Но по мере расширения температура излучения понижалась. Через секундупосле большого взрыва температура упала примерно до десяти тысяч миллионовградусов; это примерно в тысячу раз больше температуры в центре Солнца, нотакие температуры достигаются при взрывах водородной бомбы. В это времяВселенная состояла из фотонов, электронов, нейтрино (нейтрино — легчайшиечастицы, участвующие только в слабом и гравитационном взаимодействиях) и ихантичастиц, а также из некоторого количества протонов и нейтронов. По мере тогокак Вселенная продолжала расширяться, а температура падать, скорость рожденияэлектрон антиэлектронных пар в соударениях стала меньше скорости их уничтоженияза счет аннигиляции. Поэтому почти все электроны и антиэлектроны должны былианнигилировать друг с другом, образовав новые фотоны, так что осталось лишьчуть-чуть избыточных электронов. Но нейтрино и антинейтрино не аннигилировалидруг с другом, потому что эти частицы очень слабо взаимодействуют между собой ис другими частицами. Поэтому они до сих нор должны встречаться вокруг нас. Еслибы их можно было наблюдать, то у нас появился бы хороший способ проверки моделиочень горячей ранней Вселенной. К сожалению, их энергии сейчас слишком малы,чтобы их можно было непосредственно наблюдать. Однако если нейтрино не являетсябез массовой частицей, а обладает небольшой собственной массой, обнаруженной внеподтвержденном эксперименте советских ученых 1981 г., то мы смогли быобнаружить их косвенно: они могли бы оказаться одной из форм темной материи,упоминавшейся ранее, гравитационное притяжение которой достаточно для того,чтобы прекратить расширение Вселенной и заставить ее опять сжиматься.      Примерно через сто секундпосле большого взрыва температура упала до тысячи миллионов градусов, чтоотвечает температуре внутри самых горячих звезд. При такой температуре энергиипротонов и нейтронов уже недостаточно для сопротивления сильному ядерномупритяжению, и они начинают объединяться друг с другом, образуя ядра дейтерия(тяжелого водорода), которые состоят из протона и нейтрона. Затем ядра дейтерияприсоединяют к себе еще протоны и нейтроны и превращаются в ядра гелия,содержащие два протона и два нейтрона, а также образуют небольшие количестваболее тяжелых элементов — лития и бериллия. Вычисления показывают, что,согласно горячей модели большого взрыва, около четвертой части протонов инейтронов должно было превратиться в атомы гелия и небольшое количествотяжелого водорода и других элементов. Оставшиеся нейтроны распались на протоны,представляющие собой ядра обычных атомов водорода.      Описанная картина горячейВселенной на ранней стадии развития была предложена ученым Джорджем (Г. А.)Гамовым в знаменитой работе, которую Гамов написал в 1948 г. вместе со своимаспирантом Ральфом Альфером. Обладая прекрасным чувством юмора, Гамов уговорилфизика-ядерщика Ганса Бете добавить свою фамилию к списку авторов, чтобыполучилось «Альфер, Бете, Гамов», что звучит, как названия первыхтрех букв греческого алфавита — альфа, бета, гамма, и чрезвычайно подходит длястатьи о начале Вселенной! В этой статье было сделано замечательноепредсказание о том, что излучение (в виде фотонов), испущенное на очень раннихстадиях развития Вселенной, должно до сих пор существовать вокруг нас, но заэто время его температура упала и равна всего лишь нескольким градусам вышеабсолютного нуля. Это именно то излучение, которое в 1965 г. обнаружили Пензиаси Вильсон. Когда Альфер, Бете и Гамов писали свою работу, ядерные реакции сучастием протонов и нейтронов были плохо изучены. Поэтому предсказанные имисоотношения между концентрациями разных элементов в ранней Вселенной оказалисьвесьма неточными, однако, будучи повторены в свете новых представлений, всевычисления дали результаты, прекрасно согласующиеся с современныминаблюдениями. Кроме того, очень трудно объяснить как-то иначе, почему воВселенной должно быть так много гелия. Поэтому мы совершенно уверены в том, чтоэта картина правильна, по крайней мере спустя секунду после большого взрыва ипозже.      Всего через несколькочасов после большого взрыва образование гелия и других элементов прекратилось,после чего в течение примерно миллиона лет Вселенная просто продолжаларасширяться и с ней не происходило ничего особенного. Наконец, когдатемпература упала до нескольких тысяч градусов и энергии электронов и ядерстало недостаточно для преодоления действующего между ними электромагнитногопритяжения, они начали объединяться друг с другом, образуя атомы. Вся Вселеннаякак целое могла продолжать расширяться и охлаждаться, но в тех областях,плотность которых была немного выше средней, расширение замедлялось из-задополнительного гравитационного притяжения. В результате некоторые областиперестали расширяться и начали сжиматься. В процессе сжатия под действиемгравитационного притяжения материи, находящейся снаружи этих областей, моглоначаться их медленное вращение. С уменьшением размеров коллапсирующей областиее вращение ускорялось, подобно тому, как ускоряется вращение фигуриста нальду, когда он прижимает руки к телу. Когда наконец коллапсирующая областьстала достаточно малой, скорости ее вращения должно было хватить дляуравновешивания гравитационного притяжения — так образовались вращающиесядискообразные галактики. Те области, которые не начали вращаться, превратилисьв овальные объекты, называемые эллиптическими галактиками. Коллапс этихобластей тоже прекратился, потому что, хотя отдельные части галактики стабильновращались вокруг ее центра, галактика в целом не вращалась.      Состоящий из водорода игелия газ внутри галактик со временем распался на газовые облака меньшегоразмера, сжимающиеся и од действием собственной гравитации. При сжатии этихоблаков атомы внутри них сталкивались друг с другом, температура газаповышалась, и в конце концов газ разогрелся так сильно, чти начались реакцииядерного синтеза. В результате этих реакций из водорода образовалосьдополнительное количество гелия, а из-за выделившегося тепла возросло давлениеи газовые облака перестали сжиматься. Облака долго оставались в этом состоянии,подобно таким звездам, как наше Солнце, превращая водород в гелий и излучаявыделяющуюся энергию в виде тепла и света. Более массивным звездам дляуравновешивания своего более сильного гравитационного притяжения нужно былоразогреться сильнее, и реакции ядерного синтеза протекали в них настолькобыстрее, что они выжгли свой водород всего за сто миллионов лет. Затем онислегка сжались, и, поскольку нагрев продолжался, началось превращение гелия вболее тяжелые элементы, такие как углерод и кислород. Но в подобных процессахвыделяется не много энергии, и потому, как уже говорилось в главе о черныхдырах, должен был разразиться кризис. Не совсем ясно, что произошло потом, новполне правдоподобно, что центральные области звезды коллапсировали в оченьплотное состояние вроде нейтронной звезды или черной дыры. Внешние областизвезды могут время от времени отрываться и уноситься чудовищным взрывом,который называется взрывом сверхновой, затмевающей своим блеском все остальныезвезды в своей галактике. Часть более тяжелых элементов, образовавшихся передгибелью звезды, была отброшена в заполняющий галактику газ и превратилась всырье для последующих поколений звезд. Наше Солнце содержит около двухпроцентов упомянутых более тяжелых элементов, потому что оно является звездойвторого или третьего поколения, образовавшейся около пяти миллионов лет назадиз облака вращающегося газа, в котором находились осколки более раннихсверхновых. Газ из этого облака в основном пошел на образование Солнца или былунесен взрывом, но небольшое количество более тяжелых элементов, собравшисьвместе, превратилось в небесные тела — планеты, которые сейчас, как и Земля,обращаются вокруг Солнца.      Сначала Земля былагорячей и не имела атмосферы. Со временем она остыла, а вследствие выделениягаза из горных пород возникла земная атмосфера. Ранняя атмосфера быланепригодна для нашей жизни. В ней не было кислорода, но было много других,ядовитых для нас газов, например сероводорода (это тот газ, который придаетспецифический запах тухлым яйцам). Правда, есть и другие, примитивные формыжизни, которые могут процветать в таких условиях. Предполагают, что ониразвились в океанах, возможно, в результате случайных объединений атомов в большиеструктуры, называемые макромолекулами, которые обладали способностьюгруппировать другие атомы в океане в такие же структуры. Таким образом онисамовоспроизводились и множились. Иногда в воспроизведении могли произойтисбои. Эти сбои большей частью состояли в том, что новая макромолекула не моглавоспроизвести себя и в конце концов разрушалась. Но иногда в результате сбоеввозникали новые макромолекулы, даже более способные к самовоспроизведению, чтодавало им преимущество, и они стремились заменить собой первоначальные. Такначался процесс эволюции, который приводил к возникновению все более и болеесложных организмов, способных к самовоспроизведению. Самые первые примитивныеживые организмы потребляли различные вещества, в том числе сероводород, и выделяликислород. В результате происходило постепенное изменение земной атмосферы,состав которой в конце концов стал таким, как сейчас, и возникли подходящиеусловия для развития более высоких форм жизни, таких, как рыбы, рептилии,млекопитающие и, наконец, человеческий род.      Картина, в которойВселенная сначала была очень горячей и охлаждалась по мере своего расширения,па сегодняшний день согласуется с результатами всех наблюдений. Тем не менеецелый ряд важных вопросов остается без ответа.      1. Почему ранняяВселенная была такой горячей?      2. Почему Вселенная такоднородна в больших масштабах? Почему она выглядит одинаково во всех точкахпространства и во всех направлениях? В частности, почему температуракосмического фона микроволнового излучения практически не меняется принаблюдениях в разных направлениях? Когда на экзамене нескольким студентамподряд задается один и тот же вопрос и их ответы совпадают, вы можете бытьсовершенно уверены в том, что они советовались друг с другом. Однако вописанной модели с момента большого взрыва у света не было времени, чтобыпопасть из одной удаленной области в другую, даже если эти областирасполагались близко друг к другу в ранней Вселенной. Согласно же теорииотносительности, если свет не может попасть из одной области в другую, то иникакая другая информация тоже не может. Поэтому разные области раннейВселенной никак не могли выровнять свои температуры друг с другом, если у нихне были одинаковые по какой-то непонятной причине температуры прямо с моментарождения.      3. Почему Вселеннаяначала расширяться со скоростью, столь близкой к критической, которая разделяетмодели с повторным сжатием и модели с вечным расширением, так что даже сейчас,через десять тысяч миллионов лет, Вселенная продолжает расширяться соскоростью, примерно равной критической? Если бы через секунду после большоговзрыва скорость расширения оказалась хоть на одну сто тысяча миллион миллионную(1/100.000.000.000.000.000) меньше, то произошло бы повторное сжатие Вселеннойи она никогда бы не достигла своего современного состояния.      4. Несмотря накрупномасштабную однородность Вселенной, в ней существуют неоднородности,такие, как звезды и галактики. Считается, что они образовались из-за небольшихразличий в плотности ранней Вселенной от области к области. Что было причинойэтих флуктуаций плотности?      Общая теорияотносительности сама по себе не в состоянии объяснить перечисленные свойстваили ответить на поставленные вопросы, так как она говорит, что Вселеннаявозникла в сингулярной точке большого взрыва и в самом начале имела бесконечнуюплотность. В сингулярной же точке общая теория относительности и все физическиезаконы неверны: невозможно предсказать, что выйдет из сингулярности. Как мы ужеговорили, это означает, что большой взрыв и все события до него можно выброситьиз теории, потому что они никак не могут повлиять на то, что мы наблюдаем.Следовательно, пространство-время должно иметь границу — начало в точкебольшого взрыва.      Наука, по-видимому,открыла все те законы, которые в пределах погрешностей, налагаемых принципомнеопределенности, позволяют предсказать, как Вселенная изменится со временем,если известно ее состояние в какой-то момент времени. Может быть, эти законыбыли даны Богом, но с тех пор Он, судя по всему, предоставил Вселеннойразвиваться в соответствии с ними и теперь не вмешивается в ее жизнь. Но какимион выбрал начальное состояние и начальную конфигурацию Вселенной? Какие«граничные условия» были в момент «начала времени»?      Один из возможных ответов- это сказать, что при выборе начальной конфигурации Вселенной Богруководствовался соображениями, понять, которые нам не дано. Это, безусловно,было во власти Бога, но почему, выбрав такое странное начало, он все же решил,чтобы Вселенная развивалась, но понятным нам законам? Вся история науки былапостепенным осознанием того, что события не происходят произвольным образом, аотражают определенный скрытый порядок, который мог или не мог быть установленбожественными силами. Было бы лишь естественно предположить, что этот порядокотносится не только к законам науки, но и к условиям на границепространства-времени, которые определяют начальное состояние Вселенной.Возможно большое число разных моделей Вселенной с иными начальными условиями,подчиняющихся законам науки. Должен существовать какой-то принцип для отбораодного начального состояния и, стало быть, одной модели для описания нашейВселенной.      Одну из такихвозможностей называют хаотическими граничными условиями. В них молчаливопринимается, либо что Вселенная бесконечна в пространстве, либо что существуетбесконечно много вселенных. Согласно хаотическим граничным условиям,вероятность того, что любая выделенная область пространства сразу после большоговзрыва окажется в любом заданном состоянии, примерно равна вероятности того,что она окажется в любом другом состоянии: начальное состояние Вселеннойвыбирается совершенно произвольным образом. Это означало бы, что ранняяВселенная была, вероятно, очень хаотичной и нерегулярной, потому чтохаотических и беспорядочных состояний Вселенной гораздо больше, чем гладких иупорядоченных. (Если все состояния равновероятны, то Вселенная с большойвероятностью возникла в одном из хаотических и беспорядочных состояний простопотому, что таких состояний гораздо больше). Трудно сказать, как подобныехаотические начальные условия могли породить такую гладкую и однородную вбольших масштабах Вселенную, как наша сейчас. Можно также ожидать, что в такоймодели флуктуации плотности приведут к образованию гораздо большего числапервичных черных дыр, чем верхний предел, вытекающий из наблюдений фонагамма-излучения.      Если Вселенная в самомделе бесконечна в пространстве или если существует бесконечно много вселенных, тогде-то могли бы существовать довольно большие области, возникшие в гладком иоднородном состоянии. Вспомним хорошо известный пример со стаей обезьян,барабанящих на пишущих машинках: большая часть их работы пойдет в корзину, но впринципе они могут совершенно случайно напечатать один из сонетов Шекспира. Таки здесь — не могла ли область Вселенной, в которой мы живем, случайно оказатьсягладкой и однородной? На первый взгляд это может показаться крайнемаловероятным, потому что таких гладких областей должно быть намного меньше,чем хаотических и неоднородных. Но предположим, что галактики и звездыобразовывались только в гладких областях и только там условия были пригодны дляразвития таких сложных самовоспроизводящихся организмов, как мы, способных задатьвопрос: «Почему Вселенная такая гладкая?» Это пример применения такназываемого антропного принципа, который можно сформулировать следующимобразом: «Мы видим Вселенную так, как мы ее видим, потому что мысуществуем».      Антропный принципсуществует в двух вариантах — слабом и сильном. Слабый антропный принципутверждает, что во Вселенной, которая велика или бесконечна в пространстве иливо времени, условия, необходимые для развития разумных существ, будутвыполняться только в некоторых областях, ограниченных в пространстве и времени.Поэтому разумные существа в этих областях не должны удивляться, обнаружив, чтота область, где они живут, удовлетворяет условиям, необходимым для ихсуществования. Так богач, живущий в богатом районе, не видит никакой бедностивокруг себя.      Один из примеровприменения слабого антропного принципа — «объяснение» того, чтобольшой взрыв произошел около десяти тысяч миллионов лет назад: примерностолько времени требуется разумным существам для их развития. Как уже говорилось,прежде всего должно было образоваться раннее поколение звезд. Эти звездыпревращали часть первоначального водорода и гелия в элементы типа углерода икислорода, из которых мы состоим. Затем звезды взрывались как сверхновые, а изих осколков образовывались другие звезды и планеты, в том числе и входящие внашу Солнечную систему, возраст которой около пяти тысяч миллионов лет. Впервые одну или две тысячи миллионов лет существования Земли на ней былослишком жарко для развития каких бы то ни было сложных организмов. Остальныепримерно три тысячи миллионов лет происходит медленный процесс биологическогоразвития, в результате которого простейшие организмы прошли путь до разумныхсуществ, умеющих измерять время, прошедшее с момента большого взрыва.      Мало кто возражает противсправедливости и применимости слабого антропного принципа. Некоторые же идутзначительно дальше, предлагая его сильный вариант. Он заключается в том, чтосуществует либо много разных вселенных, либо много разных областей однойвселенной, каждая из которых имеет свою собственную начальную конфигурацию и,возможно, свой собственный набор научных законов. В большей части этихвселенных условия были непригодны для развития сложных организмов; лишь внескольких, похожих на нашу, вселенных смогли развиваться разумные существа, иу этих разумных существ возник вопрос: «Почему наша Вселенная такая, какоймы ее видим?» Тогда ответ прост: «Если бы Вселенная была другой,здесь не было бы нас!»      Законы науки в том виде,в котором мы их знаем сейчас, содержат много фундаментальных величин, таких,как электрический заряд электрона и отношение массы протона к массе электрона.Мы не умеем, но крайней мере сейчас, теоретически предсказывать значения этихвеличин — они находятся только из эксперимента. Может быть, придет день, когдамы откроем полную единую теорию, с помощью которой все эти величины будутвычислены, но может оказаться, что некоторые из них, а то и все изменяются припереходе от вселенной к вселенной или и пределах одной вселенной. Удивительно,что значения таких величин были, по-видимому, очень точно подобраны, чтобыобеспечить возможность развития жизни. Если бы, например, электрический зарядэлектрона был чуть-чуть другим, звезды либо не сжигали бы водород и гелий, либоне взрывались. Разумеется, могут быть и другие формы разумной жизни, о которыхне грезили даже писатели-фантасты. Для поддержания этой жизни не требуются нисвет звезды, как, скажем, наше Солнце, ни тяжелые элементы, синтезирующиесявнутри звезд и разлетающиеся по космическому пространству при взрыве звезды.Тем не менее, по-видимому, ясно, что величины, о которых мы говорим, имеютсравнительно немного областей значений, при которых возможно развитие какой быто ни было разумной жизни. Большая же часть значений отвечает вселенным, вкоторых, как бы они ни были прекрасны, нет никого, кто мог бы ими восхищаться.Это можно воспринимать либо как свидетельство божественного провидения всотворении Вселенной и выборе законов науки, либо как подтверждение сильногоантропного принципа.      Можно выдвинуть нескольковозражений против привлечения сильного антропного принципа для объяснениянаблюдаемого состояния Вселенной. Во первых, в каком смысле можно говорить, чтовсе эти вселенные существуют? Если они действительно изолированы друг от друга,то события, происходящие не в нашей Вселенной, не могут иметь наблюдаемыхследствий в нашей Вселенной. Поэтому нам следует воспользоваться принципомэкономии и исключить их из теории. Если же эти вселенные — просто разныеобласти одной и той же вселенной, то научные законы должны быть одинаковы вкаждой области, потому что иначе был бы невозможен непрерывный переход из однойобласти в другую. Тогда области отличались бы друг от друга только начальнымиконфигурациями, и сильный антропный принцип сводился бы к слабой формулировке.      Второе возражение противсильного антропного принципа — это то, что он направлен против хода всейистории науки. Развитие науки шло от геоцентрических космологии Птолемея и егопредшественников через гелиоцентрическую космологию Коперника и Галилея ксовременной картине мира, согласно которой Земля является планетой среднегоразмера, обращающейся вокруг обычной звезды внутри обычной спиральнойгалактики, которая в свою очередь является всего лишь одной из миллионамиллионов галактик в наблюдаемой части Вселенной. Тем не менее, согласносильному антропному принципу, все это гигантское сооружение существует просторади нас. В это очень трудно поверить. Наша Солнечная система безусловно являетсянеобходимым условием нашего существования; те же самые рассуждения можнораспространить на всю нашу Галактику, чтобы учесть звезды раннего поколения,благодаря которым произошел синтез тяжелых элементов. Но, по-видимому, нетникакой необходимости в том, чтобы все эти другие галактики, да и вся Вселеннаябыли такими однородными и одинаковыми в больших масштабах в любом направлении.      Можно было бы небеспокоиться насчет антропного принципа, особенно в его слабой формулировке,если бы удалось показать, что из разных начальных конфигураций Вселенной лишьнекоторые могли развиться во Вселенную, как та, которую мы наблюдаем. Если этоправильно, то Вселенная, возникшая из случайных начальных условий, должнасодержать в себе гладкие и однородные области, пригодные для развития разумнойжизни. Если же для того, чтобы получилось то, что мы видим вокруг, требовалсячрезвычайно тщательный выбор начального состояния Вселенной, то вряд ли в нейоказалась бы хоть одна область, в которой могла зародиться жизнь. В горячеймодели большого взрыва было слишком мало времени для передачи тепла из однойобласти в другую. Это значит, что для объяснения того факта, что температурамикроволнового фона одинакова в любом направлении наблюдения, необходимо, чтобыв начальном состоянии Вселенной ее температура была везде в точностиодинаковой. Кроме того, требовался и очень точный выбор начальной скоростирасширения, потому что для избежания повторного сжатия скорость расширениядолжна оставаться достаточно близкой к критическому значению. Следовательно,выбор начального состояния Вселенной должен производиться очень тщательно, еслигорячая модель большого взрыва применима до самого момента начала отсчетавремени. Почему начало Вселенной должно было быть именно таким, очень труднообъяснить иначе, как деянием Бога, которому захотелось создать таких живыхсуществ, как мы.      Попытки построить модельВселенной, в которой множество разных начальных конфигураций могло бы развитьсяво что-нибудь вроде нашей нынешней Вселенной, привели Алана Гута, ученого изМассачусетского технологического института, к предположению о том, что ранняяВселенная пережила период очень быстрого расширения. Это расширение называютраздуванием, подразумевая, что какое-то время расширение Вселенной происходилосо все возрастающей скоростью, а не с убывающей, как сейчас. Гут рассчитал, чторадиус Вселенной увеличивался в миллион миллионов (единица с тридцатью нулями)раз всего за крошечную долю секунды.      Гут высказалпредположение, что Вселенная возникла в результате большого взрыва в оченьгорячем, но довольно хаотическом состоянии. Высокие температуры означают, чточастицы во Вселенной должны были очень быстро двигаться и иметь большиеэнергии. Как уже говорилось, при таких высоких температурах сильные и слабыеядерные силы и электромагнитная сила должны были все объединиться в одну. Помере расширения Вселенной она охлаждалась и энергии частиц уменьшались. В концеконцов должен был бы произойти так называемый фазовый переход и симметрия сил былабы нарушена: сильное взаимодействие начало бы отличаться от слабого иэлектромагнитного. Известный пример фазового перехода — замерзание воды приохлаждении. Жидкое состояние воды симметрично, т. е. вода одинакова во всехточках и во всех направлениях. Образующиеся же кристаллы льда имеютопределенные положения и выстраиваются в некотором направлении. В результатесимметрия воды нарушается.      Если охлаждать воду оченьосторожно, то ее можно «переохладить», т. е. охладить ниже точкизамерзания (0 град. Цельсия) без образования льда. Гут предположил, чтоВселенная могла себя вести похожим образом: ее температура могла упасть нижекритического значения без нарушения симметрии сил. Если бы это произошло, тоВселенная оказалась бы в нестабильном состоянии с энергией, превышающей ту,которую она имела бы при нарушении симметрии. Можно показать, что эта особаядополнительная энергия производит антигравитационное действие аналогичнокосмологической постоянной, которую Эйнштейн ввел в общую теорию относительности,пытаясь построить статическую модель Вселенной. Поскольку, как и в горячеймодели большого взрыва, Вселенная уже вращалась, отталкивание, вносимоекосмологической постоянной, заставило бы Вселенную расширяться со всевозрастающей скоростью. Даже в тех областях, где число частиц веществапревышало среднее значение, гравитационное притяжение материи было бы меньшеотталкивания, вносимого эффективной космологической постоянной. Следовательно,такие области должны были тоже расширяться с ускорением, характерным для моделираздувающейся Вселенной. По мере расширения частицы материи расходились бы вседальше друг от друга, и в конце концов расширяющаяся Вселенная оказалась быпочти без частиц, но все еще в переохлажденном состоянии. В результате расширениявсе неоднородности во Вселенной должны были просто сгладиться, какразглаживаются при надувании морщины на резиновом шарике. Следовательно,нынешнее гладкое и однородное состояние Вселенной могло развиться из большогочисла разных неоднородных начальных состояний.      Во Вселенной, скоростьрасширения которой растет из-за космологической постоянной быстрее, чемзамедляется из-за гравитационного притяжения материи, свету хватило бы временидля перехода из одной области ранней Вселенной в другую. Это было бы решениемранее поставленной задачи о том, почему разные области ранней Вселенной имеютодинаковые свойства. Кроме того, скорость расширения Вселенной стала быавтоматически очень близка к критическому значению, определяемому плотностьюэнергии во Вселенной. Тогда такую близость скорости расширения к критическойможно было бы объяснить, не делая предположения о тщательном выборе начальнойскорости расширения Вселенной.      Раздуванием Вселеннойможно было бы объяснить, почему в ней так много вещества. В доступнойнаблюдениям области Вселенной содержится порядка ста миллионов (единица свосьмьюдесятью нулями) частиц. Откуда все они взялись? Ответ состоит в том, чтов квантовой теории частицы могут рождаться из энергии в виде парчастица-античастица. Но тогда сразу возникает вопрос: откуда берется энергия?Ответ таков. Полная энергия Вселенной в точности равна нулю. Вещество воВселенной образовано из положительной энергии. Но все вещество само себяпритягивает под действием гравитации. Два близко расположенных куска веществаобладают меньшей энергией, чем те же два куска, находящиеся далеко друг отдруга, потому что для разнесения их в стороны нужно затратить энергию напреодоление гравитационной силы, стремящейся их соединить. Следовательно, энергиягравитационного ноля в каком-то смысле отрицательна. Можно показать, что вслучае Вселенной, примерно однородной в пространстве, эта отрицательнаягравитационная энергия в точности компенсирует положительную энергию, связаннуюс веществом. Поэтому полная энергия Вселенной равна нулю.      Поскольку дважды нультоже нуль, количество положительной энергии вещества во Вселенной можетудвоиться одновременно с удвоением отрицательной гравитационной энергии; законсохранения энергии при этом не нарушится. Такого не бывает при нормальномрасширении Вселенной, в которой плотность энергии вещества уменьшается по мереувеличения размеров Вселенной. Но именно так происходит при раздувании, потомучто в этом случае Вселенная увеличивается, а плотность энергии переохлажденногосостояния остается постоянной: когда размеры Вселенной удвоятся, положительнаяэнергия вещества и отрицательная гравитационная энергия тоже удвоятся, врезультате чего полная энергия остается равной нулю. В фазе раздувания размерыВселенной очень сильно возрастают. Следовательно, общее количество энергии, засчет которой могут образовываться частицы, тоже сильно увеличивается. Гут поэтому поводу заметил: «Говорят, что не бывает скатерти-самобранки. А невечная ли самобранка сама Вселенная?»      Сейчас Вселеннаярасширяется без раздувания. Значит, должен существовать какой-то механизм,благодаря которому была устранена очень большая эффективная космологическаяпостоянная, а скорость расширения перестала расти и под действием гравитации началауменьшаться, как продолжает уменьшаться и сейчас. Можно ожидать, что прираздувании в конце концов нарушится симметрия сил, так же как переохлажденнаявода в конце концов замерзнет. Тогда лишняя энергия состояния с ненарушеннойсимметрией должна выделиться, и за счет этого Вселенная разогреется дотемпературы, чуть-чуть меньшей, чем критическая температура, при которойсимметрия сил еще не нарушается. Затем Вселенная опять начнет расширяться иохлаждаться, так же как в горячей модели большого взрыва, но теперь мы ужесможем объяснить, почему скорость ее расширения в точности равна критической ипочему разные области Вселенной имеют одинаковую температуру.      В гипотезе Гута фазовыйпереход происходил очень быстро, как возникают вдруг кристаллы льда в оченьхолодной воде. Идея Гута заключалась в том, что внутри старой фазы образуются«пузырьки» новой фазы нарушенной симметрии, подобно тому, как вкипящей воде зарождаются пузырьки пара. Гут предположил, что пузыри расширяютсяи сливаются друг с другом до тех пор, пока вся Вселенная не окажется в новойфазе. В 1983 г. Линде предложил более удачную модель, называемую хаотическоймоделью раздувания. В ней нет ни фазового перехода, ни переохлаждения, а взаменприсутствует бес спиновое поле, которое из-за квантовых флуктуаций принимаетбольшие значения в некоторых областях ранней Вселенной. В таких областяхэнергия поля будет вести себя как космологическая постоянная. Результатомдействия поля будет гравитационное отталкивание, под влиянием которого вышеуказанныеобласти начнут раздуваться. По мере увеличения этих областей энергия поля в нихбудет медленно уменьшаться, пока раздувание не перейдет в такое же расширение,как в горячей модели большого взрыва. Одна из областей могла бы превратиться всовременную наблюдаемую Вселенную. Модель Линде обладает всеми преимуществамиранней модели раздувания, но не требует сомнительного фазового перехода и,кроме того, может дать реальную оценку флуктуаций температуры фонамикроволнового излучения, согласующуюся с результатами наблюдений.      Проведенные исследованиямоделей раздувания показали, что современное состояние Вселенной могловозникнуть из большого числа разных начальных конфигураций. Это важный вывод,ибо из него следует, что выбор начального состояния той части Вселенной, вкоторой мы живем, мог быть не очень тщательным. Но вовсе не из всякогоначального состояния могла получиться такая Вселенная, как наша. Это можнодоказать, предположив, что Вселенная сейчас находится в совершенно другомсостоянии, каком-нибудь очень нерегулярном и комковатом. Воспользовавшисьзаконами науки, можно проследить развитие Вселенной назад во времени иопределить ее конфигурацию в более ранние времена. По теоремам о сингулярностиклассической общей теории относительности сингулярность в точке большого взрывавсе равно должна была существовать. Если такая Вселенная будет развиватьсявперед во времени в соответствии с законами науки, то в конце мы придем к томукомковатому и нерегулярному состоянию, с которого начинали. Следовательно,должны существовать начальные конфигурации, из которых не может получитьсятакая Вселенная, какой сейчас мы видим нашу. Значит, даже модель раздуванияничего не говорит о том, почему начальная конфигурация оказалась не той, прикоторой получилась бы Вселенная, сильно отличающаяся от наблюдаемой нами.Следует ли обратиться для объяснения к натронному принципу? Было ли всепроисшедшее просто счастливой случайностью? Такой ответ выглядел бы каквыражение отчаяния, отрицание всех наших надежд понять, какой же порядок лежитв основе Вселенной.      Для предсказания того,каким должно было быть начало Вселенной, необходимы законы, справедливые вначале отсчета времени. Если классическая общая теория относительности верна,то из доказанных Роджером Пенроузом и мной теорем о сингулярности следует, чтов точке начала отсчета времени плотность и кривизна пространства-временипринимают бесконечные значения. В такой точке нарушаются все известные законыприроды. Можно было бы предположить, что в сингулярностях действуют новыезаконы, но их трудно формулировать в точках со столь непонятным поведением, имы не знали бы, как из наблюдений вывести вид этих законов. Но на самом деле изтеорем о сингулярности следует, что гравитационное поле настолько усиливается,что становятся существенными квантовые гравитационные эффекты: классическаятеория перестает давать хорошее описание Вселенной. Поэтому при изучении оченьранних стадий развития Вселенной приходится привлекать квантовую теориюгравитации. Как мы потом увидим, в квантовой теории обычные законы науки могутвыполняться везде, в том числе и в начале отсчета времени: нет необходимостипостулировать новые законы для сингулярностей, потому что в квантовой теории недолжно быть никаких сингулярностей.      Пока у нас еще нет полнойи согласованной теории, объединяющей квантовую механику и гравитацию. Но мысовершенно уверены в том, что подобная единая теория должна иметь некоторыеопределенные свойства. Во-первых, она должна включать в себя фейнмановский методквантовой теории, основанный на суммах по траекториям частицы (и по«историям» Вселенной). При таком методе в отличие от классическойтеории частица уже не рассматривается как обладающая одной-единственнойтраекторией. Напротив, предполагается, что она может перемещаться по всемвозможным путям в пространстве-времени и любой ее траектории отвечает парачисел, одно из которых дает длину волны, а другое — положение в периоде волны(фазу). Например, вероятность того, что частица пройдет через некоторую точку,получается суммированием всех волн, отвечающих каждой возможной траектории,проходящей через эту точку. Но попытки произвести такое суммированиенаталкиваются на серьезные технические затруднения. Их можно обойти, лишьвоспользовавшись следующим специальным рецептом: складываются волны, образующиете истории (траектории) частиц, которые происходят не в ощущаемом нами реальном(действительном) времени, а в так называемом мнимом времени. Мнимое времязвучит, возможно, научно фантастически, но на самом деле это строгоопределенное научное понятие. Умножив обычное (или действительное) число самона себя, мы получим положительное число. (Например, число 2, умноженное на 2,дает 4, и то же самое получается при умножении -2 на -2). Но существуют особыечисла (они называются мнимыми), которые при умножении сами на себя даютотрицательный результат. (Одно из таких чисел, мнимая единица i, при умножениисамо на себя дает -1, число 2i, умноженное само на себя, дает -4 и т. д.). Воизбежание усложнений технического характера при вычислении фейнмановский суммпо траекториям следует переходить к мнимому времени. Это означает, что прирасчетах время надо измерять не в действительных единицах, а в мнимых. Тогда впространстве-времени обнаруживаются интересные изменения: в нем совершенноисчезает различие между временем и пространством. Пространство-время, в которомвременная координата событий имеет мнимые значения, называют евклидовым, вчесть древнегреческого ученого Евклида, основателя учения о геометрии двумерныхповерхностей. То, что мы сейчас называем евклидовым пространством-временем,очень похоже на первоначальную геометрию Евклида и отличается от нее лишьчислом измерений: четыре вместо двух. В евклидовом пространстве-времени неделается различий между осью времени и направлениями в пространстве. В реальномже пространстве-времени, где событиям отвечают действительные значениякоординаты времени, эти различия видны сразу: для всех событий ось временилежит внутри светового конуса, а пространственные оси — снаружи. В любомслучае, пока мы имеем дело с обычной квантовой механикой, мнимое время иевклидово пространство-время можно рассматривать просто как математическийприем для расчета величин, связанных с реальным пространством-временем.      Второе условие, котороедолжна включать в себя любая завершенная теория, — это предположение Эйнштейнао том, что гравитационное поле представляется в виде искривленногопространства-времени: частицы стремятся двигаться по траекториям, заменяющим вискривленном пространстве-времени прямые, но, поскольку пространство-время неплоское, эти траектории искривляются, как будто на них действует гравитационноеноле. Если фейнмановское суммирование по траекториям соединить с представлениемЭйнштейна о гравитации, то тогда аналогом траектории одной частицы станет всеискривленное пространство-время, которое представляет собой историю всейВселенной. Для того чтобы избежать технических затруднений, которые могутвстретиться при конкретном вычислении суммы по историям, искривленные четырехмерныепространства надо считать евклидовыми. Это означает, что ось времени мнимая ине отличается от пространственных осей. Для вычисления вероятности того, чтодействительное пространство-время обладает некоторым свойством, напримервыглядит одинаково во всех точках и во всех направлениях, надо сложить волны,соответствующие всем тем историям, которые обладают этим свойством.      В классической общейтеории относительности может существовать много разных видов искривленногопространства-времени, и все они отвечают разным начальным состояниям Вселенной.Зная начальное состояние нашей Вселенной, мы знали бы целиком всю ее историю.Аналогично в квантовой теории гравитации возможно много разных квантовыхсостояний Вселенной, и точно так же, зная, как вели себя в ранние временаискривленные евклидовы четырехмерные пространства в сумме по историям, мы моглибы определить квантовое состояние Вселенной.      В классической теориигравитации, использующей действительное пространство-время, возможны лишь дватипа поведения Вселенной: либо она существовала в течение бесконечного времени,либо ее началом была сингулярная точка в какой-то конечный момент времени впрошлом. В квантовой же теории гравитации возникает и третья возможность.Поскольку используются евклидовы пространства, в которых временная ипространственные оси равноправны, пространство-время, будучи конечным, можеттем не менее не иметь сингулярностей, образующих его границу или край. Тогдапространство-время напоминало бы поверхность Земли с двумя дополнительнымиизмерениями. Поверхность Земли имеет конечную протяженность, но у нее нет ниграницы, ни края: поплыв по морю в сторону заката, вы не вывалитесь через крайи не попадете в сингулярность.      Если евклидовопространство-время простирается назад по мнимому времени до бесконечности илиначинается в сингулярной точке мнимого времени, то, как и в классической теорииотносительности, возникает вопрос об определении начального состояния Вселенной- Богу, может быть, и известно, каким было начало Вселенной, но у нас нетникаких оснований мыслить это начало таким, а не иным. Квантовая же теориягравитации открыла одну новую возможность: пространство-время не имеет границы,и поэтому нет необходимости определять поведение на границе. Тогда нет исингулярностей, в которых нарушались бы законы науки, а пространство-время неимеет края, на котором пришлось бы прибегать к помощи Бога или какого-нибудьнового закона, чтобы наложить на пространство-время граничные условия. Можнобыло бы сказать, что граничное условие для Вселенной — отсутствие границ. ТогдаВселенная была бы совершенно самостоятельна и никак не зависела бы от того, чтопроисходит снаружи. Она не была бы сотворена, ее нельзя было бы уничтожить. Онапросто существовала бы.  Как и всякое теоретическое положение, оно может быть первоначально выдвинутоиз эстетических или метафизических соображений, но затем должно пройти реальнуюпроверку — позволяет ли оно делать предсказания, согласующиеся с наблюдениями.В случае квантовой теории гравитации такая проверка затруднена по двумпричинам. Во-первых, как будет показано в следующей главе, мы еще не имеемтеории, которая успешно объединяла бы общую теорию относительности с квантовоймеханикой, хотя нам во многом известна форма, которую должна иметь такаятеория. Во-вторых, всякая модель, детально описывающая всю Вселенную,несомненно, будет в математическом отношении слишком сложна, чтобы можно былона ее основе выполнять точные вычисления. Поэтому в расчетах неизбежныупрощающие предположения и приближения, и даже при этом задача извлеченияпредсказаний остается чудовищно сложной.

/>

     Еслипринять условие отсутствия границ, то оказывается, что вероятность развитияВселенной но большинству возможных историй пренебрежимо мала, но существуетнекоторое семейство историй, значительно более вероятных, чем остальные. Этиистории можно изобразить в виде как бы поверхности Земли, причем расстояние доСеверного полюса соответствует мнимому времени, а размеры окружностей, всеточки которых равно удалены от Северного полюса, отвечают пространственнымразмерам Вселенной. Вселенная начинается как точка на Северном полюсе. Придвижении на юг такие широтные окружности увеличиваются, что отвечает расширениюВселенной с течением мнимого времени (рис. 8.1). Вселенная достигаетмаксимального размера на экваторе, а затем с течением мнимого времени сжимаетсяв точку на Южном полюсе. Несмотря на то, что на Северном и Южном полюсе размерВселенной равен нулю, эти точки будут сингулярными не более, чем Северный иЮжный полюс на поверхности Земли. Законы науки будут выполняться в них так же,как они выполняются на Северном и Южном полюсах Земли.      Но в действительномвремени история Вселенной выглядит совершенно иначе. Десять или двадцать тысячмиллионов лет назад размер Вселенной имел минимальное значение, равноемаксимальному радиусу истории в мнимом времени. Затем, с течениемдействительного времени, Вселенная расширялась в соответствии с хаотическоймоделью раздувания, предложенной Линде (но теперь уже нет необходимостипредполагать, что Вселенная была каким-то образом создана в правильномсостоянии). Вселенная достигла очень больших размеров, а потом должна опятьсжаться в нечто, имеющее в действительном времени вид сингулярности. Поэтому вкаком-то смысле все мы обречены, даже если будем держаться подальше от черныхдыр. Сингулярностей не будет лишь в том случае, если представлять себе развитиеВселенной в мнимом времени.      Если Вселенная на самомделе находится в таком квантовом состоянии, то ее история в мнимом времени небудет иметь никаких сингулярностей. Но, как уже отмечалось, главное значениетеорем о сингулярностях таково: они показывают, что гравитационное поле должностать очень сильным, так что нельзя будет пренебречь квантовыми гравитационнымиэффектами. Именно это ведет к выводу, что в мнимом времени Вселенная должнабыть конечной, но без границ и сингулярностей. По возвращении же в реальноевремя, в котором мы живем, обнаруживается, что сингулярности появляются опять.Астронавт, упавший в черную дыру, все равно придет к трагическому концу, итолько в мнимом времени у него не было бы встречи с сингулярностями.      Может быть, следовало бызаключить, что так называемое мнимое время — это на самом деле есть времяреальное, а то, что мы называем реальным временем, — просто плод нашеговоображения. В действительном времени у Вселенной есть начало и конец,отвечающие сингулярностях, которые образуют границу пространства-времени и вкоторых нарушаются законы науки. В мнимом же времени нет ни сингулярностей, ниграниц. Так что, быть может, именно то, что мы называем мнимым временем, насамом деле более фундаментально, а то, что мы называем временем реальным, — этонекое субъективное представление, возникшее у нас при попытках описать, какоймы видим Вселенную. Поэтому не имеет смысла спрашивать, что же реально — действительное время или время мнимое? Важно лишь, какое из них более подходитдля  описания. Мы можем теперь, пользуясь методом суммирования, поисториям и предположением об отсутствии границ, посмотреть, какими свойствамиВселенная может обладать одновременно. Например, можно вычислить вероятностьтого, что Вселенная расширяется примерно с одинаковой скоростью во всехнаправлениях в то время, когда плотность Вселенной имеет современное значение.В упрощенных моделях, которыми мы до сих пор занимались, эта вероятностьоказывается весьма значительной; таким образом, условие отсутствия границприводит к выводу о чрезвычайно высокой вероятности того, что современный темпрасширения Вселенной почти одинаков во всех направлениях. Это согласуется снаблюдениями фона микроволнового излучения, которые показывают, что егоинтенсивность во всех направлениях почти одинакова. Если бы Вселенная в однихнаправлениях расширялась быстрее, чем в других, то интенсивность излучения вэтих направлениях уменьшалась бы за счет дополнительного красного смещения.      Сейчас изучаются и другиеследствия из условия отсутствия границ. Особенно интересна задача о малыхотклонениях плотности от однородной плотности ранней Вселенной, в результатекоторых возникли сначала галактики, потом звезды и наконец мы сами. В силупринципа неопределенности ранняя Вселенная не может быть совершенно однородной,потому что должны обязательно присутствовать некоторые неопределенности вположениях и скоростях частиц — флуктуации. Исходя из условия отсутствияграниц, мы найдем, что в начальном состоянии во Вселенной действительно должнабыть неоднородность, минимально возможная с точки зрения принципанеопределенности. Затем Вселенная пережила период быстрого расширения, как вмоделях раздувания. В течение этого периода начальные неоднородностиусиливались, пока не достигли размеров, достаточных, чтобы объяснитьпроисхождение тех структур, которые мы видим вокруг себя. В такой расширяющейсяВселенной, в которой плотность вещества слабо меняется от места к месту,расширение более плотных областей под действием гравитации могло замедлиться иперейти в сжатие. Это должно привести к образованию галактик, звезд и, наконец,даже таких незначительных существ, как мы. Таким образом, возникновение всехсложных структур, которые мы видим во Вселенной, можно объяснить условиемотсутствия у нее границ в сочетании с квантово-механическим принципомнеопределенности.      Из представления о том,что пространство и время образуют замкнутую поверхность, вытекают также оченьважные следствия относительно роли Бога в жизни Вселенной. В связи с успехами,достигнутыми научными теориями в описании событий, большинство ученых пришло кубеждению, что Бог позволяет Вселенной развиваться в соответствии сопределенной системой законов и не вмешивается в ее развитие, не нарушает этизаконы. Но законы ничего не говорят нам о том, как выглядела Вселенная, когдаона только возникла, — завести часы и выбрать начало все-таки могло быть деломБога. Пока мы считаем, что у Вселенной было начало, мы можем думать, что у неебыл Создатель. Если же Вселенная действительно полностью замкнута и не имеет ниграниц, ни краев, то тогда у нее не должно быть ни начала, ни конца: она простоесть, и все! Остается ли тогда место для Создателя?

      Каждой исторической эпохе присущ свой горизонт науки, свояограниченность представлений о природе вещей, явлений, окружающих человека. Напротяжении тысячелетий человек не мог охватить взглядом свою планету. Ипервоначально он со­здавал примитивные космологические представления типа: «Зем­лядержится на трех слонах» (или на черепахе, в зависимости от того, что он виделперед собой)...

     Благодаря усилиям Н.Коперника, И. Кеплера и И. Ньютона более 300 лет назад горизонт астрономии былрасширен за ор­биту планеты Сатурн. В. Гаршель отодвинул его до края Га­лактики,а совсем недавно Хаббл — в далекое межгалактическое пространство. Ныне нельзяне испытывать чувство гордости от того, что человеческий разум оказалсяспособным раскрывать тайны далеких звезд и галактик, устанавливать законы ихстрое­ния и развития.

     Но с каждым годом перед человекомвстают все более слож­ные вопросы, затрагивающие фундаментальные свойства мате­риии конкретные формы ее существования. Симметрична ли Вселенная относительновещества и антивещества? Состоят ли элементарные частицы из более простых?Неизменны ли на са­мом деле так называемые постоянные величины — постояннаятяготения С, постоянная Планка h, скоростьсвета с и другие? И почему они имеют именно такие, а не другие численныезна­чения? И если некоторые из них медленно изменяются, то как  это влияет наразвитие Вселенной и ее отдельных составные частей.

        Да, сегодня нам известноуже многое о строении Вселенной и ее отдельных' объектов. Но… с каждым годомрасширяется горизонт науки, расширяются пределы в пространстве и вре­мени, докоторых проникает человеческий разум. И, как говорил римский философ Сенека,несомненно, что на долю наших по­томков" останется большая часть истин,еще не открытых...

1. Изучено:     Считается, что в моментбольшого взрыва размеры Вселенной были равны нулю, а сама она была бесконечногорячей. Но по мере расширения температура излучения понижалась. Через секундупосле большого взрыва температура упала примерно до десяти тысяч миллионовградусов.  В это время Вселенная состояла из фотонов, электронов, нейтрино и ихантичастиц. По мере того как Вселенная продолжала расширяться, а температурападать, скорость рождения электрон антиэлектронных пар в соударениях сталаменьше скорости их уничтожения за счет аннигиляции. Поэтому почти все электроныи антиэлектроны должны были аннигилировать друг с другом, образовав новыефотоны, так что осталось лишь чуть-чуть избыточных электронов. Примерночерез сто секунд после большого взрыва температура упала до тысячи миллионовградусов, что отвечает температуре внутри самых горячих звезд. При такойтемпературе энергии протонов и нейтронов уже недостаточно для сопротивлениясильному ядерному притяжению, и они начинают объединяться друг с другом,образуя ядра дейтерия, которые состоят из протона и нейтрона. Затем ядрадейтерия присоединяют к себе еще протоны и нейтроны и превращаются в ядрагелия, содержащие два протона и два нейтрона, а также образуют небольшиеколичества более тяжелых элементов — лития и бериллия. Вычисления показывают,что, согласно горячей модели большого взрыва, около четвертой части протонов инейтронов должно было превратиться в атомы гелия и небольшое количествотяжелого водорода и других элементов. Оставшиеся нейтроны распались на протоны,представляющие собой ядра обычных атомов водорода.      Всегочерез несколько часов после большого взрыва образование гелия и другихэлементов прекратилось, после чего в течение примерно миллиона лет Вселеннаяпросто продолжала расширяться и с ней не происходило ничего особенного.Наконец, когда температура упала до нескольких тысяч градусов и энергииэлектронов и ядер стало недостаточно для преодоления действующего между нимиэлектромагнитного притяжения, они начали объединяться друг с другом, образуяатомы. Вся Вселенная как целое могла продолжать расширяться и охлаждаться, но втех областях, плотность которых была немного выше средней, расширениезамедлялось из-за дополнительного гравитационного притяжения. В результатенекоторые области перестали расширяться и начали сжиматься. В процессе сжатияпод действием гравитационного притяжения материи, находящейся снаружи этихобластей, могло начаться их медленное вращение. С уменьшением размеровколлапсирующей области ее вращение ускорялось, подобно тому, как ускоряетсявращение фигуриста на льду, когда он прижимает руки к телу. Когда наконецколлапсирующая область стала достаточно малой, скорости ее вращения должно былохватить для уравновешивания гравитационного притяжения — так образовалисьвращающиеся дискообразные галактики. Те области, которые не начали вращаться,превратились в овальные объекты, называемые эллиптическими галактиками. Коллапсэтих областей тоже прекратился, потому что, хотя отдельные части галактикистабильно вращались вокруг ее центра, галактика в целом не вращалась.      Состоящий из водорода игелия газ внутри галактик со временем распался на газовые облака меньшегоразмера, сжимающиеся и од действием собственной гравитации. При сжатии этихоблаков атомы внутри них сталкивались друг с другом, температура газаповышалась, и в конце концов газ разогрелся так сильно, чти начались реакцииядерного синтеза. В результате этих реакций из водорода образовалосьдополнительное количество гелия, а из-за выделившегося тепла возросло давлениеи газовые облака перестали сжиматься. Облака долго оставались в этом состоянии,подобно таким звездам, как наше Солнце, превращая водород в гелий и излучаявыделяющуюся энергию в виде тепла и света. Более массивным звездам дляуравновешивания своего более сильного гравитационного притяжения нужно былоразогреться сильнее, и реакции ядерного синтеза протекали в них настолькобыстрее, что они выжгли свой водород всего за сто миллионов лет. Затем онислегка сжались, и, поскольку нагрев продолжался, началось превращение гелия вболее тяжелые элементы, такие как углерод и кислород. Но в подобных процессахвыделяется не много энергии, и потому, как уже говорилось в главе о черныхдырах, должен был разразиться кризис. Не совсем ясно, что произошло потом, новполне правдоподобно, что центральные области звезды коллапсировали в оченьплотное состояние вроде нейтронной звезды или черной дыры. Внешние областизвезды могут время от времени отрываться и уноситься чудовищным взрывом,который называется взрывом сверхновой, затмевающей своим блеском все остальныезвезды в своей галактике. Часть более тяжелых элементов, образовавшихся передгибелью звезды, была отброшена в заполняющий галактику газ и превратилась всырье для последующих поколений звезд. Наше Солнце содержит около двухпроцентов упомянутых более тяжелых элементов, потому что оно является звездойвторого или третьего поколения, образовавшейся около пяти миллионов лет назадиз облака вращающегося газа, в котором находились осколки более раннихсверхновых. Газ из этого облака в основном пошел на образование Солнца или былунесен взрывом, но небольшое количество более тяжелых элементов, собравшисьвместе, превратилось в небесные тела — планеты, которые сейчас, как и Земля,вращаются вокруг Солнца

2. Рассмотрено:      Вмодели Фридмана все галактики удаляются друг от друга. Это вроде бы как надутыйшарик, на который нанесены точки, если его все больше надувать. Расстояниемежду любыми двумя точками увеличивается, но ни одну из них нельзя назватьцентром расширения. Притом чем больше расстояние между точками, тем быстрее ониудаляются друг от друга. Но и в модели Фридмана скорость, с которой любые двегалактики удаляются друг от друга, пропорциональна расстоянию между ними. Такимобразом, модель Фридмана предсказывает, что красное смешение галактики должнобыть прямо пропорционально ее удаленности от нас, в точном соответствии соткрытием Хаббла. Несмотря на успех этой модели и на согласие ее предсказаний снаблюдениями Хаббла, работа Фридмана оставалась неизвестной на Западе, и лишь в1935 г. американский физик Говард Робертсон и английский математик Артур Уолкерпредложили сходные модели в связи с открытием Хаббла.

/>

     Сам Фридман рассматривалтолько одну модель, но можно указать три разные модели, для которых выполняютсяоба фундаментальных предположения Фридмана. В модели первого типа (открытойсамим Фридманом) Вселенная расширяется достаточно медленно для того, чтобы всилу гравитационного притяжения между различными галактиками расширениеВселенной замедлялось и в конце концов прекращалось. После этого галактикиначинают приближаться друг к другу, и Вселенная начинает сжиматься. На рис. 3.2показано, как меняется со временем расстояние между двумя соседнимигалактиками. Оно возрастает от нуля до некоего максимума, а потом опять падаетдо нуля. В модели второго типа расширение Вселенной происходит так быстро, чтогравитационное притяжение хоть и замедляет расширение, не может его остановить.На рис. 3.3 показано, как изменяется в этой модели расстояние междугалактиками. Кривая выходит из нуля, а в конце концов галактики удаляются другот друга с постоянной скоростыо. Есть, наконец, и модель третьего типа, вкоторой скорость расширения Вселенной только-только достаточна для того, чтобыизбежать сжатия до нуля (коллапса). В этом случае расстояние между галактикамитоже сначала равно нулю (рис. 3.4), а потом все время возрастает. Правда,галактики «разбегаются» все с меньшей и меньшей скоростью, но онаникогда не падает до нуля.

3.Исследовано:                                                                                                                                                                Еслибы через секунду после большого взрыва скорость расширения оказалась хоть наодну сто тысяча миллион миллионную (1/100.000.000.000.000.000) меньше, топроизошло бы повторное сжатие Вселенной и она никогда бы не достигла своегосовременного состояния.

СОДЕРЖАНИЕ

1.     Модель большого Взрыва

1.1.  Гипотетическоепредставления о Вселенной

1.2.  РасширяющаясяВселенная

1.3.  Рождение игибель Вселенной

2.    Заключение 

3.    списокиспользованной литературы

Списокиспользуемой литературы

1.     П. Г.Куликовский :«Справочник любителя АСТРОНОМИИ» М.1971 г.

2.    Б. А. Воронцов-Вельяминов :«Очерки о Вселенной» М. «Наука» 1976 г.

3.    И. А. Климишин«Астрономия наших дней» М. «Наука» 1980 г.

4.    П. Девис«Случайная Вселенная» М. «МИР» 1985 г.

5.    В. Н. Комаров Б.Н. Пановский « Занимательная астрономия» М. «Наука» 1984 г.

6.    И. А. Климишин«Открытие Вселенной» М. « Наука» 1987 г.

7.    И. С. Школовский«Вселенная Жизнь Разум» М. « Наука» 1976г.

8.    В.В. Казютинский «ВселеннаяАстрономия, Философия», М.«Знание»1972 г.

9.    И.Д. Новиков «ЭволюцияВселенной», М. 1983 г.

10.  С.П. Левитан. «Астрономия», М.,«Просвещение» 1994 г.

www.ronl.ru

Реферат - Модель большого взрыва и расширяющейся Вселенной

Сочинский Государственный Университет Туризма и Курортного Дела

Реферат:

На тему: Модель большого взрыва и расширяющейся Вселенной

Выполнил Голиков А.С.

Студент 2 курса

Группы 20 ГМУ

СОЧИ 2002 г.

введение.

Одной из основных концепций современного естествознания является учение о Вселенной как едином целом и обо всей охваченной астрономическими наблюдениями области Вселенной (Метагалактике) как части целого — космология. Выводы космологии основываются и на законах физики, и на данных наблюдательной астрономии. Как любая наука, космология в своей структуре кроме эмпирического и теоретического уровней имеет также уровень философских предпосылок, философских оснований. Так, в основании современной космологии лежит предположение о том, что законы природы, установленные на основе изучения весьма ограниченной части Вселенной, чаще всего на основе опытов на планете Земля, могут быть экстраполированы на значительно большие области, в конечном счете — на всю Вселенную. Это предположение об устойчивости законов природы в пространстве и времени относится к уровню философских оснований современной космологии.

Цель моего реферата состоит в том, чтоб разобраться, что же все-таки представляет с себя вселенная. В моем реферате поставлены такие задачи:

1. Изучить, как произошел тот темп развития вселенной, начиная с момента «большого взрыва»?

2. Рассмотреть взгляды различных ученых, философов, политологов о том, как расширяется вселенная?

3. Исследовать, почему Вселенная начала расширятся со скоростью, столь близкой к критической, которая разделяет модели с повторным сжатием и модели с вечным расширением, так что даже сейчас, через десять тысяч миллионов лет, Вселенная продолжает расширяться со скоростью, примерно равной критической?

1. Модель Большого Взрыва

Модель эволюционной истории Вселенной, согласно которой она возникла в бесконечно плотном состоянии и с тех пор расширяется. Это событие произошло от 13 до 20 миллиардов лет назад и известно как «Большой Взрыв». Теория Большого Взрыва теперь общепринята, так как она объясняет оба наиболее значительных факта космологии: расширяющуюся Вселенную и существование космического фонового излучения. Можно воспользоваться известными законами физики и просчитать в обратном направлении все состояния, в которых находилась Вселенная, начиная с 10-43 секунд после Большого Взрыва. В течение первого миллиона лет вещество и энергия во Вселенной сформировали непрозрачную плазму, иногда называемую первичным огненным шаром. К концу этого периода расширение Вселенной заставило температуру опуститься ниже 3000 K, так что протоны и электроны смогли объединяться, образуя атомы водорода. На этой стадии Вселенная стала прозрачной для излучения. Плотность вещества теперь стала выше плотности излучения, хотя раньше ситуация была обратной, что и определяло скорость расширения Вселенной. Фоновое микроволновое излучение — все, что осталось от сильно охлажденного излучения ранней Вселенной. Первые галактики начали формироваться из первичных облаков водорода и гелия только через один или два миллиарда лет. Термин «Большой Взрыв» может применяться к любой модели расширяющейся Вселенной, которая в прошлом была горячей и плотной.

1.1. Гипотетическое представление о Вселенной

Как-то один известный ученый ( Бертран Рассел) читал публичную лекцию об астрономии. Он рассказывал, как Земля вращается вокруг Солнца, а Солнце, в свою очередь, вращается вокруг центра огромного скопления звезд, которое называют нашей Галактикой. Когда лекция подошла к концу, из последних рядов зала поднялась маленькая пожилая леди и сказала: «Все, что вы нам говорили, — чепуха. На самом деле наш мир — это плоская тарелка, которая стоит па спине гигантской черепахи». Снисходительно улыбнувшись, ученый спросил: «А на чем держится черепаха?» — «Вы очень умны, молодой человек, — ответила пожилая леди. — Черепаха — на другой черепахе, та — тоже на черепахе, и так все ниже и ниже». Такое представление о Вселенной как о бесконечной башне из черепах большинству из нас покажется смешным, но почему мы думаем, что сами знаем лучше? Что нам известно о Вселенной, и как мы это узнали? Откуда взялась Вселенная, и что с ней станется? Было ли у Вселенной начало, а если было, то что происходило до начала? Какова сущность времени? Кончится ли оно когда-нибудь? Достижения физики последних лет, которыми мы частично обязаны фантастической новой технике, позволяют наконец получить ответы хотя бы на отдельные из таких давно поставленных вопросов. Пройдет время, и эти ответы, может быть, станут столь же очевидными, как-то, что Земля вращается вокруг Солнца, а может быть, столь же нелепыми, как башня из черепах. Только время (чем бы оно ни было) решит это. Еще в 340 г. до н. э. греческий философ Аристотель в своей книге «О небе» привел два веских довода в пользу того, что Земля не плоская тарелка, а круглый шар. Во-первых, Аристотель догадался, что лунные затмения происходят тогда, когда Земля оказывается между Луной и Солнцем. Земля всегда отбрасывает на Луну круглую тень, а это может быть лишь в том случае, если Земля имеет форму шара. Будь Земля плоским диском, ее тень имела бы форму вытянутого эллипса, если только затмение не происходит всегда именно в тот момент, когда Солнце находится точно на оси диска. Во-вторых, по опыту своих путешествий греки знали, что в южных районах Полярная звезда на небе располагается ниже, чем в северных. (Поскольку Полярная звезда находится над Северным полюсом, она будет прямо над головой наблюдателя, стоящего на Северном полюсе, а человеку на экваторе покажется, что она на линии горизонта). Зная разницу в кажущемся положении Полярной звезды в Египте и Греции, Аристотель сумел даже вычислить, что длина экватора равна 400 000 стадиев. Что такое стадий, точно неизвестно, но он близок к 200 метрам, и, стало быть, оценка Аристотеля примерно в 2 раза больше значения, принятого сейчас. У греков был еще и третий довод в пользу шарообразной формы Земли: если Земля не круглая, то почему же мы сначала видим паруса корабля, поднимающиеся над горизонтом, и только потом сам корабль? Аристотель думал, что Земля неподвижна, а Солнце, Луна, планеты и звезды вращаются вокруг нее по круговым орбитам. Он так полагал, ибо в соответствии со своими мистическими воззрениями Землю считал центром Вселенной, а круговое движение — самым совершенным. Птолемей во II веке развил идею Аристотеля в полную космологическую модель. Земля стоит в центре, окруженная восемью сферами, несущими на себе Луну, Солнце и пять известных тогда планет: Меркурий, Венеру, Марс, Юпитер и Сатурн (рис. 1.1). Сами планеты, считал Птолемей, движутся по меньшим кругам, скрепленным с соответствующими сферами. Это объясняло тот весьма сложный путь, который, как мы видим, совершают планеты. На самой последней сфере располагаются неподвижные звезды, которые, оставаясь в одном и том же положении друг относительно друга, движутся по небу все вместе как единое целое. Что лежит за последней сферой, не объяснялось, но во всяком случае это уже не было частью той Вселенной, которую наблюдает человечество.

Модель Птолемея позволяла неплохо предсказывать положение небесных тел на небосводе, но для точного предсказания ему пришлось принять, что траектория Луны в одних местах подходит к Земле в 2 раза ближе, чем в других! Это означает, что в одном положении Луна должна казаться в 2 раза большей, чем в другом! Птолемей знал об этом недостатке, но тем не менее его теория была признана, хотя и не везде. Христианская Церковь приняла Птолемееву модель Вселенной как не противоречащую Библии, ибо эта модель была очень хороша тем, что оставляла за пределами сферы неподвижных звезд много места для ада и рая. Однако в 1514 г. польский священник Николай Коперник предложил еще более простую модель. (Вначале, опасаясь, наверное, того, что Церковь объявит его еретиком, Коперник пропагандировал свою модель анонимно). Его идея состояла в том, что Солнце стоит неподвижно в центре, а Земля и другие планеты обращаются вокруг него по круговым орбитам. Прошло почти столетие, прежде чем идею Коперника восприняли серьезно. Два астронома — немец Иоганн Кеплер и итальянец Галилео Галилей — публично выступили в поддержку теории Коперника, несмотря на то что предсказанные Коперником орбиты не совсем совпадали с наблюдаемыми. Теории Аристотеля- Птолемея пришел конец в 1609 г., когда Галилей начал наблюдать ночное тения, согласно которому всякое тело во Вселенной притягивается к любому другому телу с тем большей силой, чем больше массы этих тел и чем меньше расстояние между ними. Это та самая сила, которая заставляет тела падать на землю. (Рассказ о том, что Ньютона вдохновило яблоко, упавшее ему на голову, почти наверняка недостоверен. Сам Ньютон сказал об этом лишь то, что мысль о тяготении пришла, когда он сидел в «созерцательном настроении», и «поводом было падение яблока»). Далее Ньютон показал, что, согласно его закону, Луна под действием гравитационных сил движется по эллиптической орбите вокруг Земли, а Земля и планеты вращаются по эллиптическим орбитам вокруг Солнца. Модель Коперника помогла избавиться от Птолемеевых небесных сфер, а заодно и от представления о том, что Вселенная имеет какую-то естественную границу. Поскольку «неподвижные звезды» не изменяют своего положения на небе, если не считать их кругового движения, связанного с вращением Земли вокруг своей оси, естественно было предположить, что неподвижные звезды — это объекты, подобные нашему Солнцу, только гораздо более удаленные. Ньютон понимал, что по его теории тяготения звезды должны притягиваться друг к другу и поэтому, казалось бы, не могут оставаться совсем неподвижными. Не должны ли они упасть друг на друга, сблизившись в какой-то точке? В 1691 г. в письме Ричарду Бентли, еще одному выдающемуся мыслителю того времени, Ньютон говорил, что так действительно должно было бы произойти, если бы у нас было лишь конечное число звезд в конечной области пространства. Но, рассуждал Ньютон, если число звезд бесконечно и они более или менее равномерно распределены по бесконечному пространству, то этого никогда не произойдет, так как нет центральной точки, куда им нужно было бы падать. Эти рассуждения — пример того, как легко попасть впросак, ведя разговоры о бесконечности. В бесконечной Вселенной любую точку можно считать центром, так как по обе стороны от нее число звезд бесконечно. Лишь гораздо позже поняли, что более правильный подход — взять конечную систему, в которой все звезды падают друг на друга, стремясь к центру, и посмотреть, какие будут изменения, если добавлять еще и еще звезд, распределенных приблизительно равномерно вне рассматриваемой области. По закону Ньютона дополнительные звезды в среднем никак не повлияют на первоначальные, т. е. звезды будут с той же скоростью падать в центр выделенной области. Сколько бы звезд мы ни добавили, они всегда будут стремиться к центру. В наше время известно, что бесконечная статическая модель Вселенной невозможна, если гравитационные силы всегда остаются силами взаимного притяжения. Интересно, каким было общее состояние научной мысли до начала XX в.: никому и в голову не пришло, что Вселенная может расширяться или сжиматься. Все считали, что Вселенная либо существовала всегда в неизменном состоянии, либо была сотворена в какой-то момент времени в прошлом примерно такой, какова она сейчас. Отчасти это, может быть, объясняется склонностью людей верить в вечные истины, а также особой притягательностью той мысли, что, пусть сами они состарятся и умрут, Вселенная останется вечной и неизменной. Даже тем ученым, которые поняли, что ньютоновская теория тяготения делает невозможной статическую Вселенную, не приходила в голову гипотеза расширяющейся Вселенной. Они попытались модифицировать теорию, сделав гравитационную силу отталкивающей на очень больших расстояниях. Это практически не меняло предсказываемого движения планет, но зато позволяло бесконечному распределению звезд оставаться в равновесии, так как притяжение близких звезд компенсировалось отталкиванием от далеких. Но сейчас мы считаем, что такое равновесие оказалось бы неустойчивым. В самом деле, если в какой-то области звезды чуть-чуть сблизятся, то силы притяжения между ними возрастут и станут больше сил отталкивания, так что звезды будут и дальше сближаться. Если же расстояние между звездами чуть-чуть увеличится, то перевесят силы отталкивания и расстояние будет нарастать. Еще одно возражение против модели бесконечной статической Вселенной обычно приписывается немецкому философу Генриху Олберсу, который в 1823 г. опубликовал работу, посвященную этой модели. На самом деле многие современники Ньютона занимались той же задачей, и статья Олберса была даже не первой среди работ, в которых высказывались серьезные возражения. Ее лишь первой стали широко цитировать. Возражение таково: в бесконечной статической Вселенной любой луч зрения должен упираться в какую-нибудь звезду. Но тогда небо даже ночью должно ярко светиться, как Солнце. Контраргумент Олберса состоял в том, что свет, идущий к нам от далеких звезд, должен ослабляться из-за поглощения в находящемся на его пути веществе. Но в таком случае само это вещество должно нагреться и ярко светиться, как звезды. Единственная возможность избежать вывода о ярко, как Солнце, светящемся ночном небе — предположить, что звезды сияли не всегда, а загорелись в какой-то определенный момент времени в прошлом. Тогда поглощающее вещество, возможно, еще не успело разогреться или же свет далеких звезд еще не дошел до нас. Но возникает вопрос: почему зажглись звезды? Конечно, проблема возникновения Вселенной занимала умы людей уже очень давно. Согласно ряду ранних космогонии и иудейско-христианско-мусульманским мифам, наша Вселенная возникла в какой-то определенный и не очень отдаленный момент времени в прошлом. Одним из оснований таких верований была потребность найти «первопричину» существования Вселенной. Любое событие во Вселенной объясняют, указывая его причину, т. е. другое событие, произошедшее раньше; подобное объяснение существования самой Вселенной возможно лишь в том случае, если у нее было начало. Другое основание выдвинул Блаженный Августин (православная Церковь считает Августина блаженным, а Католическая — святым. — прим. ред.). в книге «Град Божий». Он указал на то, что цивилизация прогрессирует, а мы помним, кто совершил то или иное деяние и кто что изобрел. Поэтому человечество, а значит, вероятно, и Вселенная, вряд ли очень долго существуют. Блаженный Августин считал приемлемой дату сотворения Вселенной, соответствующую книге «Бытия»: приблизительно 5000 год до нашей эры. (Интересно, что эта дата не так уж далека от конца последнего ледникового периода — 10 000 лет до н. э., который археологи считают началом цивилизации). Аристотелю же и большинству других греческих философов не нравилась идея сотворения Вселенной, так как она связывалась с божественным вмешательством. Поэтому они считали, что люди и окружающий их мир существовали и будут существовать вечно. Довод относительно прогресса цивилизации ученые древности рассматривали и решили, что в мире периодически происходили потопы и другие катаклизмы, которые все время возвращали человечество к исходной точке цивилизации. Вопросы о том, возникла ли Вселенная в какой-то начальный момент времени и ограничена ли она в пространстве, позднее весьма пристально рассматривал философ Иммануил Кант в своем монументальном (и очень темном) труде «Критика чистого разума», который был издан в 1781 г. Он назвал эти вопросы антиномиями (т. е. противоречиями) чистого разума, так как видел, что в равной мере нельзя ни доказать, ни опровергнуть ни тезис о необходимости начала Вселенной, ни антитезис о ее вечном существовании. Тезис Кант аргументировал тем, что если бы у Вселенной не было начала, то всякому событию предшествовал бы бесконечный период времени, а это Кант считал абсурдом. В поддержку антитезиса Кант говорил, что если бы Вселенная имела начало, то ему предшествовал бы бесконечный период времени, а тогда спрашивается, почему Вселенная вдруг возникла в тот, а не другой момент времени? На самом деле аргументы Канта фактически одинаковы и для тезиса, и для антитезиса. Он исходит из молчаливого предположения, что время бесконечно в прошлом независимо от того, существовала или не существовала вечно Вселенная. Как мы увидим ниже, до возникновения Вселенной понятие времени лишено смысла. Когда большинство людей верило в статическую и неизменную Вселенную, вопрос о том, имела она начало или нет, относился, в сущности, к области метафизики и теологии. Все наблюдаемые явления можно было объяснить как с помощью теории, в которой Вселенная существует вечно, так и с помощью теории, согласно которой Вселенную сотворили в какой-то определенный момент времени таким образом, чтобы все выглядело, как если бы она существовала вечно. Но в 1929 г. Эдвин Хаббл сделал эпохальное открытие: оказалось, что в какой бы части неба ни вести наблюдения, все далекие галактики быстро удаляются от нас. Иными словами, Вселенная расширяется. Это означает, что в более ранние времена все объекты были ближе друг к другу, чем сейчас. Значит, было, по-видимому, время, около десяти или двадцати тысяч миллионов лет назад, когда они все находились в одном месте, так что плотность Вселенной была бесконечно большой. Сделанное Хабблом открытие перевело вопрос о том, как возникла Вселенная, в область компетенции науки. Наблюдения Хаббла говорили о том, что было время — так называемый большой взрыв, когда Вселенная была бесконечно малой и бесконечно плотной. При таких условиях все законы науки теряют смысл и не позволяют предсказывать будущее. Если в еще более ранние времена и происходили какие-либо события, они все равно никак не смогли бы повлиять на то, что происходит сейчас. Из-за отсутствия же наблюдаемых следствий ими можно просто пренебречь. Большой взрыв можно считать началом отсчета времени в том смысле, что более ранние времена были бы просто не определены. Подчеркнем, что такое начало отсчета времени очень сильно отличается от всего того, что предлагалось до Хаббла. Начало времени в неизменяющейся Вселенной есть нечто, что должно определяться чем-то, существующим вне Вселенной; для начала Вселенной нет физической необходимости. Сотворение Богом Вселенной можно в своем представлении относить к любому моменту времени в прошлом. Если же Вселенная расширяется, то могут существовать физические причины для того, чтобы она имела начало. Можно по-прежнему представлять себе, что именно Бог создал Вселенную — в момент большого взрыва или даже позднее (но так, как если бы произошел большой взрыв). Однако было бы абсурдно утверждать, что Вселенная возникла раньше большого взрыва. Представление о расширяющейся Вселенной не исключает создателя, но налагает ограничения на возможную дату его трудов!

Поскольку уже существующих частных теорий вполне достаточно, чтобы делать точные предсказания во всех ситуациях, кроме самых экстремальных, поиск окончательной теории Вселенной не отвечает требованиям практической целесообразности. (Заметим, однако, что аналогичные возражения можно было бы выдвинуть против теории относительности и квантовой механики, а ведь именно эти теории произвели революцию в ядерной физике и в микроэлектронике!) Таким образом, открытие полной единой теории, может быть, не будет способствовать выживанию и даже никак не повлияет на течение нашей жизни. Но уже на заре цивилизации людям не нравились необъяснимые и не связанные между собой события, и они страстно желали понять тот порядок, который лежит в основе нашего мира. По сей день мы мечтаем узнать, почему мы здесь оказались и откуда взялись. Стремление человечества к знанию является для нас достаточным оправданием, чтобы продолжать поиск. А наша конечная цель — никак не меньше, чем полное описание Вселенной, в которой мы обитаем.

1.2 Расширяющаяся Вселенная

Если в ясную безлунную ночь посмотреть на небо, то, скорее всего, самыми яркими объектами, которые вы увидите, будут планеты Венера, Марс, Юпитер и Сатурн. Кроме того, вы увидите огромное количество звезд, похожих на наше Солнце, но находящихся гораздо дальше от нас. При вращении Земли вокруг Солнца некоторые из этих «неподвижных» звезд чуть-чуть меняют свое положение относительно друг друга, т. е. на самом деле они вовсе не неподвижны! Дело в том, что они несколько ближе к нам, чем другие. Поскольку же Земля вращается вокруг Солнца, близкие звезды видны все время в разных точках фона более удаленных звезд. Благодаря этому можно непосредственно измерить расстояние от нас до этих звезд: чем они ближе, тем сильнее заметно их перемещение. Самая близкая звезда, называемая Проксимой Центавра, находится от нас на расстоянии приблизительно четырех световых лет (т. е. свет от нее идет до Земли около четырех лет), или около 37 миллионов километров. Большинство звезд, видимых невооруженным глазом, удалены от нас на несколько сотен световых лет. Сравните это с расстоянием до нашего Солнца, составляющим всего восемь световых минут! Видимые звезды рассыпаны но всему ночному небу, но особенно густо в той полосе, которую мы называем Млечным Путем. Еще в 1750 г. некоторые астрономы высказывали мысль, что существование Млечного Пути объясняется тем, что большая часть видимых звезд образует одну дискообразную конфигурацию — пример того, что сейчас называется спиральной галактикой. Лишь через несколько десятилетий астроном Уильям Гершель подтвердил это предположение, выполнив колоссальную работу но составлению каталога положений огромного количества звезд и расстояний до них. Но даже после этого представление о спиральных галактиках было принято всеми лишь в начале нашего века. Современная картина Вселенной возникла только в 1924 г., когда американский астроном Эдвин Хаббл показал, что наша Галактика не единственная. На самом деле существует много других галактик, разделенных огромными областями пустого пространства. Для доказательства Хабблу требовалось определить расстояния до этих галактик, которые настолько велики, что, в отличие от положений близких звезд, видимые положения галактик действительно не меняются. Поэтому для измерения расстояний Хаббл был вынужден прибегнуть к косвенным методам. Видимая яркость звезды зависит от двух факторов: от того, какое количество света излучает звезда (се светимости), и от того, гдe она находится. Яркость близких звезд и расстояние до них мы можем измерить; следовательно, мы можем вычислить и их светимость. И наоборот, зная светимость звезд в других галактиках, мы могли бы вычислить расстояние до них, измерив их видимую яркость. Хаббл заметил, что светимость некоторых типов звезд всегда одна и та же, когда они находятся достаточно близко для того, чтобы можно было производить измерения. Следовательно, рассуждал Хаббл, если такие звезды обнаружатся в другой галактике, то, предположив у них такую же светимость, мы сумеем вычислить расстояние до этой галактики. Если подобные расчеты для нескольких звезд одной и той же галактики дадут один и тот же результат, то полученную оценку расстояния можно считать надежной.

Таким путем Хаббл рассчитал расстояния до девяти разных галактик. Теперь известно, что наша Галактика — одна из нескольких сотен тысяч миллионов галактик, которые можно наблюдать в современные телескопы, а каждая из этих галактик в свою очередь содержит сотни тысяч миллионов звезд. На рис. 3.1 показано, какой увидел бы нашу Галактику наблюдатель, живущий в какой-нибудь другой галактике. Наша Галактика имеет около ста тысяч световых лет в поперечнике. Она медленно вращается, а звезды в ее спиральных рукавах каждые несколько сотен миллионов лет делают примерно один оборот вокруг ее центра. Наше Солнце представляет собой обычную желтую звезду средней величины, расположенную на внутренней стороне одного из спиральных рукавов. Какой же огромный путь мы прошли от Аристотеля и Птолемея, когда Земля считалась центром Вселенной! в ее атмосфере. В 20-х годах, когда астрономы начали исследование спектров звезд других галактик, обнаружилось нечто еще более странное: в нашей собственной Галактике оказались те же самые характерные наборы отсутствующих цветов, что и у звезд, но все они были сдвинуты на одну и ту же величину к красному концу спектра. Чтобы понять смысл сказанного, следует сначала разобраться с эффектом Доплера. Как мы уже знаем, видимый свет — это колебания, или волны электромагнитного поля. Частота (число волн в одну секунду) световых колебаний чрезвычайно высока — от четырехсот до семисот миллионов волн в секунду. Человеческий глаз воспринимает свет разных частот как разные цвета, причем самые низкие частоты соответствуют красному концу спектра, а самые высокие — фиолетовому. Представим себе источник света, расположенный на фиксированном расстоянии от нас (например, звезду), излучающий с постоянной частотой световые волны. Очевидно, что частота приходящих волн будет такой же, как та, с которой они излучаются (пусть гравитационное поле галактики невелико и его влияние несущественно). Предположим теперь, что источник начинает двигаться в нашу сторону. При испускании следующей волны источник окажется ближе к нам, а потому время, за которое гребень этой волны до нас дойдет, будет меньше, чем в случае неподвижной звезды. Стало быть, время между гребнями двух пришедших волн будет меньше, а число волн, принимаемых нами за одну секунду (т. е. частота), будет больше, чем когда звезда была неподвижна. При удалении же источника частота приходящих волн будет меньше. Это означает, что спектры удаляющихся звезд будут сдвинуты к красному концу (красное смещение), а спектры приближающихся звезд должны испытывать фиолетовое смещение. Такое соотношение между скоростью и частотой называется эффектом Доплера, и этот эффект обычен даже в нашей повседневной жизни. Прислушайтесь к тому, как идет по шоссе машина: когда она приближается, звук двигателя выше (т. е. выше частота испускаемых им звуковых волн), а когда, проехав мимо, машина начинает удаляться, звук становится ниже. Световые волны и радиоволны ведут себя аналогичным образом. Эффектом Доплера пользуется полиция, определяя издалека скорость движения автомашин по частоте радиосигналов, отражающихся от них. Доказав, что существуют другие галактики, Хаббл все последующие годы посвятил составлению каталогов расстояний до этих галактик и наблюдению их спектров. В то время большинство ученых считали, что движение галактик происходит случайным образом и поэтому спектров, смещенных в красную сторону, должно наблюдаться столько же, сколько и смещенных в фиолетовую. Каково же было удивление, когда у большей части галактик обнаружилось красное смещение спектров, т. е. оказалось, что почти все галактики удаляются от нас! Еще более удивительным было открытие, опубликованное Хабблом в 1929 г.: Хаббл обнаружил, что даже величина красного смещения не случайна, а прямо пропорциональна расстоянию от нас до галактики. Иными словами, чем дальше находится галактика, тем быстрее она удаляется! А это означало, что Вселенная не может быть статической, как думали раньше, что на самом деле она непрерывно расширяется и расстояния между галактиками все время растут. Открытие расширяющейся Вселенной было одним из великих интеллектуальных переворотов двадцатого века. Задним числом мы можем лишь удивляться тому, что эта идея не пришла никому в голову раньше. Ньютон и другие ученые должны были бы сообразить, что статическая Вселенная вскоре обязательно начала бы сжиматься под действием гравитации. Но предположим, что Вселенная, наоборот, расширяется. Если бы расширение происходило достаточно медленно, то под действием гравитационной силы оно в конце концов прекратилось бы и перешло в сжатие. Однако если бы скорость расширения превышала некоторое критическое значение, то гравитационного взаимодействия не хватило бы, чтобы остановить расширение, и оно продолжалось бы вечно. Все это немного напоминает ситуацию, возникающую, когда с поверхности Земли запускают вверх ракету. Если скорость ракеты не очень велика, то из-за гравитации она в конце концов остановится и начнет падать обратно. Если же скорость ракеты больше некоторой критической (около одиннадцати километров в секунду), то гравитационная сила не сможет ее вернуть, и ракета будет вечно продолжать свое движение от Земли. Расширение Вселенной могло быть предсказано на основе ньютоновской теории тяготения в XIX, XVIII и даже в конце XVII века. Однако вера в статическую Вселенную была столь велика, что жила в умах еще в начале нашего века. Даже Эйнштейн, разрабатывая в 1915 г. общую теорию относительности, был уверен в статичности Вселенной. Чтобы не вступать в противоречие со статичностью, Эйнштейн модифицировал свою теорию, введя в уравнения так называемую космологическую постоянную. Он ввел новую «антигравитационную» силу, которая в отличие от других сил не порождалась каким-либо источником, а была заложена в саму структуру пространства-времени. Эйнштейн утверждал, что пространство-время само по себе всегда расширяется и этим расширением точно уравновешивается притяжение всей остальной материи во Вселенной, так что в результате Вселенная оказывается статической. По-видимому, лишь один человек полностью поверил в общую теорию относительности: пока Эйнштейн и другие физики думали над тем, как обойти не статичность Вселенной, предсказываемую этой теорией, русский физик и математик А. А. Фридман, наоборот, занялся ее объяснением. Фридман сделал два очень простых исходных предположения: во-первых, Вселенная выглядит одинаково, в каком бы направлении мы ее ни наблюдали, и во-вторых, это утверждение должно оставаться справедливым и в том случае, если бы мы производили наблюдения из какого-нибудь другого места. Не прибегая ни к каким другим предположениям, Фридман показал, что Вселенная не должна быть статической. В 1922 г., за несколько лет до открытия Хаббла, Фридман в точности предсказал его результат! Предположение об одинаковости Вселенной во всех направлениях на самом деле, конечно, не выполняется. Как мы, например, уже знаем, другие звезды в нашей Галактике образуют четко выделяющуюся светлую полосу, которая идет пo всему небу ночью — Млечный Путь. Нo если говорить о далеких галактиках, то их число во всех направлениях примерно одинаково. Следовательно, Вселенная действительно «примерно» одинакова во всех направлениях — при наблюдении в масштабе, большом по сравнению с расстоянием между галактиками, когда отбрасываются мелкомасштабные различия. Правда, на первый взгляд, тот факт, что Вселенная кажется нам одинаковой во всех направлениях, может говорить о какой-то выделенности нашего местоположения во Вселенной. В частности, раз мы видим, что все остальные галактики удаляются от нас, значит, мы находимся в центре Вселенной. Но есть и другое объяснение: Вселенная будет выглядеть одинаково во всех направлениях и в том случае, если смотреть на нее из какой-нибудь другой галактики. Это, как мы знаем, вторая гипотеза Фридмана. У нас нет научных доводов ни за, ни против этого предположения, и мы приняли его, так сказать, из скромности: было бы крайне странно, если бы Вселенная казалась одинаковой во всех направлениях только вокруг нас, а в других ее точках этого не было! В модели Фридмана все галактики удаляются друг от друга. Это вроде бы как надутый шарик, на который нанесены точки, если его все больше надувать. Расстояние между любыми двумя точками увеличивается, но ни одну из них нельзя назвать центром расширения. Притом чем больше расстояние между точками, тем быстрее они удаляются друг от друга. Но и в модели Фридмана скорость, с которой любые две галактики удаляются друг от друга, пропорциональна расстоянию между ними. Таким образом, модель Фридмана предсказывает, что красное смешение галактики должно быть прямо пропорционально ее удаленности от нас, в точном соответствии с открытием Хаббла. Несмотря на успех этой модели и на согласие ее предсказаний с наблюдениями Хаббла, работа Фридмана оставалась неизвестной на Западе, и лишь в 1935 г. американский физик Говард Робертсон и английский математик Артур Уолкер предложили сходные модели в связи с открытием Хаббла.

Сам Фридман рассматривал только одну модель, но можно указать три разные модели, для которых выполняются оба фундаментальных предположения Фридмана. В модели первого типа (открытой самим Фридманом) Вселенная расширяется достаточно медленно для того, чтобы в силу гравитационного притяжения между различными галактиками расширение Вселенной замедлялось и в конце концов прекращалось. После этого галактики начинают приближаться друг к другу, и Вселенная начинает сжиматься. На рис. 3.2 показано, как меняется со временем расстояние между двумя соседними галактиками. Оно возрастает от нуля до некоего максимума, а потом опять падает до нуля. В модели второго типа расширение Вселенной происходит так быстро, что гравитационное притяжение хоть и замедляет расширение, не может его остановить. На рис. 3.3 показано, как изменяется в этой модели расстояние между галактиками. Кривая выходит из нуля, а в конце концов галактики удаляются друг от друга с постоянной скоростыо. Есть, наконец, и модель третьего типа, в которой скорость расширения Вселенной только-только достаточна для того, чтобы избежать сжатия до нуля (коллапса). В этом случае расстояние между галактиками тоже сначала равно нулю (рис. 3.4), а потом все время возрастает. Правда, галактики «разбегаются» все с меньшей и меньшей скоростью, но она никогда не падает до нуля. Модель Фридмана первого типа удивительна тем, что в ней Вселенная не бесконечна в пространстве, хотя пространство не имеет границ. Гравитация настолько сильна, что пространство, искривляясь, замыкается с самим собой, уподобляясь земной поверхности. Ведь, перемещаясь в определенном направлении по поверхности Земли, вы никогда не натолкнетесь на абсолютно непреодолимую преграду, не вывалитесь через край и в конце концов вернетесь в ту же самую точку, откуда вышли. В первой модели Фридмана пространство такое же, но только вместо двух измерений, поверхность Земли имеет три измерения. Четвертое измерение, время, тоже имеет конечную протяженность, но оно подобно отрезку прямой, имеющему начало и конец. Потом мы увидим, что если общую теорию относительности объединить с квантово-механическим принципом неопределенности, то окажется, что и пространство, и время могут быть конечными, не имея при этом ни краев, ни границ. Мысль о том, что можно обойти вокруг Вселенной и вернуться в то же место, годится для научной фантастики, но не имеет практического значения, ибо, как можно показать, Вселенная успеет сжаться до нуля до окончания обхода. Чтобы вернуться в исходную точку до наступления конца Вселенной, пришлось бы передвигаться со скоростью, превышающей скорость света, а это невозможно! В первой модели Фридмана (в которой Вселенная расширяется и сжимается) пространство искривляется, замыкаясь, само на себя, как поверхность Земли. Поэтому размеры его конечны. Во второй же модели, в которой Вселенная расширяется бесконечно, пространство искривлено иначе, как поверхность седла. Таким образом, во втором случае пространство бесконечно. Наконец, в третьей модели Фридмана (с критической скоростью расширения) пространство плоское (и, следовательно, тоже бесконечное). Но какая же из моделей Фридмана годится для нашей Вселенной? Перестанет ли Вселенная, наконец расширяться и начнет сжиматься или же будет расширяться вечно? Чтобы ответить на этот вопрос, нужно знать нынешнюю скорость расширения Вселенной и ее среднюю плотность. Если плотность меньше некоторого критического значения, зависящего от скорости расширения, то гравитационное притяжение будет слишком мало, чтобы остановить расширение. Если же плотность больше критической, то в какой-то момент в будущем из-за гравитации расширение Вселенной прекратится и начнется сжатие. Сегодняшнюю скорость расширения Вселенной можно определить, измеряя (по эффекту Доплера) скорости удаления от нас других галактик. Такие измерения можно выполнить очень точно. Но расстояния до других галактик нам плохо известны, потому что их нельзя измерить непосредственно. Мы знаем лишь, что Вселенная расширяется за каждую тысячу миллионов лет на 5-10%. Однако неопределенность в современном значении средней плотности Вселенной еще больше. Если сложить массы всех наблюдаемых звезд в нашей и других галактиках, то даже при самой низкой оценке скорости расширения сумма окажется меньше одной сотой той плотности, которая необходима для того, чтобы расширение Вселенной прекратилось. Однако и в нашей, и в других галактиках должно быть много темной материи, которую нельзя видеть непосредственно, но о существовании, которой мы узнаем по тому, как ее гравитационное притяжение влияет на орбиты звезд в галактиках. Кроме того, галактики в основном наблюдаются в виде скоплений, и мы можем аналогичным образом сделать вывод о наличии еще большего количества межгалактической темной материи внутри этих скоплений, влияющего на движение галактик. Сложив массу всей темной материи, мы получим лишь одну десятую того количества, которое необходимо для прекращения расширения. Но нельзя исключить возможность существования и какой-то другой формы материи, распределенной равномерно по всей Вселенной и еще не зарегистрированной, которая могла бы довести среднюю плотность Вселенной до критического значения, необходимого, чтобы остановить расширение. Таким образом, имеющиеся данные говорят о том, что Вселенная, вероятно, будет расширяться вечно. Единственное, в чем можно быть совершенно уверенным, так это в том, что если сжатие Вселенной все-таки произойдет, то никак не раньше, чем через десять тысяч миллионов лет, ибо по крайней мере столько времени она уже расширяется. Но это не должно нас слишком сильно тревожить: к тому времени, если мы не переселимся за пределы Солнечной системы, человечества давно уже не будет — оно угаснет вместе с Солнцем! Все варианты модели Фридмана имеют то общее, что в какой-то момент времени в прошлом (десять-двадцать тысяч миллионов лет назад) расстояние между соседними галактиками должно было равняться нулю. В этот момент, который называется большим взрывом, плотность Вселенной и кривизна пространства-времени должны были быть бесконечными. Поскольку математики реально не умеют обращаться с бесконечно большими величинами, это означает, что, согласно общей теории относительности (на которой основаны решения Фридмана), во Вселенной должна быть точка, в которой сама эта теория неприменима. Все наши научные теории основаны на предположении, что пространство-время гладкое и почти плоское, а потому все эти теории неверны в сингулярной точке большого взрыва, в которой кривизна пространства-времени бесконечна. Следовательно, даже если бы перед большим взрывом происходили какие-нибудь события, по ним нельзя было бы спрогнозировать будущее, так как в точке большого взрыва возможности предсказания свелись бы к нулю. Точно так же, зная только то, что произошло после большого взрыва (а мы знаем только это), мы не сможем узнать, что происходило до него. События, которые произошли до большого взрыва, не могут иметь никаких последствий, касающихся нас, и поэтому не должны фигурировать в научной модели Вселенной. Следовательно, нужно исключить их из модели и считать началом отсчета времени момент большого взрыва. В 1963 г. два советских физика, Е. М. Лифшиц и И. М. Халатников, сделали еще одну попытку исключить большой взрыв, а с ним и начало времени. Лифшиц и Халатников высказали предположение, что большой взрыв — особенность лишь моделей Фридмана, которые в конце концов дают лишь приближенное описание реальной Вселенной. Не исключено, что из всех моделей, в какой-то мере описывающих существующую Вселенную, сингулярность в точке большого взрыва возникает только в моделях Фридмана. Согласно Фридману, все галактики удаляются в прямом направлении друг от друга, и поэтому все они находились в одном месте. Однако в реально существующей Вселенной галактики никогда не расходятся точно по прямой: обычно у них есть еще и небольшие составляющие скорости, направленные под углом. Поэтому на самом деле галактикам не нужно находиться точно в одном месте — достаточно, чтобы они были расположены очень близко друг к другу. Тогда нынешняя расширяющаяся Вселенная могла возникнуть не в сингулярной точке большого взрыва, а на какой-нибудь более ранней фазе сжатия; может быть, при сжатии Вселенной столкнулись друг с другом не все частицы. Какая-то доля их могла пролететь мимо друг друга и снова разойтись в разные стороны, в результате чего и происходит наблюдаемое сейчас расширение Вселенной. Как тогда определить, был ли началом Вселенной большой взрыв? Лифшиц и Халатников занялись изучением моделей, которые в общих чертах были бы похожи на модели Фридмана, но отличались от фридмановских тем, что в них учитывались нерегулярности и случайный характер реальных скоростей галактик во Вселенной. В результате Лифшиц и Халатников показали, что в таких моделях большой взрыв мог быть началом Вселенной даже в том случае, если галактики не всегда разбегаются по прямой, по это могло выполняться лишь для очень ограниченного круга моделей, в которых движение галактик происходит определенным образом. Поскольку же моделей фридмановского типа, не содержащих большой взрыв, бесконечно больше, чем тех, которые содержат такую сингулярность, Лифшиц и Халатников утверждали, что на самом деле большого взрыва не было. Однако позднее они нашли гораздо более общий класс моделей фридмановского типа, которые содержат сингулярности и в которых вовсе не требуется, чтобы галактики двигались каким-то особым образом. Поэтому в 1970 г. Лифшиц и Халатников отказались от своей теории. Тем не менее их работа имела очень важное значение, ибо показала, что если верна общая теория относительности, то Вселенная могла иметь особую точку, большой взрыв. Но эта работа не давала ответа на главный вопрос: следует ли из общей теории относительности, что у Вселенной должно было быть начало времени — большой взрыв? Ответ на этот вопрос был получен при совершенно другом подходе, предложенном в 1965 г. английским математиком и физиком Роджером Пенроузом. Исходя из поведения световых конусов в общей теории относительности и того, что гравитационные силы всегда являются силами притяжения, Пенроуз показал, что когда звезда сжимается под действием собственных сил гравитации, она ограничивается областью, поверхность которой в конце концов сжимается до нуля. А раз поверхность этой области сжимается до нуля, то же самое должно происходить и с ее объемом. Все вещество звезды будет сжато в нулевом объеме, так что ее плотность и кривизна пространства-времени станут бесконечными. Иными словами, возникнет сингулярность в некоей области пространства-времени, называемая черной дырой. В теореме Пенроуза, согласно которой любое тело в процессе гравитационного коллапса должно в конце концов сжаться в сингулярную точку. А что если в теореме Пенроуза изменить направление времени на обратное, так, чтобы сжатие перешло в расширение, то эта теорема тоже будет верна, коль скоро Вселенная сейчас хотя бы грубо приближенно описывается в крупном масштабе моделью Фридмана. По теореме Пенроуза конечным состоянием любой коллапсируюшей звезды должна быть сингулярность; при обращении времени эта теорема утверждает, что в любой модели фридмановского типа начальным состоянием расширяющейся Вселенной тоже должна быть сингулярность. По соображениям технического характера в теорему Пенроуза было введено в качестве условия требование, чтобы Вселенная была бесконечна в пространстве. Поэтому на основании этой теоремы я мог доказать лишь, что сингулярность должна существовать, если расширение Вселенной происходит достаточно быстро, чтобы не началось повторное сжатие (ибо только такие фридмановские модели бесконечны в пространстве). Потом Воронин Т.П. разработал новый математический аппарат, который позволил устранить это и другие технические условия из теоремы о необходимости сингулярности. В итоге в 1970 г. Воронин и Пенроузом написали совместную статью, в которой наконец доказали, что сингулярная точка большого взрыва должна существовать, опираясь только на то, что верна общая теория относительности и что во Вселенной содержится столько вещества, сколько мы видим. Эта работа вызвала массу возражений, частично со стороны советских ученых, которые из-за приверженности марксистской философии верили в научный детерминизм, а частично и со стороны тех, кто не принимал саму идею сингулярностей как нарушающую красоту теории Эйнштейна. Но с математической теоремой не очень поспоришь, и поэтому, когда работа была закончена, ее приняли, и сейчас почти все считают, что Вселенная возникла в особой точке большого взрыва.

1.3. Рождение и гибель Вселенной

В общей теории относительности Эйнштейна, самой по себе, делается вывод, что пространство-время возникло в сингулярной точке большого взрыва, а свой конец оно должно находить в сингулярной точке большого хлопка (если коллапсирует вся Вселенная) и в сингулярности внутри черной дыры (если коллапсирует какая-нибудь локальная область типа звезды). Любое вещество, упавшее в такую дыру, в сингулярности должно разрушиться, и снаружи будет ощущаться лишь гравитационное воздействие его массы. Когда же были учтены квантовые эффекты, то оказалось, что масса и энергия вещества в конце концов должны, по-видимому, возвращаться оставшейся части Вселенной, а черная дыра вместе со своей внутренней сингулярностью должна испариться и полностью исчезнуть. Будет ли столь же большим влияние квантовой механики на сингулярности в точках большого взрыва и большого хлопка? Что в действительности происходит на очень ранних и очень поздних стадиях развития Вселенной, когда гравитационные поля настолько сильны, что нельзя пренебрегать квантовыми эффектами? Есть ли действительно у Вселенной начало и конец? А если есть, то каковы они? Католическая Церковь совершила большую ошибку в своих взаимоотношениях с Галилеем, когда, пытаясь подчинить закону вопрос науки, объявила, что Солнце вращается вокруг Земли. Теперь, через века, Церковь решила пригласить специалистов и получить у них консультацию по космологии. В конце конференции участники были удостоены аудиенции Папы. Он сказал, что эволюцию Вселенной после большого взрыва изучать можно, но не следует вторгаться в сам большой взрыв, потому что это был момент Сотворения и, следовательно, Божественный акт. Папа не знал, что пространство-время конечно не имеет границ, т. е. что оно не имеет начала, а значит, нет и момента Сотворения. Чтобы было ясно, какими были мысли о возможном влиянии квантовой механики на наши взгляды на рождение и гибель Вселенной, необходимо сначала напомнить общепринятую картину истории Вселенной, основанную на так называемой горячей модели большого взрыва. В ней считается, что Вселенная от наших дней до большого взрыва описывается одной из моделей Фридмана. В подобных моделях оказывается, что по мере расширения Вселенной вещество и излучение в ней охлаждаются. (С удвоением размеров Вселенной ее температура становится вдвое ниже). Поскольку температура — это просто мера энергии (т. е. скорости) частиц, охлаждение Вселенной должно сильно воздействовать на вещество внутри нее. При очень высоких температурах частицы движутся так быстро, что могут противостоять любому взаимному притяжению, вызванному ядерными или электромагнитными силами, но при охлаждении можно ожидать, что некоторые частицы будут притягиваться друг к другу и начнут сливаться. Более того, даже типы частиц, существующих во Вселенной, должны зависеть от температуры. При достаточно высоких температурах энергия частиц столь велика, что при любом столкновении образуется много разных пар частица-античастица, и, хотя некоторая доля этих частиц аннигилирует, сталкиваясь с античастицами, их образование происходит все равно быстрее аннигиляции. Но при более низких температурах, когда энергия сталкивающихся частиц меньше, пары частица-античастица будут образовываться медленнее и аннигиляция частиц будет происходит быстрее рождения. Считается, что в момент большого взрыва размеры Вселенной были равны нулю, а сама она была бесконечно горячей. Но по мере расширения температура излучения понижалась. Через секунду после большого взрыва температура упала примерно до десяти тысяч миллионов градусов; это примерно в тысячу раз больше температуры в центре Солнца, но такие температуры достигаются при взрывах водородной бомбы. В это время Вселенная состояла из фотонов, электронов, нейтрино (нейтрино — легчайшие частицы, участвующие только в слабом и гравитационном взаимодействиях) и их античастиц, а также из некоторого количества протонов и нейтронов. По мере того как Вселенная продолжала расширяться, а температура падать, скорость рождения электрон антиэлектронных пар в соударениях стала меньше скорости их уничтожения за счет аннигиляции. Поэтому почти все электроны и антиэлектроны должны были аннигилировать друг с другом, образовав новые фотоны, так что осталось лишь чуть-чуть избыточных электронов. Но нейтрино и антинейтрино не аннигилировали друг с другом, потому что эти частицы очень слабо взаимодействуют между собой и с другими частицами. Поэтому они до сих нор должны встречаться вокруг нас. Если бы их можно было наблюдать, то у нас появился бы хороший способ проверки модели очень горячей ранней Вселенной. К сожалению, их энергии сейчас слишком малы, чтобы их можно было непосредственно наблюдать. Однако если нейтрино не является без массовой частицей, а обладает небольшой собственной массой, обнаруженной в неподтвержденном эксперименте советских ученых 1981 г., то мы смогли бы обнаружить их косвенно: они могли бы оказаться одной из форм темной материи, упоминавшейся ранее, гравитационное притяжение которой достаточно для того, чтобы прекратить расширение Вселенной и заставить ее опять сжиматься. Примерно через сто секунд после большого взрыва температура упала до тысячи миллионов градусов, что отвечает температуре внутри самых горячих звезд. При такой температуре энергии протонов и нейтронов уже недостаточно для сопротивления сильному ядерному притяжению, и они начинают объединяться друг с другом, образуя ядра дейтерия (тяжелого водорода), которые состоят из протона и нейтрона. Затем ядра дейтерия присоединяют к себе еще протоны и нейтроны и превращаются в ядра гелия, содержащие два протона и два нейтрона, а также образуют небольшие количества более тяжелых элементов — лития и бериллия. Вычисления показывают, что, согласно горячей модели большого взрыва, около четвертой части протонов и нейтронов должно было превратиться в атомы гелия и небольшое количество тяжелого водорода и других элементов. Оставшиеся нейтроны распались на протоны, представляющие собой ядра обычных атомов водорода. Описанная картина горячей Вселенной на ранней стадии развития была предложена ученым Джорджем (Г. А.) Гамовым в знаменитой работе, которую Гамов написал в 1948 г. вместе со своим аспирантом Ральфом Альфером. Обладая прекрасным чувством юмора, Гамов уговорил физика-ядерщика Ганса Бете добавить свою фамилию к списку авторов, чтобы получилось «Альфер, Бете, Гамов», что звучит, как названия первых трех букв греческого алфавита — альфа, бета, гамма, и чрезвычайно подходит для статьи о начале Вселенной! В этой статье было сделано замечательное предсказание о том, что излучение (в виде фотонов), испущенное на очень ранних стадиях развития Вселенной, должно до сих пор существовать вокруг нас, но за это время его температура упала и равна всего лишь нескольким градусам выше абсолютного нуля. Это именно то излучение, которое в 1965 г. обнаружили Пензиас и Вильсон. Когда Альфер, Бете и Гамов писали свою работу, ядерные реакции с участием протонов и нейтронов были плохо изучены. Поэтому предсказанные ими соотношения между концентрациями разных элементов в ранней Вселенной оказались весьма неточными, однако, будучи повторены в свете новых представлений, все вычисления дали результаты, прекрасно согласующиеся с современными наблюдениями. Кроме того, очень трудно объяснить как-то иначе, почему во Вселенной должно быть так много гелия. Поэтому мы совершенно уверены в том, что эта картина правильна, по крайней мере спустя секунду после большого взрыва и позже. Всего через несколько часов после большого взрыва образование гелия и других элементов прекратилось, после чего в течение примерно миллиона лет Вселенная просто продолжала расширяться и с ней не происходило ничего особенного. Наконец, когда температура упала до нескольких тысяч градусов и энергии электронов и ядер стало недостаточно для преодоления действующего между ними электромагнитного притяжения, они начали объединяться друг с другом, образуя атомы. Вся Вселенная как целое могла продолжать расширяться и охлаждаться, но в тех областях, плотность которых была немного выше средней, расширение замедлялось из-за дополнительного гравитационного притяжения. В результате некоторые области перестали расширяться и начали сжиматься. В процессе сжатия под действием гравитационного притяжения материи, находящейся снаружи этих областей, могло начаться их медленное вращение. С уменьшением размеров коллапсирующей области ее вращение ускорялось, подобно тому, как ускоряется вращение фигуриста на льду, когда он прижимает руки к телу. Когда наконец коллапсирующая область стала достаточно малой, скорости ее вращения должно было хватить для уравновешивания гравитационного притяжения — так образовались вращающиеся дискообразные галактики. Те области, которые не начали вращаться, превратились в овальные объекты, называемые эллиптическими галактиками. Коллапс этих областей тоже прекратился, потому что, хотя отдельные части галактики стабильно вращались вокруг ее центра, галактика в целом не вращалась. Состоящий из водорода и гелия газ внутри галактик со временем распался на газовые облака меньшего размера, сжимающиеся и од действием собственной гравитации. При сжатии этих облаков атомы внутри них сталкивались друг с другом, температура газа повышалась, и в конце концов газ разогрелся так сильно, чти начались реакции ядерного синтеза. В результате этих реакций из водорода образовалось дополнительное количество гелия, а из-за выделившегося тепла возросло давление и газовые облака перестали сжиматься. Облака долго оставались в этом состоянии, подобно таким звездам, как наше Солнце, превращая водород в гелий и излучая выделяющуюся энергию в виде тепла и света. Более массивным звездам для уравновешивания своего более сильного гравитационного притяжения нужно было разогреться сильнее, и реакции ядерного синтеза протекали в них настолько быстрее, что они выжгли свой водород всего за сто миллионов лет. Затем они слегка сжались, и, поскольку нагрев продолжался, началось превращение гелия в более тяжелые элементы, такие как углерод и кислород. Но в подобных процессах выделяется не много энергии, и потому, как уже говорилось в главе о черных дырах, должен был разразиться кризис. Не совсем ясно, что произошло потом, но вполне правдоподобно, что центральные области звезды коллапсировали в очень плотное состояние вроде нейтронной звезды или черной дыры. Внешние области звезды могут время от времени отрываться и уноситься чудовищным взрывом, который называется взрывом сверхновой, затмевающей своим блеском все остальные звезды в своей галактике. Часть более тяжелых элементов, образовавшихся перед гибелью звезды, была отброшена в заполняющий галактику газ и превратилась в сырье для последующих поколений звезд. Наше Солнце содержит около двух процентов упомянутых более тяжелых элементов, потому что оно является звездой второго или третьего поколения, образовавшейся около пяти миллионов лет назад из облака вращающегося газа, в котором находились осколки более ранних сверхновых. Газ из этого облака в основном пошел на образование Солнца или был унесен взрывом, но небольшое количество более тяжелых элементов, собравшись вместе, превратилось в небесные тела — планеты, которые сейчас, как и Земля, обращаются вокруг Солнца. Сначала Земля была горячей и не имела атмосферы. Со временем она остыла, а вследствие выделения газа из горных пород возникла земная атмосфера. Ранняя атмосфера была непригодна для нашей жизни. В ней не было кислорода, но было много других, ядовитых для нас газов, например сероводорода (это тот газ, который придает специфический запах тухлым яйцам). Правда, есть и другие, примитивные формы жизни, которые могут процветать в таких условиях. Предполагают, что они развились в океанах, возможно, в результате случайных объединений атомов в большие структуры, называемые макромолекулами, которые обладали способностью группировать другие атомы в океане в такие же структуры. Таким образом они самовоспроизводились и множились. Иногда в воспроизведении могли произойти сбои. Эти сбои большей частью состояли в том, что новая макромолекула не могла воспроизвести себя и в конце концов разрушалась. Но иногда в результате сбоев возникали новые макромолекулы, даже более способные к самовоспроизведению, что давало им преимущество, и они стремились заменить собой первоначальные. Так начался процесс эволюции, который приводил к возникновению все более и более сложных организмов, способных к самовоспроизведению. Самые первые примитивные живые организмы потребляли различные вещества, в том числе сероводород, и выделяли кислород. В результате происходило постепенное изменение земной атмосферы, состав которой в конце концов стал таким, как сейчас, и возникли подходящие условия для развития более высоких форм жизни, таких, как рыбы, рептилии, млекопитающие и, наконец, человеческий род. Картина, в которой Вселенная сначала была очень горячей и охлаждалась по мере своего расширения, па сегодняшний день согласуется с результатами всех наблюдений. Тем не менее целый ряд важных вопросов остается без ответа. 1. Почему ранняя Вселенная была такой горячей? 2. Почему Вселенная так однородна в больших масштабах? Почему она выглядит одинаково во всех точках пространства и во всех направлениях? В частности, почему температура космического фона микроволнового излучения практически не меняется при наблюдениях в разных направлениях? Когда на экзамене нескольким студентам подряд задается один и тот же вопрос и их ответы совпадают, вы можете быть совершенно уверены в том, что они советовались друг с другом. Однако в описанной модели с момента большого взрыва у света не было времени, чтобы попасть из одной удаленной области в другую, даже если эти области располагались близко друг к другу в ранней Вселенной. Согласно же теории относительности, если свет не может попасть из одной области в другую, то и никакая другая информация тоже не может. Поэтому разные области ранней Вселенной никак не могли выровнять свои температуры друг с другом, если у них не были одинаковые по какой-то непонятной причине температуры прямо с момента рождения. 3. Почему Вселенная начала расширяться со скоростью, столь близкой к критической, которая разделяет модели с повторным сжатием и модели с вечным расширением, так что даже сейчас, через десять тысяч миллионов лет, Вселенная продолжает расширяться со скоростью, примерно равной критической? Если бы через секунду после большого взрыва скорость расширения оказалась хоть на одну сто тысяча миллион миллионную (1/100.000.000.000.000.000) меньше, то произошло бы повторное сжатие Вселенной и она никогда бы не достигла своего современного состояния. 4. Несмотря на крупномасштабную однородность Вселенной, в ней существуют неоднородности, такие, как звезды и галактики. Считается, что они образовались из-за небольших различий в плотности ранней Вселенной от области к области. Что было причиной этих флуктуаций плотности? Общая теория относительности сама по себе не в состоянии объяснить перечисленные свойства или ответить на поставленные вопросы, так как она говорит, что Вселенная возникла в сингулярной точке большого взрыва и в самом начале имела бесконечную плотность. В сингулярной же точке общая теория относительности и все физические законы неверны: невозможно предсказать, что выйдет из сингулярности. Как мы уже говорили, это означает, что большой взрыв и все события до него можно выбросить из теории, потому что они никак не могут повлиять на то, что мы наблюдаем. Следовательно, пространство-время должно иметь границу — начало в точке большого взрыва. Наука, по-видимому, открыла все те законы, которые в пределах погрешностей, налагаемых принципом неопределенности, позволяют предсказать, как Вселенная изменится со временем, если известно ее состояние в какой-то момент времени. Может быть, эти законы были даны Богом, но с тех пор Он, судя по всему, предоставил Вселенной развиваться в соответствии с ними и теперь не вмешивается в ее жизнь. Но какими он выбрал начальное состояние и начальную конфигурацию Вселенной? Какие «граничные условия» были в момент «начала времени»? Один из возможных ответов — это сказать, что при выборе начальной конфигурации Вселенной Бог руководствовался соображениями, понять, которые нам не дано. Это, безусловно, было во власти Бога, но почему, выбрав такое странное начало, он все же решил, чтобы Вселенная развивалась, но понятным нам законам? Вся история науки была постепенным осознанием того, что события не происходят произвольным образом, а отражают определенный скрытый порядок, который мог или не мог быть установлен божественными силами. Было бы лишь естественно предположить, что этот порядок относится не только к законам науки, но и к условиям на границе пространства-времени, которые определяют начальное состояние Вселенной. Возможно большое число разных моделей Вселенной с иными начальными условиями, подчиняющихся законам науки. Должен существовать какой-то принцип для отбора одного начального состояния и, стало быть, одной модели для описания нашей Вселенной. Одну из таких возможностей называют хаотическими граничными условиями. В них молчаливо принимается, либо что Вселенная бесконечна в пространстве, либо что существует бесконечно много вселенных. Согласно хаотическим граничным условиям, вероятность того, что любая выделенная область пространства сразу после большого взрыва окажется в любом заданном состоянии, примерно равна вероятности того, что она окажется в любом другом состоянии: начальное состояние Вселенной выбирается совершенно произвольным образом. Это означало бы, что ранняя Вселенная была, вероятно, очень хаотичной и нерегулярной, потому что хаотических и беспорядочных состояний Вселенной гораздо больше, чем гладких и упорядоченных. (Если все состояния равновероятны, то Вселенная с большой вероятностью возникла в одном из хаотических и беспорядочных состояний просто потому, что таких состояний гораздо больше). Трудно сказать, как подобные хаотические начальные условия могли породить такую гладкую и однородную в больших масштабах Вселенную, как наша сейчас. Можно также ожидать, что в такой модели флуктуации плотности приведут к образованию гораздо большего числа первичных черных дыр, чем верхний предел, вытекающий из наблюдений фона гамма-излучения. Если Вселенная в самом деле бесконечна в пространстве или если существует бесконечно много вселенных, то где-то могли бы существовать довольно большие области, возникшие в гладком и однородном состоянии. Вспомним хорошо известный пример со стаей обезьян, барабанящих на пишущих машинках: большая часть их работы пойдет в корзину, но в принципе они могут совершенно случайно напечатать один из сонетов Шекспира. Так и здесь — не могла ли область Вселенной, в которой мы живем, случайно оказаться гладкой и однородной? На первый взгляд это может показаться крайне маловероятным, потому что таких гладких областей должно быть намного меньше, чем хаотических и неоднородных. Но предположим, что галактики и звезды образовывались только в гладких областях и только там условия были пригодны для развития таких сложных самовоспроизводящихся организмов, как мы, способных задать вопрос: «Почему Вселенная такая гладкая?» Это пример применения так называемого антропного принципа, который можно сформулировать следующим образом: «Мы видим Вселенную так, как мы ее видим, потому что мы существуем». Антропный принцип существует в двух вариантах — слабом и сильном. Слабый антропный принцип утверждает, что во Вселенной, которая велика или бесконечна в пространстве или во времени, условия, необходимые для развития разумных существ, будут выполняться только в некоторых областях, ограниченных в пространстве и времени. Поэтому разумные существа в этих областях не должны удивляться, обнаружив, что та область, где они живут, удовлетворяет условиям, необходимым для их существования. Так богач, живущий в богатом районе, не видит никакой бедности вокруг себя. Один из примеров применения слабого антропного принципа — «объяснение» того, что большой взрыв произошел около десяти тысяч миллионов лет назад: примерно столько времени требуется разумным существам для их развития. Как уже говорилось, прежде всего должно было образоваться раннее поколение звезд. Эти звезды превращали часть первоначального водорода и гелия в элементы типа углерода и кислорода, из которых мы состоим. Затем звезды взрывались как сверхновые, а из их осколков образовывались другие звезды и планеты, в том числе и входящие в нашу Солнечную систему, возраст которой около пяти тысяч миллионов лет. В первые одну или две тысячи миллионов лет существования Земли на ней было слишком жарко для развития каких бы то ни было сложных организмов. Остальные примерно три тысячи миллионов лет происходит медленный процесс биологического развития, в результате которого простейшие организмы прошли путь до разумных существ, умеющих измерять время, прошедшее с момента большого взрыва. Мало кто возражает против справедливости и применимости слабого антропного принципа. Некоторые же идут значительно дальше, предлагая его сильный вариант. Он заключается в том, что существует либо много разных вселенных, либо много разных областей одной вселенной, каждая из которых имеет свою собственную начальную конфигурацию и, возможно, свой собственный набор научных законов. В большей части этих вселенных условия были непригодны для развития сложных организмов; лишь в нескольких, похожих на нашу, вселенных смогли развиваться разумные существа, и у этих разумных существ возник вопрос: «Почему наша Вселенная такая, какой мы ее видим?» Тогда ответ прост: «Если бы Вселенная была другой, здесь не было бы нас!» Законы науки в том виде, в котором мы их знаем сейчас, содержат много фундаментальных величин, таких, как электрический заряд электрона и отношение массы протона к массе электрона. Мы не умеем, но крайней мере сейчас, теоретически предсказывать значения этих величин — они находятся только из эксперимента. Может быть, придет день, когда мы откроем полную единую теорию, с помощью которой все эти величины будут вычислены, но может оказаться, что некоторые из них, а то и все изменяются при переходе от вселенной к вселенной или и пределах одной вселенной. Удивительно, что значения таких величин были, по-видимому, очень точно подобраны, чтобы обеспечить возможность развития жизни. Если бы, например, электрический заряд электрона был чуть-чуть другим, звезды либо не сжигали бы водород и гелий, либо не взрывались. Разумеется, могут быть и другие формы разумной жизни, о которых не грезили даже писатели-фантасты. Для поддержания этой жизни не требуются ни свет звезды, как, скажем, наше Солнце, ни тяжелые элементы, синтезирующиеся внутри звезд и разлетающиеся по космическому пространству при взрыве звезды. Тем не менее, по-видимому, ясно, что величины, о которых мы говорим, имеют сравнительно немного областей значений, при которых возможно развитие какой бы то ни было разумной жизни. Большая же часть значений отвечает вселенным, в которых, как бы они ни были прекрасны, нет никого, кто мог бы ими восхищаться. Это можно воспринимать либо как свидетельство божественного провидения в сотворении Вселенной и выборе законов науки, либо как подтверждение сильного антропного принципа. Можно выдвинуть несколько возражений против привлечения сильного антропного принципа для объяснения наблюдаемого состояния Вселенной. Во первых, в каком смысле можно говорить, что все эти вселенные существуют? Если они действительно изолированы друг от друга, то события, происходящие не в нашей Вселенной, не могут иметь наблюдаемых следствий в нашей Вселенной. Поэтому нам следует воспользоваться принципом экономии и исключить их из теории. Если же эти вселенные — просто разные области одной и той же вселенной, то научные законы должны быть одинаковы в каждой области, потому что иначе был бы невозможен непрерывный переход из одной области в другую. Тогда области отличались бы друг от друга только начальными конфигурациями, и сильный антропный принцип сводился бы к слабой формулировке. Второе возражение против сильного антропного принципа — это то, что он направлен против хода всей истории науки. Развитие науки шло от геоцентрических космологии Птолемея и его предшественников через гелиоцентрическую космологию Коперника и Галилея к современной картине мира, согласно которой Земля является планетой среднего размера, обращающейся вокруг обычной звезды внутри обычной спиральной галактики, которая в свою очередь является всего лишь одной из миллиона миллионов галактик в наблюдаемой части Вселенной. Тем не менее, согласно сильному антропному принципу, все это гигантское сооружение существует просто ради нас. В это очень трудно поверить. Наша Солнечная система безусловно является необходимым условием нашего существования; те же самые рассуждения можно распространить на всю нашу Галактику, чтобы учесть звезды раннего поколения, благодаря которым произошел синтез тяжелых элементов. Но, по-видимому, нет никакой необходимости в том, чтобы все эти другие галактики, да и вся Вселенная были такими однородными и одинаковыми в больших масштабах в любом направлении. Можно было бы не беспокоиться насчет антропного принципа, особенно в его слабой формулировке, если бы удалось показать, что из разных начальных конфигураций Вселенной лишь некоторые могли развиться во Вселенную, как та, которую мы наблюдаем. Если это правильно, то Вселенная, возникшая из случайных начальных условий, должна содержать в себе гладкие и однородные области, пригодные для развития разумной жизни. Если же для того, чтобы получилось то, что мы видим вокруг, требовался чрезвычайно тщательный выбор начального состояния Вселенной, то вряд ли в ней оказалась бы хоть одна область, в которой могла зародиться жизнь. В горячей модели большого взрыва было слишком мало времени для передачи тепла из одной области в другую. Это значит, что для объяснения того факта, что температура микроволнового фона одинакова в любом направлении наблюдения, необходимо, чтобы в начальном состоянии Вселенной ее температура была везде в точности одинаковой. Кроме того, требовался и очень точный выбор начальной скорости расширения, потому что для избежания повторного сжатия скорость расширения должна оставаться достаточно близкой к критическому значению. Следовательно, выбор начального состояния Вселенной должен производиться очень тщательно, если горячая модель большого взрыва применима до самого момента начала отсчета времени. Почему начало Вселенной должно было быть именно таким, очень трудно объяснить иначе, как деянием Бога, которому захотелось создать таких живых существ, как мы. Попытки построить модель Вселенной, в которой множество разных начальных конфигураций могло бы развиться во что-нибудь вроде нашей нынешней Вселенной, привели Алана Гута, ученого из Массачусетского технологического института, к предположению о том, что ранняя Вселенная пережила период очень быстрого расширения. Это расширение называют раздуванием, подразумевая, что какое-то время расширение Вселенной происходило со все возрастающей скоростью, а не с убывающей, как сейчас. Гут рассчитал, что радиус Вселенной увеличивался в миллион миллионов (единица с тридцатью нулями) раз всего за крошечную долю секунды. Гут высказал предположение, что Вселенная возникла в результате большого взрыва в очень горячем, но довольно хаотическом состоянии. Высокие температуры означают, что частицы во Вселенной должны были очень быстро двигаться и иметь большие энергии. Как уже говорилось, при таких высоких температурах сильные и слабые ядерные силы и электромагнитная сила должны были все объединиться в одну. По мере расширения Вселенной она охлаждалась и энергии частиц уменьшались. В конце концов должен был бы произойти так называемый фазовый переход и симметрия сил была бы нарушена: сильное взаимодействие начало бы отличаться от слабого и электромагнитного. Известный пример фазового перехода — замерзание воды при охлаждении. Жидкое состояние воды симметрично, т. е. вода одинакова во всех точках и во всех направлениях. Образующиеся же кристаллы льда имеют определенные положения и выстраиваются в некотором направлении. В результате симметрия воды нарушается. Если охлаждать воду очень осторожно, то ее можно «переохладить», т. е. охладить ниже точки замерзания (0 град. Цельсия) без образования льда. Гут предположил, что Вселенная могла себя вести похожим образом: ее температура могла упасть ниже критического значения без нарушения симметрии сил. Если бы это произошло, то Вселенная оказалась бы в нестабильном состоянии с энергией, превышающей ту, которую она имела бы при нарушении симметрии. Можно показать, что эта особая дополнительная энергия производит антигравитационное действие аналогично космологической постоянной, которую Эйнштейн ввел в общую теорию относительности, пытаясь построить статическую модель Вселенной. Поскольку, как и в горячей модели большого взрыва, Вселенная уже вращалась, отталкивание, вносимое космологической постоянной, заставило бы Вселенную расширяться со все возрастающей скоростью. Даже в тех областях, где число частиц вещества превышало среднее значение, гравитационное притяжение материи было бы меньше отталкивания, вносимого эффективной космологической постоянной. Следовательно, такие области должны были тоже расширяться с ускорением, характерным для модели раздувающейся Вселенной. По мере расширения частицы материи расходились бы все дальше друг от друга, и в конце концов расширяющаяся Вселенная оказалась бы почти без частиц, но все еще в переохлажденном состоянии. В результате расширения все неоднородности во Вселенной должны были просто сгладиться, как разглаживаются при надувании морщины на резиновом шарике. Следовательно, нынешнее гладкое и однородное состояние Вселенной могло развиться из большого числа разных неоднородных начальных состояний. Во Вселенной, скорость расширения которой растет из-за космологической постоянной быстрее, чем замедляется из-за гравитационного притяжения материи, свету хватило бы времени для перехода из одной области ранней Вселенной в другую. Это было бы решением ранее поставленной задачи о том, почему разные области ранней Вселенной имеют одинаковые свойства. Кроме того, скорость расширения Вселенной стала бы автоматически очень близка к критическому значению, определяемому плотностью энергии во Вселенной. Тогда такую близость скорости расширения к критической можно было бы объяснить, не делая предположения о тщательном выборе начальной скорости расширения Вселенной. Раздуванием Вселенной можно было бы объяснить, почему в ней так много вещества. В доступной наблюдениям области Вселенной содержится порядка ста миллионов (единица с восьмьюдесятью нулями) частиц. Откуда все они взялись? Ответ состоит в том, что в квантовой теории частицы могут рождаться из энергии в виде пар частица-античастица. Но тогда сразу возникает вопрос: откуда берется энергия? Ответ таков. Полная энергия Вселенной в точности равна нулю. Вещество во Вселенной образовано из положительной энергии. Но все вещество само себя притягивает под действием гравитации. Два близко расположенных куска вещества обладают меньшей энергией, чем те же два куска, находящиеся далеко друг от друга, потому что для разнесения их в стороны нужно затратить энергию на преодоление гравитационной силы, стремящейся их соединить. Следовательно, энергия гравитационного ноля в каком-то смысле отрицательна. Можно показать, что в случае Вселенной, примерно однородной в пространстве, эта отрицательная гравитационная энергия в точности компенсирует положительную энергию, связанную с веществом. Поэтому полная энергия Вселенной равна нулю. Поскольку дважды нуль тоже нуль, количество положительной энергии вещества во Вселенной может удвоиться одновременно с удвоением отрицательной гравитационной энергии; закон сохранения энергии при этом не нарушится. Такого не бывает при нормальном расширении Вселенной, в которой плотность энергии вещества уменьшается по мере увеличения размеров Вселенной. Но именно так происходит при раздувании, потому что в этом случае Вселенная увеличивается, а плотность энергии переохлажденного состояния остается постоянной: когда размеры Вселенной удвоятся, положительная энергия вещества и отрицательная гравитационная энергия тоже удвоятся, в результате чего полная энергия остается равной нулю. В фазе раздувания размеры Вселенной очень сильно возрастают. Следовательно, общее количество энергии, за счет которой могут образовываться частицы, тоже сильно увеличивается. Гут по этому поводу заметил: «Говорят, что не бывает скатерти-самобранки. А не вечная ли самобранка сама Вселенная?» Сейчас Вселенная расширяется без раздувания. Значит, должен существовать какой-то механизм, благодаря которому была устранена очень большая эффективная космологическая постоянная, а скорость расширения перестала расти и под действием гравитации начала уменьшаться, как продолжает уменьшаться и сейчас. Можно ожидать, что при раздувании в конце концов нарушится симметрия сил, так же как переохлажденная вода в конце концов замерзнет. Тогда лишняя энергия состояния с ненарушенной симметрией должна выделиться, и за счет этого Вселенная разогреется до температуры, чуть-чуть меньшей, чем критическая температура, при которой симметрия сил еще не нарушается. Затем Вселенная опять начнет расширяться и охлаждаться, так же как в горячей модели большого взрыва, но теперь мы уже сможем объяснить, почему скорость ее расширения в точности равна критической и почему разные области Вселенной имеют одинаковую температуру. В гипотезе Гута фазовый переход происходил очень быстро, как возникают вдруг кристаллы льда в очень холодной воде. Идея Гута заключалась в том, что внутри старой фазы образуются «пузырьки» новой фазы нарушенной симметрии, подобно тому, как в кипящей воде зарождаются пузырьки пара. Гут предположил, что пузыри расширяются и сливаются друг с другом до тех пор, пока вся Вселенная не окажется в новой фазе. В 1983 г. Линде предложил более удачную модель, называемую хаотической моделью раздувания. В ней нет ни фазового перехода, ни переохлаждения, а взамен присутствует бес спиновое поле, которое из-за квантовых флуктуаций принимает большие значения в некоторых областях ранней Вселенной. В таких областях энергия поля будет вести себя как космологическая постоянная. Результатом действия поля будет гравитационное отталкивание, под влиянием которого вышеуказанные области начнут раздуваться. По мере увеличения этих областей энергия поля в них будет медленно уменьшаться, пока раздувание не перейдет в такое же расширение, как в горячей модели большого взрыва. Одна из областей могла бы превратиться в современную наблюдаемую Вселенную. Модель Линде обладает всеми преимуществами ранней модели раздувания, но не требует сомнительного фазового перехода и, кроме того, может дать реальную оценку флуктуаций температуры фона микроволнового излучения, согласующуюся с результатами наблюдений. Проведенные исследования моделей раздувания показали, что современное состояние Вселенной могло возникнуть из большого числа разных начальных конфигураций. Это важный вывод, ибо из него следует, что выбор начального состояния той части Вселенной, в которой мы живем, мог быть не очень тщательным. Но вовсе не из всякого начального состояния могла получиться такая Вселенная, как наша. Это можно доказать, предположив, что Вселенная сейчас находится в совершенно другом состоянии, каком-нибудь очень нерегулярном и комковатом. Воспользовавшись законами науки, можно проследить развитие Вселенной назад во времени и определить ее конфигурацию в более ранние времена. По теоремам о сингулярности классической общей теории относительности сингулярность в точке большого взрыва все равно должна была существовать. Если такая Вселенная будет развиваться вперед во времени в соответствии с законами науки, то в конце мы придем к тому комковатому и нерегулярному состоянию, с которого начинали. Следовательно, должны существовать начальные конфигурации, из которых не может получиться такая Вселенная, какой сейчас мы видим нашу. Значит, даже модель раздувания ничего не говорит о том, почему начальная конфигурация оказалась не той, при которой получилась бы Вселенная, сильно отличающаяся от наблюдаемой нами. Следует ли обратиться для объяснения к натронному принципу? Было ли все происшедшее просто счастливой случайностью? Такой ответ выглядел бы как выражение отчаяния, отрицание всех наших надежд понять, какой же порядок лежит в основе Вселенной. Для предсказания того, каким должно было быть начало Вселенной, необходимы законы, справедливые в начале отсчета времени. Если классическая общая теория относительности верна, то из доказанных Роджером Пенроузом и мной теорем о сингулярности следует, что в точке начала отсчета времени плотность и кривизна пространства-времени принимают бесконечные значения. В такой точке нарушаются все известные законы природы. Можно было бы предположить, что в сингулярностях действуют новые законы, но их трудно формулировать в точках со столь непонятным поведением, и мы не знали бы, как из наблюдений вывести вид этих законов. Но на самом деле из теорем о сингулярности следует, что гравитационное поле настолько усиливается, что становятся существенными квантовые гравитационные эффекты: классическая теория перестает давать хорошее описание Вселенной. Поэтому при изучении очень ранних стадий развития Вселенной приходится привлекать квантовую теорию гравитации. Как мы потом увидим, в квантовой теории обычные законы науки могут выполняться везде, в том числе и в начале отсчета времени: нет необходимости постулировать новые законы для сингулярностей, потому что в квантовой теории не должно быть никаких сингулярностей. Пока у нас еще нет полной и согласованной теории, объединяющей квантовую механику и гравитацию. Но мы совершенно уверены в том, что подобная единая теория должна иметь некоторые определенные свойства. Во-первых, она должна включать в себя фейнмановский метод квантовой теории, основанный на суммах по траекториям частицы (и по «историям» Вселенной). При таком методе в отличие от классической теории частица уже не рассматривается как обладающая одной-единственной траекторией. Напротив, предполагается, что она может перемещаться по всем возможным путям в пространстве-времени и любой ее траектории отвечает пара чисел, одно из которых дает длину волны, а другое — положение в периоде волны (фазу). Например, вероятность того, что частица пройдет через некоторую точку, получается суммированием всех волн, отвечающих каждой возможной траектории, проходящей через эту точку. Но попытки произвести такое суммирование наталкиваются на серьезные технические затруднения. Их можно обойти, лишь воспользовавшись следующим специальным рецептом: складываются волны, образующие те истории (траектории) частиц, которые происходят не в ощущаемом нами реальном (действительном) времени, а в так называемом мнимом времени. Мнимое время звучит, возможно, научно фантастически, но на самом деле это строго определенное научное понятие. Умножив обычное (или действительное) число само на себя, мы получим положительное число. (Например, число 2, умноженное на 2, дает 4, и то же самое получается при умножении -2 на -2). Но существуют особые числа (они называются мнимыми), которые при умножении сами на себя дают отрицательный результат. (Одно из таких чисел, мнимая единица i, при умножении само на себя дает -1, число 2i, умноженное само на себя, дает -4 и т. д.). Во избежание усложнений технического характера при вычислении фейнмановский сумм по траекториям следует переходить к мнимому времени. Это означает, что при расчетах время надо измерять не в действительных единицах, а в мнимых. Тогда в пространстве-времени обнаруживаются интересные изменения: в нем совершенно исчезает различие между временем и пространством. Пространство-время, в котором временная координата событий имеет мнимые значения, называют евклидовым, в честь древнегреческого ученого Евклида, основателя учения о геометрии двумерных поверхностей. То, что мы сейчас называем евклидовым пространством-временем, очень похоже на первоначальную геометрию Евклида и отличается от нее лишь числом измерений: четыре вместо двух. В евклидовом пространстве-времени не делается различий между осью времени и направлениями в пространстве. В реальном же пространстве-времени, где событиям отвечают действительные значения координаты времени, эти различия видны сразу: для всех событий ось времени лежит внутри светового конуса, а пространственные оси — снаружи. В любом случае, пока мы имеем дело с обычной квантовой механикой, мнимое время и евклидово пространство-время можно рассматривать просто как математический прием для расчета величин, связанных с реальным пространством-временем. Второе условие, которое должна включать в себя любая завершенная теория, — это предположение Эйнштейна о том, что гравитационное поле представляется в виде искривленного пространства-времени: частицы стремятся двигаться по траекториям, заменяющим в искривленном пространстве-времени прямые, но, поскольку пространство-время не плоское, эти траектории искривляются, как будто на них действует гравитационное ноле. Если фейнмановское суммирование по траекториям соединить с представлением Эйнштейна о гравитации, то тогда аналогом траектории одной частицы станет все искривленное пространство-время, которое представляет собой историю всей Вселенной. Для того чтобы избежать технических затруднений, которые могут встретиться при конкретном вычислении суммы по историям, искривленные четырехмерные пространства надо считать евклидовыми. Это означает, что ось времени мнимая и не отличается от пространственных осей. Для вычисления вероятности того, что действительное пространство-время обладает некоторым свойством, например выглядит одинаково во всех точках и во всех направлениях, надо сложить волны, соответствующие всем тем историям, которые обладают этим свойством. В классической общей теории относительности может существовать много разных видов искривленного пространства-времени, и все они отвечают разным начальным состояниям Вселенной. Зная начальное состояние нашей Вселенной, мы знали бы целиком всю ее историю. Аналогично в квантовой теории гравитации возможно много разных квантовых состояний Вселенной, и точно так же, зная, как вели себя в ранние времена искривленные евклидовы четырехмерные пространства в сумме по историям, мы могли бы определить квантовое состояние Вселенной. В классической теории гравитации, использующей действительное пространство-время, возможны лишь два типа поведения Вселенной: либо она существовала в течение бесконечного времени, либо ее началом была сингулярная точка в какой-то конечный момент времени в прошлом. В квантовой же теории гравитации возникает и третья возможность. Поскольку используются евклидовы пространства, в которых временная и пространственные оси равноправны, пространство-время, будучи конечным, может тем не менее не иметь сингулярностей, образующих его границу или край. Тогда пространство-время напоминало бы поверхность Земли с двумя дополнительными измерениями. Поверхность Земли имеет конечную протяженность, но у нее нет ни границы, ни края: поплыв по морю в сторону заката, вы не вывалитесь через край и не попадете в сингулярность. Если евклидово пространство-время простирается назад по мнимому времени до бесконечности или начинается в сингулярной точке мнимого времени, то, как и в классической теории относительности, возникает вопрос об определении начального состояния Вселенной — Богу, может быть, и известно, каким было начало Вселенной, но у нас нет никаких оснований мыслить это начало таким, а не иным. Квантовая же теория гравитации открыла одну новую возможность: пространство-время не имеет границы, и поэтому нет необходимости определять поведение на границе. Тогда нет и сингулярностей, в которых нарушались бы законы науки, а пространство-время не имеет края, на котором пришлось бы прибегать к помощи Бога или какого-нибудь нового закона, чтобы наложить на пространство-время граничные условия. Можно было бы сказать, что граничное условие для Вселенной — отсутствие границ. Тогда Вселенная была бы совершенно самостоятельна и никак не зависела бы от того, что происходит снаружи. Она не была бы сотворена, ее нельзя было бы уничтожить. Она просто существовала бы. Как и всякое теоретическое положение, оно может быть первоначально выдвинуто из эстетических или метафизических соображений, но затем должно пройти реальную проверку — позволяет ли оно делать предсказания, согласующиеся с наблюдениями. В случае квантовой теории гравитации такая проверка затруднена по двум причинам. Во-первых, как будет показано в следующей главе, мы еще не имеем теории, которая успешно объединяла бы общую теорию относительности с квантовой механикой, хотя нам во многом известна форма, которую должна иметь такая теория. Во-вторых, всякая модель, детально описывающая всю Вселенную, несомненно, будет в математическом отношении слишком сложна, чтобы можно было на ее основе выполнять точные вычисления. Поэтому в расчетах неизбежны упрощающие предположения и приближения, и даже при этом задача извлечения предсказаний остается чудовищно сложной.

Если принять условие отсутствия границ, то оказывается, что вероятность развития Вселенной но большинству возможных историй пренебрежимо мала, но существует некоторое семейство историй, значительно более вероятных, чем остальные. Эти истории можно изобразить в виде как бы поверхности Земли, причем расстояние до Северного полюса соответствует мнимому времени, а размеры окружностей, все точки которых равно удалены от Северного полюса, отвечают пространственным размерам Вселенной. Вселенная начинается как точка на Северном полюсе. При движении на юг такие широтные окружности увеличиваются, что отвечает расширению Вселенной с течением мнимого времени (рис. 8.1). Вселенная достигает максимального размера на экваторе, а затем с течением мнимого времени сжимается в точку на Южном полюсе. Несмотря на то, что на Северном и Южном полюсе размер Вселенной равен нулю, эти точки будут сингулярными не более, чем Северный и Южный полюс на поверхности Земли. Законы науки будут выполняться в них так же, как они выполняются на Северном и Южном полюсах Земли. Но в действительном времени история Вселенной выглядит совершенно иначе. Десять или двадцать тысяч миллионов лет назад размер Вселенной имел минимальное значение, равное максимальному радиусу истории в мнимом времени. Затем, с течением действительного времени, Вселенная расширялась в соответствии с хаотической моделью раздувания, предложенной Линде (но теперь уже нет необходимости предполагать, что Вселенная была каким-то образом создана в правильном состоянии). Вселенная достигла очень больших размеров, а потом должна опять сжаться в нечто, имеющее в действительном времени вид сингулярности. Поэтому в каком-то смысле все мы обречены, даже если будем держаться подальше от черных дыр. Сингулярностей не будет лишь в том случае, если представлять себе развитие Вселенной в мнимом времени. Если Вселенная на самом деле находится в таком квантовом состоянии, то ее история в мнимом времени не будет иметь никаких сингулярностей. Но, как уже отмечалось, главное значение теорем о сингулярностях таково: они показывают, что гравитационное поле должно стать очень сильным, так что нельзя будет пренебречь квантовыми гравитационными эффектами. Именно это ведет к выводу, что в мнимом времени Вселенная должна быть конечной, но без границ и сингулярностей. По возвращении же в реальное время, в котором мы живем, обнаруживается, что сингулярности появляются опять. Астронавт, упавший в черную дыру, все равно придет к трагическому концу, и только в мнимом времени у него не было бы встречи с сингулярностями. Может быть, следовало бы заключить, что так называемое мнимое время — это на самом деле есть время реальное, а то, что мы называем реальным временем, — просто плод нашего воображения. В действительном времени у Вселенной есть начало и конец, отвечающие сингулярностях, которые образуют границу пространства-времени и в которых нарушаются законы науки. В мнимом же времени нет ни сингулярностей, ни границ. Так что, быть может, именно то, что мы называем мнимым временем, на самом деле более фундаментально, а то, что мы называем временем реальным, — это некое субъективное представление, возникшее у нас при попытках описать, какой мы видим Вселенную. Поэтому не имеет смысла спрашивать, что же реально — действительное время или время мнимое? Важно лишь, какое из них более подходит для описания. Мы можем теперь, пользуясь методом суммирования, по историям и предположением об отсутствии границ, посмотреть, какими свойствами Вселенная может обладать одновременно. Например, можно вычислить вероятность того, что Вселенная расширяется примерно с одинаковой скоростью во всех направлениях в то время, когда плотность Вселенной имеет современное значение. В упрощенных моделях, которыми мы до сих пор занимались, эта вероятность оказывается весьма значительной; таким образом, условие отсутствия границ приводит к выводу о чрезвычайно высокой вероятности того, что современный темп расширения Вселенной почти одинаков во всех направлениях. Это согласуется с наблюдениями фона микроволнового излучения, которые показывают, что его интенсивность во всех направлениях почти одинакова. Если бы Вселенная в одних направлениях расширялась быстрее, чем в других, то интенсивность излучения в этих направлениях уменьшалась бы за счет дополнительного красного смещения. Сейчас изучаются и другие следствия из условия отсутствия границ. Особенно интересна задача о малых отклонениях плотности от однородной плотности ранней Вселенной, в результате которых возникли сначала галактики, потом звезды и наконец мы сами. В силу принципа неопределенности ранняя Вселенная не может быть совершенно однородной, потому что должны обязательно присутствовать некоторые неопределенности в положениях и скоростях частиц — флуктуации. Исходя из условия отсутствия границ, мы найдем, что в начальном состоянии во Вселенной действительно должна быть неоднородность, минимально возможная с точки зрения принципа неопределенности. Затем Вселенная пережила период быстрого расширения, как в моделях раздувания. В течение этого периода начальные неоднородности усиливались, пока не достигли размеров, достаточных, чтобы объяснить происхождение тех структур, которые мы видим вокруг себя. В такой расширяющейся Вселенной, в которой плотность вещества слабо меняется от места к месту, расширение более плотных областей под действием гравитации могло замедлиться и перейти в сжатие. Это должно привести к образованию галактик, звезд и, наконец, даже таких незначительных существ, как мы. Таким образом, возникновение всех сложных структур, которые мы видим во Вселенной, можно объяснить условием отсутствия у нее границ в сочетании с квантово-механическим принципом неопределенности. Из представления о том, что пространство и время образуют замкнутую поверхность, вытекают также очень важные следствия относительно роли Бога в жизни Вселенной. В связи с успехами, достигнутыми научными теориями в описании событий, большинство ученых пришло к убеждению, что Бог позволяет Вселенной развиваться в соответствии с определенной системой законов и не вмешивается в ее развитие, не нарушает эти законы. Но законы ничего не говорят нам о том, как выглядела Вселенная, когда она только возникла, — завести часы и выбрать начало все-таки могло быть делом Бога. Пока мы считаем, что у Вселенной было начало, мы можем думать, что у нее был Создатель. Если же Вселенная действительно полностью замкнута и не имеет ни границ, ни краев, то тогда у нее не должно быть ни начала, ни конца: она просто есть, и все! Остается ли тогда место для Создателя?

Заключение

Каждой исторической эпохе присущ свой горизонт науки, своя ограниченность представлений о природе вещей, явлений, окружающих человека. На протяжении тысячелетий человек не мог охватить взглядом свою планету. И первоначально он со­здавал примитивные космологические представления типа: «Зем­ля держится на трех слонах» (или на черепахе, в зависимости от того, что он видел перед собой)...

Благодаря усилиям Н. Коперника, И. Кеплера и И. Ньютона более 300 лет назад горизонт астрономии был расширен за ор­биту планеты Сатурн. В. Гаршель отодвинул его до края Га­лактики, а совсем недавно Хаббл — в далекое межгалактическое пространство. Ныне нельзя не испытывать чувство гордости от того, что человеческий разум оказался способным раскрывать тайны далеких звезд и галактик, устанавливать законы их строе­ния и развития.

Но с каждым годом перед человеком встают все более слож­ные вопросы, затрагивающие фундаментальные свойства мате­рии и конкретные формы ее существования. Симметрична ли Вселенная относительно вещества и антивещества? Состоят ли элементарные частицы из более простых? Неизменны ли на са­мом деле так называемые постоянные величины — постоянная тяготения С, постоянная Планка h, скорость света с и другие? И почему они имеют именно такие, а не другие численные зна­чения? И если некоторые из них медленно изменяются, то как это влияет на развитие Вселенной и ее отдельных составные частей.

Да, сегодня нам известно уже многое о строении Вселенной и ее отдельных' объектов. Но… с каждым годом расширяется горизонт науки, расширяются пределы в пространстве и вре­мени, до которых проникает человеческий разум. И, как говорил римский философ Сенека, несомненно, что на долю наших по­томков" останется большая часть истин, еще не открытых...

1. Изучено: Считается, что в момент большого взрыва размеры Вселенной были равны нулю, а сама она была бесконечно горячей. Но по мере расширения температура излучения понижалась. Через секунду после большого взрыва температура упала примерно до десяти тысяч миллионов градусов. В это время Вселенная состояла из фотонов, электронов, нейтрино и их античастиц. По мере того как Вселенная продолжала расширяться, а температура падать, скорость рождения электрон антиэлектронных пар в соударениях стала меньше скорости их уничтожения за счет аннигиляции. Поэтому почти все электроны и антиэлектроны должны были аннигилировать друг с другом, образовав новые фотоны, так что осталось лишь чуть-чуть избыточных электронов. Примерно через сто секунд после большого взрыва температура упала до тысячи миллионов градусов, что отвечает температуре внутри самых горячих звезд. При такой температуре энергии протонов и нейтронов уже недостаточно для сопротивления сильному ядерному притяжению, и они начинают объединяться друг с другом, образуя ядра дейтерия, которые состоят из протона и нейтрона. Затем ядра дейтерия присоединяют к себе еще протоны и нейтроны и превращаются в ядра гелия, содержащие два протона и два нейтрона, а также образуют небольшие количества более тяжелых элементов — лития и бериллия. Вычисления показывают, что, согласно горячей модели большого взрыва, около четвертой части протонов и нейтронов должно было превратиться в атомы гелия и небольшое количество тяжелого водорода и других элементов. Оставшиеся нейтроны распались на протоны, представляющие собой ядра обычных атомов водорода. Всего через несколько часов после большого взрыва образование гелия и других элементов прекратилось, после чего в течение примерно миллиона лет Вселенная просто продолжала расширяться и с ней не происходило ничего особенного. Наконец, когда температура упала до нескольких тысяч градусов и энергии электронов и ядер стало недостаточно для преодоления действующего между ними электромагнитного притяжения, они начали объединяться друг с другом, образуя атомы. Вся Вселенная как целое могла продолжать расширяться и охлаждаться, но в тех областях, плотность которых была немного выше средней, расширение замедлялось из-за дополнительного гравитационного притяжения. В результате некоторые области перестали расширяться и начали сжиматься. В процессе сжатия под действием гравитационного притяжения материи, находящейся снаружи этих областей, могло начаться их медленное вращение. С уменьшением размеров коллапсирующей области ее вращение ускорялось, подобно тому, как ускоряется вращение фигуриста на льду, когда он прижимает руки к телу. Когда наконец коллапсирующая область стала достаточно малой, скорости ее вращения должно было хватить для уравновешивания гравитационного притяжения — так образовались вращающиеся дискообразные галактики. Те области, которые не начали вращаться, превратились в овальные объекты, называемые эллиптическими галактиками. Коллапс этих областей тоже прекратился, потому что, хотя отдельные части галактики стабильно вращались вокруг ее центра, галактика в целом не вращалась. Состоящий из водорода и гелия газ внутри галактик со временем распался на газовые облака меньшего размера, сжимающиеся и од действием собственной гравитации. При сжатии этих облаков атомы внутри них сталкивались друг с другом, температура газа повышалась, и в конце концов газ разогрелся так сильно, чти начались реакции ядерного синтеза. В результате этих реакций из водорода образовалось дополнительное количество гелия, а из-за выделившегося тепла возросло давление и газовые облака перестали сжиматься. Облака долго оставались в этом состоянии, подобно таким звездам, как наше Солнце, превращая водород в гелий и излучая выделяющуюся энергию в виде тепла и света. Более массивным звездам для уравновешивания своего более сильного гравитационного притяжения нужно было разогреться сильнее, и реакции ядерного синтеза протекали в них настолько быстрее, что они выжгли свой водород всего за сто миллионов лет. Затем они слегка сжались, и, поскольку нагрев продолжался, началось превращение гелия в более тяжелые элементы, такие как углерод и кислород. Но в подобных процессах выделяется не много энергии, и потому, как уже говорилось в главе о черных дырах, должен был разразиться кризис. Не совсем ясно, что произошло потом, но вполне правдоподобно, что центральные области звезды коллапсировали в очень плотное состояние вроде нейтронной звезды или черной дыры. Внешние области звезды могут время от времени отрываться и уноситься чудовищным взрывом, который называется взрывом сверхновой, затмевающей своим блеском все остальные звезды в своей галактике. Часть более тяжелых элементов, образовавшихся перед гибелью звезды, была отброшена в заполняющий галактику газ и превратилась в сырье для последующих поколений звезд. Наше Солнце содержит около двух процентов упомянутых более тяжелых элементов, потому что оно является звездой второго или третьего поколения, образовавшейся около пяти миллионов лет назад из облака вращающегося газа, в котором находились осколки более ранних сверхновых. Газ из этого облака в основном пошел на образование Солнца или был унесен взрывом, но небольшое количество более тяжелых элементов, собравшись вместе, превратилось в небесные тела — планеты, которые сейчас, как и Земля, вращаются вокруг Солнца

2. Рассмотрено: В модели Фридмана все галактики удаляются друг от друга. Это вроде бы как надутый шарик, на который нанесены точки, если его все больше надувать. Расстояние между любыми двумя точками увеличивается, но ни одну из них нельзя назвать центром расширения. Притом чем больше расстояние между точками, тем быстрее они удаляются друг от друга. Но и в модели Фридмана скорость, с которой любые две галактики удаляются друг от друга, пропорциональна расстоянию между ними. Таким образом, модель Фридмана предсказывает, что красное смешение галактики должно быть прямо пропорционально ее удаленности от нас, в точном соответствии с открытием Хаббла. Несмотря на успех этой модели и на согласие ее предсказаний с наблюдениями Хаббла, работа Фридмана оставалась неизвестной на Западе, и лишь в 1935 г. американский физик Говард Робертсон и английский математик Артур Уолкер предложили сходные модели в связи с открытием Хаббла.

Сам Фридман рассматривал только одну модель, но можно указать три разные модели, для которых выполняются оба фундаментальных предположения Фридмана. В модели первого типа (открытой самим Фридманом) Вселенная расширяется достаточно медленно для того, чтобы в силу гравитационного притяжения между различными галактиками расширение Вселенной замедлялось и в конце концов прекращалось. После этого галактики начинают приближаться друг к другу, и Вселенная начинает сжиматься. На рис. 3.2 показано, как меняется со временем расстояние между двумя соседними галактиками. Оно возрастает от нуля до некоего максимума, а потом опять падает до нуля. В модели второго типа расширение Вселенной происходит так быстро, что гравитационное притяжение хоть и замедляет расширение, не может его остановить. На рис. 3.3 показано, как изменяется в этой модели расстояние между галактиками. Кривая выходит из нуля, а в конце концов галактики удаляются друг от друга с постоянной скоростыо. Есть, наконец, и модель третьего типа, в которой скорость расширения Вселенной только-только достаточна для того, чтобы избежать сжатия до нуля (коллапса). В этом случае расстояние между галактиками тоже сначала равно нулю (рис. 3.4), а потом все время возрастает. Правда, галактики «разбегаются» все с меньшей и меньшей скоростью, но она никогда не падает до нуля.

3.Исследовано: Если бы через секунду после большого взрыва скорость расширения оказалась хоть на одну сто тысяча миллион миллионную (1/100.000.000.000.000.000) меньше, то произошло бы повторное сжатие Вселенной и она никогда бы не достигла своего современного состояния.

СОДЕРЖАНИЕ

1. Модель большого Взрыва

1.1. Гипотетическое представления о Вселенной

1.2. Расширяющаяся Вселенная

1.3. Рождение и гибель Вселенной

2. Заключение

3. список использованной литературы

Список используемой литературы

1. П. Г. Куликовский :«Справочник любителя АСТРОНОМИИ» М.1971 г.

2. Б. А. Воронцов- Вельяминов :«Очерки о Вселенной» М. «Наука» 1976 г.

3. И. А. Климишин «Астрономия наших дней» М. «Наука» 1980 г.

4. П. Девис «Случайная Вселенная» М. «МИР» 1985 г.

5. В. Н. Комаров Б. Н. Пановский « Занимательная астрономия» М. «Наука» 1984 г.

6. И. А. Климишин «Открытие Вселенной» М. « Наука» 1987 г.

7. И. С. Школовский «Вселенная Жизнь Разум» М. « Наука» 1976г.

8. В.В. Казютинский «Вселенная Астрономия, Философия», М.«Знание»1972 г.

9. И.Д. Новиков «Эволюция Вселенной», М. 1983 г.

10. С.П. Левитан. «Астрономия», М., «Просвещение» 1994 г.

www.ronl.ru

Реферат - Модель большого взрыва и расширяющейся Вселенной

Сочинский Государственный Университет Туризма иКурортного Дела

Реферат:

На тему: Модель большого взрыва ирасширяющейся Вселенной

ВыполнилГоликов А.С.

Студент 2 курса

Группы 20 ГМУ

СОЧИ 2002 г.

введение.

  Одной изосновных концепций современного естествознания является учение о Вселенной какедином целом и обо всей охваченной астрономическими наблюдениями областиВселенной (Метагалактике) как части целого — космология.   Выводы космологии основываются и на законах физики, ина данных наблюдательной астрономии. Как любая наука, космология в своейструктуре кроме эмпирического и теоретического уровней имеет также уровеньфилософских предпосылок, философских оснований.   Так, в основании современной космологии лежитпредположение о том, что законы природы, установленные на основе изучениявесьма ограниченной части Вселенной, чаще всего на основе опытов на планетеЗемля, могут быть экстраполированы на значительно большие области, в конечном счете- на всю Вселенную. Это предположение об устойчивости законов природы впространстве и времени относится к уровню философских оснований современнойкосмологии.

Цель моего реферата состоит втом, чтоб разобраться, что же  все-таки представляет с себя вселенная. В моемреферате поставлены такие  задачи:

1.   Изучить, как произошел тот темп развития вселенной, начиная с момента«большого взрыва»?

2.    Рассмотреть взгляды различных ученых, философов, политологов о том, какрасширяется вселенная?

3.   Исследовать, почему Вселенная начала расширятся со скоростью, стольблизкой к критической, которая разделяет модели с повторным сжатием и модели свечным расширением, так что даже сейчас, через десять тысяч миллионов лет,Вселенная продолжает расширяться со скоростью, примерно равной критической?

 Модель эволюционной историиВселенной, согласно которой она возникла в бесконечно плотном состоянии и с техпор расширяется. Это событие произошло от 13 до 20 миллиардов лет назад иизвестно как «Большой Взрыв». Теория Большого Взрыва теперьобщепринята, так как она объясняет оба наиболее значительных факта космологии:расширяющуюся Вселенную и существование космического фонового излучения. Можновоспользоваться известными законами физики и просчитать в обратном направлениивсе состояния, в которых находилась Вселенная, начиная с 10-43 секунд послеБольшого Взрыва. В течение первого миллиона лет вещество и энергия во Вселеннойсформировали непрозрачную плазму, иногда называемую первичным огненным шаром. Кконцу этого периода расширение Вселенной заставило температуру опуститься ниже3000 K, так что протоны и электроны смогли объединяться, образуя атомыводорода. На этой стадии Вселенная стала прозрачной для излучения. Плотностьвещества теперь стала выше плотности излучения, хотя раньше ситуация былаобратной, что и определяло скорость расширения Вселенной. Фоновое микроволновоеизлучение — все, что осталось от сильно охлажденного излучения раннейВселенной. Первые галактики начали формироваться из первичных облаков водородаи гелия только через один или два миллиарда лет. Термин «БольшойВзрыв» может применяться к любой модели расширяющейся Вселенной, которая впрошлом была горячей и плотной.

     Как-то один известныйученый ( Бертран Рассел) читал публичную лекцию об астрономии. Он рассказывал,как Земля вращается вокруг Солнца, а Солнце, в свою очередь, вращается вокругцентра огромного скопления звезд, которое называют нашей Галактикой. Когдалекция подошла к концу, из последних рядов зала поднялась маленькая пожилаяледи и сказала: «Все, что вы нам говорили, — чепуха. На самом деле наш мир- это плоская тарелка, которая стоит па спине гигантской черепахи».Снисходительно улыбнувшись, ученый спросил: «А на чем держитсячерепаха?» — «Вы очень умны, молодой человек, — ответила пожилаяледи. — Черепаха — на другой черепахе, та — тоже на черепахе, и так все ниже иниже».      Такое представление оВселенной как о бесконечной башне из черепах большинству из нас покажетсясмешным, но почему мы думаем, что сами знаем лучше? Что нам известно оВселенной, и как мы это узнали? Откуда взялась Вселенная, и что с ней станется?Было ли у Вселенной начало, а если было, то что происходило до начала? Каковасущность времени? Кончится ли оно когда-нибудь? Достижения физики последнихлет, которыми мы частично обязаны фантастической новой технике, позволяютнаконец получить ответы хотя бы на отдельные из таких давно поставленныхвопросов. Пройдет время, и эти ответы, может быть, станут столь же очевидными,как-то, что Земля вращается вокруг Солнца, а может быть, столь же нелепыми, какбашня из черепах. Только время (чем бы оно ни было) решит это.      Еще в 340 г. до н. э.греческий философ Аристотель в своей книге «О небе» привел два вескихдовода в пользу того, что Земля не плоская тарелка, а круглый шар. Во-первых,Аристотель догадался, что лунные затмения происходят тогда, когда Земляоказывается между Луной и Солнцем. Земля всегда отбрасывает на Луну круглуютень, а это может быть лишь в том случае, если Земля имеет форму шара. БудьЗемля плоским диском, ее тень имела бы форму вытянутого эллипса, если толькозатмение не происходит всегда именно в тот момент, когда Солнце находится точнона оси диска. Во-вторых, по опыту своих путешествий греки знали, что в южныхрайонах Полярная звезда на небе располагается ниже, чем в северных. (ПосколькуПолярная звезда находится над Северным полюсом, она будет прямо над головойнаблюдателя, стоящего на Северном полюсе, а человеку на экваторе покажется, чтоона на линии горизонта). Зная разницу в кажущемся положении Полярной звезды вЕгипте и Греции, Аристотель сумел даже вычислить, что длина экватора равна 400000 стадиев. Что такое стадий, точно неизвестно, но он близок к 200 метрам, и,стало быть, оценка Аристотеля примерно в 2 раза больше значения, принятогосейчас. У греков был еще и третий довод в пользу шарообразной формы Земли: еслиЗемля не круглая, то почему же мы сначала видим паруса корабля, поднимающиесянад горизонтом, и только потом сам корабль?      Аристотель думал, чтоЗемля неподвижна, а Солнце, Луна, планеты и звезды вращаются вокруг нее покруговым орбитам. Он так полагал, ибо в соответствии со своими мистическимивоззрениями Землю считал центром Вселенной, а круговое движение — самымсовершенным. Птолемей во II веке развил идею Аристотеля в полнуюкосмологическую модель. Земля стоит в центре, окруженная восемью сферами,несущими на себе Луну, Солнце и пять известных тогда планет: Меркурий, Венеру,Марс, Юпитер и Сатурн (рис. 1.1). Сами планеты, считал Птолемей, движутся поменьшим кругам, скрепленным с соответствующими сферами. Это объясняло тотвесьма сложный путь, который, как мы видим, совершают планеты. На самойпоследней сфере располагаются неподвижные звезды, которые, оставаясь в одном итом же положении друг относительно друга, движутся по небу все вместе какединое целое. Что лежит за последней сферой, не объяснялось, но во всякомслучае это уже не было частью той Вселенной, которую наблюдает человечество.

/>

     Модель Птолемея позволяланеплохо предсказывать положение небесных тел на небосводе, но для точногопредсказания ему пришлось принять, что траектория Луны в одних местах подходитк Земле в 2 раза ближе, чем в других! Это означает, что в одном положении Лунадолжна казаться в 2 раза большей, чем в другом! Птолемей знал об этомнедостатке, но тем не менее его теория была признана, хотя и не везде.Христианская Церковь приняла Птолемееву модель Вселенной как не противоречащуюБиблии, ибо эта модель была очень хороша тем, что оставляла за пределами сферынеподвижных звезд много места для ада и рая. Однако в 1514 г. польскийсвященник Николай Коперник предложил еще более простую модель. (Вначале,опасаясь, наверное, того, что Церковь объявит его еретиком, Коперникпропагандировал свою модель анонимно). Его идея состояла в том, что Солнцестоит неподвижно в центре, а Земля и другие планеты обращаются вокруг него по круговыморбитам. Прошло почти столетие, прежде чем идею Коперника восприняли серьезно.Два астронома — немец Иоганн Кеплер и итальянец Галилео Галилей — публичновыступили в поддержку теории Коперника, несмотря на то что предсказанныеКоперником орбиты не совсем совпадали с наблюдаемыми. Теории Аристотеля-Птолемея пришел конец в 1609 г., когда Галилей начал наблюдать ночное тения,согласно которому всякое тело во Вселенной притягивается к любому другому телус тем большей силой, чем больше массы этих тел и чем меньше расстояние междуними. Это та самая сила, которая заставляет тела падать на землю. (Рассказ отом, что Ньютона вдохновило яблоко, упавшее ему на голову, почти наверняканедостоверен. Сам Ньютон сказал об этом лишь то, что мысль о тяготении пришла,когда он сидел в «созерцательном настроении», и «поводом былопадение яблока»). Далее Ньютон показал, что, согласно его закону, Луна поддействием гравитационных сил движется по эллиптической орбите вокруг Земли, аЗемля и планеты вращаются по эллиптическим орбитам вокруг Солнца.      Модель Коперника помоглаизбавиться от Птолемеевых небесных сфер, а заодно и от представления о том, чтоВселенная имеет какую-то естественную границу. Поскольку «неподвижныезвезды» не изменяют своего положения на небе, если не считать их круговогодвижения, связанного с вращением Земли вокруг своей оси, естественно былопредположить, что неподвижные звезды — это объекты, подобные нашему Солнцу,только гораздо более удаленные.      Ньютон понимал, что поего теории тяготения звезды должны притягиваться друг к другу и поэтому,казалось бы, не могут оставаться совсем неподвижными. Не должны ли они упастьдруг на друга, сблизившись в какой-то точке? В 1691 г. в письме Ричарду Бентли,еще одному выдающемуся мыслителю того времени, Ньютон говорил, что такдействительно должно было бы произойти, если бы у нас было лишь конечное числозвезд в конечной области пространства. Но, рассуждал Ньютон, если число звездбесконечно и они более или менее равномерно распределены по бесконечномупространству, то этого никогда не произойдет, так как нет центральной точки,куда им нужно было бы падать.      Эти рассуждения — примертого, как легко попасть впросак, ведя разговоры о бесконечности. В бесконечнойВселенной любую точку можно считать центром, так как по обе стороны от неечисло звезд бесконечно. Лишь гораздо позже поняли, что более правильный подход- взять конечную систему, в которой все звезды падают друг на друга, стремясь кцентру, и посмотреть, какие будут изменения, если добавлять еще и еще звезд,распределенных приблизительно равномерно вне рассматриваемой области. По законуНьютона дополнительные звезды в среднем никак не повлияют на первоначальные, т.е. звезды будут с той же скоростью падать в центр выделенной области. Сколькобы звезд мы ни добавили, они всегда будут стремиться к центру. В наше времяизвестно, что бесконечная статическая модель Вселенной невозможна, еслигравитационные силы всегда остаются силами взаимного притяжения.      Интересно, каким былообщее состояние научной мысли до начала XX в.: никому и в голову не пришло, чтоВселенная может расширяться или сжиматься. Все считали, что Вселенная либосуществовала всегда в неизменном состоянии, либо была сотворена в какой-томомент времени в прошлом примерно такой, какова она сейчас. Отчасти это, можетбыть, объясняется склонностью людей верить в вечные истины, а также особойпритягательностью той мысли, что, пусть сами они состарятся и умрут, Вселеннаяостанется вечной и неизменной.      Даже тем ученым, которыепоняли, что ньютоновская теория тяготения делает невозможной статическуюВселенную, не приходила в голову гипотеза расширяющейся Вселенной. Онипопытались модифицировать теорию, сделав гравитационную силу отталкивающей наочень больших расстояниях. Это практически не меняло предсказываемого движенияпланет, но зато позволяло бесконечному распределению звезд оставаться вравновесии, так как притяжение близких звезд компенсировалось отталкиванием отдалеких. Но сейчас мы считаем, что такое равновесие оказалось бы неустойчивым.В самом деле, если в какой-то области звезды чуть-чуть сблизятся, то силыпритяжения между ними возрастут и станут больше сил отталкивания, так чтозвезды будут и дальше сближаться. Если же расстояние между звездами чуть-чутьувеличится, то перевесят силы отталкивания и расстояние будет нарастать.      Еще одно возражениепротив модели бесконечной статической Вселенной обычно приписывается немецкомуфилософу Генриху Олберсу, который в 1823 г. опубликовал работу, посвященнуюэтой модели. На самом деле многие современники Ньютона занимались той жезадачей, и статья Олберса была даже не первой среди работ, в которыхвысказывались серьезные возражения. Ее лишь первой стали широко цитировать.Возражение таково: в бесконечной статической Вселенной любой луч зрения долженупираться в какую-нибудь звезду. Но тогда небо даже ночью должно яркосветиться, как Солнце. Контраргумент Олберса состоял в том, что свет, идущий кнам от далеких звезд, должен ослабляться из-за поглощения в находящемся на егопути веществе.      Но в таком случае самоэто вещество должно нагреться и ярко светиться, как звезды. Единственнаявозможность избежать вывода о ярко, как Солнце, светящемся ночном небе — предположить, что звезды сияли не всегда, а загорелись в какой-то определенныймомент времени в прошлом. Тогда поглощающее вещество, возможно, еще не успелоразогреться или же свет далеких звезд еще не дошел до нас. Но возникает вопрос:почему зажглись звезды?      Конечно, проблема возникновенияВселенной занимала умы людей уже очень давно. Согласно ряду ранних космогонии ииудейско-христианско-мусульманским мифам, наша Вселенная возникла в какой-тоопределенный и не очень отдаленный момент времени в прошлом. Одним из основанийтаких верований была потребность найти «первопричину» существованияВселенной. Любое событие во Вселенной объясняют, указывая его причину, т. е.другое событие, произошедшее раньше; подобное объяснение существования самойВселенной возможно лишь в том случае, если у нее было начало. Другое основаниевыдвинул Блаженный Августин (православная Церковь считает Августина блаженным,а Католическая — святым. — прим. ред.). в книге «Град Божий». Онуказал на то, что цивилизация прогрессирует, а мы помним, кто совершил то илииное деяние и кто что изобрел. Поэтому человечество, а значит, вероятно, иВселенная, вряд ли очень долго существуют. Блаженный Августин считал приемлемойдату сотворения Вселенной, соответствующую книге «Бытия»:приблизительно 5000 год до нашей эры. (Интересно, что эта дата не так уж далекаот конца последнего ледникового периода — 10 000 лет до н. э., которыйархеологи считают началом цивилизации).      Аристотелю же ибольшинству других греческих философов не нравилась идея сотворения Вселенной,так как она связывалась с божественным вмешательством. Поэтому они считали, чтолюди и окружающий их мир существовали и будут существовать вечно. Доводотносительно прогресса цивилизации ученые древности рассматривали и решили, чтов мире периодически происходили потопы и другие катаклизмы, которые все времявозвращали человечество к исходной точке цивилизации.      Вопросы о том, возниклали Вселенная в какой-то начальный момент времени и ограничена ли она впространстве, позднее весьма пристально рассматривал философ Иммануил Кант всвоем монументальном (и очень темном) труде «Критика чистого разума»,который был издан в 1781 г. Он назвал эти вопросы антиномиями (т. е.противоречиями) чистого разума, так как видел, что в равной мере нельзя нидоказать, ни опровергнуть ни тезис о необходимости начала Вселенной, ниантитезис о ее вечном существовании. Тезис Кант аргументировал тем, что если быу Вселенной не было начала, то всякому событию предшествовал бы бесконечныйпериод времени, а это Кант считал абсурдом. В поддержку антитезиса Кантговорил, что если бы Вселенная имела начало, то ему предшествовал быбесконечный период времени, а тогда спрашивается, почему Вселенная вдругвозникла в тот, а не другой момент времени? На самом деле аргументы Канта фактическиодинаковы и для тезиса, и для антитезиса. Он исходит из молчаливогопредположения, что время бесконечно в прошлом независимо от того, существовалаили не существовала вечно Вселенная. Как мы увидим ниже, до возникновенияВселенной понятие времени лишено смысла.      Когда большинство людейверило в статическую и неизменную Вселенную, вопрос о том, имела она начало илинет, относился, в сущности, к области метафизики и теологии. Все наблюдаемыеявления можно было объяснить как с помощью теории, в которой Вселеннаясуществует вечно, так и с помощью теории, согласно которой Вселенную сотворилив какой-то определенный момент времени таким образом, чтобы все выглядело, какесли бы она существовала вечно. Но в 1929 г. Эдвин Хаббл сделал эпохальное открытие:оказалось, что в какой бы части неба ни вести наблюдения, все далекие галактикибыстро удаляются от нас. Иными словами, Вселенная расширяется. Это означает,что в более ранние времена все объекты были ближе друг к другу, чем сейчас.Значит, было, по-видимому, время, около десяти или двадцати тысяч миллионов летназад, когда они все находились в одном месте, так что плотность Вселенной былабесконечно большой. Сделанное Хабблом открытие перевело вопрос о том, каквозникла Вселенная, в область компетенции науки.      Наблюдения Хабблаговорили о том, что было время — так называемый большой взрыв, когда Вселеннаябыла бесконечно малой и бесконечно плотной. При таких условиях все законы наукитеряют смысл и не позволяют предсказывать будущее. Если в еще более ранниевремена и происходили какие-либо события, они все равно никак не смогли быповлиять на то, что происходит сейчас. Из-за отсутствия же наблюдаемыхследствий ими можно просто пренебречь. Большой взрыв можно считать началомотсчета времени в том смысле, что более ранние времена были бы просто неопределены. Подчеркнем, что такое начало отсчета времени очень сильноотличается от всего того, что предлагалось до Хаббла. Начало времени внеизменяющейся Вселенной есть нечто, что должно определяться чем-то,существующим вне Вселенной; для начала Вселенной нет физической необходимости.Сотворение Богом Вселенной можно в своем представлении относить к любомумоменту времени в прошлом. Если же Вселенная расширяется, то могут существоватьфизические причины для того, чтобы она имела начало. Можно по-прежнемупредставлять себе, что именно Бог создал Вселенную — в момент большого взрываили даже позднее (но так, как если бы произошел большой взрыв). Однако было быабсурдно утверждать, что Вселенная возникла раньше большого взрыва.Представление о расширяющейся Вселенной не исключает создателя, но налагаетограничения на возможную дату его трудов!

     Посколькууже существующих частных теорий вполне достаточно, чтобы делать точныепредсказания во всех ситуациях, кроме самых экстремальных, поиск окончательнойтеории Вселенной не отвечает требованиям практической целесообразности.(Заметим, однако, что аналогичные возражения можно было бы выдвинуть противтеории относительности и квантовой механики, а ведь именно эти теории произвелиреволюцию в ядерной физике и в микроэлектронике!) Таким образом, открытиеполной единой теории, может быть, не будет способствовать выживанию и даженикак не повлияет на течение нашей жизни. Но уже на заре цивилизации людям не нравилисьнеобъяснимые и не связанные между собой события, и они страстно желали понятьтот порядок, который лежит в основе нашего мира. По сей день мы мечтаем узнать,почему мы здесь оказались и откуда взялись. Стремление человечества к знаниюявляется для нас достаточным оправданием, чтобы продолжать поиск. А нашаконечная цель — никак не меньше, чем полное описание Вселенной, в которой мыобитаем.

     Если вясную безлунную ночь посмотреть на небо, то, скорее всего, самыми яркимиобъектами, которые вы увидите, будут планеты Венера, Марс, Юпитер и Сатурн.Кроме того, вы увидите огромное количество звезд, похожих на наше Солнце, нонаходящихся гораздо дальше от нас. При вращении Земли вокруг Солнца некоторыеиз этих «неподвижных» звезд чуть-чуть меняют свое положениеотносительно друг друга, т. е. на самом деле они вовсе не неподвижны! Дело втом, что они несколько ближе к нам, чем другие. Поскольку же Земля вращаетсявокруг Солнца, близкие звезды видны все время в разных точках фона болееудаленных звезд. Благодаря этому можно непосредственно измерить расстояние отнас до этих звезд: чем они ближе, тем сильнее заметно их перемещение. Самаяблизкая звезда, называемая Проксимой Центавра, находится от нас на расстоянииприблизительно четырех световых лет (т. е. свет от нее идет до Земли околочетырех лет), или около 37 миллионов километров. Большинство звезд, видимыхневооруженным глазом, удалены от нас на несколько сотен световых лет. Сравнитеэто с расстоянием до нашего Солнца, составляющим всего восемь световых минут!Видимые звезды рассыпаны но всему ночному небу, но особенно густо в той полосе,которую мы называем Млечным Путем. Еще в 1750 г. некоторые астрономывысказывали мысль, что существование Млечного Пути объясняется тем, что большаячасть видимых звезд образует одну дискообразную конфигурацию — пример того, чтосейчас называется спиральной галактикой. Лишь через несколько десятилетийастроном Уильям Гершель подтвердил это предположение, выполнив колоссальнуюработу но составлению каталога положений огромного количества звезд ирасстояний до них. Но даже после этого представление о спиральных галактикахбыло принято всеми лишь в начале нашего века.      Современная картинаВселенной возникла только в 1924 г., когда американский астроном Эдвин Хабблпоказал, что наша Галактика не единственная. На самом деле существует многодругих галактик, разделенных огромными областями пустого пространства. Длядоказательства Хабблу требовалось определить расстояния до этих галактик, которыенастолько велики, что, в отличие от положений близких звезд, видимые положениягалактик действительно не меняются. Поэтому для измерения расстояний Хаббл былвынужден прибегнуть к косвенным методам. Видимая яркость звезды зависит от двухфакторов: от того, какое количество света излучает звезда (се светимости), и оттого, гдe она находится. Яркость близких звезд и расстояние до них мы можемизмерить; следовательно, мы можем вычислить и их светимость. И наоборот, знаясветимость звезд в других галактиках, мы могли бы вычислить расстояние до них,измерив их видимую яркость. Хаббл заметил, что светимость некоторых типов звездвсегда одна и та же, когда они находятся достаточно близко для того, чтобыможно было производить измерения. Следовательно, рассуждал Хаббл, если такиезвезды обнаружатся в другой галактике, то, предположив у них такую жесветимость, мы сумеем вычислить расстояние до этой галактики. Если подобныерасчеты для нескольких звезд одной и той же галактики дадут один и тот жерезультат, то полученную оценку расстояния можно считать надежной.

/>

     Таким путем Хабблрассчитал расстояния до девяти разных галактик. Теперь известно, что нашаГалактика — одна из нескольких сотен тысяч миллионов галактик, которые можнонаблюдать в современные телескопы, а каждая из этих галактик в свою очередьсодержит сотни тысяч миллионов звезд. На рис. 3.1 показано, какой увидел бынашу Галактику наблюдатель, живущий в какой-нибудь другой галактике. НашаГалактика имеет около ста тысяч световых лет в поперечнике. Она медленновращается, а звезды в ее спиральных рукавах каждые несколько сотен миллионовлет делают примерно один оборот вокруг ее центра. Наше Солнце представляетсобой обычную желтую звезду средней величины, расположенную на внутреннейстороне одного из спиральных рукавов. Какой же огромный путь мы прошли отАристотеля и Птолемея, когда Земля считалась центром Вселенной!  в ее атмосфере.      В 20-х годах, когдаастрономы начали исследование спектров звезд других галактик, обнаружилосьнечто еще более странное: в нашей собственной Галактике оказались те же самыехарактерные наборы отсутствующих цветов, что и у звезд, но все они былисдвинуты на одну и ту же величину к красному концу спектра. Чтобы понять смыслсказанного, следует сначала разобраться с эффектом Доплера. Как мы уже знаем,видимый свет — это колебания, или волны электромагнитного поля. Частота (числоволн в одну секунду) световых колебаний чрезвычайно высока — от четырехсот досемисот миллионов волн в секунду. Человеческий глаз воспринимает свет разныхчастот как разные цвета, причем самые низкие частоты соответствуют красномуконцу спектра, а самые высокие — фиолетовому. Представим себе источник света,расположенный на фиксированном расстоянии от нас (например, звезду), излучающийс постоянной частотой световые волны. Очевидно, что частота приходящих волнбудет такой же, как та, с которой они излучаются (пусть гравитационное полегалактики невелико и его влияние несущественно). Предположим теперь, чтоисточник начинает двигаться в нашу сторону. При испускании следующей волныисточник окажется ближе к нам, а потому время, за которое гребень этой волны донас дойдет, будет меньше, чем в случае неподвижной звезды. Стало быть, времямежду гребнями двух пришедших волн будет меньше, а число волн, принимаемых намиза одну секунду (т. е. частота), будет больше, чем когда звезда быланеподвижна. При удалении же источника частота приходящих волн будет меньше. Этоозначает, что спектры удаляющихся звезд будут сдвинуты к красному концу(красное смещение), а спектры приближающихся звезд должны испытывать фиолетовоесмещение. Такое соотношение между скоростью и частотой называется эффектомДоплера, и этот эффект обычен даже в нашей повседневной жизни. Прислушайтесь ктому, как идет по шоссе машина: когда она приближается, звук двигателя выше (т.е. выше частота испускаемых им звуковых волн), а когда, проехав мимо, машинаначинает удаляться, звук становится ниже. Световые волны и радиоволны ведутсебя аналогичным образом. Эффектом Доплера пользуется полиция, определяяиздалека скорость движения автомашин по частоте радиосигналов, отражающихся отних. Доказав, что существуют другие галактики, Хаббл все последующие годыпосвятил составлению каталогов расстояний до этих галактик и наблюдению ихспектров. В то время большинство ученых считали, что движение галактикпроисходит случайным образом и поэтому спектров, смещенных в красную сторону,должно наблюдаться столько же, сколько и смещенных в фиолетовую. Каково же былоудивление, когда у большей части галактик обнаружилось красное смещениеспектров, т. е. оказалось, что почти все галактики удаляются от нас! Еще болееудивительным было открытие, опубликованное Хабблом в 1929 г.: Хаббл обнаружил,что даже величина красного смещения не случайна, а прямо пропорциональнарасстоянию от нас до галактики. Иными словами, чем дальше находится галактика,тем быстрее она удаляется! А это означало, что Вселенная не может быть статической,как думали раньше, что на самом деле она непрерывно расширяется и расстояниямежду галактиками все время растут.      Открытие расширяющейсяВселенной было одним из великих интеллектуальных переворотов двадцатого века.Задним числом мы можем лишь удивляться тому, что эта идея не пришла никому вголову раньше. Ньютон и другие ученые должны были бы сообразить, чтостатическая Вселенная вскоре обязательно начала бы сжиматься под действиемгравитации. Но предположим, что Вселенная, наоборот, расширяется. Если бырасширение происходило достаточно медленно, то под действием гравитационнойсилы оно в конце концов прекратилось бы и перешло в сжатие. Однако если быскорость расширения превышала некоторое критическое значение, тогравитационного взаимодействия не хватило бы, чтобы остановить расширение, ионо продолжалось бы вечно. Все это немного напоминает ситуацию, возникающую,когда с поверхности Земли запускают вверх ракету. Если скорость ракеты не оченьвелика, то из-за гравитации она в конце концов остановится и начнет падатьобратно. Если же скорость ракеты больше некоторой критической (околоодиннадцати километров в секунду), то гравитационная сила не сможет ее вернуть,и ракета будет вечно продолжать свое движение от Земли. Расширение Вселенноймогло быть предсказано на основе ньютоновской теории тяготения в XIX, XVIII идаже в конце XVII века. Однако вера в статическую Вселенную была столь велика,что жила в умах еще в начале нашего века. Даже Эйнштейн, разрабатывая в 1915 г.общую теорию относительности, был уверен в статичности Вселенной. Чтобы невступать в противоречие со статичностью, Эйнштейн модифицировал свою теорию,введя в уравнения так называемую космологическую постоянную. Он ввел новую«антигравитационную» силу, которая в отличие от других сил непорождалась каким-либо источником, а была заложена в саму структурупространства-времени. Эйнштейн утверждал, что пространство-время само по себевсегда расширяется и этим расширением точно уравновешивается притяжение всейостальной материи во Вселенной, так что в результате Вселенная оказываетсястатической. По-видимому, лишь один человек полностью поверил в общую теориюотносительности: пока Эйнштейн и другие физики думали над тем, как обойти нестатичность Вселенной, предсказываемую этой теорией, русский физик и математикА. А. Фридман, наоборот, занялся ее объяснением.      Фридман сделал два оченьпростых исходных предположения: во-первых, Вселенная выглядит одинаково, вкаком бы направлении мы ее ни наблюдали, и во-вторых, это утверждение должнооставаться справедливым и в том случае, если бы мы производили наблюдения изкакого-нибудь другого места. Не прибегая ни к каким другим предположениям,Фридман показал, что Вселенная не должна быть статической. В 1922 г., занесколько лет до открытия Хаббла, Фридман в точности предсказал его результат!      Предположение ободинаковости Вселенной во всех направлениях на самом деле, конечно, невыполняется. Как мы, например, уже знаем, другие звезды в нашей Галактикеобразуют четко выделяющуюся светлую полосу, которая идет пo всему небу ночью — Млечный Путь. Нo если говорить о далеких галактиках, то их число во всехнаправлениях примерно одинаково. Следовательно, Вселенная действительно«примерно» одинакова во всех направлениях — при наблюдении вмасштабе, большом по сравнению с расстоянием между галактиками, когдаотбрасываются мелкомасштабные различия.      Правда, на первый взгляд,тот факт, что Вселенная кажется нам одинаковой во всех направлениях, можетговорить о какой-то выделенности нашего местоположения во Вселенной. Вчастности, раз мы видим, что все остальные галактики удаляются от нас, значит,мы находимся в центре Вселенной. Но есть и другое объяснение: Вселенная будетвыглядеть одинаково во всех направлениях и в том случае, если смотреть на нееиз какой-нибудь другой галактики. Это, как мы знаем, вторая гипотеза Фридмана.У нас нет научных доводов ни за, ни против этого предположения, и мы принялиего, так сказать, из скромности: было бы крайне странно, если бы Вселеннаяказалась одинаковой во всех направлениях только вокруг нас, а в других ееточках этого не было! В модели Фридмана все галактики удаляются друг от друга.Это вроде бы как надутый шарик, на который нанесены точки, если его все большенадувать. Расстояние между любыми двумя точками увеличивается, но ни одну изних нельзя назвать центром расширения. Притом чем больше расстояние междуточками, тем быстрее они удаляются друг от друга. Но и в модели Фридманаскорость, с которой любые две галактики удаляются друг от друга, пропорциональнарасстоянию между ними. Таким образом, модель Фридмана предсказывает, чтокрасное смешение галактики должно быть прямо пропорционально ее удаленности отнас, в точном соответствии с открытием Хаббла. Несмотря на успех этой модели ина согласие ее предсказаний с наблюдениями Хаббла, работа Фридмана оставаласьнеизвестной на Западе, и лишь в 1935 г. американский физик Говард Робертсон ианглийский математик Артур Уолкер предложили сходные модели в связи с открытиемХаббла.

/>

     СамФридман рассматривал только одну модель, но можно указать три разные модели,для которых выполняются оба фундаментальных предположения Фридмана. В моделипервого типа (открытой самим Фридманом) Вселенная расширяется достаточномедленно для того, чтобы в силу гравитационного притяжения между различнымигалактиками расширение Вселенной замедлялось и в конце концов прекращалось.После этого галактики начинают приближаться друг к другу, и Вселенная начинаетсжиматься. На рис. 3.2 показано, как меняется со временем расстояние междудвумя соседними галактиками. Оно возрастает от нуля до некоего максимума, апотом опять падает до нуля. В модели второго типа расширение Вселенной происходиттак быстро, что гравитационное притяжение хоть и замедляет расширение, не можетего остановить. На рис. 3.3 показано, как изменяется в этой модели расстояниемежду галактиками. Кривая выходит из нуля, а в конце концов галактики удаляютсядруг от друга с постоянной скоростыо. Есть, наконец, и модель третьего типа, вкоторой скорость расширения Вселенной только-только достаточна для того, чтобыизбежать сжатия до нуля (коллапса). В этом случае расстояние между галактикамитоже сначала равно нулю (рис. 3.4), а потом все время возрастает. Правда,галактики «разбегаются» все с меньшей и меньшей скоростью, но онаникогда не падает до нуля.      Модель Фридмана первоготипа удивительна тем, что в ней Вселенная не бесконечна в пространстве, хотяпространство не имеет границ. Гравитация настолько сильна, что пространство,искривляясь, замыкается с самим собой, уподобляясь земной поверхности. Ведь,перемещаясь в определенном направлении по поверхности Земли, вы никогда ненатолкнетесь на абсолютно непреодолимую преграду, не вывалитесь через край и вконце концов вернетесь в ту же самую точку, откуда вышли. В первой моделиФридмана пространство такое же, но только вместо двух измерений, поверхностьЗемли имеет три измерения. Четвертое измерение, время, тоже имеет конечнуюпротяженность, но оно подобно отрезку прямой, имеющему начало и конец. Потом мыувидим, что если общую теорию относительности объединить сквантово-механическим принципом неопределенности, то окажется, что ипространство, и время могут быть конечными, не имея при этом ни краев, ниграниц.      Мысль о том, что можнообойти вокруг Вселенной и вернуться в то же место, годится для научнойфантастики, но не имеет практического значения, ибо, как можно показать,Вселенная успеет сжаться до нуля до окончания обхода. Чтобы вернуться висходную точку до наступления конца Вселенной, пришлось бы передвигаться соскоростью, превышающей скорость света, а это невозможно!      В первой модели Фридмана(в которой Вселенная расширяется и сжимается) пространство искривляется,замыкаясь, само на себя, как поверхность Земли. Поэтому размеры его конечны. Вовторой же модели, в которой Вселенная расширяется бесконечно, пространствоискривлено иначе, как поверхность седла. Таким образом, во втором случае пространствобесконечно. Наконец, в третьей модели Фридмана (с критической скоростьюрасширения) пространство плоское (и, следовательно, тоже бесконечное). Но какаяже из моделей Фридмана годится для нашей Вселенной? Перестанет ли Вселенная,наконец расширяться и начнет сжиматься или же будет расширяться вечно? Чтобыответить на этот вопрос, нужно знать нынешнюю скорость расширения Вселенной иее среднюю плотность. Если плотность меньше некоторого критического значения,зависящего от скорости расширения, то гравитационное притяжение будет слишкоммало, чтобы остановить расширение. Если же плотность больше критической, то вкакой-то момент в будущем из-за гравитации расширение Вселенной прекратится иначнется сжатие.      Сегодняшнюю скоростьрасширения Вселенной можно определить, измеряя (по эффекту Доплера) скоростиудаления от нас других галактик. Такие измерения можно выполнить очень точно.Но расстояния до других галактик нам плохо известны, потому что их нельзяизмерить непосредственно. Мы знаем лишь, что Вселенная расширяется за каждуютысячу миллионов лет на 5-10%. Однако неопределенность в современном значениисредней плотности Вселенной еще больше. Если сложить массы всех наблюдаемыхзвезд в нашей и других галактиках, то даже при самой низкой оценке скоростирасширения сумма окажется меньше одной сотой той плотности, которая необходимадля того, чтобы расширение Вселенной прекратилось. Однако и в нашей, и в другихгалактиках должно быть много темной материи, которую нельзя видетьнепосредственно, но о существовании, которой мы узнаем по тому, как еегравитационное притяжение влияет на орбиты звезд в галактиках. Кроме того,галактики в основном наблюдаются в виде скоплений, и мы можем аналогичнымобразом сделать вывод о наличии еще большего количества межгалактической темнойматерии внутри этих скоплений, влияющего на движение галактик. Сложив массувсей темной материи, мы получим лишь одну десятую того количества, котороенеобходимо для прекращения расширения. Но нельзя исключить возможностьсуществования и какой-то другой формы материи, распределенной равномерно повсей Вселенной и еще не зарегистрированной, которая могла бы довести среднююплотность Вселенной до критического значения, необходимого, чтобы остановитьрасширение. Таким образом, имеющиеся данные говорят о том, что Вселенная,вероятно, будет расширяться вечно. Единственное, в чем можно быть совершенноуверенным, так это в том, что если сжатие Вселенной все-таки произойдет, тоникак не раньше, чем через десять тысяч миллионов лет, ибо по крайней мерестолько времени она уже расширяется. Но это не должно нас слишком сильнотревожить: к тому времени, если мы не переселимся за пределы Солнечной системы,человечества давно уже не будет — оно угаснет вместе с Солнцем!      Все варианты модели Фридманаимеют то общее, что в какой-то момент времени в прошлом (десять-двадцать тысячмиллионов лет назад) расстояние между соседними галактиками должно былоравняться нулю. В этот момент, который называется большим взрывом, плотностьВселенной и кривизна пространства-времени должны были быть бесконечными.      Поскольку математикиреально не умеют обращаться с бесконечно большими величинами, это означает,что, согласно общей теории относительности (на которой основаны решенияФридмана), во Вселенной должна быть точка, в которой сама эта теориянеприменима. Все наши научные теории основаны на предположении, чтопространство-время гладкое и почти плоское, а потому все эти теории неверны всингулярной точке большого взрыва, в которой кривизна пространства-временибесконечна. Следовательно, даже если бы перед большим взрывом происходиликакие-нибудь события, по ним нельзя было бы спрогнозировать будущее, так как вточке большого взрыва возможности предсказания свелись бы к нулю. Точно так же,зная только то, что произошло после большого взрыва (а мы знаем только это), мыне сможем узнать, что происходило до него. События, которые произошли добольшого взрыва, не могут иметь никаких последствий, касающихся нас, и поэтомуне должны фигурировать в научной модели Вселенной. Следовательно, нужноисключить их из модели и считать началом отсчета времени момент большоговзрыва.      В 1963 г. два советскихфизика, Е. М. Лифшиц и И. М. Халатников, сделали еще одну попытку исключитьбольшой взрыв, а с ним и начало времени. Лифшиц и Халатников высказалипредположение, что большой взрыв — особенность лишь моделей Фридмана, которые вконце концов дают лишь приближенное описание реальной Вселенной. Не исключено,что из всех моделей, в какой-то мере описывающих существующую Вселенную,сингулярность в точке большого взрыва возникает только в моделях Фридмана.Согласно Фридману, все галактики удаляются в прямом направлении друг от друга,и поэтому все они находились в одном месте. Однако в реально существующейВселенной галактики никогда не расходятся точно по прямой: обычно у них естьеще и небольшие составляющие скорости, направленные под углом. Поэтому на самомделе галактикам не нужно находиться точно в одном месте — достаточно, чтобы онибыли расположены очень близко друг к другу. Тогда нынешняя расширяющаясяВселенная могла возникнуть не в сингулярной точке большого взрыва, а накакой-нибудь более ранней фазе сжатия; может быть, при сжатии Вселеннойстолкнулись друг с другом не все частицы. Какая-то доля их могла пролететь мимодруг друга и снова разойтись в разные стороны, в результате чего и происходитнаблюдаемое сейчас расширение Вселенной. Как тогда определить, был ли началомВселенной большой взрыв? Лифшиц и Халатников занялись изучением моделей,которые в общих чертах были бы похожи на модели Фридмана, но отличались отфридмановских тем, что в них учитывались нерегулярности и случайный характерреальных скоростей галактик во Вселенной. В результате Лифшиц и Халатниковпоказали, что в таких моделях большой взрыв мог быть началом Вселенной даже втом случае, если галактики не всегда разбегаются по прямой, по это могловыполняться лишь для очень ограниченного круга моделей, в которых движениегалактик происходит определенным образом. Поскольку же моделей фридмановскоготипа, не содержащих большой взрыв, бесконечно больше, чем тех, которые содержаттакую сингулярность, Лифшиц и Халатников утверждали, что на самом деле большоговзрыва не было. Однако позднее они нашли гораздо более общий класс моделейфридмановского типа, которые содержат сингулярности и в которых вовсе нетребуется, чтобы галактики двигались каким-то особым образом. Поэтому в 1970 г.Лифшиц и Халатников отказались от своей теории.      Тем не менее их работаимела очень важное значение, ибо показала, что если верна общая теорияотносительности, то Вселенная могла иметь особую точку, большой взрыв. Но этаработа не давала ответа на главный вопрос: следует ли из общей теорииотносительности, что у Вселенной должно было быть начало времени — большой взрыв?Ответ на этот вопрос был получен при совершенно другом подходе, предложенном в1965 г. английским математиком и физиком Роджером Пенроузом. Исходя изповедения световых конусов в общей теории относительности и того, чтогравитационные силы всегда являются силами притяжения, Пенроуз показал, чтокогда звезда сжимается под действием собственных сил гравитации, онаограничивается областью, поверхность которой в конце концов сжимается до нуля.А раз поверхность этой области сжимается до нуля, то же самое должнопроисходить и с ее объемом. Все вещество звезды будет сжато в нулевом объеме,так что ее плотность и кривизна пространства-времени станут бесконечными. Инымисловами, возникнет сингулярность в некоей области пространства-времени,называемая черной дырой.      В теореме Пенроуза,согласно которой любое тело в процессе гравитационного коллапса должно в концеконцов сжаться в сингулярную точку. А что если в теореме Пенроуза изменитьнаправление времени на обратное, так, чтобы сжатие перешло в расширение, то этатеорема тоже будет верна, коль скоро Вселенная сейчас хотя бы грубо приближенноописывается в крупном масштабе моделью Фридмана. По теореме Пенроуза конечнымсостоянием любой коллапсируюшей звезды должна быть сингулярность; при обращениивремени эта теорема утверждает, что в любой модели фридмановского типаначальным состоянием расширяющейся Вселенной тоже должна быть сингулярность. Посоображениям технического характера в теорему Пенроуза было введено в качествеусловия требование, чтобы Вселенная была бесконечна в пространстве. Поэтому наосновании этой теоремы я мог доказать лишь, что сингулярность должнасуществовать, если расширение Вселенной происходит достаточно быстро, чтобы неначалось повторное сжатие (ибо только такие фридмановские модели бесконечны впространстве).      Потом Воронин Т.П.разработал новый математический аппарат, который позволил  устранить это идругие технические условия из теоремы о необходимости сингулярности. В итоге в1970 г. Воронин и  Пенроузом написали совместную статью, в которой наконецдоказали, что сингулярная точка большого взрыва должна существовать, опираясьтолько на то, что верна общая теория относительности и что во Вселеннойсодержится столько вещества, сколько мы видим. Эта работа вызвала массувозражений, частично со стороны советских ученых, которые из-за приверженностимарксистской философии верили в научный детерминизм, а частично и со сторонытех, кто не принимал саму идею сингулярностей как нарушающую красоту теорииЭйнштейна. Но с математической теоремой не очень поспоришь, и поэтому, когдаработа была закончена, ее приняли, и сейчас почти все считают, что Вселеннаявозникла в особой точке большого взрыва.

     В общейтеории относительности Эйнштейна, самой по себе, делается вывод, чтопространство-время возникло в сингулярной точке большого взрыва, а свой конецоно должно находить в сингулярной точке большого хлопка (если коллапсирует всяВселенная) и в сингулярности внутри черной дыры (если коллапсирует какая-нибудьлокальная область типа звезды). Любое вещество, упавшее в такую дыру, всингулярности должно разрушиться, и снаружи будет ощущаться лишь гравитационноевоздействие его массы. Когда же были учтены квантовые эффекты, то оказалось,что масса и энергия вещества в конце концов должны, по-видимому, возвращатьсяоставшейся части Вселенной, а черная дыра вместе со своей внутреннейсингулярностью должна испариться и полностью исчезнуть. Будет ли столь жебольшим влияние квантовой механики на сингулярности в точках большого взрыва ибольшого хлопка? Что в действительности происходит на очень ранних и оченьпоздних стадиях развития Вселенной, когда гравитационные поля настолько сильны,что нельзя пренебрегать квантовыми эффектами? Есть ли действительно у Вселеннойначало и конец? А если есть, то каковы они?        Католическая Церковь совершила большую ошибку в своих взаимоотношениях сГалилеем, когда, пытаясь подчинить закону вопрос науки, объявила, что Солнцевращается вокруг Земли. Теперь, через века, Церковь решила пригласитьспециалистов и получить у них консультацию по космологии. В конце конференцииучастники были удостоены аудиенции Папы. Он сказал, что эволюцию Вселеннойпосле большого взрыва изучать можно, но не следует вторгаться в сам большойвзрыв, потому что это был момент Сотворения и, следовательно, Божественныйакт.  Папа не знал, что пространство-время конечно не имеет границ, т. е. чтооно не имеет начала, а значит, нет и момента Сотворения. Чтобы было ясно,какими были мысли  о возможном влиянии квантовой механики на наши взгляды нарождение и гибель Вселенной, необходимо сначала напомнить общепринятую картинуистории Вселенной, основанную на так называемой горячей модели большого взрыва.В ней считается, что Вселенная от наших дней до большого взрыва описываетсяодной из моделей Фридмана. В подобных моделях оказывается, что по мерерасширения Вселенной вещество и излучение в ней охлаждаются. (С удвоениемразмеров Вселенной ее температура становится вдвое ниже). Поскольку температура- это просто мера энергии (т. е. скорости) частиц, охлаждение Вселенной должносильно воздействовать на вещество внутри нее. При очень высоких температурахчастицы движутся так быстро, что могут противостоять любому взаимномупритяжению, вызванному ядерными или электромагнитными силами, но при охлажденииможно ожидать, что некоторые частицы будут притягиваться друг к другу и начнутсливаться. Более того, даже типы частиц, существующих во Вселенной, должнызависеть от температуры. При достаточно высоких температурах энергия частицстоль велика, что при любом столкновении образуется много разных парчастица-античастица, и, хотя некоторая доля этих частиц аннигилирует,сталкиваясь с античастицами, их образование происходит все равно быстрееаннигиляции. Но при более низких температурах, когда энергия сталкивающихсячастиц меньше, пары частица-античастица будут образовываться медленнее ианнигиляция частиц будет происходит быстрее рождения.      Считается, что в моментбольшого взрыва размеры Вселенной были равны нулю, а сама она была бесконечногорячей. Но по мере расширения температура излучения понижалась. Через секундупосле большого взрыва температура упала примерно до десяти тысяч миллионовградусов; это примерно в тысячу раз больше температуры в центре Солнца, нотакие температуры достигаются при взрывах водородной бомбы. В это времяВселенная состояла из фотонов, электронов, нейтрино (нейтрино — легчайшиечастицы, участвующие только в слабом и гравитационном взаимодействиях) и ихантичастиц, а также из некоторого количества протонов и нейтронов. По мере тогокак Вселенная продолжала расширяться, а температура падать, скорость рожденияэлектрон антиэлектронных пар в соударениях стала меньше скорости их уничтоженияза счет аннигиляции. Поэтому почти все электроны и антиэлектроны должны былианнигилировать друг с другом, образовав новые фотоны, так что осталось лишьчуть-чуть избыточных электронов. Но нейтрино и антинейтрино не аннигилировалидруг с другом, потому что эти частицы очень слабо взаимодействуют между собой ис другими частицами. Поэтому они до сих нор должны встречаться вокруг нас. Еслибы их можно было наблюдать, то у нас появился бы хороший способ проверки моделиочень горячей ранней Вселенной. К сожалению, их энергии сейчас слишком малы,чтобы их можно было непосредственно наблюдать. Однако если нейтрино не являетсябез массовой частицей, а обладает небольшой собственной массой, обнаруженной внеподтвержденном эксперименте советских ученых 1981 г., то мы смогли быобнаружить их косвенно: они могли бы оказаться одной из форм темной материи,упоминавшейся ранее, гравитационное притяжение которой достаточно для того,чтобы прекратить расширение Вселенной и заставить ее опять сжиматься.      Примерно через сто секундпосле большого взрыва температура упала до тысячи миллионов градусов, чтоотвечает температуре внутри самых горячих звезд. При такой температуре энергиипротонов и нейтронов уже недостаточно для сопротивления сильному ядерномупритяжению, и они начинают объединяться друг с другом, образуя ядра дейтерия(тяжелого водорода), которые состоят из протона и нейтрона. Затем ядра дейтерияприсоединяют к себе еще протоны и нейтроны и превращаются в ядра гелия,содержащие два протона и два нейтрона, а также образуют небольшие количестваболее тяжелых элементов — лития и бериллия. Вычисления показывают, что,согласно горячей модели большого взрыва, около четвертой части протонов инейтронов должно было превратиться в атомы гелия и небольшое количествотяжелого водорода и других элементов. Оставшиеся нейтроны распались на протоны,представляющие собой ядра обычных атомов водорода.      Описанная картина горячейВселенной на ранней стадии развития была предложена ученым Джорджем (Г. А.)Гамовым в знаменитой работе, которую Гамов написал в 1948 г. вместе со своимаспирантом Ральфом Альфером. Обладая прекрасным чувством юмора, Гамов уговорилфизика-ядерщика Ганса Бете добавить свою фамилию к списку авторов, чтобыполучилось «Альфер, Бете, Гамов», что звучит, как названия первыхтрех букв греческого алфавита — альфа, бета, гамма, и чрезвычайно подходит длястатьи о начале Вселенной! В этой статье было сделано замечательноепредсказание о том, что излучение (в виде фотонов), испущенное на очень раннихстадиях развития Вселенной, должно до сих пор существовать вокруг нас, но заэто время его температура упала и равна всего лишь нескольким градусам вышеабсолютного нуля. Это именно то излучение, которое в 1965 г. обнаружили Пензиаси Вильсон. Когда Альфер, Бете и Гамов писали свою работу, ядерные реакции сучастием протонов и нейтронов были плохо изучены. Поэтому предсказанные имисоотношения между концентрациями разных элементов в ранней Вселенной оказалисьвесьма неточными, однако, будучи повторены в свете новых представлений, всевычисления дали результаты, прекрасно согласующиеся с современныминаблюдениями. Кроме того, очень трудно объяснить как-то иначе, почему воВселенной должно быть так много гелия. Поэтому мы совершенно уверены в том, чтоэта картина правильна, по крайней мере спустя секунду после большого взрыва ипозже.      Всего через несколькочасов после большого взрыва образование гелия и других элементов прекратилось,после чего в течение примерно миллиона лет Вселенная просто продолжаларасширяться и с ней не происходило ничего особенного. Наконец, когдатемпература упала до нескольких тысяч градусов и энергии электронов и ядерстало недостаточно для преодоления действующего между ними электромагнитногопритяжения, они начали объединяться друг с другом, образуя атомы. Вся Вселеннаякак целое могла продолжать расширяться и охлаждаться, но в тех областях,плотность которых была немного выше средней, расширение замедлялось из-задополнительного гравитационного притяжения. В результате некоторые областиперестали расширяться и начали сжиматься. В процессе сжатия под действиемгравитационного притяжения материи, находящейся снаружи этих областей, моглоначаться их медленное вращение. С уменьшением размеров коллапсирующей областиее вращение ускорялось, подобно тому, как ускоряется вращение фигуриста нальду, когда он прижимает руки к телу. Когда наконец коллапсирующая областьстала достаточно малой, скорости ее вращения должно было хватить дляуравновешивания гравитационного притяжения — так образовались вращающиесядискообразные галактики. Те области, которые не начали вращаться, превратилисьв овальные объекты, называемые эллиптическими галактиками. Коллапс этихобластей тоже прекратился, потому что, хотя отдельные части галактики стабильновращались вокруг ее центра, галактика в целом не вращалась.      Состоящий из водорода игелия газ внутри галактик со временем распался на газовые облака меньшегоразмера, сжимающиеся и од действием собственной гравитации. При сжатии этихоблаков атомы внутри них сталкивались друг с другом, температура газаповышалась, и в конце концов газ разогрелся так сильно, чти начались реакцииядерного синтеза. В результате этих реакций из водорода образовалосьдополнительное количество гелия, а из-за выделившегося тепла возросло давлениеи газовые облака перестали сжиматься. Облака долго оставались в этом состоянии,подобно таким звездам, как наше Солнце, превращая водород в гелий и излучаявыделяющуюся энергию в виде тепла и света. Более массивным звездам дляуравновешивания своего более сильного гравитационного притяжения нужно былоразогреться сильнее, и реакции ядерного синтеза протекали в них настолькобыстрее, что они выжгли свой водород всего за сто миллионов лет. Затем онислегка сжались, и, поскольку нагрев продолжался, началось превращение гелия вболее тяжелые элементы, такие как углерод и кислород. Но в подобных процессахвыделяется не много энергии, и потому, как уже говорилось в главе о черныхдырах, должен был разразиться кризис. Не совсем ясно, что произошло потом, новполне правдоподобно, что центральные области звезды коллапсировали в оченьплотное состояние вроде нейтронной звезды или черной дыры. Внешние областизвезды могут время от времени отрываться и уноситься чудовищным взрывом,который называется взрывом сверхновой, затмевающей своим блеском все остальныезвезды в своей галактике. Часть более тяжелых элементов, образовавшихся передгибелью звезды, была отброшена в заполняющий галактику газ и превратилась всырье для последующих поколений звезд. Наше Солнце содержит около двухпроцентов упомянутых более тяжелых элементов, потому что оно является звездойвторого или третьего поколения, образовавшейся около пяти миллионов лет назадиз облака вращающегося газа, в котором находились осколки более раннихсверхновых. Газ из этого облака в основном пошел на образование Солнца или былунесен взрывом, но небольшое количество более тяжелых элементов, собравшисьвместе, превратилось в небесные тела — планеты, которые сейчас, как и Земля,обращаются вокруг Солнца.      Сначала Земля былагорячей и не имела атмосферы. Со временем она остыла, а вследствие выделениягаза из горных пород возникла земная атмосфера. Ранняя атмосфера быланепригодна для нашей жизни. В ней не было кислорода, но было много других,ядовитых для нас газов, например сероводорода (это тот газ, который придаетспецифический запах тухлым яйцам). Правда, есть и другие, примитивные формыжизни, которые могут процветать в таких условиях. Предполагают, что ониразвились в океанах, возможно, в результате случайных объединений атомов в большиеструктуры, называемые макромолекулами, которые обладали способностьюгруппировать другие атомы в океане в такие же структуры. Таким образом онисамовоспроизводились и множились. Иногда в воспроизведении могли произойтисбои. Эти сбои большей частью состояли в том, что новая макромолекула не моглавоспроизвести себя и в конце концов разрушалась. Но иногда в результате сбоеввозникали новые макромолекулы, даже более способные к самовоспроизведению, чтодавало им преимущество, и они стремились заменить собой первоначальные. Такначался процесс эволюции, который приводил к возникновению все более и болеесложных организмов, способных к самовоспроизведению. Самые первые примитивныеживые организмы потребляли различные вещества, в том числе сероводород, и выделяликислород. В результате происходило постепенное изменение земной атмосферы,состав которой в конце концов стал таким, как сейчас, и возникли подходящиеусловия для развития более высоких форм жизни, таких, как рыбы, рептилии,млекопитающие и, наконец, человеческий род.      Картина, в которойВселенная сначала была очень горячей и охлаждалась по мере своего расширения,па сегодняшний день согласуется с результатами всех наблюдений. Тем не менеецелый ряд важных вопросов остается без ответа.      1. Почему ранняяВселенная была такой горячей?      2. Почему Вселенная такоднородна в больших масштабах? Почему она выглядит одинаково во всех точкахпространства и во всех направлениях? В частности, почему температуракосмического фона микроволнового излучения практически не меняется принаблюдениях в разных направлениях? Когда на экзамене нескольким студентамподряд задается один и тот же вопрос и их ответы совпадают, вы можете бытьсовершенно уверены в том, что они советовались друг с другом. Однако вописанной модели с момента большого взрыва у света не было времени, чтобыпопасть из одной удаленной области в другую, даже если эти областирасполагались близко друг к другу в ранней Вселенной. Согласно же теорииотносительности, если свет не может попасть из одной области в другую, то иникакая другая информация тоже не может. Поэтому разные области раннейВселенной никак не могли выровнять свои температуры друг с другом, если у нихне были одинаковые по какой-то непонятной причине температуры прямо с моментарождения.      3. Почему Вселеннаяначала расширяться со скоростью, столь близкой к критической, которая разделяетмодели с повторным сжатием и модели с вечным расширением, так что даже сейчас,через десять тысяч миллионов лет, Вселенная продолжает расширяться соскоростью, примерно равной критической? Если бы через секунду после большоговзрыва скорость расширения оказалась хоть на одну сто тысяча миллион миллионную(1/100.000.000.000.000.000) меньше, то произошло бы повторное сжатие Вселеннойи она никогда бы не достигла своего современного состояния.      4. Несмотря накрупномасштабную однородность Вселенной, в ней существуют неоднородности,такие, как звезды и галактики. Считается, что они образовались из-за небольшихразличий в плотности ранней Вселенной от области к области. Что было причинойэтих флуктуаций плотности?      Общая теорияотносительности сама по себе не в состоянии объяснить перечисленные свойстваили ответить на поставленные вопросы, так как она говорит, что Вселеннаявозникла в сингулярной точке большого взрыва и в самом начале имела бесконечнуюплотность. В сингулярной же точке общая теория относительности и все физическиезаконы неверны: невозможно предсказать, что выйдет из сингулярности. Как мы ужеговорили, это означает, что большой взрыв и все события до него можно выброситьиз теории, потому что они никак не могут повлиять на то, что мы наблюдаем.Следовательно, пространство-время должно иметь границу — начало в точкебольшого взрыва.      Наука, по-видимому,открыла все те законы, которые в пределах погрешностей, налагаемых принципомнеопределенности, позволяют предсказать, как Вселенная изменится со временем,если известно ее состояние в какой-то момент времени. Может быть, эти законыбыли даны Богом, но с тех пор Он, судя по всему, предоставил Вселеннойразвиваться в соответствии с ними и теперь не вмешивается в ее жизнь. Но какимион выбрал начальное состояние и начальную конфигурацию Вселенной? Какие«граничные условия» были в момент «начала времени»?      Один из возможных ответов- это сказать, что при выборе начальной конфигурации Вселенной Богруководствовался соображениями, понять, которые нам не дано. Это, безусловно,было во власти Бога, но почему, выбрав такое странное начало, он все же решил,чтобы Вселенная развивалась, но понятным нам законам? Вся история науки былапостепенным осознанием того, что события не происходят произвольным образом, аотражают определенный скрытый порядок, который мог или не мог быть установленбожественными силами. Было бы лишь естественно предположить, что этот порядокотносится не только к законам науки, но и к условиям на границепространства-времени, которые определяют начальное состояние Вселенной.Возможно большое число разных моделей Вселенной с иными начальными условиями,подчиняющихся законам науки. Должен существовать какой-то принцип для отбораодного начального состояния и, стало быть, одной модели для описания нашейВселенной.      Одну из такихвозможностей называют хаотическими граничными условиями. В них молчаливопринимается, либо что Вселенная бесконечна в пространстве, либо что существуетбесконечно много вселенных. Согласно хаотическим граничным условиям,вероятность того, что любая выделенная область пространства сразу после большоговзрыва окажется в любом заданном состоянии, примерно равна вероятности того,что она окажется в любом другом состоянии: начальное состояние Вселеннойвыбирается совершенно произвольным образом. Это означало бы, что ранняяВселенная была, вероятно, очень хаотичной и нерегулярной, потому чтохаотических и беспорядочных состояний Вселенной гораздо больше, чем гладких иупорядоченных. (Если все состояния равновероятны, то Вселенная с большойвероятностью возникла в одном из хаотических и беспорядочных состояний простопотому, что таких состояний гораздо больше). Трудно сказать, как подобныехаотические начальные условия могли породить такую гладкую и однородную вбольших масштабах Вселенную, как наша сейчас. Можно также ожидать, что в такоймодели флуктуации плотности приведут к образованию гораздо большего числапервичных черных дыр, чем верхний предел, вытекающий из наблюдений фонагамма-излучения.      Если Вселенная в самомделе бесконечна в пространстве или если существует бесконечно много вселенных, тогде-то могли бы существовать довольно большие области, возникшие в гладком иоднородном состоянии. Вспомним хорошо известный пример со стаей обезьян,барабанящих на пишущих машинках: большая часть их работы пойдет в корзину, но впринципе они могут совершенно случайно напечатать один из сонетов Шекспира. Таки здесь — не могла ли область Вселенной, в которой мы живем, случайно оказатьсягладкой и однородной? На первый взгляд это может показаться крайнемаловероятным, потому что таких гладких областей должно быть намного меньше,чем хаотических и неоднородных. Но предположим, что галактики и звездыобразовывались только в гладких областях и только там условия были пригодны дляразвития таких сложных самовоспроизводящихся организмов, как мы, способных задатьвопрос: «Почему Вселенная такая гладкая?» Это пример применения такназываемого антропного принципа, который можно сформулировать следующимобразом: «Мы видим Вселенную так, как мы ее видим, потому что мысуществуем».      Антропный принципсуществует в двух вариантах — слабом и сильном. Слабый антропный принципутверждает, что во Вселенной, которая велика или бесконечна в пространстве иливо времени, условия, необходимые для развития разумных существ, будутвыполняться только в некоторых областях, ограниченных в пространстве и времени.Поэтому разумные существа в этих областях не должны удивляться, обнаружив, чтота область, где они живут, удовлетворяет условиям, необходимым для ихсуществования. Так богач, живущий в богатом районе, не видит никакой бедностивокруг себя.      Один из примеровприменения слабого антропного принципа — «объяснение» того, чтобольшой взрыв произошел около десяти тысяч миллионов лет назад: примерностолько времени требуется разумным существам для их развития. Как уже говорилось,прежде всего должно было образоваться раннее поколение звезд. Эти звездыпревращали часть первоначального водорода и гелия в элементы типа углерода икислорода, из которых мы состоим. Затем звезды взрывались как сверхновые, а изих осколков образовывались другие звезды и планеты, в том числе и входящие внашу Солнечную систему, возраст которой около пяти тысяч миллионов лет. Впервые одну или две тысячи миллионов лет существования Земли на ней былослишком жарко для развития каких бы то ни было сложных организмов. Остальныепримерно три тысячи миллионов лет происходит медленный процесс биологическогоразвития, в результате которого простейшие организмы прошли путь до разумныхсуществ, умеющих измерять время, прошедшее с момента большого взрыва.      Мало кто возражает противсправедливости и применимости слабого антропного принципа. Некоторые же идутзначительно дальше, предлагая его сильный вариант. Он заключается в том, чтосуществует либо много разных вселенных, либо много разных областей однойвселенной, каждая из которых имеет свою собственную начальную конфигурацию и,возможно, свой собственный набор научных законов. В большей части этихвселенных условия были непригодны для развития сложных организмов; лишь внескольких, похожих на нашу, вселенных смогли развиваться разумные существа, иу этих разумных существ возник вопрос: «Почему наша Вселенная такая, какоймы ее видим?» Тогда ответ прост: «Если бы Вселенная была другой,здесь не было бы нас!»      Законы науки в том виде,в котором мы их знаем сейчас, содержат много фундаментальных величин, таких,как электрический заряд электрона и отношение массы протона к массе электрона.Мы не умеем, но крайней мере сейчас, теоретически предсказывать значения этихвеличин — они находятся только из эксперимента. Может быть, придет день, когдамы откроем полную единую теорию, с помощью которой все эти величины будутвычислены, но может оказаться, что некоторые из них, а то и все изменяются припереходе от вселенной к вселенной или и пределах одной вселенной. Удивительно,что значения таких величин были, по-видимому, очень точно подобраны, чтобыобеспечить возможность развития жизни. Если бы, например, электрический зарядэлектрона был чуть-чуть другим, звезды либо не сжигали бы водород и гелий, либоне взрывались. Разумеется, могут быть и другие формы разумной жизни, о которыхне грезили даже писатели-фантасты. Для поддержания этой жизни не требуются нисвет звезды, как, скажем, наше Солнце, ни тяжелые элементы, синтезирующиесявнутри звезд и разлетающиеся по космическому пространству при взрыве звезды.Тем не менее, по-видимому, ясно, что величины, о которых мы говорим, имеютсравнительно немного областей значений, при которых возможно развитие какой быто ни было разумной жизни. Большая же часть значений отвечает вселенным, вкоторых, как бы они ни были прекрасны, нет никого, кто мог бы ими восхищаться.Это можно воспринимать либо как свидетельство божественного провидения всотворении Вселенной и выборе законов науки, либо как подтверждение сильногоантропного принципа.      Можно выдвинуть нескольковозражений против привлечения сильного антропного принципа для объяснениянаблюдаемого состояния Вселенной. Во первых, в каком смысле можно говорить, чтовсе эти вселенные существуют? Если они действительно изолированы друг от друга,то события, происходящие не в нашей Вселенной, не могут иметь наблюдаемыхследствий в нашей Вселенной. Поэтому нам следует воспользоваться принципомэкономии и исключить их из теории. Если же эти вселенные — просто разныеобласти одной и той же вселенной, то научные законы должны быть одинаковы вкаждой области, потому что иначе был бы невозможен непрерывный переход из однойобласти в другую. Тогда области отличались бы друг от друга только начальнымиконфигурациями, и сильный антропный принцип сводился бы к слабой формулировке.      Второе возражение противсильного антропного принципа — это то, что он направлен против хода всейистории науки. Развитие науки шло от геоцентрических космологии Птолемея и егопредшественников через гелиоцентрическую космологию Коперника и Галилея ксовременной картине мира, согласно которой Земля является планетой среднегоразмера, обращающейся вокруг обычной звезды внутри обычной спиральнойгалактики, которая в свою очередь является всего лишь одной из миллионамиллионов галактик в наблюдаемой части Вселенной. Тем не менее, согласносильному антропному принципу, все это гигантское сооружение существует просторади нас. В это очень трудно поверить. Наша Солнечная система безусловно являетсянеобходимым условием нашего существования; те же самые рассуждения можнораспространить на всю нашу Галактику, чтобы учесть звезды раннего поколения,благодаря которым произошел синтез тяжелых элементов. Но, по-видимому, нетникакой необходимости в том, чтобы все эти другие галактики, да и вся Вселеннаябыли такими однородными и одинаковыми в больших масштабах в любом направлении.      Можно было бы небеспокоиться насчет антропного принципа, особенно в его слабой формулировке,если бы удалось показать, что из разных начальных конфигураций Вселенной лишьнекоторые могли развиться во Вселенную, как та, которую мы наблюдаем. Если этоправильно, то Вселенная, возникшая из случайных начальных условий, должнасодержать в себе гладкие и однородные области, пригодные для развития разумнойжизни. Если же для того, чтобы получилось то, что мы видим вокруг, требовалсячрезвычайно тщательный выбор начального состояния Вселенной, то вряд ли в нейоказалась бы хоть одна область, в которой могла зародиться жизнь. В горячеймодели большого взрыва было слишком мало времени для передачи тепла из однойобласти в другую. Это значит, что для объяснения того факта, что температурамикроволнового фона одинакова в любом направлении наблюдения, необходимо, чтобыв начальном состоянии Вселенной ее температура была везде в точностиодинаковой. Кроме того, требовался и очень точный выбор начальной скоростирасширения, потому что для избежания повторного сжатия скорость расширениядолжна оставаться достаточно близкой к критическому значению. Следовательно,выбор начального состояния Вселенной должен производиться очень тщательно, еслигорячая модель большого взрыва применима до самого момента начала отсчетавремени. Почему начало Вселенной должно было быть именно таким, очень труднообъяснить иначе, как деянием Бога, которому захотелось создать таких живыхсуществ, как мы.      Попытки построить модельВселенной, в которой множество разных начальных конфигураций могло бы развитьсяво что-нибудь вроде нашей нынешней Вселенной, привели Алана Гута, ученого изМассачусетского технологического института, к предположению о том, что ранняяВселенная пережила период очень быстрого расширения. Это расширение называютраздуванием, подразумевая, что какое-то время расширение Вселенной происходилосо все возрастающей скоростью, а не с убывающей, как сейчас. Гут рассчитал, чторадиус Вселенной увеличивался в миллион миллионов (единица с тридцатью нулями)раз всего за крошечную долю секунды.      Гут высказалпредположение, что Вселенная возникла в результате большого взрыва в оченьгорячем, но довольно хаотическом состоянии. Высокие температуры означают, чточастицы во Вселенной должны были очень быстро двигаться и иметь большиеэнергии. Как уже говорилось, при таких высоких температурах сильные и слабыеядерные силы и электромагнитная сила должны были все объединиться в одну. Помере расширения Вселенной она охлаждалась и энергии частиц уменьшались. В концеконцов должен был бы произойти так называемый фазовый переход и симметрия сил былабы нарушена: сильное взаимодействие начало бы отличаться от слабого иэлектромагнитного. Известный пример фазового перехода — замерзание воды приохлаждении. Жидкое состояние воды симметрично, т. е. вода одинакова во всехточках и во всех направлениях. Образующиеся же кристаллы льда имеютопределенные положения и выстраиваются в некотором направлении. В результатесимметрия воды нарушается.      Если охлаждать воду оченьосторожно, то ее можно «переохладить», т. е. охладить ниже точкизамерзания (0 град. Цельсия) без образования льда. Гут предположил, чтоВселенная могла себя вести похожим образом: ее температура могла упасть нижекритического значения без нарушения симметрии сил. Если бы это произошло, тоВселенная оказалась бы в нестабильном состоянии с энергией, превышающей ту,которую она имела бы при нарушении симметрии. Можно показать, что эта особаядополнительная энергия производит антигравитационное действие аналогичнокосмологической постоянной, которую Эйнштейн ввел в общую теорию относительности,пытаясь построить статическую модель Вселенной. Поскольку, как и в горячеймодели большого взрыва, Вселенная уже вращалась, отталкивание, вносимоекосмологической постоянной, заставило бы Вселенную расширяться со всевозрастающей скоростью. Даже в тех областях, где число частиц веществапревышало среднее значение, гравитационное притяжение материи было бы меньшеотталкивания, вносимого эффективной космологической постоянной. Следовательно,такие области должны были тоже расширяться с ускорением, характерным для моделираздувающейся Вселенной. По мере расширения частицы материи расходились бы вседальше друг от друга, и в конце концов расширяющаяся Вселенная оказалась быпочти без частиц, но все еще в переохлажденном состоянии. В результате расширениявсе неоднородности во Вселенной должны были просто сгладиться, какразглаживаются при надувании морщины на резиновом шарике. Следовательно,нынешнее гладкое и однородное состояние Вселенной могло развиться из большогочисла разных неоднородных начальных состояний.      Во Вселенной, скоростьрасширения которой растет из-за космологической постоянной быстрее, чемзамедляется из-за гравитационного притяжения материи, свету хватило бы временидля перехода из одной области ранней Вселенной в другую. Это было бы решениемранее поставленной задачи о том, почему разные области ранней Вселенной имеютодинаковые свойства. Кроме того, скорость расширения Вселенной стала быавтоматически очень близка к критическому значению, определяемому плотностьюэнергии во Вселенной. Тогда такую близость скорости расширения к критическойможно было бы объяснить, не делая предположения о тщательном выборе начальнойскорости расширения Вселенной.      Раздуванием Вселеннойможно было бы объяснить, почему в ней так много вещества. В доступнойнаблюдениям области Вселенной содержится порядка ста миллионов (единица свосьмьюдесятью нулями) частиц. Откуда все они взялись? Ответ состоит в том, чтов квантовой теории частицы могут рождаться из энергии в виде парчастица-античастица. Но тогда сразу возникает вопрос: откуда берется энергия?Ответ таков. Полная энергия Вселенной в точности равна нулю. Вещество воВселенной образовано из положительной энергии. Но все вещество само себяпритягивает под действием гравитации. Два близко расположенных куска веществаобладают меньшей энергией, чем те же два куска, находящиеся далеко друг отдруга, потому что для разнесения их в стороны нужно затратить энергию напреодоление гравитационной силы, стремящейся их соединить. Следовательно, энергиягравитационного ноля в каком-то смысле отрицательна. Можно показать, что вслучае Вселенной, примерно однородной в пространстве, эта отрицательнаягравитационная энергия в точности компенсирует положительную энергию, связаннуюс веществом. Поэтому полная энергия Вселенной равна нулю.      Поскольку дважды нультоже нуль, количество положительной энергии вещества во Вселенной можетудвоиться одновременно с удвоением отрицательной гравитационной энергии; законсохранения энергии при этом не нарушится. Такого не бывает при нормальномрасширении Вселенной, в которой плотность энергии вещества уменьшается по мереувеличения размеров Вселенной. Но именно так происходит при раздувании, потомучто в этом случае Вселенная увеличивается, а плотность энергии переохлажденногосостояния остается постоянной: когда размеры Вселенной удвоятся, положительнаяэнергия вещества и отрицательная гравитационная энергия тоже удвоятся, врезультате чего полная энергия остается равной нулю. В фазе раздувания размерыВселенной очень сильно возрастают. Следовательно, общее количество энергии, засчет которой могут образовываться частицы, тоже сильно увеличивается. Гут поэтому поводу заметил: «Говорят, что не бывает скатерти-самобранки. А невечная ли самобранка сама Вселенная?»      Сейчас Вселеннаярасширяется без раздувания. Значит, должен существовать какой-то механизм,благодаря которому была устранена очень большая эффективная космологическаяпостоянная, а скорость расширения перестала расти и под действием гравитации началауменьшаться, как продолжает уменьшаться и сейчас. Можно ожидать, что прираздувании в конце концов нарушится симметрия сил, так же как переохлажденнаявода в конце концов замерзнет. Тогда лишняя энергия состояния с ненарушеннойсимметрией должна выделиться, и за счет этого Вселенная разогреется дотемпературы, чуть-чуть меньшей, чем критическая температура, при которойсимметрия сил еще не нарушается. Затем Вселенная опять начнет расширяться иохлаждаться, так же как в горячей модели большого взрыва, но теперь мы ужесможем объяснить, почему скорость ее расширения в точности равна критической ипочему разные области Вселенной имеют одинаковую температуру.      В гипотезе Гута фазовыйпереход происходил очень быстро, как возникают вдруг кристаллы льда в оченьхолодной воде. Идея Гута заключалась в том, что внутри старой фазы образуются«пузырьки» новой фазы нарушенной симметрии, подобно тому, как вкипящей воде зарождаются пузырьки пара. Гут предположил, что пузыри расширяютсяи сливаются друг с другом до тех пор, пока вся Вселенная не окажется в новойфазе. В 1983 г. Линде предложил более удачную модель, называемую хаотическоймоделью раздувания. В ней нет ни фазового перехода, ни переохлаждения, а взаменприсутствует бес спиновое поле, которое из-за квантовых флуктуаций принимаетбольшие значения в некоторых областях ранней Вселенной. В таких областяхэнергия поля будет вести себя как космологическая постоянная. Результатомдействия поля будет гравитационное отталкивание, под влиянием которого вышеуказанныеобласти начнут раздуваться. По мере увеличения этих областей энергия поля в нихбудет медленно уменьшаться, пока раздувание не перейдет в такое же расширение,как в горячей модели большого взрыва. Одна из областей могла бы превратиться всовременную наблюдаемую Вселенную. Модель Линде обладает всеми преимуществамиранней модели раздувания, но не требует сомнительного фазового перехода и,кроме того, может дать реальную оценку флуктуаций температуры фонамикроволнового излучения, согласующуюся с результатами наблюдений.      Проведенные исследованиямоделей раздувания показали, что современное состояние Вселенной могловозникнуть из большого числа разных начальных конфигураций. Это важный вывод,ибо из него следует, что выбор начального состояния той части Вселенной, вкоторой мы живем, мог быть не очень тщательным. Но вовсе не из всякогоначального состояния могла получиться такая Вселенная, как наша. Это можнодоказать, предположив, что Вселенная сейчас находится в совершенно другомсостоянии, каком-нибудь очень нерегулярном и комковатом. Воспользовавшисьзаконами науки, можно проследить развитие Вселенной назад во времени иопределить ее конфигурацию в более ранние времена. По теоремам о сингулярностиклассической общей теории относительности сингулярность в точке большого взрывавсе равно должна была существовать. Если такая Вселенная будет развиватьсявперед во времени в соответствии с законами науки, то в конце мы придем к томукомковатому и нерегулярному состоянию, с которого начинали. Следовательно,должны существовать начальные конфигурации, из которых не может получитьсятакая Вселенная, какой сейчас мы видим нашу. Значит, даже модель раздуванияничего не говорит о том, почему начальная конфигурация оказалась не той, прикоторой получилась бы Вселенная, сильно отличающаяся от наблюдаемой нами.Следует ли обратиться для объяснения к натронному принципу? Было ли всепроисшедшее просто счастливой случайностью? Такой ответ выглядел бы каквыражение отчаяния, отрицание всех наших надежд понять, какой же порядок лежитв основе Вселенной.      Для предсказания того,каким должно было быть начало Вселенной, необходимы законы, справедливые вначале отсчета времени. Если классическая общая теория относительности верна,то из доказанных Роджером Пенроузом и мной теорем о сингулярности следует, чтов точке начала отсчета времени плотность и кривизна пространства-временипринимают бесконечные значения. В такой точке нарушаются все известные законыприроды. Можно было бы предположить, что в сингулярностях действуют новыезаконы, но их трудно формулировать в точках со столь непонятным поведением, имы не знали бы, как из наблюдений вывести вид этих законов. Но на самом деле изтеорем о сингулярности следует, что гравитационное поле настолько усиливается,что становятся существенными квантовые гравитационные эффекты: классическаятеория перестает давать хорошее описание Вселенной. Поэтому при изучении оченьранних стадий развития Вселенной приходится привлекать квантовую теориюгравитации. Как мы потом увидим, в квантовой теории обычные законы науки могутвыполняться везде, в том числе и в начале отсчета времени: нет необходимостипостулировать новые законы для сингулярностей, потому что в квантовой теории недолжно быть никаких сингулярностей.      Пока у нас еще нет полнойи согласованной теории, объединяющей квантовую механику и гравитацию. Но мысовершенно уверены в том, что подобная единая теория должна иметь некоторыеопределенные свойства. Во-первых, она должна включать в себя фейнмановский методквантовой теории, основанный на суммах по траекториям частицы (и по«историям» Вселенной). При таком методе в отличие от классическойтеории частица уже не рассматривается как обладающая одной-единственнойтраекторией. Напротив, предполагается, что она может перемещаться по всемвозможным путям в пространстве-времени и любой ее траектории отвечает парачисел, одно из которых дает длину волны, а другое — положение в периоде волны(фазу). Например, вероятность того, что частица пройдет через некоторую точку,получается суммированием всех волн, отвечающих каждой возможной траектории,проходящей через эту точку. Но попытки произвести такое суммированиенаталкиваются на серьезные технические затруднения. Их можно обойти, лишьвоспользовавшись следующим специальным рецептом: складываются волны, образующиете истории (траектории) частиц, которые происходят не в ощущаемом нами реальном(действительном) времени, а в так называемом мнимом времени. Мнимое времязвучит, возможно, научно фантастически, но на самом деле это строгоопределенное научное понятие. Умножив обычное (или действительное) число самона себя, мы получим положительное число. (Например, число 2, умноженное на 2,дает 4, и то же самое получается при умножении -2 на -2). Но существуют особыечисла (они называются мнимыми), которые при умножении сами на себя даютотрицательный результат. (Одно из таких чисел, мнимая единица i, при умножениисамо на себя дает -1, число 2i, умноженное само на себя, дает -4 и т. д.). Воизбежание усложнений технического характера при вычислении фейнмановский суммпо траекториям следует переходить к мнимому времени. Это означает, что прирасчетах время надо измерять не в действительных единицах, а в мнимых. Тогда впространстве-времени обнаруживаются интересные изменения: в нем совершенноисчезает различие между временем и пространством. Пространство-время, в которомвременная координата событий имеет мнимые значения, называют евклидовым, вчесть древнегреческого ученого Евклида, основателя учения о геометрии двумерныхповерхностей. То, что мы сейчас называем евклидовым пространством-временем,очень похоже на первоначальную геометрию Евклида и отличается от нее лишьчислом измерений: четыре вместо двух. В евклидовом пространстве-времени неделается различий между осью времени и направлениями в пространстве. В реальномже пространстве-времени, где событиям отвечают действительные значениякоординаты времени, эти различия видны сразу: для всех событий ось временилежит внутри светового конуса, а пространственные оси — снаружи. В любомслучае, пока мы имеем дело с обычной квантовой механикой, мнимое время иевклидово пространство-время можно рассматривать просто как математическийприем для расчета величин, связанных с реальным пространством-временем.      Второе условие, котороедолжна включать в себя любая завершенная теория, — это предположение Эйнштейнао том, что гравитационное поле представляется в виде искривленногопространства-времени: частицы стремятся двигаться по траекториям, заменяющим вискривленном пространстве-времени прямые, но, поскольку пространство-время неплоское, эти траектории искривляются, как будто на них действует гравитационноеноле. Если фейнмановское суммирование по траекториям соединить с представлениемЭйнштейна о гравитации, то тогда аналогом траектории одной частицы станет всеискривленное пространство-время, которое представляет собой историю всейВселенной. Для того чтобы избежать технических затруднений, которые могутвстретиться при конкретном вычислении суммы по историям, искривленные четырехмерныепространства надо считать евклидовыми. Это означает, что ось времени мнимая ине отличается от пространственных осей. Для вычисления вероятности того, чтодействительное пространство-время обладает некоторым свойством, напримервыглядит одинаково во всех точках и во всех направлениях, надо сложить волны,соответствующие всем тем историям, которые обладают этим свойством.      В классической общейтеории относительности может существовать много разных видов искривленногопространства-времени, и все они отвечают разным начальным состояниям Вселенной.Зная начальное состояние нашей Вселенной, мы знали бы целиком всю ее историю.Аналогично в квантовой теории гравитации возможно много разных квантовыхсостояний Вселенной, и точно так же, зная, как вели себя в ранние временаискривленные евклидовы четырехмерные пространства в сумме по историям, мы моглибы определить квантовое состояние Вселенной.      В классической теориигравитации, использующей действительное пространство-время, возможны лишь дватипа поведения Вселенной: либо она существовала в течение бесконечного времени,либо ее началом была сингулярная точка в какой-то конечный момент времени впрошлом. В квантовой же теории гравитации возникает и третья возможность.Поскольку используются евклидовы пространства, в которых временная ипространственные оси равноправны, пространство-время, будучи конечным, можеттем не менее не иметь сингулярностей, образующих его границу или край. Тогдапространство-время напоминало бы поверхность Земли с двумя дополнительнымиизмерениями. Поверхность Земли имеет конечную протяженность, но у нее нет ниграницы, ни края: поплыв по морю в сторону заката, вы не вывалитесь через крайи не попадете в сингулярность.      Если евклидовопространство-время простирается назад по мнимому времени до бесконечности илиначинается в сингулярной точке мнимого времени, то, как и в классической теорииотносительности, возникает вопрос об определении начального состояния Вселенной- Богу, может быть, и известно, каким было начало Вселенной, но у нас нетникаких оснований мыслить это начало таким, а не иным. Квантовая же теориягравитации открыла одну новую возможность: пространство-время не имеет границы,и поэтому нет необходимости определять поведение на границе. Тогда нет исингулярностей, в которых нарушались бы законы науки, а пространство-время неимеет края, на котором пришлось бы прибегать к помощи Бога или какого-нибудьнового закона, чтобы наложить на пространство-время граничные условия. Можнобыло бы сказать, что граничное условие для Вселенной — отсутствие границ. ТогдаВселенная была бы совершенно самостоятельна и никак не зависела бы от того, чтопроисходит снаружи. Она не была бы сотворена, ее нельзя было бы уничтожить. Онапросто существовала бы.  Как и всякое теоретическое положение, оно может быть первоначально выдвинутоиз эстетических или метафизических соображений, но затем должно пройти реальнуюпроверку — позволяет ли оно делать предсказания, согласующиеся с наблюдениями.В случае квантовой теории гравитации такая проверка затруднена по двумпричинам. Во-первых, как будет показано в следующей главе, мы еще не имеемтеории, которая успешно объединяла бы общую теорию относительности с квантовоймеханикой, хотя нам во многом известна форма, которую должна иметь такаятеория. Во-вторых, всякая модель, детально описывающая всю Вселенную,несомненно, будет в математическом отношении слишком сложна, чтобы можно былона ее основе выполнять точные вычисления. Поэтому в расчетах неизбежныупрощающие предположения и приближения, и даже при этом задача извлеченияпредсказаний остается чудовищно сложной.

/>

     Еслипринять условие отсутствия границ, то оказывается, что вероятность развитияВселенной но большинству возможных историй пренебрежимо мала, но существуетнекоторое семейство историй, значительно более вероятных, чем остальные. Этиистории можно изобразить в виде как бы поверхности Земли, причем расстояние доСеверного полюса соответствует мнимому времени, а размеры окружностей, всеточки которых равно удалены от Северного полюса, отвечают пространственнымразмерам Вселенной. Вселенная начинается как точка на Северном полюсе. Придвижении на юг такие широтные окружности увеличиваются, что отвечает расширениюВселенной с течением мнимого времени (рис. 8.1). Вселенная достигаетмаксимального размера на экваторе, а затем с течением мнимого времени сжимаетсяв точку на Южном полюсе. Несмотря на то, что на Северном и Южном полюсе размерВселенной равен нулю, эти точки будут сингулярными не более, чем Северный иЮжный полюс на поверхности Земли. Законы науки будут выполняться в них так же,как они выполняются на Северном и Южном полюсах Земли.      Но в действительномвремени история Вселенной выглядит совершенно иначе. Десять или двадцать тысячмиллионов лет назад размер Вселенной имел минимальное значение, равноемаксимальному радиусу истории в мнимом времени. Затем, с течениемдействительного времени, Вселенная расширялась в соответствии с хаотическоймоделью раздувания, предложенной Линде (но теперь уже нет необходимостипредполагать, что Вселенная была каким-то образом создана в правильномсостоянии). Вселенная достигла очень больших размеров, а потом должна опятьсжаться в нечто, имеющее в действительном времени вид сингулярности. Поэтому вкаком-то смысле все мы обречены, даже если будем держаться подальше от черныхдыр. Сингулярностей не будет лишь в том случае, если представлять себе развитиеВселенной в мнимом времени.      Если Вселенная на самомделе находится в таком квантовом состоянии, то ее история в мнимом времени небудет иметь никаких сингулярностей. Но, как уже отмечалось, главное значениетеорем о сингулярностях таково: они показывают, что гравитационное поле должностать очень сильным, так что нельзя будет пренебречь квантовыми гравитационнымиэффектами. Именно это ведет к выводу, что в мнимом времени Вселенная должнабыть конечной, но без границ и сингулярностей. По возвращении же в реальноевремя, в котором мы живем, обнаруживается, что сингулярности появляются опять.Астронавт, упавший в черную дыру, все равно придет к трагическому концу, итолько в мнимом времени у него не было бы встречи с сингулярностями.      Может быть, следовало бызаключить, что так называемое мнимое время — это на самом деле есть времяреальное, а то, что мы называем реальным временем, — просто плод нашеговоображения. В действительном времени у Вселенной есть начало и конец,отвечающие сингулярностях, которые образуют границу пространства-времени и вкоторых нарушаются законы науки. В мнимом же времени нет ни сингулярностей, ниграниц. Так что, быть может, именно то, что мы называем мнимым временем, насамом деле более фундаментально, а то, что мы называем временем реальным, — этонекое субъективное представление, возникшее у нас при попытках описать, какоймы видим Вселенную. Поэтому не имеет смысла спрашивать, что же реально — действительное время или время мнимое? Важно лишь, какое из них более подходитдля  описания. Мы можем теперь, пользуясь методом суммирования, поисториям и предположением об отсутствии границ, посмотреть, какими свойствамиВселенная может обладать одновременно. Например, можно вычислить вероятностьтого, что Вселенная расширяется примерно с одинаковой скоростью во всехнаправлениях в то время, когда плотность Вселенной имеет современное значение.В упрощенных моделях, которыми мы до сих пор занимались, эта вероятностьоказывается весьма значительной; таким образом, условие отсутствия границприводит к выводу о чрезвычайно высокой вероятности того, что современный темпрасширения Вселенной почти одинаков во всех направлениях. Это согласуется снаблюдениями фона микроволнового излучения, которые показывают, что егоинтенсивность во всех направлениях почти одинакова. Если бы Вселенная в однихнаправлениях расширялась быстрее, чем в других, то интенсивность излучения вэтих направлениях уменьшалась бы за счет дополнительного красного смещения.      Сейчас изучаются и другиеследствия из условия отсутствия границ. Особенно интересна задача о малыхотклонениях плотности от однородной плотности ранней Вселенной, в результатекоторых возникли сначала галактики, потом звезды и наконец мы сами. В силупринципа неопределенности ранняя Вселенная не может быть совершенно однородной,потому что должны обязательно присутствовать некоторые неопределенности вположениях и скоростях частиц — флуктуации. Исходя из условия отсутствияграниц, мы найдем, что в начальном состоянии во Вселенной действительно должнабыть неоднородность, минимально возможная с точки зрения принципанеопределенности. Затем Вселенная пережила период быстрого расширения, как вмоделях раздувания. В течение этого периода начальные неоднородностиусиливались, пока не достигли размеров, достаточных, чтобы объяснитьпроисхождение тех структур, которые мы видим вокруг себя. В такой расширяющейсяВселенной, в которой плотность вещества слабо меняется от места к месту,расширение более плотных областей под действием гравитации могло замедлиться иперейти в сжатие. Это должно привести к образованию галактик, звезд и, наконец,даже таких незначительных существ, как мы. Таким образом, возникновение всехсложных структур, которые мы видим во Вселенной, можно объяснить условиемотсутствия у нее границ в сочетании с квантово-механическим принципомнеопределенности.      Из представления о том,что пространство и время образуют замкнутую поверхность, вытекают также оченьважные следствия относительно роли Бога в жизни Вселенной. В связи с успехами,достигнутыми научными теориями в описании событий, большинство ученых пришло кубеждению, что Бог позволяет Вселенной развиваться в соответствии сопределенной системой законов и не вмешивается в ее развитие, не нарушает этизаконы. Но законы ничего не говорят нам о том, как выглядела Вселенная, когдаона только возникла, — завести часы и выбрать начало все-таки могло быть деломБога. Пока мы считаем, что у Вселенной было начало, мы можем думать, что у неебыл Создатель. Если же Вселенная действительно полностью замкнута и не имеет ниграниц, ни краев, то тогда у нее не должно быть ни начала, ни конца: она простоесть, и все! Остается ли тогда место для Создателя?

      Каждой исторической эпохе присущ свой горизонт науки, свояограниченность представлений о природе вещей, явлений, окружающих человека. Напротяжении тысячелетий человек не мог охватить взглядом свою планету. Ипервоначально он со­здавал примитивные космологические представления типа: «Зем­лядержится на трех слонах» (или на черепахе, в зависимости от того, что он виделперед собой)...

     Благодаря усилиям Н.Коперника, И. Кеплера и И. Ньютона более 300 лет назад горизонт астрономии былрасширен за ор­биту планеты Сатурн. В. Гаршель отодвинул его до края Га­лактики,а совсем недавно Хаббл — в далекое межгалактическое пространство. Ныне нельзяне испытывать чувство гордости от того, что человеческий разум оказалсяспособным раскрывать тайны далеких звезд и галактик, устанавливать законы ихстрое­ния и развития.

     Но с каждым годом перед человекомвстают все более слож­ные вопросы, затрагивающие фундаментальные свойства мате­риии конкретные формы ее существования. Симметрична ли Вселенная относительновещества и антивещества? Состоят ли элементарные частицы из более простых?Неизменны ли на са­мом деле так называемые постоянные величины — постояннаятяготения С, постоянная Планка h, скоростьсвета с и другие? И почему они имеют именно такие, а не другие численныезна­чения? И если некоторые из них медленно изменяются, то как  это влияет наразвитие Вселенной и ее отдельных составные частей.

        Да, сегодня нам известноуже многое о строении Вселенной и ее отдельных' объектов. Но… с каждым годомрасширяется горизонт науки, расширяются пределы в пространстве и вре­мени, докоторых проникает человеческий разум. И, как говорил римский философ Сенека,несомненно, что на долю наших по­томков" останется большая часть истин,еще не открытых...

1. Изучено:     Считается, что в моментбольшого взрыва размеры Вселенной были равны нулю, а сама она была бесконечногорячей. Но по мере расширения температура излучения понижалась. Через секундупосле большого взрыва температура упала примерно до десяти тысяч миллионовградусов.  В это время Вселенная состояла из фотонов, электронов, нейтрино и ихантичастиц. По мере того как Вселенная продолжала расширяться, а температурападать, скорость рождения электрон антиэлектронных пар в соударениях сталаменьше скорости их уничтожения за счет аннигиляции. Поэтому почти все электроныи антиэлектроны должны были аннигилировать друг с другом, образовав новыефотоны, так что осталось лишь чуть-чуть избыточных электронов. Примерночерез сто секунд после большого взрыва температура упала до тысячи миллионовградусов, что отвечает температуре внутри самых горячих звезд. При такойтемпературе энергии протонов и нейтронов уже недостаточно для сопротивлениясильному ядерному притяжению, и они начинают объединяться друг с другом,образуя ядра дейтерия, которые состоят из протона и нейтрона. Затем ядрадейтерия присоединяют к себе еще протоны и нейтроны и превращаются в ядрагелия, содержащие два протона и два нейтрона, а также образуют небольшиеколичества более тяжелых элементов — лития и бериллия. Вычисления показывают,что, согласно горячей модели большого взрыва, около четвертой части протонов инейтронов должно было превратиться в атомы гелия и небольшое количествотяжелого водорода и других элементов. Оставшиеся нейтроны распались на протоны,представляющие собой ядра обычных атомов водорода.      Всегочерез несколько часов после большого взрыва образование гелия и другихэлементов прекратилось, после чего в течение примерно миллиона лет Вселеннаяпросто продолжала расширяться и с ней не происходило ничего особенного.Наконец, когда температура упала до нескольких тысяч градусов и энергииэлектронов и ядер стало недостаточно для преодоления действующего между нимиэлектромагнитного притяжения, они начали объединяться друг с другом, образуяатомы. Вся Вселенная как целое могла продолжать расширяться и охлаждаться, но втех областях, плотность которых была немного выше средней, расширениезамедлялось из-за дополнительного гравитационного притяжения. В результатенекоторые области перестали расширяться и начали сжиматься. В процессе сжатияпод действием гравитационного притяжения материи, находящейся снаружи этихобластей, могло начаться их медленное вращение. С уменьшением размеровколлапсирующей области ее вращение ускорялось, подобно тому, как ускоряетсявращение фигуриста на льду, когда он прижимает руки к телу. Когда наконецколлапсирующая область стала достаточно малой, скорости ее вращения должно былохватить для уравновешивания гравитационного притяжения — так образовалисьвращающиеся дискообразные галактики. Те области, которые не начали вращаться,превратились в овальные объекты, называемые эллиптическими галактиками. Коллапсэтих областей тоже прекратился, потому что, хотя отдельные части галактикистабильно вращались вокруг ее центра, галактика в целом не вращалась.      Состоящий из водорода игелия газ внутри галактик со временем распался на газовые облака меньшегоразмера, сжимающиеся и од действием собственной гравитации. При сжатии этихоблаков атомы внутри них сталкивались друг с другом, температура газаповышалась, и в конце концов газ разогрелся так сильно, чти начались реакцииядерного синтеза. В результате этих реакций из водорода образовалосьдополнительное количество гелия, а из-за выделившегося тепла возросло давлениеи газовые облака перестали сжиматься. Облака долго оставались в этом состоянии,подобно таким звездам, как наше Солнце, превращая водород в гелий и излучаявыделяющуюся энергию в виде тепла и света. Более массивным звездам дляуравновешивания своего более сильного гравитационного притяжения нужно былоразогреться сильнее, и реакции ядерного синтеза протекали в них настолькобыстрее, что они выжгли свой водород всего за сто миллионов лет. Затем онислегка сжались, и, поскольку нагрев продолжался, началось превращение гелия вболее тяжелые элементы, такие как углерод и кислород. Но в подобных процессахвыделяется не много энергии, и потому, как уже говорилось в главе о черныхдырах, должен был разразиться кризис. Не совсем ясно, что произошло потом, новполне правдоподобно, что центральные области звезды коллапсировали в оченьплотное состояние вроде нейтронной звезды или черной дыры. Внешние областизвезды могут время от времени отрываться и уноситься чудовищным взрывом,который называется взрывом сверхновой, затмевающей своим блеском все остальныезвезды в своей галактике. Часть более тяжелых элементов, образовавшихся передгибелью звезды, была отброшена в заполняющий галактику газ и превратилась всырье для последующих поколений звезд. Наше Солнце содержит около двухпроцентов упомянутых более тяжелых элементов, потому что оно является звездойвторого или третьего поколения, образовавшейся около пяти миллионов лет назадиз облака вращающегося газа, в котором находились осколки более раннихсверхновых. Газ из этого облака в основном пошел на образование Солнца или былунесен взрывом, но небольшое количество более тяжелых элементов, собравшисьвместе, превратилось в небесные тела — планеты, которые сейчас, как и Земля,вращаются вокруг Солнца

2. Рассмотрено:      Вмодели Фридмана все галактики удаляются друг от друга. Это вроде бы как надутыйшарик, на который нанесены точки, если его все больше надувать. Расстояниемежду любыми двумя точками увеличивается, но ни одну из них нельзя назватьцентром расширения. Притом чем больше расстояние между точками, тем быстрее ониудаляются друг от друга. Но и в модели Фридмана скорость, с которой любые двегалактики удаляются друг от друга, пропорциональна расстоянию между ними. Такимобразом, модель Фридмана предсказывает, что красное смешение галактики должнобыть прямо пропорционально ее удаленности от нас, в точном соответствии соткрытием Хаббла. Несмотря на успех этой модели и на согласие ее предсказаний снаблюдениями Хаббла, работа Фридмана оставалась неизвестной на Западе, и лишь в1935 г. американский физик Говард Робертсон и английский математик Артур Уолкерпредложили сходные модели в связи с открытием Хаббла.

/>

     Сам Фридман рассматривалтолько одну модель, но можно указать три разные модели, для которых выполняютсяоба фундаментальных предположения Фридмана. В модели первого типа (открытойсамим Фридманом) Вселенная расширяется достаточно медленно для того, чтобы всилу гравитационного притяжения между различными галактиками расширениеВселенной замедлялось и в конце концов прекращалось. После этого галактикиначинают приближаться друг к другу, и Вселенная начинает сжиматься. На рис. 3.2показано, как меняется со временем расстояние между двумя соседнимигалактиками. Оно возрастает от нуля до некоего максимума, а потом опять падаетдо нуля. В модели второго типа расширение Вселенной происходит так быстро, чтогравитационное притяжение хоть и замедляет расширение, не может его остановить.На рис. 3.3 показано, как изменяется в этой модели расстояние междугалактиками. Кривая выходит из нуля, а в конце концов галактики удаляются другот друга с постоянной скоростыо. Есть, наконец, и модель третьего типа, вкоторой скорость расширения Вселенной только-только достаточна для того, чтобыизбежать сжатия до нуля (коллапса). В этом случае расстояние между галактикамитоже сначала равно нулю (рис. 3.4), а потом все время возрастает. Правда,галактики «разбегаются» все с меньшей и меньшей скоростью, но онаникогда не падает до нуля.

3.Исследовано:                                                                                                                                                                Еслибы через секунду после большого взрыва скорость расширения оказалась хоть наодну сто тысяча миллион миллионную (1/100.000.000.000.000.000) меньше, топроизошло бы повторное сжатие Вселенной и она никогда бы не достигла своегосовременного состояния.

СОДЕРЖАНИЕ

1.     Модель большого Взрыва

1.1.  Гипотетическоепредставления о Вселенной

1.2.  РасширяющаясяВселенная

1.3.  Рождение игибель Вселенной

2.    Заключение 

3.    списокиспользованной литературы

Списокиспользуемой литературы

1.     П. Г.Куликовский :«Справочник любителя АСТРОНОМИИ» М.1971 г.

2.    Б. А. Воронцов-Вельяминов :«Очерки о Вселенной» М. «Наука» 1976 г.

3.    И. А. Климишин«Астрономия наших дней» М. «Наука» 1980 г.

4.    П. Девис«Случайная Вселенная» М. «МИР» 1985 г.

5.    В. Н. Комаров Б.Н. Пановский « Занимательная астрономия» М. «Наука» 1984 г.

6.    И. А. Климишин«Открытие Вселенной» М. « Наука» 1987 г.

7.    И. С. Школовский«Вселенная Жизнь Разум» М. « Наука» 1976г.

8.    В.В. Казютинский «ВселеннаяАстрономия, Философия», М.«Знание»1972 г.

9.    И.Д. Новиков «ЭволюцияВселенной», М. 1983 г.

10.  С.П. Левитан. «Астрономия», М.,«Просвещение» 1994 г.

www.ronl.ru

Модель большого взрыва и расширяющейся Вселенной

Сочинский Государственный Университет Туризма и Курортного Дела

Реферат:

На тему: Модель большого взрыва и расширяющейся Вселенной

Выполнил Голиков А.С.

Студент 2 курса

Группы 20 ГМУ

СОЧИ 2002 г.

введение.

    Одной из основных концепций современного естествознания является учение о Вселенной как едином целом и обо всей охваченной астрономическими наблюдениями области Вселенной (Метагалактике) как части целого - космология.     Выводы космологии основываются и на законах физики, и на данных наблюдательной астрономии. Как любая наука, космология в своей структуре кроме эмпирического и теоретического уровней имеет также уровень философских предпосылок, философских оснований.     Так, в основании современной космологии лежит предположение о том, что законы природы, установленные на основе изучения весьма ограниченной части Вселенной, чаще всего на основе опытов на планете Земля, могут быть экстраполированы на значительно большие области, в конечном счете - на всю Вселенную. Это предположение об устойчивости законов природы в пространстве и времени относится к уровню философских оснований современной космологии.

Цель моего реферата состоит в том, чтоб разобраться, что же  все-таки представляет с себя вселенная. В моем реферате поставлены такие  задачи:

1.      Изучить, как произошел тот темп развития вселенной, начиная с момента «большого взрыва»?

2.       Рассмотреть взгляды различных ученых, философов, политологов о том, как расширяется вселенная?

3.      Исследовать, почему Вселенная начала расширятся со скоростью, столь близкой к критической, которая разделяет модели с повторным сжатием и модели с вечным расширением, так что даже сейчас, через десять тысяч миллионов лет, Вселенная продолжает расширяться со скоростью, примерно равной критической?

 Модель эволюционной истории Вселенной, согласно которой она возникла в бесконечно плотном состоянии и с тех пор расширяется. Это событие произошло от 13 до 20 миллиардов лет назад и известно как "Большой Взрыв". Теория Большого Взрыва теперь общепринята, так как она объясняет оба наиболее значительных факта космологии: расширяющуюся Вселенную и существование космического фонового излучения. Можно воспользоваться известными законами физики и просчитать в обратном направлении все состояния, в которых находилась Вселенная, начиная с 10-43 секунд после Большого Взрыва. В течение первого миллиона лет вещество и энергия во Вселенной сформировали непрозрачную плазму, иногда называемую первичным огненным шаром. К концу этого периода расширение Вселенной заставило температуру опуститься ниже 3000 K, так что протоны и электроны смогли объединяться, образуя атомы водорода. На этой стадии Вселенная стала прозрачной для излучения. Плотность вещества теперь стала выше плотности излучения, хотя раньше ситуация была обратной, что и определяло скорость расширения Вселенной. Фоновое микроволновое излучение - все, что осталось от сильно охлажденного излучения ранней Вселенной. Первые галактики начали формироваться из первичных облаков водорода и гелия только через один или два миллиарда лет. Термин "Большой Взрыв" может применяться к любой модели расширяющейся Вселенной, которая в прошлом была горячей и плотной.

1.1. Гипотетическое представление о Вселенной

         Как-то один известный ученый ( Бертран Рассел) читал публичную лекцию об астрономии. Он рассказывал, как Земля вращается вокруг Солнца, а Солнце, в свою очередь, вращается вокруг центра огромного скопления звезд, которое называют нашей Галактикой. Когда лекция подошла к концу, из последних рядов зала поднялась маленькая пожилая леди и сказала: "Все, что вы нам говорили, - чепуха. На самом деле наш мир - это плоская тарелка, которая стоит па спине гигантской черепахи". Снисходительно улыбнувшись, ученый спросил: "А на чем держится черепаха?" - "Вы очень умны, молодой человек, - ответила пожилая леди. - Черепаха - на другой черепахе, та - тоже на черепахе, и так все ниже и ниже".          Такое представление о Вселенной как о бесконечной башне из черепах большинству из нас покажется смешным, но почему мы думаем, что сами знаем лучше? Что нам известно о Вселенной, и как мы это узнали? Откуда взялась Вселенная, и что с ней станется? Было ли у Вселенной начало, а если было, то что происходило до начала? Какова сущность времени? Кончится ли оно когда-нибудь? Достижения физики последних лет, которыми мы частично обязаны фантастической новой технике, позволяют наконец получить ответы хотя бы на отдельные из таких давно поставленных вопросов. Пройдет время, и эти ответы, может быть, станут столь же очевидными, как-то, что Земля вращается вокруг Солнца, а может быть, столь же нелепыми, как башня из черепах. Только время (чем бы оно ни было) решит это.          Еще в 340 г. до н. э. греческий философ Аристотель в своей книге "О небе" привел два веских довода в пользу того, что Земля не плоская тарелка, а круглый шар. Во-первых, Аристотель догадался, что лунные затмения происходят тогда, когда Земля оказывается между Луной и Солнцем. Земля всегда отбрасывает на Луну круглую тень, а это может быть лишь в том случае, если Земля имеет форму шара. Будь Земля плоским диском, ее тень имела бы форму вытянутого эллипса, если только затмение не происходит всегда именно в тот момент, когда Солнце находится точно на оси диска. Во-вторых, по опыту своих путешествий греки знали, что в южных районах Полярная звезда на небе располагается ниже, чем в северных. (Поскольку Полярная звезда находится над Северным полюсом, она будет прямо над головой наблюдателя, стоящего на Северном полюсе, а человеку на экваторе покажется, что она на линии горизонта). Зная разницу в кажущемся положении Полярной звезды в Египте и Греции, Аристотель сумел даже вычислить, что длина экватора равна 400 000 стадиев. Что такое стадий, точно неизвестно, но он близок к 200 метрам, и, стало быть, оценка Аристотеля примерно в 2 раза больше значения, принятого сейчас. У греков был еще и третий довод в пользу шарообразной формы Земли: если Земля не круглая, то почему же мы сначала видим паруса корабля, поднимающиеся над горизонтом, и только потом сам корабль?          Аристотель думал, что Земля неподвижна, а Солнце, Луна, планеты и звезды вращаются вокруг нее по круговым орбитам. Он так полагал, ибо в соответствии со своими мистическими воззрениями Землю считал центром Вселенной, а круговое движение - самым совершенным. Птолемей во II веке развил идею Аристотеля в полную космологическую модель. Земля стоит в центре, окруженная восемью сферами, несущими на себе Луну, Солнце и пять известных тогда планет: Меркурий, Венеру, Марс, Юпитер и Сатурн (рис. 1.1). Сами планеты, считал Птолемей, движутся по меньшим кругам, скрепленным с соответствующими сферами. Это объясняло тот весьма сложный путь, который, как мы видим, совершают планеты. На самой последней сфере располагаются неподвижные звезды, которые, оставаясь в одном и том же положении друг относительно друга, движутся по небу все вместе как единое целое. Что лежит за последней сферой, не объяснялось, но во всяком случае это уже не было частью той Вселенной, которую наблюдает человечество.

         Модель Птолемея позволяла неплохо предсказывать положение небесных тел на небосводе, но для точного предсказания ему пришлось принять, что траектория Луны в одних местах подходит к Земле в 2 раза ближе, чем в других! Это означает, что в одном положении Луна должна казаться в 2 раза большей, чем в другом! Птолемей знал об этом недостатке, но тем не менее его теория была признана, хотя и не везде. Христианская Церковь приняла Птолемееву модель Вселенной как не противоречащую Библии, ибо эта модель была очень хороша тем, что оставляла за пределами сферы неподвижных звезд много места для ада и рая. Однако в 1514 г. польский священник Николай Коперник предложил еще более простую модель. (Вначале, опасаясь, наверное, того, что Церковь объявит его еретиком, Коперник пропагандировал свою модель анонимно). Его идея состояла в том, что Солнце стоит неподвижно в центре, а Земля и другие планеты обращаются вокруг него по круговым орбитам. Прошло почти столетие, прежде чем идею Коперника восприняли серьезно. Два астронома - немец Иоганн Кеплер и итальянец Галилео Галилей - публично выступили в поддержку теории Коперника, несмотря на то что предсказанные Коперником орбиты не совсем совпадали с наблюдаемыми. Теории Аристотеля- Птолемея пришел конец в 1609 г., когда Галилей начал наблюдать ночное тения, согласно которому всякое тело во Вселенной притягивается к любому другому телу с тем большей силой, чем больше массы этих тел и чем меньше расстояние между ними. Это та самая сила, которая заставляет тела падать на землю. (Рассказ о том, что Ньютона вдохновило яблоко, упавшее ему на голову, почти наверняка недостоверен. Сам Ньютон сказал об этом лишь то, что мысль о тяготении пришла, когда он сидел в "созерцательном настроении", и "поводом было падение яблока"). Далее Ньютон показал, что, согласно его закону, Луна под действием гравитационных сил движется по эллиптической орбите вокруг Земли, а Земля и планеты вращаются по эллиптическим орбитам вокруг Солнца.          Модель Коперника помогла избавиться от Птолемеевых небесных сфер, а заодно и от представления о том, что Вселенная имеет какую-то естественную границу. Поскольку "неподвижные звезды" не изменяют своего положения на небе, если не считать их кругового движения, связанного с вращением Земли вокруг своей оси, естественно было предположить, что неподвижные звезды - это объекты, подобные нашему Солнцу, только гораздо более удаленные.          Ньютон понимал, что по его теории тяготения звезды должны притягиваться друг к другу и поэтому, казалось бы, не могут оставаться совсем неподвижными. Не должны ли они упасть друг на друга, сблизившись в какой-то точке? В 1691 г. в письме Ричарду Бентли, еще одному выдающемуся мыслителю того времени, Ньютон говорил, что так действительно должно было бы произойти, если бы у нас было лишь конечное число звезд в конечной области пространства. Но, рассуждал Ньютон, если число звезд бесконечно и они более или менее равномерно распределены по бесконечному пространству, то этого никогда не произойдет, так как нет центральной точки, куда им нужно было бы падать.          Эти рассуждения - пример того, как легко попасть впросак, ведя разговоры о бесконечности. В бесконечной Вселенной любую точку можно считать центром, так как по обе стороны от нее число звезд бесконечно. Лишь гораздо позже поняли, что более правильный подход - взять конечную систему, в которой все звезды падают друг на друга, стремясь к центру, и посмотреть, какие будут изменения, если добавлять еще и еще звезд, распределенных приблизительно равномерно вне рассматриваемой области. По закону Ньютона дополнительные звезды в среднем никак не повлияют на первоначальные, т. е. звезды будут с той же скоростью падать в центр выделенной области. Сколько бы звезд мы ни добавили, они всегда будут стремиться к центру. В наше время известно, что бесконечная статическая модель Вселенной невозможна, если гравитационные силы всегда остаются силами взаимного притяжения.          Интересно, каким было общее состояние научной мысли до начала XX в.: никому и в голову не пришло, что Вселенная может расширяться или сжиматься. Все считали, что Вселенная либо существовала всегда в неизменном состоянии, либо была сотворена в какой-то момент времени в прошлом примерно такой, какова она сейчас. Отчасти это, может быть, объясняется склонностью людей верить в вечные истины, а также особой притягательностью той мысли, что, пусть сами они состарятся и умрут, Вселенная останется вечной и неизменной.          Даже тем ученым, которые поняли, что ньютоновская теория тяготения делает невозможной статическую Вселенную, не приходила в голову гипотеза расширяющейся Вселенной. Они попытались модифицировать теорию, сделав гравитационную силу отталкивающей на очень больших расстояниях. Это практически не меняло предсказываемого движения планет, но зато позволяло бесконечному распределению звезд оставаться в равновесии, так как притяжение близких звезд компенсировалось отталкиванием от далеких. Но сейчас мы считаем, что такое равновесие оказалось бы неустойчивым. В самом деле, если в какой-то области звезды чуть-чуть сблизятся, то силы притяжения между ними возрастут и станут больше сил отталкивания, так что звезды будут и дальше сближаться. Если же расстояние между звездами чуть-чуть увеличится, то перевесят силы отталкивания и расстояние будет нарастать.          Еще одно возражение против модели бесконечной статической Вселенной обычно приписывается немецкому философу Генриху Олберсу, который в 1823 г. опубликовал работу, посвященную этой модели. На самом деле многие современники Ньютона занимались той же задачей, и статья Олберса была даже не первой среди работ, в которых высказывались серьезные возражения. Ее лишь первой стали широко цитировать. Возражение таково: в бесконечной статической Вселенной любой луч зрения должен упираться в какую-нибудь звезду. Но тогда небо даже ночью должно ярко светиться, как Солнце. Контраргумент Олберса состоял в том, что свет, идущий к нам от далеких звезд, должен ослабляться из-за поглощения в находящемся на его пути веществе.          Но в таком случае само это вещество должно нагреться и ярко светиться, как звезды. Единственная возможность избежать вывода о ярко, как Солнце, светящемся ночном небе - предположить, что звезды сияли не всегда, а загорелись в какой-то определенный момент времени в прошлом. Тогда поглощающее вещество, возможно, еще не успело разогреться или же свет далеких звезд еще не дошел до нас. Но возникает вопрос: почему зажглись звезды?          Конечно, проблема возникновения Вселенной занимала умы людей уже очень давно. Согласно ряду ранних космогонии и иудейско-христианско-мусульманским мифам, наша Вселенная возникла в какой-то определенный и не очень отдаленный момент времени в прошлом. Одним из оснований таких верований была потребность найти "первопричину" существования Вселенной. Любое событие во Вселенной объясняют, указывая его причину, т. е. другое событие, произошедшее раньше; подобное объяснение существования самой Вселенной возможно лишь в том случае, если у нее было начало. Другое основание выдвинул Блаженный Августин (православная Церковь считает Августина блаженным, а Католическая - святым. - прим. ред.). в книге "Град Божий". Он указал на то, что цивилизация прогрессирует, а мы помним, кто совершил то или иное деяние и кто что изобрел. Поэтому человечество, а значит, вероятно, и Вселенная, вряд ли очень долго существуют. Блаженный Августин считал приемлемой дату сотворения Вселенной, соответствующую книге "Бытия": приблизительно 5000 год до нашей эры. (Интересно, что эта дата не так уж далека от конца последнего ледникового периода - 10 000 лет до н. э., который археологи считают началом цивилизации).          Аристотелю же и большинству других греческих философов не нравилась идея сотворения Вселенной, так как она связывалась с божественным вмешательством. Поэтому они считали, что люди и окружающий их мир существовали и будут существовать вечно. Довод относительно прогресса цивилизации ученые древности рассматривали и решили, что в мире периодически происходили потопы и другие катаклизмы, которые все время возвращали человечество к исходной точке цивилизации.          Вопросы о том, возникла ли Вселенная в какой-то начальный момент времени и ограничена ли она в пространстве, позднее весьма пристально рассматривал философ Иммануил Кант в своем монументальном (и очень темном) труде "Критика чистого разума", который был издан в 1781 г. Он назвал эти вопросы антиномиями (т. е. противоречиями) чистого разума, так как видел, что в равной мере нельзя ни доказать, ни опровергнуть ни тезис о необходимости начала Вселенной, ни антитезис о ее вечном существовании. Тезис Кант аргументировал тем, что если бы у Вселенной не было начала, то всякому событию предшествовал бы бесконечный период времени, а это Кант считал абсурдом. В поддержку антитезиса Кант говорил, что если бы Вселенная имела начало, то ему предшествовал бы бесконечный период времени, а тогда спрашивается, почему Вселенная вдруг возникла в тот, а не другой момент времени? На самом деле аргументы Канта фактически одинаковы и для тезиса, и для антитезиса. Он исходит из молчаливого предположения, что время бесконечно в прошлом независимо от того, существовала или не существовала вечно Вселенная. Как мы увидим ниже, до возникновения Вселенной понятие времени лишено смысла.          Когда большинство людей верило в статическую и неизменную Вселенную, вопрос о том, имела она начало или нет, относился, в сущности, к области метафизики и теологии. Все наблюдаемые явления можно было объяснить как с помощью теории, в которой Вселенная существует вечно, так и с помощью теории, согласно которой Вселенную сотворили в какой-то определенный момент времени таким образом, чтобы все выглядело, как если бы она существовала вечно. Но в 1929 г. Эдвин Хаббл сделал эпохальное открытие: оказалось, что в какой бы части неба ни вести наблюдения, все далекие галактики быстро удаляются от нас. Иными словами, Вселенная расширяется. Это означает, что в более ранние времена все объекты были ближе друг к другу, чем сейчас. Значит, было, по-видимому, время, около десяти или двадцати тысяч миллионов лет назад, когда они все находились в одном месте, так что плотность Вселенной была бесконечно большой. Сделанное Хабблом открытие перевело вопрос о том, как возникла Вселенная, в область компетенции науки.          Наблюдения Хаббла говорили о том, что было время - так называемый большой взрыв, когда Вселенная была бесконечно малой и бесконечно плотной. При таких условиях все законы науки теряют смысл и не позволяют предсказывать будущее. Если в еще более ранние времена и происходили какие-либо события, они все равно никак не смогли бы повлиять на то, что происходит сейчас. Из-за отсутствия же наблюдаемых следствий ими можно просто пренебречь. Большой взрыв можно считать началом отсчета времени в том смысле, что более ранние времена были бы просто не определены. Подчеркнем, что такое начало отсчета времени очень сильно отличается от всего того, что предлагалось до Хаббла. Начало времени в неизменяющейся Вселенной есть нечто, что должно определяться чем-то, существующим вне Вселенной; для начала Вселенной нет физической необходимости. Сотворение Богом Вселенной можно в своем представлении относить к любому моменту времени в прошлом. Если же Вселенная расширяется, то могут существовать физические причины для того, чтобы она имела начало. Можно по-прежнему представлять себе, что именно Бог создал Вселенную - в момент большого взрыва или даже позднее (но так, как если бы произошел большой взрыв). Однако было бы абсурдно утверждать, что Вселенная возникла раньше большого взрыва. Представление о расширяющейся Вселенной не исключает создателя, но налагает ограничения на возможную дату его трудов!

         Поскольку уже существующих частных теорий вполне достаточно, чтобы делать точные предсказания во всех ситуациях, кроме самых экстремальных, поиск окончательной теории Вселенной не отвечает требованиям практической целесообразности. (Заметим, однако, что аналогичные возражения можно было бы выдвинуть против теории относительности и квантовой механики, а ведь именно эти теории произвели революцию в ядерной физике и в микроэлектронике!) Таким образом, открытие полной единой теории, может быть, не будет способствовать выживанию и даже никак не повлияет на течение нашей жизни. Но уже на заре цивилизации людям не нравились необъяснимые и не связанные между собой события, и они страстно желали понять тот порядок, который лежит в основе нашего мира. По сей день мы мечтаем узнать, почему мы здесь оказались и откуда взялись. Стремление человечества к знанию является для нас достаточным оправданием, чтобы продолжать поиск. А наша конечная цель - никак не меньше, чем полное описание Вселенной, в которой мы обитаем.

1.2 Расширяющаяся Вселенная

         Если в ясную безлунную ночь посмотреть на небо, то, скорее всего, самыми яркими объектами, которые вы увидите, будут планеты Венера, Марс, Юпитер и Сатурн. Кроме того, вы увидите огромное количество звезд, похожих на наше Солнце, но находящихся гораздо дальше от нас. При вращении Земли вокруг Солнца некоторые из этих "неподвижных" звезд чуть-чуть меняют свое положение относительно друг друга, т. е. на самом деле они вовсе не неподвижны! Дело в том, что они несколько ближе к нам, чем другие. Поскольку же Земля вращается вокруг Солнца, близкие звезды видны все время в разных точках фона более удаленных звезд. Благодаря этому можно непосредственно измерить расстояние от нас до этих звезд: чем они ближе, тем сильнее заметно их перемещение. Самая близкая звезда, называемая Проксимой Центавра, находится от нас на расстоянии приблизительно четырех световых лет (т. е. свет от нее идет до Земли около четырех лет), или около 37 миллионов километров. Большинство звезд, видимых невооруженным глазом, удалены от нас на несколько сотен световых лет. Сравните это с расстоянием до нашего Солнца, составляющим всего восемь световых минут! Видимые звезды рассыпаны но всему ночному небу, но особенно густо в той полосе, которую мы называем Млечным Путем. Еще в 1750 г. некоторые астрономы высказывали мысль, что существование Млечного Пути объясняется тем, что большая часть видимых звезд образует одну дискообразную конфигурацию - пример того, что сейчас называется спиральной галактикой. Лишь через несколько десятилетий астроном Уильям Гершель подтвердил это предположение, выполнив колоссальную работу но составлению каталога положений огромного количества звезд и расстояний до них. Но даже после этого представление о спиральных галактиках было принято всеми лишь в начале нашего века.          Современная картина Вселенной возникла только в 1924 г., когда американский астроном Эдвин Хаббл показал, что наша Галактика не единственная. На самом деле существует много других галактик, разделенных огромными областями пустого пространства. Для доказательства Хабблу требовалось определить расстояния до этих галактик, которые настолько велики, что, в отличие от положений близких звезд, видимые положения галактик действительно не меняются. Поэтому для измерения расстояний Хаббл был вынужден прибегнуть к косвенным методам. Видимая яркость звезды зависит от двух факторов: от того, какое количество света излучает звезда (се светимости), и от того, гдe она находится. Яркость близких звезд и расстояние до них мы можем измерить; следовательно, мы можем вычислить и их светимость. И наоборот, зная светимость звезд в других галактиках, мы могли бы вычислить расстояние до них, измерив их видимую яркость. Хаббл заметил, что светимость некоторых типов звезд всегда одна и та же, когда они находятся достаточно близко для того, чтобы можно было производить измерения. Следовательно, рассуждал Хаббл, если такие звезды обнаружатся в другой галактике, то, предположив у них такую же светимость, мы сумеем вычислить расстояние до этой галактики. Если подобные расчеты для нескольких звезд одной и той же галактики дадут один и тот же результат, то полученную оценку расстояния можно считать надежной.

         Таким путем Хаббл рассчитал расстояния до девяти разных галактик. Теперь известно, что наша Галактика - одна из нескольких сотен тысяч миллионов галактик, которые можно наблюдать в современные телескопы, а каждая из этих галактик в свою очередь содержит сотни тысяч миллионов звезд. На рис. 3.1 показано, какой увидел бы нашу Галактику наблюдатель, живущий в какой-нибудь другой галактике. Наша Галактика имеет около ста тысяч световых лет в поперечнике. Она медленно вращается, а звезды в ее спиральных рукавах каждые несколько сотен миллионов лет делают примерно один оборот вокруг ее центра. Наше Солнце представляет собой обычную желтую звезду средней величины, расположенную на внутренней стороне одного из спиральных рукавов. Какой же огромный путь мы прошли от Аристотеля и Птолемея, когда Земля считалась центром Вселенной!  в ее атмосфере.          В 20-х годах, когда астрономы начали исследование спектров звезд других галактик, обнаружилось нечто еще более странное: в нашей собственной Галактике оказались те же самые характерные наборы отсутствующих цветов, что и у звезд, но все они были сдвинуты на одну и ту же величину к красному концу спектра. Чтобы понять смысл сказанного, следует сначала разобраться с эффектом Доплера. Как мы уже знаем, видимый свет - это колебания, или волны электромагнитного поля. Частота (число волн в одну секунду) световых колебаний чрезвычайно высока - от четырехсот до семисот миллионов волн в секунду. Человеческий глаз воспринимает свет разных частот как разные цвета, причем самые низкие частоты соответствуют красному концу спектра, а самые высокие - фиолетовому. Представим себе источник света, расположенный на фиксированном расстоянии от нас (например, звезду), излучающий с постоянной частотой световые волны. Очевидно, что частота приходящих волн будет такой же, как та, с которой они излучаются (пусть гравитационное поле галактики невелико и его влияние несущественно). Предположим теперь, что источник начинает двигаться в нашу сторону. При испускании следующей волны источник окажется ближе к нам, а потому время, за которое гребень этой волны до нас дойдет, будет меньше, чем в случае неподвижной звезды. Стало быть, время между гребнями двух пришедших волн будет меньше, а число волн, принимаемых нами за одну секунду (т. е. частота), будет больше, чем когда звезда была неподвижна. При удалении же источника частота приходящих волн будет меньше. Это означает, что спектры удаляющихся звезд будут сдвинуты к красному концу (красное смещение), а спектры приближающихся звезд должны испытывать фиолетовое смещение. Такое соотношение между скоростью и частотой называется эффектом Доплера, и этот эффект обычен даже в нашей повседневной жизни. Прислушайтесь к тому, как идет по шоссе машина: когда она приближается, звук двигателя выше (т. е. выше частота испускаемых им звуковых волн), а когда, проехав мимо, машина начинает удаляться, звук становится ниже. Световые волны и радиоволны ведут себя аналогичным образом. Эффектом Доплера пользуется полиция, определяя издалека скорость движения автомашин по частоте радиосигналов, отражающихся от них. Доказав, что существуют другие галактики, Хаббл все последующие годы посвятил составлению каталогов расстояний до этих галактик и наблюдению их спектров. В то время большинство ученых считали, что движение галактик происходит случайным образом и поэтому спектров, смещенных в красную сторону, должно наблюдаться столько же, сколько и смещенных в фиолетовую. Каково же было удивление, когда у большей части галактик обнаружилось красное смещение спектров, т. е. оказалось, что почти все галактики удаляются от нас! Еще более удивительным было открытие, опубликованное Хабблом в 1929 г.: Хаббл обнаружил, что даже величина красного смещения не случайна, а прямо пропорциональна расстоянию от нас до галактики. Иными словами, чем дальше находится галактика, тем быстрее она удаляется! А это означало, что Вселенная не может быть статической, как думали раньше, что на самом деле она непрерывно расширяется и расстояния между галактиками все время растут.          Открытие расширяющейся Вселенной было одним из великих интеллектуальных переворотов двадцатого века. Задним числом мы можем лишь удивляться тому, что эта идея не пришла никому в голову раньше. Ньютон и другие ученые должны были бы сообразить, что статическая Вселенная вскоре обязательно начала бы сжиматься под действием гравитации. Но предположим, что Вселенная, наоборот, расширяется. Если бы расширение происходило достаточно медленно, то под действием гравитационной силы оно в конце концов прекратилось бы и перешло в сжатие. Однако если бы скорость расширения превышала некоторое критическое значение, то гравитационного взаимодействия не хватило бы, чтобы остановить расширение, и оно продолжалось бы вечно. Все это немного напоминает ситуацию, возникающую, когда с поверхности Земли запускают вверх ракету. Если скорость ракеты не очень велика, то из-за гравитации она в конце концов остановится и начнет падать обратно. Если же скорость ракеты больше некоторой критической (около одиннадцати километров в секунду), то гравитационная сила не сможет ее вернуть, и ракета будет вечно продолжать свое движение от Земли. Расширение Вселенной могло быть предсказано на основе ньютоновской теории тяготения в XIX, XVIII и даже в конце XVII века. Однако вера в статическую Вселенную была столь велика, что жила в умах еще в начале нашего века. Даже Эйнштейн, разрабатывая в 1915 г. общую теорию относительности, был уверен в статичности Вселенной. Чтобы не вступать в противоречие со статичностью, Эйнштейн модифицировал свою теорию, введя в уравнения так называемую космологическую постоянную. Он ввел новую "антигравитационную" силу, которая в отличие от других сил не порождалась каким-либо источником, а была заложена в саму структуру пространства-времени. Эйнштейн утверждал, что пространство-время само по себе всегда расширяется и этим расширением точно уравновешивается притяжение всей остальной материи во Вселенной, так что в результате Вселенная оказывается статической. По-видимому, лишь один человек полностью поверил в общую теорию относительности: пока Эйнштейн и другие физики думали над тем, как обойти не статичность Вселенной, предсказываемую этой теорией, русский физик и математик А. А. Фридман, наоборот, занялся ее объяснением.          Фридман сделал два очень простых исходных предположения: во-первых, Вселенная выглядит одинаково, в каком бы направлении мы ее ни наблюдали, и во-вторых, это утверждение должно оставаться справедливым и в том случае, если бы мы производили наблюдения из какого-нибудь другого места. Не прибегая ни к каким другим предположениям, Фридман показал, что Вселенная не должна быть статической. В 1922 г., за несколько лет до открытия Хаббла, Фридман в точности предсказал его результат!          Предположение об одинаковости Вселенной во всех направлениях на самом деле, конечно, не выполняется. Как мы, например, уже знаем, другие звезды в нашей Галактике образуют четко выделяющуюся светлую полосу, которая идет пo всему небу ночью - Млечный Путь. Нo если говорить о далеких галактиках, то их число во всех направлениях примерно одинаково. Следовательно, Вселенная действительно "примерно" одинакова во всех направлениях - при наблюдении в масштабе, большом по сравнению с расстоянием между галактиками, когда отбрасываются мелкомасштабные различия.          Правда, на первый взгляд, тот факт, что Вселенная кажется нам одинаковой во всех направлениях, может говорить о какой-то выделенности нашего местоположения во Вселенной. В частности, раз мы видим, что все остальные галактики удаляются от нас, значит, мы находимся в центре Вселенной. Но есть и другое объяснение: Вселенная будет выглядеть одинаково во всех направлениях и в том случае, если смотреть на нее из какой-нибудь другой галактики. Это, как мы знаем, вторая гипотеза Фридмана. У нас нет научных доводов ни за, ни против этого предположения, и мы приняли его, так сказать, из скромности: было бы крайне странно, если бы Вселенная казалась одинаковой во всех направлениях только вокруг нас, а в других ее точках этого не было! В модели Фридмана все галактики удаляются друг от друга. Это вроде бы как надутый шарик, на который нанесены точки, если его все больше надувать. Расстояние между любыми двумя точками увеличивается, но ни одну из них нельзя назвать центром расширения. Притом чем больше расстояние между точками, тем быстрее они удаляются друг от друга. Но и в модели Фридмана скорость, с которой любые две галактики удаляются друг от друга, пропорциональна расстоянию между ними. Таким образом, модель Фридмана предсказывает, что красное смешение галактики должно быть прямо пропорционально ее удаленности от нас, в точном соответствии с открытием Хаббла. Несмотря на успех этой модели и на согласие ее предсказаний с наблюдениями Хаббла, работа Фридмана оставалась неизвестной на Западе, и лишь в 1935 г. американский физик Говард Робертсон и английский математик Артур Уолкер предложили сходные модели в связи с открытием Хаббла.

         Сам Фридман рассматривал только одну модель, но можно указать три разные модели, для которых выполняются оба фундаментальных предположения Фридмана. В модели первого типа (открытой самим Фридманом) Вселенная расширяется достаточно медленно для того, чтобы в силу гравитационного притяжения между различными галактиками расширение Вселенной замедлялось и в конце концов прекращалось. После этого галактики начинают приближаться друг к другу, и Вселенная начинает сжиматься. На рис. 3.2 показано, как меняется со временем расстояние между двумя соседними галактиками. Оно возрастает от нуля до некоего максимума, а потом опять падает до нуля. В модели второго типа расширение Вселенной происходит так быстро, что гравитационное притяжение хоть и замедляет расширение, не может его остановить. На рис. 3.3 показано, как изменяется в этой модели расстояние между галактиками. Кривая выходит из нуля, а в конце концов галактики удаляются друг от друга с постоянной скоростыо. Есть, наконец, и модель третьего типа, в которой скорость расширения Вселенной только-только достаточна для того, чтобы избежать сжатия до нуля (коллапса). В этом случае расстояние между галактиками тоже сначала равно нулю (рис. 3.4), а потом все время возрастает. Правда, галактики "разбегаются" все с меньшей и меньшей скоростью, но она никогда не падает до нуля.          Модель Фридмана первого типа удивительна тем, что в ней Вселенная не бесконечна в пространстве, хотя пространство не имеет границ. Гравитация настолько сильна, что пространство, искривляясь, замыкается с самим собой, уподобляясь земной поверхности. Ведь, перемещаясь в определенном направлении по поверхности Земли, вы никогда не натолкнетесь на абсолютно непреодолимую преграду, не вывалитесь через край и в конце концов вернетесь в ту же самую точку, откуда вышли. В первой модели Фридмана пространство такое же, но только вместо двух измерений, поверхность Земли имеет три измерения. Четвертое измерение, время, тоже имеет конечную протяженность, но оно подобно отрезку прямой, имеющему начало и конец. Потом мы увидим, что если общую теорию относительности объединить с квантово-механическим принципом неопределенности, то окажется, что и пространство, и время могут быть конечными, не имея при этом ни краев, ни границ.          Мысль о том, что можно обойти вокруг Вселенной и вернуться в то же место, годится для научной фантастики, но не имеет практического значения, ибо, как можно показать, Вселенная успеет сжаться до нуля до окончания обхода. Чтобы вернуться в исходную точку до наступления конца Вселенной, пришлось бы передвигаться со скоростью, превышающей скорость света, а это невозможно!          В первой модели Фридмана (в которой Вселенная расширяется и сжимается) пространство искривляется, замыкаясь, само на себя, как поверхность Земли. Поэтому размеры его конечны. Во второй же модели, в которой Вселенная расширяется бесконечно, пространство искривлено иначе, как поверхность седла. Таким образом, во втором случае пространство бесконечно. Наконец, в третьей модели Фридмана (с критической скоростью расширения) пространство плоское (и, следовательно, тоже бесконечное). Но какая же из моделей Фридмана годится для нашей Вселенной? Перестанет ли Вселенная, наконец расширяться и начнет сжиматься или же будет расширяться вечно? Чтобы ответить на этот вопрос, нужно знать нынешнюю скорость расширения Вселенной и ее среднюю плотность. Если плотность меньше некоторого критического значения, зависящего от скорости расширения, то гравитационное притяжение будет слишком мало, чтобы остановить расширение. Если же плотность больше критической, то в какой-то момент в будущем из-за гравитации расширение Вселенной прекратится и начнется сжатие.          Сегодняшнюю скорость расширения Вселенной можно определить, измеряя (по эффекту Доплера) скорости удаления от нас других галактик. Такие измерения можно выполнить очень точно. Но расстояния до других галактик нам плохо известны, потому что их нельзя измерить непосредственно. Мы знаем лишь, что Вселенная расширяется за каждую тысячу миллионов лет на 5-10%. Однако неопределенность в современном значении средней плотности Вселенной еще больше. Если сложить массы всех наблюдаемых звезд в нашей и других галактиках, то даже при самой низкой оценке скорости расширения сумма окажется меньше одной сотой той плотности, которая необходима для того, чтобы расширение Вселенной прекратилось. Однако и в нашей, и в других галактиках должно быть много темной материи, которую нельзя видеть непосредственно, но о существовании, которой мы узнаем по тому, как ее гравитационное притяжение влияет на орбиты звезд в галактиках. Кроме того, галактики в основном наблюдаются в виде скоплений, и мы можем аналогичным образом сделать вывод о наличии еще большего количества межгалактической темной материи внутри этих скоплений, влияющего на движение галактик. Сложив массу всей темной материи, мы получим лишь одну десятую того количества, которое необходимо для прекращения расширения. Но нельзя исключить возможность существования и какой-то другой формы материи, распределенной равномерно по всей Вселенной и еще не зарегистрированной, которая могла бы довести среднюю плотность Вселенной до критического значения, необходимого, чтобы остановить расширение. Таким образом, имеющиеся данные говорят о том, что Вселенная, вероятно, будет расширяться вечно. Единственное, в чем можно быть совершенно уверенным, так это в том, что если сжатие Вселенной все-таки произойдет, то никак не раньше, чем через десять тысяч миллионов лет, ибо по крайней мере столько времени она уже расширяется. Но это не должно нас слишком сильно тревожить: к тому времени, если мы не переселимся за пределы Солнечной системы, человечества давно уже не будет - оно угаснет вместе с Солнцем!          Все варианты модели Фридмана имеют то общее, что в какой-то момент времени в прошлом (десять-двадцать тысяч миллионов лет назад) расстояние между соседними галактиками должно было равняться нулю. В этот момент, который называется большим взрывом, плотность Вселенной и кривизна пространства-времени должны были быть бесконечными.          Поскольку математики реально не умеют обращаться с бесконечно большими величинами, это означает, что, согласно общей теории относительности (на которой основаны решения Фридмана), во Вселенной должна быть точка, в которой сама эта теория неприменима. Все наши научные теории основаны на предположении, что пространство-время гладкое и почти плоское, а потому все эти теории неверны в сингулярной точке большого взрыва, в которой кривизна пространства-времени бесконечна. Следовательно, даже если бы перед большим взрывом происходили какие-нибудь события, по ним нельзя было бы спрогнозировать будущее, так как в точке большого взрыва возможности предсказания свелись бы к нулю. Точно так же, зная только то, что произошло после большого взрыва (а мы знаем только это), мы не сможем узнать, что происходило до него. События, которые произошли до большого взрыва, не могут иметь никаких последствий, касающихся нас, и поэтому не должны фигурировать в научной модели Вселенной. Следовательно, нужно исключить их из модели и считать началом отсчета времени момент большого взрыва.          В 1963 г. два советских физика, Е. М. Лифшиц и И. М. Халатников, сделали еще одну попытку исключить большой взрыв, а с ним и начало времени. Лифшиц и Халатников высказали предположение, что большой взрыв - особенность лишь моделей Фридмана, которые в конце концов дают лишь приближенное описание реальной Вселенной. Не исключено, что из всех моделей, в какой-то мере описывающих существующую Вселенную, сингулярность в точке большого взрыва возникает только в моделях Фридмана. Согласно Фридману, все галактики удаляются в прямом направлении друг от друга, и поэтому все они находились в одном месте. Однако в реально существующей Вселенной галактики никогда не расходятся точно по прямой: обычно у них есть еще и небольшие составляющие скорости, направленные под углом. Поэтому на самом деле галактикам не нужно находиться точно в одном месте - достаточно, чтобы они были расположены очень близко друг к другу. Тогда нынешняя расширяющаяся Вселенная могла возникнуть не в сингулярной точке большого взрыва, а на какой-нибудь более ранней фазе сжатия; может быть, при сжатии Вселенной столкнулись друг с другом не все частицы. Какая-то доля их могла пролететь мимо друг друга и снова разойтись в разные стороны, в результате чего и происходит наблюдаемое сейчас расширение Вселенной. Как тогда определить, был ли началом Вселенной большой взрыв? Лифшиц и Халатников занялись изучением моделей, которые в общих чертах были бы похожи на модели Фридмана, но отличались от фридмановских тем, что в них учитывались нерегулярности и случайный характер реальных скоростей галактик во Вселенной. В результате Лифшиц и Халатников показали, что в таких моделях большой взрыв мог быть началом Вселенной даже в том случае, если галактики не всегда разбегаются по прямой, по это могло выполняться лишь для очень ограниченного круга моделей, в которых движение галактик происходит определенным образом. Поскольку же моделей фридмановского типа, не содержащих большой взрыв, бесконечно больше, чем тех, которые содержат такую сингулярность, Лифшиц и Халатников утверждали, что на самом деле большого взрыва не было. Однако позднее они нашли гораздо более общий класс моделей фридмановского типа, которые содержат сингулярности и в которых вовсе не требуется, чтобы галактики двигались каким-то особым образом. Поэтому в 1970 г. Лифшиц и Халатников отказались от своей теории.          Тем не менее их работа имела очень важное значение, ибо показала, что если верна общая теория относительности, то Вселенная могла иметь особую точку, большой взрыв. Но эта работа не давала ответа на главный вопрос: следует ли из общей теории относительности, что у Вселенной должно было быть начало времени - большой взрыв? Ответ на этот вопрос был получен при совершенно другом подходе, предложенном в 1965 г. английским математиком и физиком Роджером Пенроузом. Исходя из поведения световых конусов в общей теории относительности и того, что гравитационные силы всегда являются силами притяжения, Пенроуз показал, что когда звезда сжимается под действием собственных сил гравитации, она ограничивается областью, поверхность которой в конце концов сжимается до нуля. А раз поверхность этой области сжимается до нуля, то же самое должно происходить и с ее объемом. Все вещество звезды будет сжато в нулевом объеме, так что ее плотность и кривизна пространства-времени станут бесконечными. Иными словами, возникнет сингулярность в некоей области пространства-времени, называемая черной дырой.          В теореме Пенроуза, согласно которой любое тело в процессе гравитационного коллапса должно в конце концов сжаться в сингулярную точку. А что если в теореме Пенроуза изменить направление времени на обратное, так, чтобы сжатие перешло в расширение, то эта теорема тоже будет верна, коль скоро Вселенная сейчас хотя бы грубо приближенно описывается в крупном масштабе моделью Фридмана. По теореме Пенроуза конечным состоянием любой коллапсируюшей звезды должна быть сингулярность; при обращении времени эта теорема утверждает, что в любой модели фридмановского типа начальным состоянием расширяющейся Вселенной тоже должна быть сингулярность. По соображениям технического характера в теорему Пенроуза было введено в качестве условия требование, чтобы Вселенная была бесконечна в пространстве. Поэтому на основании этой теоремы я мог доказать лишь, что сингулярность должна существовать, если расширение Вселенной происходит достаточно быстро, чтобы не началось повторное сжатие (ибо только такие фридмановские модели бесконечны в пространстве).          Потом Воронин Т.П. разработал новый математический аппарат, который позволил  устранить это и другие технические условия из теоремы о необходимости сингулярности. В итоге в 1970 г. Воронин и  Пенроузом написали совместную статью, в которой наконец доказали, что сингулярная точка большого взрыва должна существовать, опираясь только на то, что верна общая теория относительности и что во Вселенной содержится столько вещества, сколько мы видим. Эта работа вызвала массу возражений, частично со стороны советских ученых, которые из-за приверженности марксистской философии верили в научный детерминизм, а частично и со стороны тех, кто не принимал саму идею сингулярностей как нарушающую красоту теории Эйнштейна. Но с математической теоремой не очень поспоришь, и поэтому, когда работа была закончена, ее приняли, и сейчас почти все считают, что Вселенная возникла в особой точке большого взрыва.

1.3. Рождение и гибель Вселенной

         В общей теории относительности Эйнштейна, самой по себе, делается вывод, что пространство-время возникло в сингулярной точке большого взрыва, а свой конец оно должно находить в сингулярной точке большого хлопка (если коллапсирует вся Вселенная) и в сингулярности внутри черной дыры (если коллапсирует какая-нибудь локальная область типа звезды). Любое вещество, упавшее в такую дыру, в сингулярности должно разрушиться, и снаружи будет ощущаться лишь гравитационное воздействие его массы. Когда же были учтены квантовые эффекты, то оказалось, что масса и энергия вещества в конце концов должны, по-видимому, возвращаться оставшейся части Вселенной, а черная дыра вместе со своей внутренней сингулярностью должна испариться и полностью исчезнуть. Будет ли столь же большим влияние квантовой механики на сингулярности в точках большого взрыва и большого хлопка? Что в действительности происходит на очень ранних и очень поздних стадиях развития Вселенной, когда гравитационные поля настолько сильны, что нельзя пренебрегать квантовыми эффектами? Есть ли действительно у Вселенной начало и конец? А если есть, то каковы они?        Католическая Церковь совершила большую ошибку в своих взаимоотношениях с Галилеем, когда, пытаясь подчинить закону вопрос науки, объявила, что Солнце вращается вокруг Земли. Теперь, через века, Церковь решила пригласить специалистов и получить у них консультацию по космологии. В конце конференции участники были удостоены аудиенции Папы. Он сказал, что эволюцию Вселенной после большого взрыва изучать можно, но не следует вторгаться в сам большой взрыв, потому что это был момент Сотворения и, следовательно, Божественный акт.  Папа не знал, что пространство-время конечно не имеет границ, т. е. что оно не имеет начала, а значит, нет и момента Сотворения. Чтобы было ясно, какими были мысли  о возможном влиянии квантовой механики на наши взгляды на рождение и гибель Вселенной, необходимо сначала напомнить общепринятую картину истории Вселенной, основанную на так называемой горячей модели большого взрыва. В ней считается, что Вселенная от наших дней до большого взрыва описывается одной из моделей Фридмана. В подобных моделях оказывается, что по мере расширения Вселенной вещество и излучение в ней охлаждаются. (С удвоением размеров Вселенной ее температура становится вдвое ниже). Поскольку температура - это просто мера энергии (т. е. скорости) частиц, охлаждение Вселенной должно сильно воздействовать на вещество внутри нее. При очень высоких температурах частицы движутся так быстро, что могут противостоять любому взаимному притяжению, вызванному ядерными или электромагнитными силами, но при охлаждении можно ожидать, что некоторые частицы будут притягиваться друг к другу и начнут сливаться. Более того, даже типы частиц, существующих во Вселенной, должны зависеть от температуры. При достаточно высоких температурах энергия частиц столь велика, что при любом столкновении образуется много разных пар частица-античастица, и, хотя некоторая доля этих частиц аннигилирует, сталкиваясь с античастицами, их образование происходит все равно быстрее аннигиляции. Но при более низких температурах, когда энергия сталкивающихся частиц меньше, пары частица-античастица будут образовываться медленнее и аннигиляция частиц будет происходит быстрее рождения.          Считается, что в момент большого взрыва размеры Вселенной были равны нулю, а сама она была бесконечно горячей. Но по мере расширения температура излучения понижалась. Через секунду после большого взрыва температура упала примерно до десяти тысяч миллионов градусов; это примерно в тысячу раз больше температуры в центре Солнца, но такие температуры достигаются при взрывах водородной бомбы. В это время Вселенная состояла из фотонов, электронов, нейтрино (нейтрино - легчайшие частицы, участвующие только в слабом и гравитационном взаимодействиях) и их античастиц, а также из некоторого количества протонов и нейтронов. По мере того как Вселенная продолжала расширяться, а температура падать, скорость рождения электрон антиэлектронных пар в соударениях стала меньше скорости их уничтожения за счет аннигиляции. Поэтому почти все электроны и антиэлектроны должны были аннигилировать друг с другом, образовав новые фотоны, так что осталось лишь чуть-чуть избыточных электронов. Но нейтрино и антинейтрино не аннигилировали друг с другом, потому что эти частицы очень слабо взаимодействуют между собой и с другими частицами. Поэтому они до сих нор должны встречаться вокруг нас. Если бы их можно было наблюдать, то у нас появился бы хороший способ проверки модели очень горячей ранней Вселенной. К сожалению, их энергии сейчас слишком малы, чтобы их можно было непосредственно наблюдать. Однако если нейтрино не является без массовой частицей, а обладает небольшой собственной массой, обнаруженной в неподтвержденном эксперименте советских ученых 1981 г., то мы смогли бы обнаружить их косвенно: они могли бы оказаться одной из форм темной материи, упоминавшейся ранее, гравитационное притяжение которой достаточно для того, чтобы прекратить расширение Вселенной и заставить ее опять сжиматься.          Примерно через сто секунд после большого взрыва температура упала до тысячи миллионов градусов, что отвечает температуре внутри самых горячих звезд. При такой температуре энергии протонов и нейтронов уже недостаточно для сопротивления сильному ядерному притяжению, и они начинают объединяться друг с другом, образуя ядра дейтерия (тяжелого водорода), которые состоят из протона и нейтрона. Затем ядра дейтерия присоединяют к себе еще протоны и нейтроны и превращаются в ядра гелия, содержащие два протона и два нейтрона, а также образуют небольшие количества более тяжелых элементов - лития и бериллия. Вычисления показывают, что, согласно горячей модели большого взрыва, около четвертой части протонов и нейтронов должно было превратиться в атомы гелия и небольшое количество тяжелого водорода и других элементов. Оставшиеся нейтроны распались на протоны, представляющие собой ядра обычных атомов водорода.          Описанная картина горячей Вселенной на ранней стадии развития была предложена ученым Джорджем (Г. А.) Гамовым в знаменитой работе, которую Гамов написал в 1948 г. вместе со своим аспирантом Ральфом Альфером. Обладая прекрасным чувством юмора, Гамов уговорил физика-ядерщика Ганса Бете добавить свою фамилию к списку авторов, чтобы получилось "Альфер, Бете, Гамов", что звучит, как названия первых трех букв греческого алфавита - альфа, бета, гамма, и чрезвычайно подходит для статьи о начале Вселенной! В этой статье было сделано замечательное предсказание о том, что излучение (в виде фотонов), испущенное на очень ранних стадиях развития Вселенной, должно до сих пор существовать вокруг нас, но за это время его температура упала и равна всего лишь нескольким градусам выше абсолютного нуля. Это именно то излучение, которое в 1965 г. обнаружили Пензиас и Вильсон. Когда Альфер, Бете и Гамов писали свою работу, ядерные реакции с участием протонов и нейтронов были плохо изучены. Поэтому предсказанные ими соотношения между концентрациями разных элементов в ранней Вселенной оказались весьма неточными, однако, будучи повторены в свете новых представлений, все вычисления дали результаты, прекрасно согласующиеся с современными наблюдениями. Кроме того, очень трудно объяснить как-то иначе, почему во Вселенной должно быть так много гелия. Поэтому мы совершенно уверены в том, что эта картина правильна, по крайней мере спустя секунду после большого взрыва и позже.          Всего через несколько часов после большого взрыва образование гелия и других элементов прекратилось, после чего в течение примерно миллиона лет Вселенная просто продолжала расширяться и с ней не происходило ничего особенного. Наконец, когда температура упала до нескольких тысяч градусов и энергии электронов и ядер стало недостаточно для преодоления действующего между ними электромагнитного притяжения, они начали объединяться друг с другом, образуя атомы. Вся Вселенная как целое могла продолжать расширяться и охлаждаться, но в тех областях, плотность которых была немного выше средней, расширение замедлялось из-за дополнительного гравитационного притяжения. В результате некоторые области перестали расширяться и начали сжиматься. В процессе сжатия под действием гравитационного притяжения материи, находящейся снаружи этих областей, могло начаться их медленное вращение. С уменьшением размеров коллапсирующей области ее вращение ускорялось, подобно тому, как ускоряется вращение фигуриста на льду, когда он прижимает руки к телу. Когда наконец коллапсирующая область стала достаточно малой, скорости ее вращения должно было хватить для уравновешивания гравитационного притяжения - так образовались вращающиеся дискообразные галактики. Те области, которые не начали вращаться, превратились в овальные объекты, называемые эллиптическими галактиками. Коллапс этих областей тоже прекратился, потому что, хотя отдельные части галактики стабильно вращались вокруг ее центра, галактика в целом не вращалась.          Состоящий из водорода и гелия газ внутри галактик со временем распался на газовые облака меньшего размера, сжимающиеся и од действием собственной гравитации. При сжатии этих облаков атомы внутри них сталкивались друг с другом, температура газа повышалась, и в конце концов газ разогрелся так сильно, чти начались реакции ядерного синтеза. В результате этих реакций из водорода образовалось дополнительное количество гелия, а из-за выделившегося тепла возросло давление и газовые облака перестали сжиматься. Облака долго оставались в этом состоянии, подобно таким звездам, как наше Солнце, превращая водород в гелий и излучая выделяющуюся энергию в виде тепла и света. Более массивным звездам для уравновешивания своего более сильного гравитационного притяжения нужно было разогреться сильнее, и реакции ядерного синтеза протекали в них настолько быстрее, что они выжгли свой водород всего за сто миллионов лет. Затем они слегка сжались, и, поскольку нагрев продолжался, началось превращение гелия в более тяжелые элементы, такие как углерод и кислород. Но в подобных процессах выделяется не много энергии, и потому, как уже говорилось в главе о черных дырах, должен был разразиться кризис. Не совсем ясно, что произошло потом, но вполне правдоподобно, что центральные области звезды коллапсировали в очень плотное состояние вроде нейтронной звезды или черной дыры. Внешние области звезды могут время от времени отрываться и уноситься чудовищным взрывом, который называется взрывом сверхновой, затмевающей своим блеском все остальные звезды в своей галактике. Часть более тяжелых элементов, образовавшихся перед гибелью звезды, была отброшена в заполняющий галактику газ и превратилась в сырье для последующих поколений звезд. Наше Солнце содержит около двух процентов упомянутых более тяжелых элементов, потому что оно является звездой второго или третьего поколения, образовавшейся около пяти миллионов лет назад из облака вращающегося газа, в котором находились осколки более ранних сверхновых. Газ из этого облака в основном пошел на образование Солнца или был унесен взрывом, но небольшое количество более тяжелых элементов, собравшись вместе, превратилось в небесные тела - планеты, которые сейчас, как и Земля, обращаются вокруг Солнца.          Сначала Земля была горячей и не имела атмосферы. Со временем она остыла, а вследствие выделения газа из горных пород возникла земная атмосфера. Ранняя атмосфера была непригодна для нашей жизни. В ней не было кислорода, но было много других, ядовитых для нас газов, например сероводорода (это тот газ, который придает специфический запах тухлым яйцам). Правда, есть и другие, примитивные формы жизни, которые могут процветать в таких условиях. Предполагают, что они развились в океанах, возможно, в результате случайных объединений атомов в большие структуры, называемые макромолекулами, которые обладали способностью группировать другие атомы в океане в такие же структуры. Таким образом они самовоспроизводились и множились. Иногда в воспроизведении могли произойти сбои. Эти сбои большей частью состояли в том, что новая макромолекула не могла воспроизвести себя и в конце концов разрушалась. Но иногда в результате сбоев возникали новые макромолекулы, даже более способные к самовоспроизведению, что давало им преимущество, и они стремились заменить собой первоначальные. Так начался процесс эволюции, который приводил к возникновению все более и более сложных организмов, способных к самовоспроизведению. Самые первые примитивные живые организмы потребляли различные вещества, в том числе сероводород, и выделяли кислород. В результате происходило постепенное изменение земной атмосферы, состав которой в конце концов стал таким, как сейчас, и возникли подходящие условия для развития более высоких форм жизни, таких, как рыбы, рептилии, млекопитающие и, наконец, человеческий род.          Картина, в которой Вселенная сначала была очень горячей и охлаждалась по мере своего расширения, па сегодняшний день согласуется с результатами всех наблюдений. Тем не менее целый ряд важных вопросов остается без ответа.          1. Почему ранняя Вселенная была такой горячей?          2. Почему Вселенная так однородна в больших масштабах? Почему она выглядит одинаково во всех точках пространства и во всех направлениях? В частности, почему температура космического фона микроволнового излучения практически не меняется при наблюдениях в разных направлениях? Когда на экзамене нескольким студентам подряд задается один и тот же вопрос и их ответы совпадают, вы можете быть совершенно уверены в том, что они советовались друг с другом. Однако в описанной модели с момента большого взрыва у света не было времени, чтобы попасть из одной удаленной области в другую, даже если эти области располагались близко друг к другу в ранней Вселенной. Согласно же теории относительности, если свет не может попасть из одной области в другую, то и никакая другая информация тоже не может. Поэтому разные области ранней Вселенной никак не могли выровнять свои температуры друг с другом, если у них не были одинаковые по какой-то непонятной причине температуры прямо с момента рождения.          3. Почему Вселенная начала расширяться со скоростью, столь близкой к критической, которая разделяет модели с повторным сжатием и модели с вечным расширением, так что даже сейчас, через десять тысяч миллионов лет, Вселенная продолжает расширяться со скоростью, примерно равной критической? Если бы через секунду после большого взрыва скорость расширения оказалась хоть на одну сто тысяча миллион миллионную (1/100.000.000.000.000.000) меньше, то произошло бы повторное сжатие Вселенной и она никогда бы не достигла своего современного состояния.          4. Несмотря на крупномасштабную однородность Вселенной, в ней существуют неоднородности, такие, как звезды и галактики. Считается, что они образовались из-за небольших различий в плотности ранней Вселенной от области к области. Что было причиной этих флуктуаций плотности?          Общая теория относительности сама по себе не в состоянии объяснить перечисленные свойства или ответить на поставленные вопросы, так как она говорит, что Вселенная возникла в сингулярной точке большого взрыва и в самом начале имела бесконечную плотность. В сингулярной же точке общая теория относительности и все физические законы неверны: невозможно предсказать, что выйдет из сингулярности. Как мы уже говорили, это означает, что большой взрыв и все события до него можно выбросить из теории, потому что они никак не могут повлиять на то, что мы наблюдаем. Следовательно, пространство-время должно иметь границу - начало в точке большого взрыва.          Наука, по-видимому, открыла все те законы, которые в пределах погрешностей, налагаемых принципом неопределенности, позволяют предсказать, как Вселенная изменится со временем, если известно ее состояние в какой-то момент времени. Может быть, эти законы были даны Богом, но с тех пор Он, судя по всему, предоставил Вселенной развиваться в соответствии с ними и теперь не вмешивается в ее жизнь. Но какими он выбрал начальное состояние и начальную конфигурацию Вселенной? Какие "граничные условия" были в момент "начала времени"?          Один из возможных ответов - это сказать, что при выборе начальной конфигурации Вселенной Бог руководствовался соображениями, понять, которые нам не дано. Это, безусловно, было во власти Бога, но почему, выбрав такое странное начало, он все же решил, чтобы Вселенная развивалась, но понятным нам законам? Вся история науки была постепенным осознанием того, что события не происходят произвольным образом, а отражают определенный скрытый порядок, который мог или не мог быть установлен божественными силами. Было бы лишь естественно предположить, что этот порядок относится не только к законам науки, но и к условиям на границе пространства-времени, которые определяют начальное состояние Вселенной. Возможно большое число разных моделей Вселенной с иными начальными условиями, подчиняющихся законам науки. Должен существовать какой-то принцип для отбора одного начального состояния и, стало быть, одной модели для описания нашей Вселенной.          Одну из таких возможностей называют хаотическими граничными условиями. В них молчаливо принимается, либо что Вселенная бесконечна в пространстве, либо что существует бесконечно много вселенных. Согласно хаотическим граничным условиям, вероятность того, что любая выделенная область пространства сразу после большого взрыва окажется в любом заданном состоянии, примерно равна вероятности того, что она окажется в любом другом состоянии: начальное состояние Вселенной выбирается совершенно произвольным образом. Это означало бы, что ранняя Вселенная была, вероятно, очень хаотичной и нерегулярной, потому что хаотических и беспорядочных состояний Вселенной гораздо больше, чем гладких и упорядоченных. (Если все состояния равновероятны, то Вселенная с большой вероятностью возникла в одном из хаотических и беспорядочных состояний просто потому, что таких состояний гораздо больше). Трудно сказать, как подобные хаотические начальные условия могли породить такую гладкую и однородную в больших масштабах Вселенную, как наша сейчас. Можно также ожидать, что в такой модели флуктуации плотности приведут к образованию гораздо большего числа первичных черных дыр, чем верхний предел, вытекающий из наблюдений фона гамма-излучения.          Если Вселенная в самом деле бесконечна в пространстве или если существует бесконечно много вселенных, то где-то могли бы существовать довольно большие области, возникшие в гладком и однородном состоянии. Вспомним хорошо известный пример со стаей обезьян, барабанящих на пишущих машинках: большая часть их работы пойдет в корзину, но в принципе они могут совершенно случайно напечатать один из сонетов Шекспира. Так и здесь - не могла ли область Вселенной, в которой мы живем, случайно оказаться гладкой и однородной? На первый взгляд это может показаться крайне маловероятным, потому что таких гладких областей должно быть намного меньше, чем хаотических и неоднородных. Но предположим, что галактики и звезды образовывались только в гладких областях и только там условия были пригодны для развития таких сложных самовоспроизводящихся организмов, как мы, способных задать вопрос: "Почему Вселенная такая гладкая?" Это пример применения так называемого антропного принципа, который можно сформулировать следующим образом: "Мы видим Вселенную так, как мы ее видим, потому что мы существуем".          Антропный принцип существует в двух вариантах - слабом и сильном. Слабый антропный принцип утверждает, что во Вселенной, которая велика или бесконечна в пространстве или во времени, условия, необходимые для развития разумных существ, будут выполняться только в некоторых областях, ограниченных в пространстве и времени. Поэтому разумные существа в этих областях не должны удивляться, обнаружив, что та область, где они живут, удовлетворяет условиям, необходимым для их существования. Так богач, живущий в богатом районе, не видит никакой бедности вокруг себя.          Один из примеров применения слабого антропного принципа - "объяснение" того, что большой взрыв произошел около десяти тысяч миллионов лет назад: примерно столько времени требуется разумным существам для их развития. Как уже говорилось, прежде всего должно было образоваться раннее поколение звезд. Эти звезды превращали часть первоначального водорода и гелия в элементы типа углерода и кислорода, из которых мы состоим. Затем звезды взрывались как сверхновые, а из их осколков образовывались другие звезды и планеты, в том числе и входящие в нашу Солнечную систему, возраст которой около пяти тысяч миллионов лет. В первые одну или две тысячи миллионов лет существования Земли на ней было слишком жарко для развития каких бы то ни было сложных организмов. Остальные примерно три тысячи миллионов лет происходит медленный процесс биологического развития, в результате которого простейшие организмы прошли путь до разумных существ, умеющих измерять время, прошедшее с момента большого взрыва.          Мало кто возражает против справедливости и применимости слабого антропного принципа. Некоторые же идут значительно дальше, предлагая его сильный вариант. Он заключается в том, что существует либо много разных вселенных, либо много разных областей одной вселенной, каждая из которых имеет свою собственную начальную конфигурацию и, возможно, свой собственный набор научных законов. В большей части этих вселенных условия были непригодны для развития сложных организмов; лишь в нескольких, похожих на нашу, вселенных смогли развиваться разумные существа, и у этих разумных существ возник вопрос: "Почему наша Вселенная такая, какой мы ее видим?" Тогда ответ прост: "Если бы Вселенная была другой, здесь не было бы нас!"          Законы науки в том виде, в котором мы их знаем сейчас, содержат много фундаментальных величин, таких, как электрический заряд электрона и отношение массы протона к массе электрона. Мы не умеем, но крайней мере сейчас, теоретически предсказывать значения этих величин - они находятся только из эксперимента. Может быть, придет день, когда мы откроем полную единую теорию, с помощью которой все эти величины будут вычислены, но может оказаться, что некоторые из них, а то и все изменяются при переходе от вселенной к вселенной или и пределах одной вселенной. Удивительно, что значения таких величин были, по-видимому, очень точно подобраны, чтобы обеспечить возможность развития жизни. Если бы, например, электрический заряд электрона был чуть-чуть другим, звезды либо не сжигали бы водород и гелий, либо не взрывались. Разумеется, могут быть и другие формы разумной жизни, о которых не грезили даже писатели-фантасты. Для поддержания этой жизни не требуются ни свет звезды, как, скажем, наше Солнце, ни тяжелые элементы, синтезирующиеся внутри звезд и разлетающиеся по космическому пространству при взрыве звезды. Тем не менее, по-видимому, ясно, что величины, о которых мы говорим, имеют сравнительно немного областей значений, при которых возможно развитие какой бы то ни было разумной жизни. Большая же часть значений отвечает вселенным, в которых, как бы они ни были прекрасны, нет никого, кто мог бы ими восхищаться. Это можно воспринимать либо как свидетельство божественного провидения в сотворении Вселенной и выборе законов науки, либо как подтверждение сильного антропного принципа.          Можно выдвинуть несколько возражений против привлечения сильного антропного принципа для объяснения наблюдаемого состояния Вселенной. Во первых, в каком смысле можно говорить, что все эти вселенные существуют? Если они действительно изолированы друг от друга, то события, происходящие не в нашей Вселенной, не могут иметь наблюдаемых следствий в нашей Вселенной. Поэтому нам следует воспользоваться принципом экономии и исключить их из теории. Если же эти вселенные - просто разные области одной и той же вселенной, то научные законы должны быть одинаковы в каждой области, потому что иначе был бы невозможен непрерывный переход из одной области в другую. Тогда области отличались бы друг от друга только начальными конфигурациями, и сильный антропный принцип сводился бы к слабой формулировке.          Второе возражение против сильного антропного принципа - это то, что он направлен против хода всей истории науки. Развитие науки шло от геоцентрических космологии Птолемея и его предшественников через гелиоцентрическую космологию Коперника и Галилея к современной картине мира, согласно которой Земля является планетой среднего размера, обращающейся вокруг обычной звезды внутри обычной спиральной галактики, которая в свою очередь является всего лишь одной из миллиона миллионов галактик в наблюдаемой части Вселенной. Тем не менее, согласно сильному антропному принципу, все это гигантское сооружение существует просто ради нас. В это очень трудно поверить. Наша Солнечная система безусловно является необходимым условием нашего существования; те же самые рассуждения можно распространить на всю нашу Галактику, чтобы учесть звезды раннего поколения, благодаря которым произошел синтез тяжелых элементов. Но, по-видимому, нет никакой необходимости в том, чтобы все эти другие галактики, да и вся Вселенная были такими однородными и одинаковыми в больших масштабах в любом направлении.          Можно было бы не беспокоиться насчет антропного принципа, особенно в его слабой формулировке, если бы удалось показать, что из разных начальных конфигураций Вселенной лишь некоторые могли развиться во Вселенную, как та, которую мы наблюдаем. Если это правильно, то Вселенная, возникшая из случайных начальных условий, должна содержать в себе гладкие и однородные области, пригодные для развития разумной жизни. Если же для того, чтобы получилось то, что мы видим вокруг, требовался чрезвычайно тщательный выбор начального состояния Вселенной, то вряд ли в ней оказалась бы хоть одна область, в которой могла зародиться жизнь. В горячей модели большого взрыва было слишком мало времени для передачи тепла из одной области в другую. Это значит, что для объяснения того факта, что температура микроволнового фона одинакова в любом направлении наблюдения, необходимо, чтобы в начальном состоянии Вселенной ее температура была везде в точности одинаковой. Кроме того, требовался и очень точный выбор начальной скорости расширения, потому что для избежания повторного сжатия скорость расширения должна оставаться достаточно близкой к критическому значению. Следовательно, выбор начального состояния Вселенной должен производиться очень тщательно, если горячая модель большого взрыва применима до самого момента начала отсчета времени. Почему начало Вселенной должно было быть именно таким, очень трудно объяснить иначе, как деянием Бога, которому захотелось создать таких живых существ, как мы.          Попытки построить модель Вселенной, в которой множество разных начальных конфигураций могло бы развиться во что-нибудь вроде нашей нынешней Вселенной, привели Алана Гута, ученого из Массачусетского технологического института, к предположению о том, что ранняя Вселенная пережила период очень быстрого расширения. Это расширение называют раздуванием, подразумевая, что какое-то время расширение Вселенной происходило со все возрастающей скоростью, а не с убывающей, как сейчас. Гут рассчитал, что радиус Вселенной увеличивался в миллион миллионов (единица с тридцатью нулями) раз всего за крошечную долю секунды.          Гут высказал предположение, что Вселенная возникла в результате большого взрыва в очень горячем, но довольно хаотическом состоянии. Высокие температуры означают, что частицы во Вселенной должны были очень быстро двигаться и иметь большие энергии. Как уже говорилось, при таких высоких температурах сильные и слабые ядерные силы и электромагнитная сила должны были все объединиться в одну. По мере расширения Вселенной она охлаждалась и энергии частиц уменьшались. В конце концов должен был бы произойти так называемый фазовый переход и симметрия сил была бы нарушена: сильное взаимодействие начало бы отличаться от слабого и электромагнитного. Известный пример фазового перехода - замерзание воды при охлаждении. Жидкое состояние воды симметрично, т. е. вода одинакова во всех точках и во всех направлениях. Образующиеся же кристаллы льда имеют определенные положения и выстраиваются в некотором направлении. В результате симметрия воды нарушается.          Если охлаждать воду очень осторожно, то ее можно "переохладить", т. е. охладить ниже точки замерзания (0 град. Цельсия) без образования льда. Гут предположил, что Вселенная могла себя вести похожим образом: ее температура могла упасть ниже критического значения без нарушения симметрии сил. Если бы это произошло, то Вселенная оказалась бы в нестабильном состоянии с энергией, превышающей ту, которую она имела бы при нарушении симметрии. Можно показать, что эта особая дополнительная энергия производит антигравитационное действие аналогично космологической постоянной, которую Эйнштейн ввел в общую теорию относительности, пытаясь построить статическую модель Вселенной. Поскольку, как и в горячей модели большого взрыва, Вселенная уже вращалась, отталкивание, вносимое космологической постоянной, заставило бы Вселенную расширяться со все возрастающей скоростью. Даже в тех областях, где число частиц вещества превышало среднее значение, гравитационное притяжение материи было бы меньше отталкивания, вносимого эффективной космологической постоянной. Следовательно, такие области должны были тоже расширяться с ускорением, характерным для модели раздувающейся Вселенной. По мере расширения частицы материи расходились бы все дальше друг от друга, и в конце концов расширяющаяся Вселенная оказалась бы почти без частиц, но все еще в переохлажденном состоянии. В результате расширения все неоднородности во Вселенной должны были просто сгладиться, как разглаживаются при надувании морщины на резиновом шарике. Следовательно, нынешнее гладкое и однородное состояние Вселенной могло развиться из большого числа разных неоднородных начальных состояний.          Во Вселенной, скорость расширения которой растет из-за космологической постоянной быстрее, чем замедляется из-за гравитационного притяжения материи, свету хватило бы времени для перехода из одной области ранней Вселенной в другую. Это было бы решением ранее поставленной задачи о том, почему разные области ранней Вселенной имеют одинаковые свойства. Кроме того, скорость расширения Вселенной стала бы автоматически очень близка к критическому значению, определяемому плотностью энергии во Вселенной. Тогда такую близость скорости расширения к критической можно было бы объяснить, не делая предположения о тщательном выборе начальной скорости расширения Вселенной.          Раздуванием Вселенной можно было бы объяснить, почему в ней так много вещества. В доступной наблюдениям области Вселенной содержится порядка ста миллионов (единица с восьмьюдесятью нулями) частиц. Откуда все они взялись? Ответ состоит в том, что в квантовой теории частицы могут рождаться из энергии в виде пар частица-античастица. Но тогда сразу возникает вопрос: откуда берется энергия? Ответ таков. Полная энергия Вселенной в точности равна нулю. Вещество во Вселенной образовано из положительной энергии. Но все вещество само себя притягивает под действием гравитации. Два близко расположенных куска вещества обладают меньшей энергией, чем те же два куска, находящиеся далеко друг от друга, потому что для разнесения их в стороны нужно затратить энергию на преодоление гравитационной силы, стремящейся их соединить. Следовательно, энергия гравитационного ноля в каком-то смысле отрицательна. Можно показать, что в случае Вселенной, примерно однородной в пространстве, эта отрицательная гравитационная энергия в точности компенсирует положительную энергию, связанную с веществом. Поэтому полная энергия Вселенной равна нулю.          Поскольку дважды нуль тоже нуль, количество положительной энергии вещества во Вселенной может удвоиться одновременно с удвоением отрицательной гравитационной энергии; закон сохранения энергии при этом не нарушится. Такого не бывает при нормальном расширении Вселенной, в которой плотность энергии вещества уменьшается по мере увеличения размеров Вселенной. Но именно так происходит при раздувании, потому что в этом случае Вселенная увеличивается, а плотность энергии переохлажденного состояния остается постоянной: когда размеры Вселенной удвоятся, положительная энергия вещества и отрицательная гравитационная энергия тоже удвоятся, в результате чего полная энергия остается равной нулю. В фазе раздувания размеры Вселенной очень сильно возрастают. Следовательно, общее количество энергии, за счет которой могут образовываться частицы, тоже сильно увеличивается. Гут по этому поводу заметил: "Говорят, что не бывает скатерти-самобранки. А не вечная ли самобранка сама Вселенная?"          Сейчас Вселенная расширяется без раздувания. Значит, должен существовать какой-то механизм, благодаря которому была устранена очень большая эффективная космологическая постоянная, а скорость расширения перестала расти и под действием гравитации начала уменьшаться, как продолжает уменьшаться и сейчас. Можно ожидать, что при раздувании в конце концов нарушится симметрия сил, так же как переохлажденная вода в конце концов замерзнет. Тогда лишняя энергия состояния с ненарушенной симметрией должна выделиться, и за счет этого Вселенная разогреется до температуры, чуть-чуть меньшей, чем критическая температура, при которой симметрия сил еще не нарушается. Затем Вселенная опять начнет расширяться и охлаждаться, так же как в горячей модели большого взрыва, но теперь мы уже сможем объяснить, почему скорость ее расширения в точности равна критической и почему разные области Вселенной имеют одинаковую температуру.          В гипотезе Гута фазовый переход происходил очень быстро, как возникают вдруг кристаллы льда в очень холодной воде. Идея Гута заключалась в том, что внутри старой фазы образуются "пузырьки" новой фазы нарушенной симметрии, подобно тому, как в кипящей воде зарождаются пузырьки пара. Гут предположил, что пузыри расширяются и сливаются друг с другом до тех пор, пока вся Вселенная не окажется в новой фазе. В 1983 г. Линде предложил более удачную модель, называемую хаотической моделью раздувания. В ней нет ни фазового перехода, ни переохлаждения, а взамен присутствует бес спиновое поле, которое из-за квантовых флуктуаций принимает большие значения в некоторых областях ранней Вселенной. В таких областях энергия поля будет вести себя как космологическая постоянная. Результатом действия поля будет гравитационное отталкивание, под влиянием которого вышеуказанные области начнут раздуваться. По мере увеличения этих областей энергия поля в них будет медленно уменьшаться, пока раздувание не перейдет в такое же расширение, как в горячей модели большого взрыва. Одна из областей могла бы превратиться в современную наблюдаемую Вселенную. Модель Линде обладает всеми преимуществами ранней модели раздувания, но не требует сомнительного фазового перехода и, кроме того, может дать реальную оценку флуктуаций температуры фона микроволнового излучения, согласующуюся с результатами наблюдений.          Проведенные исследования моделей раздувания показали, что современное состояние Вселенной могло возникнуть из большого числа разных начальных конфигураций. Это важный вывод, ибо из него следует, что выбор начального состояния той части Вселенной, в которой мы живем, мог быть не очень тщательным. Но вовсе не из всякого начального состояния могла получиться такая Вселенная, как наша. Это можно доказать, предположив, что Вселенная сейчас находится в совершенно другом состоянии, каком-нибудь очень нерегулярном и комковатом. Воспользовавшись законами науки, можно проследить развитие Вселенной назад во времени и определить ее конфигурацию в более ранние времена. По теоремам о сингулярности классической общей теории относительности сингулярность в точке большого взрыва все равно должна была существовать. Если такая Вселенная будет развиваться вперед во времени в соответствии с законами науки, то в конце мы придем к тому комковатому и нерегулярному состоянию, с которого начинали. Следовательно, должны существовать начальные конфигурации, из которых не может получиться такая Вселенная, какой сейчас мы видим нашу. Значит, даже модель раздувания ничего не говорит о том, почему начальная конфигурация оказалась не той, при которой получилась бы Вселенная, сильно отличающаяся от наблюдаемой нами. Следует ли обратиться для объяснения к натронному принципу? Было ли все происшедшее просто счастливой случайностью? Такой ответ выглядел бы как выражение отчаяния, отрицание всех наших надежд понять, какой же порядок лежит в основе Вселенной.          Для предсказания того, каким должно было быть начало Вселенной, необходимы законы, справедливые в начале отсчета времени. Если классическая общая теория относительности верна, то из доказанных Роджером Пенроузом и мной теорем о сингулярности следует, что в точке начала отсчета времени плотность и кривизна пространства-времени принимают бесконечные значения. В такой точке нарушаются все известные законы природы. Можно было бы предположить, что в сингулярностях действуют новые законы, но их трудно формулировать в точках со столь непонятным поведением, и мы не знали бы, как из наблюдений вывести вид этих законов. Но на самом деле из теорем о сингулярности следует, что гравитационное поле настолько усиливается, что становятся существенными квантовые гравитационные эффекты: классическая теория перестает давать хорошее описание Вселенной. Поэтому при изучении очень ранних стадий развития Вселенной приходится привлекать квантовую теорию гравитации. Как мы потом увидим, в квантовой теории обычные законы науки могут выполняться везде, в том числе и в начале отсчета времени: нет необходимости постулировать новые законы для сингулярностей, потому что в квантовой теории не должно быть никаких сингулярностей.          Пока у нас еще нет полной и согласованной теории, объединяющей квантовую механику и гравитацию. Но мы совершенно уверены в том, что подобная единая теория должна иметь некоторые определенные свойства. Во-первых, она должна включать в себя фейнмановский метод квантовой теории, основанный на суммах по траекториям частицы (и по "историям" Вселенной). При таком методе в отличие от классической теории частица уже не рассматривается как обладающая одной-единственной траекторией. Напротив, предполагается, что она может перемещаться по всем возможным путям в пространстве-времени и любой ее траектории отвечает пара чисел, одно из которых дает длину волны, а другое - положение в периоде волны (фазу). Например, вероятность того, что частица пройдет через некоторую точку, получается суммированием всех волн, отвечающих каждой возможной траектории, проходящей через эту точку. Но попытки произвести такое суммирование наталкиваются на серьезные технические затруднения. Их можно обойти, лишь воспользовавшись следующим специальным рецептом: складываются волны, образующие те истории (траектории) частиц, которые происходят не в ощущаемом нами реальном (действительном) времени, а в так называемом мнимом времени. Мнимое время звучит, возможно, научно фантастически, но на самом деле это строго определенное научное понятие. Умножив обычное (или действительное) число само на себя, мы получим положительное число. (Например, число 2, умноженное на 2, дает 4, и то же самое получается при умножении -2 на -2). Но существуют особые числа (они называются мнимыми), которые при умножении сами на себя дают отрицательный результат. (Одно из таких чисел, мнимая единица i, при умножении само на себя дает -1, число 2i, умноженное само на себя, дает -4 и т. д.). Во избежание усложнений технического характера при вычислении фейнмановский сумм по траекториям следует переходить к мнимому времени. Это означает, что при расчетах время надо измерять не в действительных единицах, а в мнимых. Тогда в пространстве-времени обнаруживаются интересные изменения: в нем совершенно исчезает различие между временем и пространством. Пространство-время, в котором временная координата событий имеет мнимые значения, называют евклидовым, в честь древнегреческого ученого Евклида, основателя учения о геометрии двумерных поверхностей. То, что мы сейчас называем евклидовым пространством-временем, очень похоже на первоначальную геометрию Евклида и отличается от нее лишь числом измерений: четыре вместо двух. В евклидовом пространстве-времени не делается различий между осью времени и направлениями в пространстве. В реальном же пространстве-времени, где событиям отвечают действительные значения координаты времени, эти различия видны сразу: для всех событий ось времени лежит внутри светового конуса, а пространственные оси - снаружи. В любом случае, пока мы имеем дело с обычной квантовой механикой, мнимое время и евклидово пространство-время можно рассматривать просто как математический прием для расчета величин, связанных с реальным пространством-временем.          Второе условие, которое должна включать в себя любая завершенная теория, - это предположение Эйнштейна о том, что гравитационное поле представляется в виде искривленного пространства-времени: частицы стремятся двигаться по траекториям, заменяющим в искривленном пространстве-времени прямые, но, поскольку пространство-время не плоское, эти траектории искривляются, как будто на них действует гравитационное ноле. Если фейнмановское суммирование по траекториям соединить с представлением Эйнштейна о гравитации, то тогда аналогом траектории одной частицы станет все искривленное пространство-время, которое представляет собой историю всей Вселенной. Для того чтобы избежать технических затруднений, которые могут встретиться при конкретном вычислении суммы по историям, искривленные четырехмерные пространства надо считать евклидовыми. Это означает, что ось времени мнимая и не отличается от пространственных осей. Для вычисления вероятности того, что действительное пространство-время обладает некоторым свойством, например выглядит одинаково во всех точках и во всех направлениях, надо сложить волны, соответствующие всем тем историям, которые обладают этим свойством.          В классической общей теории относительности может существовать много разных видов искривленного пространства-времени, и все они отвечают разным начальным состояниям Вселенной. Зная начальное состояние нашей Вселенной, мы знали бы целиком всю ее историю. Аналогично в квантовой теории гравитации возможно много разных квантовых состояний Вселенной, и точно так же, зная, как вели себя в ранние времена искривленные евклидовы четырехмерные пространства в сумме по историям, мы могли бы определить квантовое состояние Вселенной.          В классической теории гравитации, использующей действительное пространство-время, возможны лишь два типа поведения Вселенной: либо она существовала в течение бесконечного времени, либо ее началом была сингулярная точка в какой-то конечный момент времени в прошлом. В квантовой же теории гравитации возникает и третья возможность. Поскольку используются евклидовы пространства, в которых временная и пространственные оси равноправны, пространство-время, будучи конечным, может тем не менее не иметь сингулярностей, образующих его границу или край. Тогда пространство-время напоминало бы поверхность Земли с двумя дополнительными измерениями. Поверхность Земли имеет конечную протяженность, но у нее нет ни границы, ни края: поплыв по морю в сторону заката, вы не вывалитесь через край и не попадете в сингулярность.          Если евклидово пространство-время простирается назад по мнимому времени до бесконечности или начинается в сингулярной точке мнимого времени, то, как и в классической теории относительности, возникает вопрос об определении начального состояния Вселенной - Богу, может быть, и известно, каким было начало Вселенной, но у нас нет никаких оснований мыслить это начало таким, а не иным. Квантовая же теория гравитации открыла одну новую возможность: пространство-время не имеет границы, и поэтому нет необходимости определять поведение на границе. Тогда нет и сингулярностей, в которых нарушались бы законы науки, а пространство-время не имеет края, на котором пришлось бы прибегать к помощи Бога или какого-нибудь нового закона, чтобы наложить на пространство-время граничные условия. Можно было бы сказать, что граничное условие для Вселенной - отсутствие границ. Тогда Вселенная была бы совершенно самостоятельна и никак не зависела бы от того, что происходит снаружи. Она не была бы сотворена, ее нельзя было бы уничтожить. Она просто существовала бы.  Как и всякое теоретическое положение, оно может быть первоначально выдвинуто из эстетических или метафизических соображений, но затем должно пройти реальную проверку - позволяет ли оно делать предсказания, согласующиеся с наблюдениями. В случае квантовой теории гравитации такая проверка затруднена по двум причинам. Во-первых, как будет показано в следующей главе, мы еще не имеем теории, которая успешно объединяла бы общую теорию относительности с квантовой механикой, хотя нам во многом известна форма, которую должна иметь такая теория. Во-вторых, всякая модель, детально описывающая всю Вселенную, несомненно, будет в математическом отношении слишком сложна, чтобы можно было на ее основе выполнять точные вычисления. Поэтому в расчетах неизбежны упрощающие предположения и приближения, и даже при этом задача извлечения предсказаний остается чудовищно сложной.

         Если принять условие отсутствия границ, то оказывается, что вероятность развития Вселенной но большинству возможных историй пренебрежимо мала, но существует некоторое семейство историй, значительно более вероятных, чем остальные. Эти истории можно изобразить в виде как бы поверхности Земли, причем расстояние до Северного полюса соответствует мнимому времени, а размеры окружностей, все точки которых равно удалены от Северного полюса, отвечают пространственным размерам Вселенной. Вселенная начинается как точка на Северном полюсе. При движении на юг такие широтные окружности увеличиваются, что отвечает расширению Вселенной с течением мнимого времени (рис. 8.1). Вселенная достигает максимального размера на экваторе, а затем с течением мнимого времени сжимается в точку на Южном полюсе. Несмотря на то, что на Северном и Южном полюсе размер Вселенной равен нулю, эти точки будут сингулярными не более, чем Северный и Южный полюс на поверхности Земли. Законы науки будут выполняться в них так же, как они выполняются на Северном и Южном полюсах Земли.          Но в действительном времени история Вселенной выглядит совершенно иначе. Десять или двадцать тысяч миллионов лет назад размер Вселенной имел минимальное значение, равное максимальному радиусу истории в мнимом времени. Затем, с течением действительного времени, Вселенная расширялась в соответствии с хаотической моделью раздувания, предложенной Линде (но теперь уже нет необходимости предполагать, что Вселенная была каким-то образом создана в правильном состоянии). Вселенная достигла очень больших размеров, а потом должна опять сжаться в нечто, имеющее в действительном времени вид сингулярности. Поэтому в каком-то смысле все мы обречены, даже если будем держаться подальше от черных дыр. Сингулярностей не будет лишь в том случае, если представлять себе развитие Вселенной в мнимом времени.          Если Вселенная на самом деле находится в таком квантовом состоянии, то ее история в мнимом времени не будет иметь никаких сингулярностей. Но, как уже отмечалось, главное значение теорем о сингулярностях таково: они показывают, что гравитационное поле должно стать очень сильным, так что нельзя будет пренебречь квантовыми гравитационными эффектами. Именно это ведет к выводу, что в мнимом времени Вселенная должна быть конечной, но без границ и сингулярностей. По возвращении же в реальное время, в котором мы живем, обнаруживается, что сингулярности появляются опять. Астронавт, упавший в черную дыру, все равно придет к трагическому концу, и только в мнимом времени у него не было бы встречи с сингулярностями.          Может быть, следовало бы заключить, что так называемое мнимое время - это на самом деле есть время реальное, а то, что мы называем реальным временем, - просто плод нашего воображения. В действительном времени у Вселенной есть начало и конец, отвечающие сингулярностях, которые образуют границу пространства-времени и в которых нарушаются законы науки. В мнимом же времени нет ни сингулярностей, ни границ. Так что, быть может, именно то, что мы называем мнимым временем, на самом деле более фундаментально, а то, что мы называем временем реальным, - это некое субъективное представление, возникшее у нас при попытках описать, какой мы видим Вселенную. Поэтому не имеет смысла спрашивать, что же реально - действительное время или время мнимое? Важно лишь, какое из них более подходит для  описания.  Мы можем теперь, пользуясь методом суммирования, по историям и предположением об отсутствии границ, посмотреть, какими свойствами Вселенная может обладать одновременно. Например, можно вычислить вероятность того, что Вселенная расширяется примерно с одинаковой скоростью во всех направлениях в то время, когда плотность Вселенной имеет современное значение. В упрощенных моделях, которыми мы до сих пор занимались, эта вероятность оказывается весьма значительной; таким образом, условие отсутствия границ приводит к выводу о чрезвычайно высокой вероятности того, что современный темп расширения Вселенной почти одинаков во всех направлениях. Это согласуется с наблюдениями фона микроволнового излучения, которые показывают, что его интенсивность во всех направлениях почти одинакова. Если бы Вселенная в одних направлениях расширялась быстрее, чем в других, то интенсивность излучения в этих направлениях уменьшалась бы за счет дополнительного красного смещения.          Сейчас изучаются и другие следствия из условия отсутствия границ. Особенно интересна задача о малых отклонениях плотности от однородной плотности ранней Вселенной, в результате которых возникли сначала галактики, потом звезды и наконец мы сами. В силу принципа неопределенности ранняя Вселенная не может быть совершенно однородной, потому что должны обязательно присутствовать некоторые неопределенности в положениях и скоростях частиц - флуктуации. Исходя из условия отсутствия границ, мы найдем, что в начальном состоянии во Вселенной действительно должна быть неоднородность, минимально возможная с точки зрения принципа неопределенности. Затем Вселенная пережила период быстрого расширения, как в моделях раздувания. В течение этого периода начальные неоднородности усиливались, пока не достигли размеров, достаточных, чтобы объяснить происхождение тех структур, которые мы видим вокруг себя. В такой расширяющейся Вселенной, в которой плотность вещества слабо меняется от места к месту, расширение более плотных областей под действием гравитации могло замедлиться и перейти в сжатие. Это должно привести к образованию галактик, звезд и, наконец, даже таких незначительных существ, как мы. Таким образом, возникновение всех сложных структур, которые мы видим во Вселенной, можно объяснить условием отсутствия у нее границ в сочетании с квантово-механическим принципом неопределенности.          Из представления о том, что пространство и время образуют замкнутую поверхность, вытекают также очень важные следствия относительно роли Бога в жизни Вселенной. В связи с успехами, достигнутыми научными теориями в описании событий, большинство ученых пришло к убеждению, что Бог позволяет Вселенной развиваться в соответствии с определенной системой законов и не вмешивается в ее развитие, не нарушает эти законы. Но законы ничего не говорят нам о том, как выглядела Вселенная, когда она только возникла, - завести часы и выбрать начало все-таки могло быть делом Бога. Пока мы считаем, что у Вселенной было начало, мы можем думать, что у нее был Создатель. Если же Вселенная действительно полностью замкнута и не имеет ни границ, ни краев, то тогда у нее не должно быть ни начала, ни конца: она просто есть, и все! Остается ли тогда место для Создателя?

      Каждой исторической эпохе присущ свой горизонт науки, своя ограниченность представлений о природе вещей, явлений, окружающих человека. На протяжении тысячелетий человек не мог охватить взглядом свою планету. И первоначально он со­здавал примитивные космологические представления типа: «Зем­ля держится на трех слонах» (или на черепахе, в зависимости от того, что он видел перед собой)...

     Благодаря усилиям Н. Коперника, И. Кеплера и И. Ньютона более 300 лет назад горизонт астрономии был расширен за ор­биту планеты Сатурн. В. Гаршель отодвинул его до края Га­лактики, а совсем недавно Хаббл — в далекое межгалактическое пространство. Ныне нельзя не испытывать чувство гордости от того, что человеческий разум оказался способным раскрывать тайны далеких звезд и галактик, устанавливать законы их строе­ния и развития.

     Но с каждым годом перед человеком встают все более слож­ные вопросы, затрагивающие фундаментальные свойства мате­рии и конкретные формы ее существования. Симметрична ли Вселенная относительно вещества и антивещества? Состоят ли элементарные частицы из более простых? Неизменны ли на са­мом деле так называемые постоянные величины — постоянная тяготения С, постоянная Планка h, скорость света с и другие? И почему они имеют именно такие, а не другие численные зна­чения? И если некоторые из них медленно изменяются, то как  это влияет на развитие Вселенной и ее отдельных составные частей.

        Да, сегодня нам известно уже многое о строении Вселенной и ее отдельных' объектов. Но... с каждым годом расширяется горизонт науки, расширяются пределы в пространстве и вре­мени, до которых проникает человеческий разум. И, как говорил римский философ Сенека, несомненно, что на долю наших по­томков" останется большая часть истин, еще не открытых...

1. Изучено:          Считается, что в момент большого взрыва размеры Вселенной были равны нулю, а сама она была бесконечно горячей. Но по мере расширения температура излучения понижалась. Через секунду после большого взрыва температура упала примерно до десяти тысяч миллионов градусов.  В это время Вселенная состояла из фотонов, электронов, нейтрино и их античастиц. По мере того как Вселенная продолжала расширяться, а температура падать, скорость рождения электрон антиэлектронных пар в соударениях стала меньше скорости их уничтожения за счет аннигиляции. Поэтому почти все электроны и антиэлектроны должны были аннигилировать друг с другом, образовав новые фотоны, так что осталось лишь чуть-чуть избыточных электронов. Примерно через сто секунд после большого взрыва температура упала до тысячи миллионов градусов, что отвечает температуре внутри самых горячих звезд. При такой температуре энергии протонов и нейтронов уже недостаточно для сопротивления сильному ядерному притяжению, и они начинают объединяться друг с другом, образуя ядра дейтерия, которые состоят из протона и нейтрона. Затем ядра дейтерия присоединяют к себе еще протоны и нейтроны и превращаются в ядра гелия, содержащие два протона и два нейтрона, а также образуют небольшие количества более тяжелых элементов - лития и бериллия. Вычисления показывают, что, согласно горячей модели большого взрыва, около четвертой части протонов и нейтронов должно было превратиться в атомы гелия и небольшое количество тяжелого водорода и других элементов. Оставшиеся нейтроны распались на протоны, представляющие собой ядра обычных атомов водорода.          Всего через несколько часов после большого взрыва образование гелия и других элементов прекратилось, после чего в течение примерно миллиона лет Вселенная просто продолжала расширяться и с ней не происходило ничего особенного. Наконец, когда температура упала до нескольких тысяч градусов и энергии электронов и ядер стало недостаточно для преодоления действующего между ними электромагнитного притяжения, они начали объединяться друг с другом, образуя атомы. Вся Вселенная как целое могла продолжать расширяться и охлаждаться, но в тех областях, плотность которых была немного выше средней, расширение замедлялось из-за дополнительного гравитационного притяжения. В результате некоторые области перестали расширяться и начали сжиматься. В процессе сжатия под действием гравитационного притяжения материи, находящейся снаружи этих областей, могло начаться их медленное вращение. С уменьшением размеров коллапсирующей области ее вращение ускорялось, подобно тому, как ускоряется вращение фигуриста на льду, когда он прижимает руки к телу. Когда наконец коллапсирующая область стала достаточно малой, скорости ее вращения должно было хватить для уравновешивания гравитационного притяжения - так образовались вращающиеся дискообразные галактики. Те области, которые не начали вращаться, превратились в овальные объекты, называемые эллиптическими галактиками. Коллапс этих областей тоже прекратился, потому что, хотя отдельные части галактики стабильно вращались вокруг ее центра, галактика в целом не вращалась.          Состоящий из водорода и гелия газ внутри галактик со временем распался на газовые облака меньшего размера, сжимающиеся и од действием собственной гравитации. При сжатии этих облаков атомы внутри них сталкивались друг с другом, температура газа повышалась, и в конце концов газ разогрелся так сильно, чти начались реакции ядерного синтеза. В результате этих реакций из водорода образовалось дополнительное количество гелия, а из-за выделившегося тепла возросло давление и газовые облака перестали сжиматься. Облака долго оставались в этом состоянии, подобно таким звездам, как наше Солнце, превращая водород в гелий и излучая выделяющуюся энергию в виде тепла и света. Более массивным звездам для уравновешивания своего более сильного гравитационного притяжения нужно было разогреться сильнее, и реакции ядерного синтеза протекали в них настолько быстрее, что они выжгли свой водород всего за сто миллионов лет. Затем они слегка сжались, и, поскольку нагрев продолжался, началось превращение гелия в более тяжелые элементы, такие как углерод и кислород. Но в подобных процессах выделяется не много энергии, и потому, как уже говорилось в главе о черных дырах, должен был разразиться кризис. Не совсем ясно, что произошло потом, но вполне правдоподобно, что центральные области звезды коллапсировали в очень плотное состояние вроде нейтронной звезды или черной дыры. Внешние области звезды могут время от времени отрываться и уноситься чудовищным взрывом, который называется взрывом сверхновой, затмевающей своим блеском все остальные звезды в своей галактике. Часть более тяжелых элементов, образовавшихся перед гибелью звезды, была отброшена в заполняющий галактику газ и превратилась в сырье для последующих поколений звезд. Наше Солнце содержит около двух процентов упомянутых более тяжелых элементов, потому что оно является звездой второго или третьего поколения, образовавшейся около пяти миллионов лет назад из облака вращающегося газа, в котором находились осколки более ранних сверхновых. Газ из этого облака в основном пошел на образование Солнца или был унесен взрывом, но небольшое количество более тяжелых элементов, собравшись вместе, превратилось в небесные тела - планеты, которые сейчас, как и Земля, вращаются вокруг Солнца

2. Рассмотрено:      В модели Фридмана все галактики удаляются друг от друга. Это вроде бы как надутый шарик, на который нанесены точки, если его все больше надувать. Расстояние между любыми двумя точками увеличивается, но ни одну из них нельзя назвать центром расширения. Притом чем больше расстояние между точками, тем быстрее они удаляются друг от друга. Но и в модели Фридмана скорость, с которой любые две галактики удаляются друг от друга, пропорциональна расстоянию между ними. Таким образом, модель Фридмана предсказывает, что красное смешение галактики должно быть прямо пропорционально ее удаленности от нас, в точном соответствии с открытием Хаббла. Несмотря на успех этой модели и на согласие ее предсказаний с наблюдениями Хаббла, работа Фридмана оставалась неизвестной на Западе, и лишь в 1935 г. американский физик Говард Робертсон и английский математик Артур Уолкер предложили сходные модели в связи с открытием Хаббла.

         Сам Фридман рассматривал только одну модель, но можно указать три разные модели, для которых выполняются оба фундаментальных предположения Фридмана. В модели первого типа (открытой самим Фридманом) Вселенная расширяется достаточно медленно для того, чтобы в силу гравитационного притяжения между различными галактиками расширение Вселенной замедлялось и в конце концов прекращалось. После этого галактики начинают приближаться друг к другу, и Вселенная начинает сжиматься. На рис. 3.2 показано, как меняется со временем расстояние между двумя соседними галактиками. Оно возрастает от нуля до некоего максимума, а потом опять падает до нуля. В модели второго типа расширение Вселенной происходит так быстро, что гравитационное притяжение хоть и замедляет расширение, не может его остановить. На рис. 3.3 показано, как изменяется в этой модели расстояние между галактиками. Кривая выходит из нуля, а в конце концов галактики удаляются друг от друга с постоянной скоростыо. Есть, наконец, и модель третьего типа, в которой скорость расширения Вселенной только-только достаточна для того, чтобы избежать сжатия до нуля (коллапса). В этом случае расстояние между галактиками тоже сначала равно нулю (рис. 3.4), а потом все время возрастает. Правда, галактики "разбегаются" все с меньшей и меньшей скоростью, но она никогда не падает до нуля.

3.Исследовано:                                                                                                                                                                 Если бы через секунду после большого взрыва скорость расширения оказалась хоть на одну сто тысяча миллион миллионную (1/100.000.000.000.000.000) меньше, то произошло бы повторное сжатие Вселенной и она никогда бы не достигла своего современного состояния.

СОДЕРЖАНИЕ

1.     Модель большого Взрыва

1.1.  Гипотетическое представления о Вселенной

1.2.  Расширяющаяся Вселенная

1.3.  Рождение и гибель Вселенной

2.        Заключение 

3.        список использованной литературы

Список используемой литературы

1.       П. Г. Куликовский :«Справочник любителя АСТРОНОМИИ» М.1971 г.

2.      Б. А. Воронцов- Вельяминов :«Очерки о Вселенной» М. «Наука» 1976 г.

3.      И. А. Климишин «Астрономия наших дней» М. «Наука» 1980 г.

4.      П. Девис «Случайная Вселенная» М. «МИР» 1985 г.

5.      В. Н. Комаров Б. Н. Пановский « Занимательная астрономия» М. «Наука» 1984 г.

6.      И. А. Климишин «Открытие Вселенной» М. « Наука» 1987 г.

7.      И. С. Школовский «Вселенная Жизнь Разум» М. « Наука» 1976г.

8.      В.В. Казютинский «Вселенная Астрономия, Философия», М.«Знание»1972 г.

9.      И.Д. Новиков «Эволюция Вселенной», М. 1983 г.

10.  С.П. Левитан. «Астрономия», М., «Просвещение» 1994 г.

www.referatmix.ru

5. Модель Большого взрыва.

Представление о развитии Вселенной закономерно привело постановке проблемы начала эволюции (рождения) Вселенной и ее конца (смерти). В настоящее время существует несколько космологических моделей, объясняющих отдельные аспекты возникновения материи во Вселенной, но они не объясняют причин и процесса рождения самой Вселенной. Из всей совокупности современных космологических теорий только теория Большого взрыва Г. Гамова смогла к настоящему времени удовлетворительно объяснить почти все факты, связанные с этой проблемой. Основные черты модели Большого взрыва сохранились до сих пор, хотя и были позже дополнены теорией инфляции, или теорией раздувающейся Вселенной, разработанной американскими учеными А. Гутом и П. Стейнхардтом и дополненной советским физиком А.Д. Линде.

В 1948 г. выдающийся американский физик русского происхождения Г. Гамов выдвинул предположение, что физическая Вселенная образовалась в результате гигантского взрыва, происшедшего примерно 15 млрд. лет тому назад. Тогда все вещество и вся энергия Вселенной были сконцентрированы в одном крохотном сверхплотном сгустке. Если верить математическим расчетам, то в начале расширения радиус Вселенной был и вовсе равен нулю, а ее плотность равна бесконечности. Это начальное состояние называется сингулярностью — точечный объем с бесконечной плотностью. Известные законы физики в сингулярности не работают. В этом состоянии теряют смысл понятия пространства и времени, поэтому бессмысленно спрашивать, где находилась эта точка. Также современная наука ничего не может сказать о причинах появления такого состояния.

Тем не менее, согласно принципу неопределенности Гейзенберга вещество невозможно стянуть в одну точку, поэтому считается, что Вселенная в начальном состоянии имела определенную плотность и размеры. По некоторым подсчетам, если все вещество наблюдаемой Вселенной, которое оценивается примерно в 1061 г, сжать до плотности 1094 г/см3, то оно займет объем около 10-33 см3. Ни в какой электронный микроскоп разглядеть ее было бы невозможно. Долгое время ничего нельзя было сказать о причинах Большого взрыва и переходе Вселенной к расширению. Но сегодня появились некоторые гипотезы, пытающиеся объяснить эти процессы. Они лежат в основе инфляционной модели развития Вселенной.

6. Модель расширяющейся Вселенной.

Модель Вселенной Эйнштейна стала первой космологической моделью, базирующейся на выводах общей теории относительности. Это связано с тем, что именно тяготение определяет взаимодействие масс на больших расстояниях. Поэтому теоретическим ядром современной космологии выступает теория тяготения — общая теория относительности.

В 1922 г., советский физик и математик А. Фридман на основе строгих расчетов показал, что Вселенная Эйнштейна не может быть стационарной, неизменной. При этом Фридман опирался на сформулированный им космологический принцип, который строится на двух предположениях: об изотропности и однородности Вселенной. Изотропность Вселенной понимается как отсутствие выделенных направлений, одинаковость Вселенной по всем направлениям. Однородность Вселенной понимается как одинаковость всех точек Вселенной: мы можем проводить наблюдения в любой из них и везде увидим изотропную Вселенную.

Фридман на основе космологического принципа доказал, что уравнения Эйнштейна имеют и другие, нестационарные решения, согласно которым Вселенная может либо расширяться, либо сжиматься. При этом речь шла о расширении самого пространства, т.е. об увеличении всех расстояний мира. Вселенная Фридмана напоминала раздувающийся мыльный пузырь, у которого и радиус, и площадь поверхности непрерывно увеличиваются.

Первоначально модель расширяющейся Вселенной носила гипотетический характер и не имела эмпирического подтверждения. Однако в 1929 г. американский астроном Э. Хаббл обнаружил эффект «красного смещения» спектральных линий (смещение линий к красному концу спектра). Это было истолковано как следствие эффекта Доплера — изменение частоты колебаний или длины волн из-за движения источника волн и наблюдателя по отношению друг к другу. «Красное смещение» было объяснено как следствие удаления галактик друг от друга со скоростью, возрастающей с расстоянием. Согласно последним измерениям увеличение скорости расширения составляет примерно 55 км/с на каждый миллион парсек.

В результате своих наблюдений Хаббл обосновал представление, что Вселенная — это мир галактик, что наша Галактика — не единственная в ней, что существует множество галактик, разделенных между собой огромными расстояниями. Вместе с тем Хаббл пришел к выводу, что межгалактические расстояния не остаются постоянными, а увеличиваются.

studfiles.net

Модель большого взрыва и расширяющейся Вселенной

Сочинский Государственный Университет Туризма и Курортного Дела

Реферат:

На тему: Модель большого взрыва и расширяющейся Вселенной

Выполнил Голиков А.С.

Студент 2 курса

Группы 20 ГМУ

СОЧИ 2002 г.

введение.

  Одной из основных концепций современного естествознания является учение о Вселенной как едином целом и обо всей охваченной астрономическими наблюдениями области Вселенной (Метагалактике) как части целого - космология.   Выводы космологии основываются и на законах физики, и на данных наблюдательной астрономии. Как любая наука, космология в своей структуре кроме эмпирического и теоретического уровней имеет также уровень философских предпосылок, философских оснований.   Так, в основании современной космологии лежит предположение о том, что законы природы, установленные на основе изучения весьма ограниченной части Вселенной, чаще всего на основе опытов на планете Земля, могут быть экстраполированы на значительно большие области, в конечном счете - на всю Вселенную. Это предположение об устойчивости законов природы в пространстве и времени относится к уровню философских оснований современной космологии.

Цель моего реферата состоит в том, чтоб разобраться, что же  все-таки представляет с себя вселенная. В моем реферате поставлены такие  задачи:

1.    Изучить, как произошел тот темп развития вселенной, начиная с момента «большого взрыва»?

2.     Рассмотреть взгляды различных ученых, философов, политологов о том, как расширяется вселенная?

3.    Исследовать, почему Вселенная начала расширятся со скоростью, столь близкой к критической, которая разделяет модели с повторным сжатием и модели с вечным расширением, так что даже сейчас, через десять тысяч миллионов лет, Вселенная продолжает расширяться со скоростью, примерно равной критической?

 Модель эволюционной истории Вселенной, согласно которой она возникла в бесконечно плотном состоянии и с тех пор расширяется. Это событие произошло от 13 до 20 миллиардов лет назад и известно как "Большой Взрыв". Теория Большого Взрыва теперь общепринята, так как она объясняет оба наиболее значительных факта космологии: расширяющуюся Вселенную и существование космического фонового излучения. Можно воспользоваться известными законами физики и просчитать в обратном направлении все состояния, в которых находилась Вселенная, начиная с 10-43 секунд после Большого Взрыва. В течение первого миллиона лет вещество и энергия во Вселенной сформировали непрозрачную плазму, иногда называемую первичным огненным шаром. К концу этого периода расширение Вселенной заставило температуру опуститься ниже 3000 K, так что протоны и электроны смогли объединяться, образуя атомы водорода. На этой стадии Вселенная стала прозрачной для излучения. Плотность вещества теперь стала выше плотности излучения, хотя раньше ситуация была обратной, что и определяло скорость расширения Вселенной. Фоновое микроволновое излучение - все, что осталось от сильно охлажденного излучения ранней Вселенной. Первые галактики начали формироваться из первичных облаков водорода и гелия только через один или два миллиарда лет. Термин "Большой Взрыв" может применяться к любой модели расширяющейся Вселенной, которая в прошлом была горячей и плотной.

1.1. Гипотетическое представление о Вселенной

     Как-то один известный ученый ( Бертран Рассел) читал публичную лекцию об астрономии. Он рассказывал, как Земля вращается вокруг Солнца, а Солнце, в свою очередь, вращается вокруг центра огромного скопления звезд, которое называют нашей Галактикой. Когда лекция подошла к концу, из последних рядов зала поднялась маленькая пожилая леди и сказала: "Все, что вы нам говорили, - чепуха. На самом деле наш мир - это плоская тарелка, которая стоит па спине гигантской черепахи". Снисходительно улыбнувшись, ученый спросил: "А на чем держится черепаха?" - "Вы очень умны, молодой человек, - ответила пожилая леди. - Черепаха - на другой черепахе, та - тоже на черепахе, и так все ниже и ниже".      Такое представление о Вселенной как о бесконечной башне из черепах большинству из нас покажется смешным, но почему мы думаем, что сами знаем лучше? Что нам известно о Вселенной, и как мы это узнали? Откуда взялась Вселенная, и что с ней станется? Было ли у Вселенной начало, а если было, то что происходило до начала? Какова сущность времени? Кончится ли оно когда-нибудь? Достижения физики последних лет, которыми мы частично обязаны фантастической новой технике, позволяют наконец получить ответы хотя бы на отдельные из таких давно поставленных вопросов. Пройдет время, и эти ответы, может быть, станут столь же очевидными, как-то, что Земля вращается вокруг Солнца, а может быть, столь же нелепыми, как башня из черепах. Только время (чем бы оно ни было) решит это.      Еще в 340 г. до н. э. греческий философ Аристотель в своей книге "О небе" привел два веских довода в пользу того, что Земля не плоская тарелка, а круглый шар. Во-первых, Аристотель догадался, что лунные затмения происходят тогда, когда Земля оказывается между Луной и Солнцем. Земля всегда отбрасывает на Луну круглую тень, а это может быть лишь в том случае, если Земля имеет форму шара. Будь Земля плоским диском, ее тень имела бы форму вытянутого эллипса, если только затмение не происходит всегда именно в тот момент, когда Солнце находится точно на оси диска. Во-вторых, по опыту своих путешествий греки знали, что в южных районах Полярная звезда на небе располагается ниже, чем в северных. (Поскольку Полярная звезда находится над Северным полюсом, она будет прямо над головой наблюдателя, стоящего на Северном полюсе, а человеку на экваторе покажется, что она на линии горизонта). Зная разницу в кажущемся положении Полярной звезды в Египте и Греции, Аристотель сумел даже вычислить, что длина экватора равна 400 000 стадиев. Что такое стадий, точно неизвестно, но он близок к 200 метрам, и, стало быть, оценка Аристотеля примерно в 2 раза больше значения, принятого сейчас. У греков был еще и третий довод в пользу шарообразной формы Земли: если Земля не круглая, то почему же мы сначала видим паруса корабля, поднимающиеся над горизонтом, и только потом сам корабль?      Аристотель думал, что Земля неподвижна, а Солнце, Луна, планеты и звезды вращаются вокруг нее по круговым орбитам. Он так полагал, ибо в соответствии со своими мистическими воззрениями Землю считал центром Вселенной, а круговое движение - самым совершенным. Птолемей во II веке развил идею Аристотеля в полную космологическую модель. Земля стоит в центре, окруженная восемью сферами, несущими на себе Луну, Солнце и пять известных тогда планет: Меркурий, Венеру, Марс, Юпитер и Сатурн (рис. 1.1). Сами планеты, считал Птолемей, движутся по меньшим кругам, скрепленным с соответствующими сферами. Это объясняло тот весьма сложный путь, который, как мы видим, совершают планеты. На самой последней сфере располагаются неподвижные звезды, которые, оставаясь в одном и том же положении друг относительно друга, движутся по небу все вместе как единое целое. Что лежит за последней сферой, не объяснялось, но во всяком случае это уже не было частью той Вселенной, которую наблюдает человечество.

     Модель Птолемея позволяла неплохо предсказывать положение небесных тел на небосводе, но для точного предсказания ему пришлось принять, что траектория Луны в одних местах подходит к Земле в 2 раза ближе, чем в других! Это означает, что в одном положении Луна должна казаться в 2 раза большей, чем в другом! Птолемей знал об этом недостатке, но тем не менее его теория была признана, хотя и не везде. Христианская Церковь приняла Птолемееву модель Вселенной как не противоречащую Библии, ибо эта модель была очень хороша тем, что оставляла за пределами сферы неподвижных звезд много места для ада и рая. Однако в 1514 г. польский священник Николай Коперник предложил еще более простую модель. (Вначале, опасаясь, наверное, того, что Церковь объявит его еретиком, Коперник пропагандировал свою модель анонимно). Его идея состояла в том, что Солнце стоит неподвижно в центре, а Земля и другие планеты обращаются вокруг него по круговым орбитам. Прошло почти столетие, прежде чем идею Коперника восприняли серьезно. Два астронома - немец Иоганн Кеплер и итальянец Галилео Галилей - публично выступили в поддержку теории Коперника, несмотря на то что предсказанные Коперником орбиты не совсем совпадали с наблюдаемыми. Теории Аристотеля- Птолемея пришел конец в 1609 г., когда Галилей начал наблюдать ночное тения, согласно которому всякое тело во Вселенной притягивается к любому другому телу с тем большей силой, чем больше массы этих тел и чем меньше расстояние между ними. Это та самая сила, которая заставляет тела падать на землю. (Рассказ о том, что Ньютона вдохновило яблоко, упавшее ему на голову, почти наверняка недостоверен. Сам Ньютон сказал об этом лишь то, что мысль о тяготении пришла, когда он сидел в "созерцательном настроении", и "поводом было падение яблока"). Далее Ньютон показал, что, согласно его закону, Луна под действием гравитационных сил движется по эллиптической орбите вокруг Земли, а Земля и планеты вращаются по эллиптическим орбитам вокруг Солнца.      Модель Коперника помогла избавиться от Птолемеевых небесных сфер, а заодно и от представления о том, что Вселенная имеет какую-то естественную границу. Поскольку "неподвижные звезды" не изменяют своего положения на небе, если не считать их кругового движения, связанного с вращением Земли вокруг своей оси, естественно было предположить, что неподвижные звезды - это объекты, подобные нашему Солнцу, только гораздо более удаленные.      Ньютон понимал, что по его теории тяготения звезды должны притягиваться друг к другу и поэтому, казалось бы, не могут оставаться совсем неподвижными. Не должны ли они упасть друг на друга, сблизившись в какой-то точке? В 1691 г. в письме Ричарду Бентли, еще одному выдающемуся мыслителю того времени, Ньютон говорил, что так действительно должно было бы произойти, если бы у нас было лишь конечное число звезд в конечной области пространства. Но, рассуждал Ньютон, если число звезд бесконечно и они более или менее равномерно распределены по бесконечному пространству, то этого никогда не произойдет, так как нет центральной точки, куда им нужно было бы падать.      Эти рассуждения - пример того, как легко попасть впросак, ведя разговоры о бесконечности. В бесконечной Вселенной любую точку можно считать центром, так как по обе стороны от нее число звезд бесконечно. Лишь гораздо позже поняли, что более правильный подход - взять конечную систему, в которой все звезды падают друг на друга, стремясь к центру, и посмотреть, какие будут изменения, если добавлять еще и еще звезд, распределенных приблизительно равномерно вне рассматриваемой области. По закону Ньютона дополнительные звезды в среднем никак не повлияют на первоначальные, т. е. звезды будут с той же скоростью падать в центр выделенной области. Сколько бы звезд мы ни добавили, они всегда будут стремиться к центру. В наше время известно, что бесконечная статическая модель Вселенной невозможна, если гравитационные силы всегда остаются силами взаимного притяжения.      Интересно, каким было общее состояние научной мысли до начала XX в.: никому и в голову не пришло, что Вселенная может расширяться или сжиматься. Все считали, что Вселенная либо существовала всегда в неизменном состоянии, либо была сотворена в какой-то момент времени в прошлом примерно такой, какова она сейчас. Отчасти это, может быть, объясняется склонностью людей верить в вечные истины, а также особой притягательностью той мысли, что, пусть сами они состарятся и умрут, Вселенная останется вечной и неизменной.      Даже тем ученым, которые поняли, что ньютоновская теория тяготения делает невозможной статическую Вселенную, не приходила в голову гипотеза расширяющейся Вселенной. Они попытались модифицировать теорию, сделав гравитационную силу отталкивающей на очень больших расстояниях. Это практически не меняло предсказываемого движения планет, но зато позволяло бесконечному распределению звезд оставаться в равновесии, так как притяжение близких звезд компенсировалось отталкиванием от далеких. Но сейчас мы считаем, что такое равновесие оказалось бы неустойчивым. В самом деле, если в какой-то области звезды чуть-чуть сблизятся, то силы притяжения между ними возрастут и станут больше сил отталкивания, так что звезды будут и дальше сближаться. Если же расстояние между звездами чуть-чуть увеличится, то перевесят силы отталкивания и расстояние будет нарастать.      Еще одно возражение против модели бесконечной статической Вселенной обычно приписывается немецкому философу Генриху Олберсу, который в 1823 г. опубликовал работу, посвященную этой модели. На самом деле многие современники Ньютона занимались той же задачей, и статья Олберса была даже не первой среди работ, в которых высказывались серьезные возражения. Ее лишь первой стали широко цитировать. Возражение таково: в бесконечной статической Вселенной любой луч зрения должен упираться в какую-нибудь звезду. Но тогда небо даже ночью должно ярко светиться, как Солнце. Контраргумент Олберса состоял в том, что свет, идущий к нам от далеких звезд, должен ослабляться из-за поглощения в находящемся на его пути веществе.      Но в таком случае само это вещество должно нагреться и ярко светиться, как звезды. Единственная возможность избежать вывода о ярко, как Солнце, светящемся ночном небе - предположить, что звезды сияли не всегда, а загорелись в какой-то определенный момент времени в прошлом. Тогда поглощающее вещество, возможно, еще не успело разогреться или же свет далеких звезд еще не дошел до нас. Но возникает вопрос: почему зажглись звезды?      Конечно, проблема возникновения Вселенной занимала умы людей уже очень давно. Согласно ряду ранних космогонии и иудейско-христианско-мусульманским мифам, наша Вселенная возникла в какой-то определенный и не очень отдаленный момент времени в прошлом. Одним из оснований таких верований была потребность найти "первопричину" существования Вселенной. Любое событие во Вселенной объясняют, указывая его причину, т. е. другое событие, произошедшее раньше; подобное объяснение существования самой Вселенной возможно лишь в том случае, если у нее было начало. Другое основание выдвинул Блаженный Августин (православная Церковь считает Августина блаженным, а Католическая - святым. - прим. ред.). в книге "Град Божий". Он указал на то, что цивилизация прогрессирует, а мы помним, кто совершил то или иное деяние и кто что изобрел. Поэтому человечество, а значит, вероятно, и Вселенная, вряд ли очень долго существуют. Блаженный Августин считал приемлемой дату сотворения Вселенной, соответствующую книге "Бытия": приблизительно 5000 год до нашей эры. (Интересно, что эта дата не так уж далека от конца последнего ледникового периода - 10 000 лет до н. э., который археологи считают началом цивилизации).      Аристотелю же и большинству других греческих философов не нравилась идея сотворения Вселенной, так как она связывалась с божественным вмешательством. Поэтому они считали, что люди и окружающий их мир существовали и будут существовать вечно. Довод относительно прогресса цивилизации ученые древности рассматривали и решили, что в мире периодически происходили потопы и другие катаклизмы, которые все время возвращали человечество к исходной точке цивилизации.      Вопросы о том, возникла ли Вселенная в какой-то начальный момент времени и ограничена ли она в пространстве, позднее весьма пристально рассматривал философ Иммануил Кант в своем монументальном (и очень темном) труде "Критика чистого разума", который был издан в 1781 г. Он назвал эти вопросы антиномиями (т. е. противоречиями) чистого разума, так как видел, что в равной мере нельзя ни доказать, ни опровергнуть ни тезис о необходимости начала Вселенной, ни антитезис о ее вечном существовании. Тезис Кант аргументировал тем, что если бы у Вселенной не было начала, то всякому событию предшествовал бы бесконечный период времени, а это Кант считал абсурдом. В поддержку антитезиса Кант говорил, что если бы Вселенная имела начало, то ему предшествовал бы бесконечный период времени, а тогда спрашивается, почему Вселенная вдруг возникла в тот, а не другой момент времени? На самом деле аргументы Канта фактически одинаковы и для тезиса, и для антитезиса. Он исходит из молчаливого предположения, что время бесконечно в прошлом независимо от того, существовала или не существовала вечно Вселенная. Как мы увидим ниже, до возникновения Вселенной понятие времени лишено смысла.      Когда большинство людей верило в статическую и неизменную Вселенную, вопрос о том, имела она начало или нет, относился, в сущности, к области метафизики и теологии. Все наблюдаемые явления можно было объяснить как с помощью теории, в которой Вселенная существует вечно, так и с помощью теории, согласно которой Вселенную сотворили в какой-то определенный момент времени таким образом, чтобы все выглядело, как если бы она существовала вечно. Но в 1929 г. Эдвин Хаббл сделал эпохальное открытие: оказалось, что в какой бы части неба ни вести наблюдения, все далекие галактики быстро удаляются от нас. Иными словами, Вселенная расширяется. Это означает, что в более ранние времена все объекты были ближе друг к другу, чем сейчас. Значит, было, по-видимому, время, около десяти или двадцати тысяч миллионов лет назад, когда они все находились в одном месте, так что плотность Вселенной была бесконечно большой. Сделанное Хабблом открытие перевело вопрос о том, как возникла Вселенная, в область компетенции науки.      Наблюдения Хаббла говорили о том, что было время - так называемый большой взрыв, когда Вселенная была бесконечно малой и бесконечно плотной. При таких условиях все законы науки теряют смысл и не позволяют предсказывать будущее. Если в еще более ранние времена и происходили какие-либо события, они все равно никак не смогли бы повлиять на то, что происходит сейчас. Из-за отсутствия же наблюдаемых следствий ими можно просто пренебречь. Большой взрыв можно считать началом отсчета времени в том смысле, что более ранние времена были бы просто не определены. Подчеркнем, что такое начало отсчета времени очень сильно отличается от всего того, что предлагалось до Хаббла. Начало времени в неизменяющейся Вселенной есть нечто, что должно определяться чем-то, существующим вне Вселенной; для начала Вселенной нет физической необходимости. Сотворение Богом Вселенной можно в своем представлении относить к любому моменту времени в прошлом. Если же Вселенная расширяется, то могут существовать физические причины для того, чтобы она имела начало. Можно по-прежнему представлять себе, что именно Бог создал Вселенную - в момент большого взрыва или даже позднее (но так, как если бы произошел большой взрыв). Однако было бы абсурдно утверждать, что Вселенная возникла раньше большого взрыва. Представление о расширяющейся Вселенной не исключает создателя, но налагает ограничения на возможную дату его трудов!

     Поскольку уже существующих частных теорий вполне достаточно, чтобы делать точные предсказания во всех ситуациях, кроме самых экстремальных, поиск окончательной теории Вселенной не отвечает требованиям практической целесообразности. (Заметим, однако, что аналогичные возражения можно было бы выдвинуть против теории относительности и квантовой механики, а ведь именно эти теории произвели революцию в ядерной физике и в микроэлектронике!) Таким образом, открытие полной единой теории, может быть, не будет способствовать выживанию и даже никак не повлияет на течение нашей жизни. Но уже на заре цивилизации людям не нравились необъяснимые и не связанные между собой события, и они страстно желали понять тот порядок, который лежит в основе нашего мира. По сей день мы мечтаем узнать, почему мы здесь оказались и откуда взялись. Стремление человечества к знанию является для нас достаточным оправданием, чтобы продолжать поиск. А наша конечная цель - никак не меньше, чем полное описание Вселенной, в которой мы обитаем.

1.2 Расширяющаяся Вселенная

     Если в ясную безлунную ночь посмотреть на небо, то, скорее всего, самыми яркими объектами, которые вы увидите, будут планеты Венера, Марс, Юпитер и Сатурн. Кроме того, вы увидите огромное количество звезд, похожих на наше Солнце, но находящихся гораздо дальше от нас. При вращении Земли вокруг Солнца некоторые из этих "неподвижных" звезд чуть-чуть меняют свое положение относительно друг друга, т. е. на самом деле они вовсе не неподвижны! Дело в том, что они несколько ближе к нам, чем другие. Поскольку же Земля вращается вокруг Солнца, близкие звезды видны все время в разных точках фона более удаленных звезд. Благодаря этому можно непосредственно измерить расстояние от нас до этих звезд: чем они ближе, тем сильнее заметно их перемещение. Самая близкая звезда, называемая Проксимой Центавра, находится от нас на расстоянии приблизительно четырех световых лет (т. е. свет от нее идет до Земли около четырех лет), или около 37 миллионов километров. Большинство звезд, видимых невооруженным глазом, удалены от нас на несколько сотен световых лет. Сравните это с расстоянием до нашего Солнца, составляющим всего восемь световых минут! Видимые звезды рассыпаны но всему ночному небу, но особенно густо в той полосе, которую мы называем Млечным Путем. Еще в 1750 г. некоторые астрономы высказывали мысль, что существование Млечного Пути объясняется тем, что большая часть видимых звезд образует одну дискообразную конфигурацию - пример того, что сейчас называется спиральной галактикой. Лишь через несколько десятилетий астроном Уильям Гершель подтвердил это предположение, выполнив колоссальную работу но составлению каталога положений огромного количества звезд и расстояний до них. Но даже после этого представление о спиральных галактиках было принято всеми лишь в начале нашего века.      Современная картина Вселенной возникла только в 1924 г., когда американский астроном Эдвин Хаббл показал, что наша Галактика не единственная. На самом деле существует много других галактик, разделенных огромными областями пустого пространства. Для доказательства Хабблу требовалось определить расстояния до этих галактик, которые настолько велики, что, в отличие от положений близких звезд, видимые положения галактик действительно не меняются. Поэтому для измерения расстояний Хаббл был вынужден прибегнуть к косвенным методам. Видимая яркость звезды зависит от двух факторов: от того, какое количество света излучает звезда (се светимости), и от того, гдe она находится. Яркость близких звезд и расстояние до них мы можем измерить; следовательно, мы можем вычислить и их светимость. И наоборот, зная светимость звезд в других галактиках, мы могли бы вычислить расстояние до них, измерив их видимую яркость. Хаббл заметил, что светимость некоторых типов звезд всегда одна и та же, когда они находятся достаточно близко для того, чтобы можно было производить измерения. Следовательно, рассуждал Хаббл, если такие звезды обнаружатся в другой галактике, то, предположив у них такую же светимость, мы сумеем вычислить расстояние до этой галактики. Если подобные расчеты для нескольких звезд одной и той же галактики дадут один и тот же результат, то полученную оценку расстояния можно считать надежной.

     Таким путем Хаббл рассчитал расстояния до девяти разных галактик. Теперь известно, что наша Галактика - одна из нескольких сотен тысяч миллионов галактик, которые можно наблюдать в современные телескопы, а каждая из этих галактик в свою очередь содержит сотни тысяч миллионов звезд. На рис. 3.1 показано, какой увидел бы нашу Галактику наблюдатель, живущий в какой-нибудь другой галактике. Наша Галактика имеет около ста тысяч световых лет в поперечнике. Она медленно вращается, а звезды в ее спиральных рукавах каждые несколько сотен миллионов лет делают примерно один оборот вокруг ее центра. Наше Солнце представляет собой обычную желтую звезду средней величины, расположенную на внутренней стороне одного из спиральных рукавов. Какой же огромный путь мы прошли от Аристотеля и Птолемея, когда Земля считалась центром Вселенной!  в ее атмосфере.      В 20-х годах, когда астрономы начали исследование спектров звезд других галактик, обнаружилось нечто еще более странное: в нашей собственной Галактике оказались те же самые характерные наборы отсутствующих цветов, что и у звезд, но все они были сдвинуты на одну и ту же величину к красному концу спектра. Чтобы понять смысл сказанного, следует сначала разобраться с эффектом Доплера. Как мы уже знаем, видимый свет - это колебания, или волны электромагнитного поля. Частота (число волн в одну секунду) световых колебаний чрезвычайно высока - от четырехсот до семисот миллионов волн в секунду. Человеческий глаз воспринимает свет разных частот как разные цвета, причем самые низкие частоты соответствуют красному концу спектра, а самые высокие - фиолетовому. Представим себе источник света, расположенный на фиксированном расстоянии от нас (например, звезду), излучающий с постоянной частотой световые волны. Очевидно, что частота приходящих волн будет такой же, как та, с которой они излучаются (пусть гравитационное поле галактики невелико и его влияние несущественно). Предположим теперь, что источник начинает двигаться в нашу сторону. При испускании следующей волны источник окажется ближе к нам, а потому время, за которое гребень этой волны до нас дойдет, будет меньше, чем в случае неподвижной звезды. Стало быть, время между гребнями двух пришедших волн будет меньше, а число волн, принимаемых нами за одну секунду (т. е. частота), будет больше, чем когда звезда была неподвижна. При удалении же источника частота приходящих волн будет меньше. Это означает, что спектры удаляющихся звезд будут сдвинуты к красному концу (красное смещение), а спектры приближающихся звезд должны испытывать фиолетовое смещение. Такое соотношение между скоростью и частотой называется эффектом Доплера, и этот эффект обычен даже в нашей повседневной жизни. Прислушайтесь к тому, как идет по шоссе машина: когда она приближается, звук двигателя выше (т. е. выше частота испускаемых им звуковых волн), а когда, проехав мимо, машина начинает удаляться, звук становится ниже. Световые волны и радиоволны ведут себя аналогичным образом. Эффектом Доплера пользуется полиция, определяя издалека скорость движения автомашин по частоте радиосигналов, отражающихся от них. Доказав, что существуют другие галактики, Хаббл все последующие годы посвятил составлению каталогов расстояний до этих галактик и наблюдению их спектров. В то время большинство ученых считали, что движение галактик происходит случайным образом и поэтому спектров, смещенных в красную сторону, должно наблюдаться столько же, сколько и смещенных в фиолетовую. Каково же было удивление, когда у большей части галактик обнаружилось красное смещение спектров, т. е. оказалось, что почти все галактики удаляются от нас! Еще более удивительным было открытие, опубликованное Хабблом в 1929 г.: Хаббл обнаружил, что даже величина красного смещения не случайна, а прямо пропорциональна расстоянию от нас до галактики. Иными словами, чем дальше находится галактика, тем быстрее она удаляется! А это означало, что Вселенная не может быть статической, как думали раньше, что на самом деле она непрерывно расширяется и расстояния между галактиками все время растут.      Открытие расширяющейся Вселенной было одним из великих интеллектуальных переворотов двадцатого века. Задним числом мы можем лишь удивляться тому, что эта идея не пришла никому в голову раньше. Ньютон и другие ученые должны были бы сообразить, что статическая Вселенная вскоре обязательно начала бы сжиматься под действием гравитации. Но предположим, что Вселенная, наоборот, расширяется. Если бы расширение происходило достаточно медленно, то под действием гравитационной силы оно в конце концов прекратилось бы и перешло в сжатие. Однако если бы скорость расширения превышала некоторое критическое значение, то гравитационного взаимодействия не хватило бы, чтобы остановить расширение, и оно продолжалось бы вечно. Все это немного напоминает ситуацию, возникающую, когда с поверхности Земли запускают вверх ракету. Если скорость ракеты не очень велика, то из-за гравитации она в конце концов остановится и начнет падать обратно. Если же скорость ракеты больше некоторой критической (около одиннадцати километров в секунду), то гравитационная сила не сможет ее вернуть, и ракета будет вечно продолжать свое движение от Земли. Расширение Вселенной могло быть предсказано на основе ньютоновской теории тяготения в XIX, XVIII и даже в конце XVII века. Однако вера в статическую Вселенную была столь велика, что жила в умах еще в начале нашего века. Даже Эйнштейн, разрабатывая в 1915 г. общую теорию относительности, был уверен в статичности Вселенной. Чтобы не вступать в противоречие со статичностью, Эйнштейн модифицировал свою теорию, введя в уравнения так называемую космологическую постоянную. Он ввел новую "антигравитационную" силу, которая в отличие от других сил не порождалась каким-либо источником, а была заложена в саму структуру пространства-времени. Эйнштейн утверждал, что пространство-время само по себе всегда расширяется и этим расширением точно уравновешивается притяжение всей остальной материи во Вселенной, так что в результате Вселенная оказывается статической. По-видимому, лишь один человек полностью поверил в общую теорию относительности: пока Эйнштейн и другие физики думали над тем, как обойти не статичность Вселенной, предсказываемую этой теорией, русский физик и математик А. А. Фридман, наоборот, занялся ее объяснением.      Фридман сделал два очень простых исходных предположения: во-первых, Вселенная выглядит одинаково, в каком бы направлении мы ее ни наблюдали, и во-вторых, это утверждение должно оставаться справедливым и в том случае, если бы мы производили наблюдения из какого-нибудь другого места. Не прибегая ни к каким другим предположениям, Фридман показал, что Вселенная не должна быть статической. В 1922 г., за несколько лет до открытия Хаббла, Фридман в точности предсказал его результат!      Предположение об одинаковости Вселенной во всех направлениях на самом деле, конечно, не выполняется. Как мы, например, уже знаем, другие звезды в нашей Галактике образуют четко выделяющуюся светлую полосу, которая идет пo всему небу ночью - Млечный Путь. Нo если говорить о далеких галактиках, то их число во всех направлениях примерно одинаково. Следовательно, Вселенная действительно "примерно" одинакова во всех направлениях - при наблюдении в масштабе, большом по сравнению с расстоянием между галактиками, когда отбрасываются мелкомасштабные различия.      Правда, на первый взгляд, тот факт, что Вселенная кажется нам одинаковой во всех направлениях, может говорить о какой-то выделенности нашего местоположения во Вселенной. В частности, раз мы видим, что все остальные галактики удаляются от нас, значит, мы находимся в центре Вселенной. Но есть и другое объяснение: Вселенная будет выглядеть одинаково во всех направлениях и в том случае, если смотреть на нее из какой-нибудь другой галактики. Это, как мы знаем, вторая гипотеза Фридмана. У нас нет научных доводов ни за, ни против этого предположения, и мы приняли его, так сказать, из скромности: было бы крайне странно, если бы Вселенная казалась одинаковой во всех направлениях только вокруг нас, а в других ее точках этого не было! В модели Фридмана все галактики удаляются друг от друга. Это вроде бы как надутый шарик, на который нанесены точки, если его все больше надувать. Расстояние между любыми двумя точками увеличивается, но ни одну из них нельзя назвать центром расширения. Притом чем больше расстояние между точками, тем быстрее они удаляются друг от друга. Но и в модели Фридмана скорость, с которой любые две галактики удаляются друг от друга, пропорциональна расстоянию между ними. Таким образом, модель Фридмана предсказывает, что красное смешение галактики должно быть прямо пропорционально ее удаленности от нас, в точном соответствии с открытием Хаббла. Несмотря на успех этой модели и на согласие ее предсказаний с наблюдениями Хаббла, работа Фридмана оставалась неизвестной на Западе, и лишь в 1935 г. американский физик Говард Робертсон и английский математик Артур Уолкер предложили сходные модели в связи с открытием Хаббла.

     Сам Фридман рассматривал только одну модель, но можно указать три разные модели, для которых выполняются оба фундаментальных предположения Фридмана. В модели первого типа (открытой самим Фридманом) Вселенная расширяется достаточно медленно для того, чтобы в силу гравитационного притяжения между различными галактиками расширение Вселенной замедлялось и в конце концов прекращалось. После этого галактики начинают приближаться друг к другу, и Вселенная начинает сжиматься. На рис. 3.2 показано, как меняется со временем расстояние между двумя соседними галактиками. Оно возрастает от нуля до некоего максимума, а потом опять падает до нуля. В модели второго типа расширение Вселенной происходит так быстро, что гравитационное притяжение хоть и замедляет расширение, не может его остановить. На рис. 3.3 показано, как изменяется в этой модели расстояние между галактиками. Кривая выходит из нуля, а в конце концов галактики удаляются друг от друга с постоянной скоростыо. Есть, наконец, и модель третьего типа, в которой скорость расширения Вселенной только-только достаточна для того, чтобы избежать сжатия до нуля (коллапса). В этом случае расстояние между галактиками тоже сначала равно нулю (рис. 3.4), а потом все время возрастает. Правда, галактики "разбегаются" все с меньшей и меньшей скоростью, но она никогда не падает до нуля.      Модель Фридмана первого типа удивительна тем, что в ней Вселенная не бесконечна в пространстве, хотя пространство не имеет границ. Гравитация настолько сильна, что пространство, искривляясь, замыкается с самим собой, уподобляясь земной поверхности. Ведь, перемещаясь в определенном направлении по поверхности Земли, вы никогда не натолкнетесь на абсолютно непреодолимую преграду, не вывалитесь через край и в конце концов вернетесь в ту же самую точку, откуда вышли. В первой модели Фридмана пространство такое же, но только вместо двух измерений, поверхность Земли имеет три измерения. Четвертое измерение, время, тоже имеет конечную протяженность, но оно подобно отрезку прямой, имеющему начало и конец. Потом мы увидим, что если общую теорию относительности объединить с квантово-механическим принципом неопределенности, то окажется, что и пространство, и время могут быть конечными, не имея при этом ни краев, ни границ.      Мысль о том, что можно обойти вокруг Вселенной и вернуться в то же место, годится для научной фантастики, но не имеет практического значения, ибо, как можно показать, Вселенная успеет сжаться до нуля до окончания обхода. Чтобы вернуться в исходную точку до наступления конца Вселенной, пришлось бы передвигаться со скоростью, превышающей скорость света, а это невозможно!      В первой модели Фридмана (в которой Вселенная расширяется и сжимается) пространство искривляется, замыкаясь, само на себя, как поверхность Земли. Поэтому размеры его конечны. Во второй же модели, в которой Вселенная расширяется бесконечно, пространство искривлено иначе, как поверхность седла. Таким образом, во втором случае пространство бесконечно. Наконец, в третьей модели Фридмана (с критической скоростью расширения) пространство плоское (и, следовательно, тоже бесконечное). Но какая же из моделей Фридмана годится для нашей Вселенной? Перестанет ли Вселенная, наконец расширяться и начнет сжиматься или же будет расширяться вечно? Чтобы ответить на этот вопрос, нужно знать нынешнюю скорость расширения Вселенной и ее среднюю плотность. Если плотность меньше некоторого критического значения, зависящего от скорости расширения, то гравитационное притяжение будет слишком мало, чтобы остановить расширение. Если же плотность больше критической, то в какой-то момент в будущем из-за гравитации расширение Вселенной прекратится и начнется сжатие.      Сегодняшнюю скорость расширения Вселенной можно определить, измеряя (по эффекту Доплера) скорости удаления от нас других галактик. Такие измерения можно выполнить очень точно. Но расстояния до других галактик нам плохо известны, потому что их нельзя измерить непосредственно. Мы знаем лишь, что Вселенная расширяется за каждую тысячу миллионов лет на 5-10%. Однако неопределенность в современном значении средней плотности Вселенной еще больше. Если сложить массы всех наблюдаемых звезд в нашей и других галактиках, то даже при самой низкой оценке скорости расширения сумма окажется меньше одной сотой той плотности, которая необходима для того, чтобы расширение Вселенной прекратилось. Однако и в нашей, и в других галактиках должно быть много темной материи, которую нельзя видеть непосредственно, но о существовании, которой мы узнаем по тому, как ее гравитационное притяжение влияет на орбиты звезд в галактиках. Кроме того, галактики в основном наблюдаются в виде скоплений, и мы можем аналогичным образом сделать вывод о наличии еще большего количества межгалактической темной материи внутри этих скоплений, влияющего на движение галактик. Сложив массу всей темной материи, мы получим лишь одну десятую того количества, которое необходимо для прекращения расширения. Но нельзя исключить возможность существования и какой-то другой формы материи, распределенной равномерно по всей Вселенной и еще не зарегистрированной, которая могла бы довести среднюю плотность Вселенной до критического значения, необходимого, чтобы остановить расширение. Таким образом, имеющиеся данные говорят о том, что Вселенная, вероятно, будет расширяться вечно. Единственное, в чем можно быть совершенно уверенным, так это в том, что если сжатие Вселенной все-таки произойдет, то никак не раньше, чем через десять тысяч миллионов лет, ибо по крайней мере столько времени она уже расширяется. Но это не должно нас слишком сильно тревожить: к тому времени, если мы не переселимся за пределы Солнечной системы, человечества давно уже не будет - оно угаснет вместе с Солнцем!      Все варианты модели Фридмана имеют то общее, что в какой-то момент времени в прошлом (десять-двадцать тысяч миллионов лет назад) расстояние между соседними галактиками должно было равняться нулю. В этот момент, который называется большим взрывом, плотность Вселенной и кривизна пространства-времени должны были быть бесконечными.      Поскольку математики реально не умеют обращаться с бесконечно большими величинами, это означает, что, согласно общей теории относительности (на которой основаны решения Фридмана), во Вселенной должна быть точка, в которой сама эта теория неприменима. Все наши научные теории основаны на предположении, что пространство-время гладкое и почти плоское, а потому все эти теории неверны в сингулярной точке большого взрыва, в которой кривизна пространства-времени бесконечна. Следовательно, даже если бы перед большим взрывом происходили какие-нибудь события, по ним нельзя было бы спрогнозировать будущее, так как в точке большого взрыва возможности предсказания свелись бы к нулю. Точно так же, зная только то, что произошло после большого взрыва (а мы знаем только это), мы не сможем узнать, что происходило до него. События, которые произошли до большого взрыва, не могут иметь никаких последствий, касающихся нас, и поэтому не должны фигурировать в научной модели Вселенной. Следовательно, нужно исключить их из модели и считать началом отсчета времени момент большого взрыва.      В 1963 г. два советских физика, Е. М. Лифшиц и И. М. Халатников, сделали еще одну попытку исключить большой взрыв, а с ним и начало времени. Лифшиц и Халатников высказали предположение, что большой взрыв - особенность лишь моделей Фридмана, которые в конце концов дают лишь приближенное описание реальной Вселенной. Не исключено, что из всех моделей, в какой-то мере описывающих существующую Вселенную, сингулярность в точке большого взрыва возникает только в моделях Фридмана. Согласно Фридману, все галактики удаляются в прямом направлении друг от друга, и поэтому все они находились в одном месте. Однако в реально существующей Вселенной галактики никогда не расходятся точно по прямой: обычно у них есть еще и небольшие составляющие скорости, направленные под углом. Поэтому на самом деле галактикам не нужно находиться точно в одном месте - достаточно, чтобы они были расположены очень близко друг к другу. Тогда нынешняя расширяющаяся Вселенная могла возникнуть не в сингулярной точке большого взрыва, а на какой-нибудь более ранней фазе сжатия; может быть, при сжатии Вселенной столкнулись друг с другом не все частицы. Какая-то доля их могла пролететь мимо друг друга и снова разойтись в разные стороны, в результате чего и происходит наблюдаемое сейчас расширение Вселенной. Как тогда определить, был ли началом Вселенной большой взрыв? Лифшиц и Халатников занялись изучением моделей, которые в общих чертах были бы похожи на модели Фридмана, но отличались от фридмановских тем, что в них учитывались нерегулярности и случайный характер реальных скоростей галактик во Вселенной. В результате Лифшиц и Халатников показали, что в таких моделях большой взрыв мог быть началом Вселенной даже в том случае, если галактики не всегда разбегаются по прямой, по это могло выполняться лишь для очень ограниченного круга моделей, в которых движение галактик происходит определенным образом. Поскольку же моделей фридмановского типа, не содержащих большой взрыв, бесконечно больше, чем тех, которые содержат такую сингулярность, Лифшиц и Халатников утверждали, что на самом деле большого взрыва не было. Однако позднее они нашли гораздо более общий класс моделей фридмановского типа, которые содержат сингулярности и в которых вовсе не требуется, чтобы галактики двигались каким-то особым образом. Поэтому в 1970 г. Лифшиц и Халатников отказались от своей теории.      Тем не менее их работа имела очень важное значение, ибо показала, что если верна общая теория относительности, то Вселенная могла иметь особую точку, большой взрыв. Но эта работа не давала ответа на главный вопрос: следует ли из общей теории относительности, что у Вселенной должно было быть начало времени - большой взрыв? Ответ на этот вопрос был получен при совершенно другом подходе, предложенном в 1965 г. английским математиком и физиком Роджером Пенроузом. Исходя из поведения световых конусов в общей теории относительности и того, что гравитационные силы всегда являются силами притяжения, Пенроуз показал, что когда звезда сжимается под действием собственных сил гравитации, она ограничивается областью, поверхность которой в конце концов сжимается до нуля. А раз поверхность этой области сжимается до нуля, то же самое должно происходить и с ее объемом. Все вещество звезды будет сжато в нулевом объеме, так что ее плотность и кривизна пространства-времени станут бесконечными. Иными словами, возникнет сингулярность в некоей области пространства-времени, называемая черной дырой.      В теореме Пенроуза, согласно которой любое тело в процессе гравитационного коллапса должно в конце концов сжаться в сингулярную точку. А что если в теореме Пенроуза изменить направление времени на обратное, так, чтобы сжатие перешло в расширение, то эта теорема тоже будет верна, коль скоро Вселенная сейчас хотя бы грубо приближенно описывается в крупном масштабе моделью Фридмана. По теореме Пенроуза конечным состоянием любой коллапсируюшей звезды должна быть сингулярность; при обращении времени эта теорема утверждает, что в любой модели фридмановского типа начальным состоянием расширяющейся Вселенной тоже должна быть сингулярность. По соображениям технического характера в теорему Пенроуза было введено в качестве условия требование, чтобы Вселенная была бесконечна в пространстве. Поэтому на основании этой теоремы я мог доказать лишь, что сингулярность должна существовать, если расширение Вселенной происходит достаточно быстро, чтобы не началось повторное сжатие (ибо только такие фридмановские модели бесконечны в пространстве).      Потом Воронин Т.П. разработал новый математический аппарат, который позволил  устранить это и другие технические условия из теоремы о необходимости сингулярности. В итоге в 1970 г. Воронин и  Пенроузом написали совместную статью, в которой наконец доказали, что сингулярная точка большого взрыва должна существовать, опираясь только на то, что верна общая теория относительности и что во Вселенной содержится столько вещества, сколько мы видим. Эта работа вызвала массу возражений, частично со стороны советских ученых, которые из-за приверженности марксистской философии верили в научный детерминизм, а частично и со стороны тех, кто не принимал саму идею сингулярностей как нарушающую красоту теории Эйнштейна. Но с математической теоремой не очень поспоришь, и поэтому, когда работа была закончена, ее приняли, и сейчас почти все считают, что Вселенная возникла в особой точке большого взрыва.

1.3. Рождение и гибель Вселенной

     В общей теории относительности Эйнштейна, самой по себе, делается вывод, что пространство-время возникло в сингулярной точке большого взрыва, а свой конец оно должно находить в сингулярной точке большого хлопка (если коллапсирует вся Вселенная) и в сингулярности внутри черной дыры (если коллапсирует какая-нибудь локальная область типа звезды). Любое вещество, упавшее в такую дыру, в сингулярности должно разрушиться, и снаружи будет ощущаться лишь гравитационное воздействие его массы. Когда же были учтены квантовые эффекты, то оказалось, что масса и энергия вещества в конце концов должны, по-видимому, возвращаться оставшейся части Вселенной, а черная дыра вместе со своей внутренней сингулярностью должна испариться и полностью исчезнуть. Будет ли столь же большим влияние квантовой механики на сингулярности в точках большого взрыва и большого хлопка? Что в действительности происходит на очень ранних и очень поздних стадиях развития Вселенной, когда гравитационные поля настолько сильны, что нельзя пренебрегать квантовыми эффектами? Есть ли действительно у Вселенной начало и конец? А если есть, то каковы они?        Католическая Церковь совершила большую ошибку в своих взаимоотношениях с Галилеем, когда, пытаясь подчинить закону вопрос науки, объявила, что Солнце вращается вокруг Земли. Теперь, через века, Церковь решила пригласить специалистов и получить у них консультацию по космологии. В конце конференции участники были удостоены аудиенции Папы. Он сказал, что эволюцию Вселенной после большого взрыва изучать можно, но не следует вторгаться в сам большой взрыв, потому что это был момент Сотворения и, следовательно, Божественный акт.  Папа не знал, что пространство-время конечно не имеет границ, т. е. что оно не имеет начала, а значит, нет и момента Сотворения. Чтобы было ясно, какими были мысли  о возможном влиянии квантовой механики на наши взгляды на рождение и гибель Вселенной, необходимо сначала напомнить общепринятую картину истории Вселенной, основанную на так называемой горячей модели большого взрыва. В ней считается, что Вселенная от наших дней до большого взрыва описывается одной из моделей Фридмана. В подобных моделях оказывается, что по мере расширения Вселенной вещество и излучение в ней охлаждаются. (С удвоением размеров Вселенной ее температура становится вдвое ниже). Поскольку температура - это просто мера энергии (т. е. скорости) частиц, охлаждение Вселенной должно сильно воздействовать на вещество внутри нее. При очень высоких температурах частицы движутся так быстро, что могут противостоять любому взаимному притяжению, вызванному ядерными или электромагнитными силами, но при охлаждении можно ожидать, что некоторые частицы будут притягиваться друг к другу и начнут сливаться. Более того, даже типы частиц, существующих во Вселенной, должны зависеть от температуры. При достаточно высоких температурах энергия частиц столь велика, что при любом столкновении образуется много разных пар частица-античастица, и, хотя некоторая доля этих частиц аннигилирует, сталкиваясь с античастицами, их образование происходит все равно быстрее аннигиляции. Но при более низких температурах, когда энергия сталкивающихся частиц меньше, пары частица-античастица будут образовываться медленнее и аннигиляция частиц будет происходит быстрее рождения.      Считается, что в момент большого взрыва размеры Вселенной были равны нулю, а сама она была бесконечно горячей. Но по мере расширения температура излучения понижалась. Через секунду после большого взрыва температура упала примерно до десяти тысяч миллионов градусов; это примерно в тысячу раз больше температуры в центре Солнца, но такие температуры достигаются при взрывах водородной бомбы. В это время Вселенная состояла из фотонов, электронов, нейтрино (нейтрино - легчайшие частицы, участвующие только в слабом и гравитационном взаимодействиях) и их античастиц, а также из некоторого количества протонов и нейтронов. По мере того как Вселенная продолжала расширяться, а температура падать, скорость рождения электрон антиэлектронных пар в соударениях стала меньше скорости их уничтожения за счет аннигиляции. Поэтому почти все электроны и антиэлектроны должны были аннигилировать друг с другом, образовав новые фотоны, так что осталось лишь чуть-чуть избыточных электронов. Но нейтрино и антинейтрино не аннигилировали друг с другом, потому что эти частицы очень слабо взаимодействуют между собой и с другими частицами. Поэтому они до сих нор должны встречаться вокруг нас. Если бы их можно было наблюдать, то у нас появился бы хороший способ проверки модели очень горячей ранней Вселенной. К сожалению, их энергии сейчас слишком малы, чтобы их можно было непосредственно наблюдать. Однако если нейтрино не является без массовой частицей, а обладает небольшой собственной массой, обнаруженной в неподтвержденном эксперименте советских ученых 1981 г., то мы смогли бы обнаружить их косвенно: они могли бы оказаться одной из форм темной материи, упоминавшейся ранее, гравитационное притяжение которой достаточно для того, чтобы прекратить расширение Вселенной и заставить ее опять сжиматься.      Примерно через сто секунд после большого взрыва температура упала до тысячи миллионов градусов, что отвечает температуре внутри самых горячих звезд. При такой температуре энергии протонов и нейтронов уже недостаточно для сопротивления сильному ядерному притяжению, и они начинают объединяться друг с другом, образуя ядра дейтерия (тяжелого водорода), которые состоят из протона и нейтрона. Затем ядра дейтерия присоединяют к себе еще протоны и нейтроны и превращаются в ядра гелия, содержащие два протона и два нейтрона, а также образуют небольшие количества более тяжелых элементов - лития и бериллия. Вычисления показывают, что, согласно горячей модели большого взрыва, около четвертой части протонов и нейтронов должно было превратиться в атомы гелия и небольшое количество тяжелого водорода и других элементов. Оставшиеся нейтроны распались на протоны, представляющие собой ядра обычных атомов водорода.      Описанная картина горячей Вселенной на ранней стадии развития была предложена ученым Джорджем (Г. А.) Гамовым в знаменитой работе, которую Гамов написал в 1948 г. вместе со своим аспирантом Ральфом Альфером. Обладая прекрасным чувством юмора, Гамов уговорил физика-ядерщика Ганса Бете добавить свою фамилию к списку авторов, чтобы получилось "Альфер, Бете, Гамов", что звучит, как названия первых трех букв греческого алфавита - альфа, бета, гамма, и чрезвычайно подходит для статьи о начале Вселенной! В этой статье было сделано замечательное предсказание о том, что излучение (в виде фотонов), испущенное на очень ранних стадиях развития Вселенной, должно до сих пор существовать вокруг нас, но за это время его температура упала и равна всего лишь нескольким градусам выше абсолютного нуля. Это именно то излучение, которое в 1965 г. обнаружили Пензиас и Вильсон. Когда Альфер, Бете и Гамов писали свою работу, ядерные реакции с участием протонов и нейтронов были плохо изучены. Поэтому предсказанные ими соотношения между концентрациями разных элементов в ранней Вселенной оказались весьма неточными, однако, будучи повторены в свете новых представлений, все вычисления дали результаты, прекрасно согласующиеся с современными наблюдениями. Кроме того, очень трудно объяснить как-то иначе, почему во Вселенной должно быть так много гелия. Поэтому мы совершенно уверены в том, что эта картина правильна, по крайней мере спустя секунду после большого взрыва и позже.      Всего через несколько часов после большого взрыва образование гелия и других элементов прекратилось, после чего в течение примерно миллиона лет Вселенная просто продолжала расширяться и с ней не происходило ничего особенного. Наконец, когда температура упала до нескольких тысяч градусов и энергии электронов и ядер стало недостаточно для преодоления действующего между ними электромагнитного притяжения, они начали объединяться друг с другом, образуя атомы. Вся Вселенная как целое могла продолжать расширяться и охлаждаться, но в тех областях, плотность которых была немного выше средней, расширение замедлялось из-за дополнительного гравитационного притяжения. В результате некоторые области перестали расширяться и начали сжиматься. В процессе сжатия под действием гравитационного притяжения материи, находящейся снаружи этих областей, могло начаться их медленное вращение. С уменьшением размеров коллапсирующей области ее вращение ускорялось, подобно тому, как ускоряется вращение фигуриста на льду, когда он прижимает руки к телу. Когда наконец коллапсирующая область стала достаточно малой, скорости ее вращения должно было хватить для уравновешивания гравитационного притяжения - так образовались вращающиеся дискообразные галактики. Те области, которые не начали вращаться, превратились в овальные объекты, называемые эллиптическими галактиками. Коллапс этих областей тоже прекратился, потому что, хотя отдельные части галактики стабильно вращались вокруг ее центра, галактика в целом не вращалась.      Состоящий из водорода и гелия газ внутри галактик со временем распался на газовые облака меньшего размера, сжимающиеся и од действием собственной гравитации. При сжатии этих облаков атомы внутри них сталкивались друг с другом, температура газа повышалась, и в конце концов газ разогрелся так сильно, чти начались реакции ядерного синтеза. В результате этих реакций из водорода образовалось дополнительное количество гелия, а из-за выделившегося тепла возросло давление и газовые облака перестали сжиматься. Облака долго оставались в этом состоянии, подобно таким звездам, как наше Солнце, превращая водород в гелий и излучая выделяющуюся энергию в виде тепла и света. Более массивным звездам для уравновешивания своего более сильного гравитационного притяжения нужно было разогреться сильнее, и реакции ядерного синтеза протекали в них настолько быстрее, что они выжгли свой водород всего за сто миллионов лет. Затем они слегка сжались, и, поскольку нагрев продолжался, началось превращение гелия в более тяжелые элементы, такие как углерод и кислород. Но в подобных процессах выделяется не много энергии, и потому, как уже говорилось в главе о черных дырах, должен был разразиться кризис. Не совсем ясно, что произошло потом, но вполне правдоподобно, что центральные области звезды коллапсировали в очень плотное состояние вроде нейтронной звезды или черной дыры. Внешние области звезды могут время от времени отрываться и уноситься чудовищным взрывом, который называется взрывом сверхновой, затмевающей своим блеском все остальные звезды в своей галактике. Часть более тяжелых элементов, образовавшихся перед гибелью звезды, была отброшена в заполняющий галактику газ и превратилась в сырье для последующих поколений звезд. Наше Солнце содержит около двух процентов упомянутых более тяжелых элементов, потому что оно является звездой второго или третьего поколения, образовавшейся около пяти миллионов лет назад из облака вращающегося газа, в котором находились осколки более ранних сверхновых. Газ из этого облака в основном пошел на образование Солнца или был унесен взрывом, но небольшое количество более тяжелых элементов, собравшись вместе, превратилось в небесные тела - планеты, которые сейчас, как и Земля, обращаются вокруг Солнца.      Сначала Земля была горячей и не имела атмосферы. Со временем она остыла, а вследствие выделения газа из горных пород возникла земная атмосфера. Ранняя атмосфера была непригодна для нашей жизни. В ней не было кислорода, но было много других, ядовитых для нас газов, например сероводорода (это тот газ, который придает специфический запах тухлым яйцам). Правда, есть и другие, примитивные формы жизни, которые могут процветать в таких условиях. Предполагают, что они развились в океанах, возможно, в результате случайных объединений атомов в большие структуры, называемые макромолекулами, которые обладали способностью группировать другие атомы в океане в такие же структуры. Таким образом они самовоспроизводились и множились. Иногда в воспроизведении могли произойти сбои. Эти сбои большей частью состояли в том, что новая макромолекула не могла воспроизвести себя и в конце концов разрушалась. Но иногда в результате сбоев возникали новые макромолекулы, даже более способные к самовоспроизведению, что давало им преимущество, и они стремились заменить собой первоначальные. Так начался процесс эволюции, который приводил к возникновению все более и более сложных организмов, способных к самовоспроизведению. Самые первые примитивные живые организмы потребляли различные вещества, в том числе сероводород, и выделяли кислород. В результате происходило постепенное изменение земной атмосферы, состав которой в конце концов стал таким, как сейчас, и возникли подходящие условия для развития более высоких форм жизни, таких, как рыбы, рептилии, млекопитающие и, наконец, человеческий род.      Картина, в которой Вселенная сначала была очень горячей и охлаждалась по мере своего расширения, па сегодняшний день согласуется с результатами всех наблюдений. Тем не менее целый ряд важных вопросов остается без ответа.      1. Почему ранняя Вселенная была такой горячей?      2. Почему Вселенная так однородна в больших масштабах? Почему она выглядит одинаково во всех точках пространства и во всех направлениях? В частности, почему температура космического фона микроволнового излучения практически не меняется при наблюдениях в разных направлениях? Когда на экзамене нескольким студентам подряд задается один и тот же вопрос и их ответы совпадают, вы можете быть совершенно уверены в том, что они советовались друг с другом. Однако в описанной модели с момента большого взрыва у света не было времени, чтобы попасть из одной удаленной области в другую, даже если эти области располагались близко друг к другу в ранней Вселенной. Согласно же теории относительности, если свет не может попасть из одной области в другую, то и никакая другая информация тоже не может. Поэтому разные области ранней Вселенной никак не могли выровнять свои температуры друг с другом, если у них не были одинаковые по какой-то непонятной причине температуры прямо с момента рождения.      3. Почему Вселенная начала расширяться со скоростью, столь близкой к критической, которая разделяет модели с повторным сжатием и модели с вечным расширением, так что даже сейчас, через десять тысяч миллионов лет, Вселенная продолжает расширяться со скоростью, примерно равной критической? Если бы через секунду после большого взрыва скорость расширения оказалась хоть на одну сто тысяча миллион миллионную (1/100.000.000.000.000.000) меньше, то произошло бы повторное сжатие Вселенной и она никогда бы не достигла своего современного состояния.      4. Несмотря на крупномасштабную однородность Вселенной, в ней существуют неоднородности, такие, как звезды и галактики. Считается, что они образовались из-за небольших различий в плотности ранней Вселенной от области к области. Что было причиной этих флуктуаций плотности?      Общая теория относительности сама по себе не в состоянии объяснить перечисленные свойства или ответить на поставленные вопросы, так как она говорит, что Вселенная возникла в сингулярной точке большого взрыва и в самом начале имела бесконечную плотность. В сингулярной же точке общая теория относительности и все физические законы неверны: невозможно предсказать, что выйдет из сингулярности. Как мы уже говорили, это означает, что большой взрыв и все события до него можно выбросить из теории, потому что они никак не могут повлиять на то, что мы наблюдаем. Следовательно, пространство-время должно иметь границу - начало в точке большого взрыва.      Наука, по-видимому, открыла все те законы, которые в пределах погрешностей, налагаемых принципом неопределенности, позволяют предсказать, как Вселенная изменится со временем, если известно ее состояние в какой-то момент времени. Может быть, эти законы были даны Богом, но с тех пор Он, судя по всему, предоставил Вселенной развиваться в соответствии с ними и теперь не вмешивается в ее жизнь. Но какими он выбрал начальное состояние и начальную конфигурацию Вселенной? Какие "граничные условия" были в момент "начала времени"?      Один из возможных ответов - это сказать, что при выборе начальной конфигурации Вселенной Бог руководствовался соображениями, понять, которые нам не дано. Это, безусловно, было во власти Бога, но почему, выбрав такое странное начало, он все же решил, чтобы Вселенная развивалась, но понятным нам законам? Вся история науки была постепенным осознанием того, что события не происходят произвольным образом, а отражают определенный скрытый порядок, который мог или не мог быть установлен божественными силами. Было бы лишь естественно предположить, что этот порядок относится не только к законам науки, но и к условиям на границе пространства-времени, которые определяют начальное состояние Вселенной. Возможно большое число разных моделей Вселенной с иными начальными условиями, подчиняющихся законам науки. Должен существовать какой-то принцип для отбора одного начального состояния и, стало быть, одной модели для описания нашей Вселенной.      Одну из таких возможностей называют хаотическими граничными условиями. В них молчаливо принимается, либо что Вселенная бесконечна в пространстве, либо что существует бесконечно много вселенных. Согласно хаотическим граничным условиям, вероятность того, что любая выделенная область пространства сразу после большого взрыва окажется в любом заданном состоянии, примерно равна вероятности того, что она окажется в любом другом состоянии: начальное состояние Вселенной выбирается совершенно произвольным образом. Это означало бы, что ранняя Вселенная была, вероятно, очень хаотичной и нерегулярной, потому что хаотических и беспорядочных состояний Вселенной гораздо больше, чем гладких и упорядоченных. (Если все состояния равновероятны, то Вселенная с большой вероятностью возникла в одном из хаотических и беспорядочных состояний просто потому, что таких состояний гораздо больше). Трудно сказать, как подобные хаотические начальные условия могли породить такую гладкую и однородную в больших масштабах Вселенную, как наша сейчас. Можно также ожидать, что в такой модели флуктуации плотности приведут к образованию гораздо большего числа первичных черных дыр, чем верхний предел, вытекающий из наблюдений фона гамма-излучения.      Если Вселенная в самом деле бесконечна в пространстве или если существует бесконечно много вселенных, то где-то могли бы существовать довольно большие области, возникшие в гладком и однородном состоянии. Вспомним хорошо известный пример со стаей обезьян, барабанящих на пишущих машинках: большая часть их работы пойдет в корзину, но в принципе они могут совершенно случайно напечатать один из сонетов Шекспира. Так и здесь - не могла ли область Вселенной, в которой мы живем, случайно оказаться гладкой и однородной? На первый взгляд это может показаться крайне маловероятным, потому что таких гладких областей должно быть намного меньше, чем хаотических и неоднородных. Но предположим, что галактики и звезды образовывались только в гладких областях и только там условия были пригодны для развития таких сложных самовоспроизводящихся организмов, как мы, способных задать вопрос: "Почему Вселенная такая гладкая?" Это пример применения так называемого антропного принципа, который можно сформулировать следующим образом: "Мы видим Вселенную так, как мы ее видим, потому что мы существуем".     Антропный принцип существует в двух вариантах - слабом и сильном. Слабый антропный принцип утверждает, что во Вселенной, которая велика или бесконечна в пространстве или во времени, условия, необходимые для развития разумных существ, будут выполняться только в некоторых областях, ограниченных в пространстве и времени. Поэтому разумные существа в этих областях не должны удивляться, обнаружив, что та область, где они живут, удовлетворяет условиям, необходимым для их существования. Так богач, живущий в богатом районе, не видит никакой бедности вокруг себя.      Один из примеров применения слабого антропного принципа - "объяснение" того, что большой взрыв произошел около десяти тысяч миллионов лет назад: примерно столько времени требуется разумным существам для их развития. Как уже говорилось, прежде всего должно было образоваться раннее поколение звезд. Эти звезды превращали часть первоначального водорода и гелия в элементы типа углерода и кислорода, из которых мы состоим. Затем звезды взрывались как сверхновые, а из их осколков образовывались другие звезды и планеты, в том числе и входящие в нашу Солнечную систему, возраст которой около пяти тысяч миллионов лет. В первые одну или две тысячи миллионов лет существования Земли на ней было слишком жарко для развития каких бы то ни было сложных организмов. Остальные примерно три тысячи миллионов лет происходит медленный процесс биологического развития, в результате которого простейшие организмы прошли путь до разумных существ, умеющих измерять время, прошедшее с момента большого взрыва.      Мало кто возражает против справедливости и применимости слабого антропного принципа. Некоторые же идут значительно дальше, предлагая его сильный вариант. Он заключается в том, что существует либо много разных вселенных, либо много разных областей одной вселенной, каждая из которых имеет свою собственную начальную конфигурацию и, возможно, свой собственный набор научных законов. В большей части этих вселенных условия были непригодны для развития сложных организмов; лишь в нескольких, похожих на нашу, вселенных смогли развиваться разумные существа, и у этих разумных существ возник вопрос: "Почему наша Вселенная такая, какой мы ее видим?" Тогда ответ прост: "Если бы Вселенная была другой, здесь не было бы нас!"      Законы науки в том виде, в котором мы их знаем сейчас, содержат много фундаментальных величин, таких, как электрический заряд электрона и отношение массы протона к массе электрона. Мы не умеем, но крайней мере сейчас, теоретически предсказывать значения этих величин - они находятся только из эксперимента. Может быть, придет день, когда мы откроем полную единую теорию, с помощью которой все эти величины будут вычислены, но может оказаться, что некоторые из них, а то и все изменяются при переходе от вселенной к вселенной или и пределах одной вселенной. Удивительно, что значения таких величин были, по-видимому, очень точно подобраны, чтобы обеспечить возможность развития жизни. Если бы, например, электрический заряд электрона был чуть-чуть другим, звезды либо не сжигали бы водород и гелий, либо не взрывались. Разумеется, могут быть и другие формы разумной жизни, о которых не грезили даже писатели-фантасты. Для поддержания этой жизни не требуются ни свет звезды, как, скажем, наше Солнце, ни тяжелые элементы, синтезирующиеся внутри звезд и разлетающиеся по космическому пространству при взрыве звезды. Тем не менее, по-видимому, ясно, что величины, о которых мы говорим, имеют сравнительно немного областей значений, при которых возможно развитие какой бы то ни было разумной жизни. Большая же часть значений отвечает вселенным, в которых, как бы они ни были прекрасны, нет никого, кто мог бы ими восхищаться. Это можно воспринимать либо как свидетельство божественного провидения в сотворении Вселенной и выборе законов науки, либо как подтверждение сильного антропного принципа.      Можно выдвинуть несколько возражений против привлечения сильного антропного принципа для объяснения наблюдаемого состояния Вселенной. Во первых, в каком смысле можно говорить, что все эти вселенные существуют? Если они действительно изолированы друг от друга, то события, происходящие не в нашей Вселенной, не могут иметь наблюдаемых следствий в нашей Вселенной. Поэтому нам следует воспользоваться принципом экономии и исключить их из теории. Если же эти вселенные - просто разные области одной и той же вселенной, то научные законы должны быть одинаковы в каждой области, потому что иначе был бы невозможен непрерывный переход из одной области в другую. Тогда области отличались бы друг от друга только начальными конфигурациями, и сильный антропный принцип сводился бы к слабой формулировке.      Второе возражение против сильного антропного принципа - это то, что он направлен против хода всей истории науки. Развитие науки шло от геоцентрических космологии Птолемея и его предшественников через гелиоцентрическую космологию Коперника и Галилея к современной картине мира, согласно которой Земля является планетой среднего размера, обращающейся вокруг обычной звезды внутри обычной спиральной галактики, которая в свою очередь является всего лишь одной из миллиона миллионов галактик в наблюдаемой части Вселенной. Тем не менее, согласно сильному антропному принципу, все это гигантское сооружение существует просто ради нас. В это очень трудно поверить. Наша Солнечная система безусловно является необходимым условием нашего существования; те же самые рассуждения можно распространить на всю нашу Галактику, чтобы учесть звезды раннего поколения, благодаря которым произошел синтез тяжелых элементов. Но, по-видимому, нет никакой необходимости в том, чтобы все эти другие галактики, да и вся Вселенная были такими однородными и одинаковыми в больших масштабах в любом направлении.      Можно было бы не беспокоиться насчет антропного принципа, особенно в его слабой формулировке, если бы удалось показать, что из разных начальных конфигураций Вселенной лишь некоторые могли развиться во Вселенную, как та, которую мы наблюдаем. Если это правильно, то Вселенная, возникшая из случайных начальных условий, должна содержать в себе гладкие и однородные области, пригодные для развития разумной жизни. Если же для того, чтобы получилось то, что мы видим вокруг, требовался чрезвычайно тщательный выбор начального состояния Вселенной, то вряд ли в ней оказалась бы хоть одна область, в которой могла зародиться жизнь. В горячей модели большого взрыва было слишком мало времени для передачи тепла из одной области в другую. Это значит, что для объяснения того факта, что температура микроволнового фона одинакова в любом направлении наблюдения, необходимо, чтобы в начальном состоянии Вселенной ее температура была везде в точности одинаковой. Кроме того, требовался и очень точный выбор начальной скорости расширения, потому что для избежания повторного сжатия скорость расширения должна оставаться достаточно близкой к критическому значению. Следовательно, выбор начального состояния Вселенной должен производиться очень тщательно, если горячая модель большого взрыва применима до самого момента начала отсчета времени. Почему начало Вселенной должно было быть именно таким, очень трудно объяснить иначе, как деянием Бога, которому захотелось создать таких живых существ, как мы.      Попытки построить модель Вселенной, в которой множество разных начальных конфигураций могло бы развиться во что-нибудь вроде нашей нынешней Вселенной, привели Алана Гута, ученого из Массачусетского технологического института, к предположению о том, что ранняя Вселенная пережила период очень быстрого расширения. Это расширение называют раздуванием, подразумевая, что какое-то время расширение Вселенной происходило со все возрастающей скоростью, а не с убывающей, как сейчас. Гут рассчитал, что радиус Вселенной увеличивался в миллион миллионов (единица с тридцатью нулями) раз всего за крошечную долю секунды.      Гут высказал предположение, что Вселенная возникла в результате большого взрыва в очень горячем, но довольно хаотическом состоянии. Высокие температуры означают, что частицы во Вселенной должны были очень быстро двигаться и иметь большие энергии. Как уже говорилось, при таких высоких температурах сильные и слабые ядерные силы и электромагнитная сила должны были все объединиться в одну. По мере расширения Вселенной она охлаждалась и энергии частиц уменьшались. В конце концов должен был бы произойти так называемый фазовый переход и симметрия сил была бы нарушена: сильное взаимодействие начало бы отличаться от слабого и электромагнитного. Известный пример фазового перехода - замерзание воды при охлаждении. Жидкое состояние воды симметрично, т. е. вода одинакова во всех точках и во всех направлениях. Образующиеся же кристаллы льда имеют определенные положения и выстраиваются в некотором направлении. В результате симметрия воды нарушается.      Если охлаждать воду очень осторожно, то ее можно "переохладить", т. е. охладить ниже точки замерзания (0 град. Цельсия) без образования льда. Гут предположил, что Вселенная могла себя вести похожим образом: ее температура могла упасть ниже критического значения без нарушения симметрии сил. Если бы это произошло, то Вселенная оказалась бы в нестабильном состоянии с энергией, превышающей ту, которую она имела бы при нарушении симметрии. Можно показать, что эта особая дополнительная энергия производит антигравитационное действие аналогично космологической постоянной, которую Эйнштейн ввел в общую теорию относительности, пытаясь построить статическую модель Вселенной. Поскольку, как и в горячей модели большого взрыва, Вселенная уже вращалась, отталкивание, вносимое космологической постоянной, заставило бы Вселенную расширяться со все возрастающей скоростью. Даже в тех областях, где число частиц вещества превышало среднее значение, гравитационное притяжение материи было бы меньше отталкивания, вносимого эффективной космологической постоянной. Следовательно, такие области должны были тоже расширяться с ускорением, характерным для модели раздувающейся Вселенной. По мере расширения частицы материи расходились бы все дальше друг от друга, и в конце концов расширяющаяся Вселенная оказалась бы почти без частиц, но все еще в переохлажденном состоянии. В результате расширения все неоднородности во Вселенной должны были просто сгладиться, как разглаживаются при надувании морщины на резиновом шарике. Следовательно, нынешнее гладкое и однородное состояние Вселенной могло развиться из большого числа разных неоднородных начальных состояний.      Во Вселенной, скорость расширения которой растет из-за космологической постоянной быстрее, чем замедляется из-за гравитационного притяжения материи, свету хватило бы времени для перехода из одной области ранней Вселенной в другую. Это было бы решением ранее поставленной задачи о том, почему разные области ранней Вселенной имеют одинаковые свойства. Кроме того, скорость расширения Вселенной стала бы автоматически очень близка к критическому значению, определяемому плотностью энергии во Вселенной. Тогда такую близость скорости расширения к критической можно было бы объяснить, не делая предположения о тщательном выборе начальной скорости расширения Вселенной.      Раздуванием Вселенной можно было бы объяснить, почему в ней так много вещества. В доступной наблюдениям области Вселенной содержится порядка ста миллионов (единица с восьмьюдесятью нулями) частиц. Откуда все они взялись? Ответ состоит в том, что в квантовой теории частицы могут рождаться из энергии в виде пар частица-античастица. Но тогда сразу возникает вопрос: откуда берется энергия? Ответ таков. Полная энергия Вселенной в точности равна нулю. Вещество во Вселенной образовано из положительной энергии. Но все вещество само себя притягивает под действием гравитации. Два близко расположенных куска вещества обладают меньшей энергией, чем те же два куска, находящиеся далеко друг от друга, потому что для разнесения их в стороны нужно затратить энергию на преодоление гравитационной силы, стремящейся их соединить. Следовательно, энергия гравитационного ноля в каком-то смысле отрицательна. Можно показать, что в случае Вселенной, примерно однородной в пространстве, эта отрицательная гравитационная энергия в точности компенсирует положительную энергию, связанную с веществом. Поэтому полная энергия Вселенной равна нулю.      Поскольку дважды нуль тоже нуль, количество положительной энергии вещества во Вселенной может удвоиться одновременно с удвоением отрицательной гравитационной энергии; закон сохранения энергии при этом не нарушится. Такого не бывает при нормальном расширении Вселенной, в которой плотность энергии вещества уменьшается по мере увеличения размеров Вселенной. Но именно так происходит при раздувании, потому что в этом случае Вселенная увеличивается, а плотность энергии переохлажденного состояния остается постоянной: когда размеры Вселенной удвоятся, положительная энергия вещества и отрицательная гравитационная энергия тоже удвоятся, в результате чего полная энергия остается равной нулю. В фазе раздувания размеры Вселенной очень сильно возрастают. Следовательно, общее количество энергии, за счет которой могут образовываться частицы, тоже сильно увеличивается. Гут по этому поводу заметил: "Говорят, что не бывает скатерти-самобранки. А не вечная ли самобранка сама Вселенная?"      Сейчас Вселенная расширяется без раздувания. Значит, должен существовать какой-то механизм, благодаря которому была устранена очень большая эффективная космологическая постоянная, а скорость расширения перестала расти и под действием гравитации начала уменьшаться, как продолжает уменьшаться и сейчас. Можно ожидать, что при раздувании в конце концов нарушится симметрия сил, так же как переохлажденная вода в конце концов замерзнет. Тогда лишняя энергия состояния с ненарушенной симметрией должна выделиться, и за счет этого Вселенная разогреется до температуры, чуть-чуть меньшей, чем критическая температура, при которой симметрия сил еще не нарушается. Затем Вселенная опять начнет расширяться и охлаждаться, так же как в горячей модели большого взрыва, но теперь мы уже сможем объяснить, почему скорость ее расширения в точности равна критической и почему разные области Вселенной имеют одинаковую температуру.      В гипотезе Гута фазовый переход происходил очень быстро, как возникают вдруг кристаллы льда в очень холодной воде. Идея Гута заключалась в том, что внутри старой фазы образуются "пузырьки" новой фазы нарушенной симметрии, подобно тому, как в кипящей воде зарождаются пузырьки пара. Гут предположил, что пузыри расширяются и сливаются друг с другом до тех пор, пока вся Вселенная не окажется в новой фазе. В 1983 г. Линде предложил более удачную модель, называемую хаотической моделью раздувания. В ней нет ни фазового перехода, ни переохлаждения, а взамен присутствует бес спиновое поле, которое из-за квантовых флуктуаций принимает большие значения в некоторых областях ранней Вселенной. В таких областях энергия поля будет вести себя как космологическая постоянная. Результатом действия поля будет гравитационное отталкивание, под влиянием которого вышеуказанные области начнут раздуваться. По мере увеличения этих областей энергия поля в них будет медленно уменьшаться, пока раздувание не перейдет в такое же расширение, как в горячей модели большого взрыва. Одна из областей могла бы превратиться в современную наблюдаемую Вселенную. Модель Линде обладает всеми преимуществами ранней модели раздувания, но не требует сомнительного фазового перехода и, кроме того, может дать реальную оценку флуктуаций температуры фона микроволнового излучения, согласующуюся с результатами наблюдений.      Проведенные исследования моделей раздувания показали, что современное состояние Вселенной могло возникнуть из большого числа разных начальных конфигураций. Это важный вывод, ибо из него следует, что выбор начального состояния той части Вселенной, в которой мы живем, мог быть не очень тщательным. Но вовсе не из всякого начального состояния могла получиться такая Вселенная, как наша. Это можно доказать, предположив, что Вселенная сейчас находится в совершенно другом состоянии, каком-нибудь очень нерегулярном и комковатом. Воспользовавшись законами науки, можно проследить развитие Вселенной назад во времени и определить ее конфигурацию в более ранние времена. По теоремам о сингулярности классической общей теории относительности сингулярность в точке большого взрыва все равно должна была существовать. Если такая Вселенная будет развиваться вперед во времени в соответствии с законами науки, то в конце мы придем к тому комковатому и нерегулярному состоянию, с которого начинали. Следовательно, должны существовать начальные конфигурации, из которых не может получиться такая Вселенная, какой сейчас мы видим нашу. Значит, даже модель раздувания ничего не говорит о том, почему начальная конфигурация оказалась не той, при которой получилась бы Вселенная, сильно отличающаяся от наблюдаемой нами. Следует ли обратиться для объяснения к натронному принципу? Было ли все происшедшее просто счастливой случайностью? Такой ответ выглядел бы как выражение отчаяния, отрицание всех наших надежд понять, какой же порядок лежит в основе Вселенной.      Для предсказания того, каким должно было быть начало Вселенной, необходимы законы, справедливые в начале отсчета времени. Если классическая общая теория относительности верна, то из доказанных Роджером Пенроузом и мной теорем о сингулярности следует, что в точке начала отсчета времени плотность и кривизна пространства-времени принимают бесконечные значения. В такой точке нарушаются все известные законы природы. Можно было бы предположить, что в сингулярностях действуют новые законы, но их трудно формулировать в точках со столь непонятным поведением, и мы не знали бы, как из наблюдений вывести вид этих законов. Но на самом деле из теорем о сингулярности следует, что гравитационное поле настолько усиливается, что становятся существенными квантовые гравитационные эффекты: классическая теория перестает давать хорошее описание Вселенной. Поэтому при изучении очень ранних стадий развития Вселенной приходится привлекать квантовую теорию гравитации. Как мы потом увидим, в квантовой теории обычные законы науки могут выполняться везде, в том числе и в начале отсчета времени: нет необходимости постулировать новые законы для сингулярностей, потому что в квантовой теории не должно быть никаких сингулярностей.      Пока у нас еще нет полной и согласованной теории, объединяющей квантовую механику и гравитацию. Но мы совершенно уверены в том, что подобная единая теория должна иметь некоторые определенные свойства. Во-первых, она должна включать в себя фейнмановский метод квантовой теории, основанный на суммах по траекториям частицы (и по "историям" Вселенной). При таком методе в отличие от классической теории частица уже не рассматривается как обладающая одной-единственной траекторией. Напротив, предполагается, что она может перемещаться по всем возможным путям в пространстве-времени и любой ее траектории отвечает пара чисел, одно из которых дает длину волны, а другое - положение в периоде волны (фазу). Например, вероятность того, что частица пройдет через некоторую точку, получается суммированием всех волн, отвечающих каждой возможной траектории, проходящей через эту точку. Но попытки произвести такое суммирование наталкиваются на серьезные технические затруднения. Их можно обойти, лишь воспользовавшись следующим специальным рецептом: складываются волны, образующие те истории (траектории) частиц, которые происходят не в ощущаемом нами реальном (действительном) времени, а в так называемом мнимом времени. Мнимое время звучит, возможно, научно фантастически, но на самом деле это строго определенное научное понятие. Умножив обычное (или действительное) число само на себя, мы получим положительное число. (Например, число 2, умноженное на 2, дает 4, и то же самое получается при умножении -2 на -2). Но существуют особые числа (они называются мнимыми), которые при умножении сами на себя дают отрицательный результат. (Одно из таких чисел, мнимая единица i, при умножении само на себя дает -1, число 2i, умноженное само на себя, дает -4 и т. д.). Во избежание усложнений технического характера при вычислении фейнмановский сумм по траекториям следует переходить к мнимому времени. Это означает, что при расчетах время надо измерять не в действительных единицах, а в мнимых. Тогда в пространстве-времени обнаруживаются интересные изменения: в нем совершенно исчезает различие между временем и пространством. Пространство-время, в котором временная координата событий имеет мнимые значения, называют евклидовым, в честь древнегреческого ученого Евклида, основателя учения о геометрии двумерных поверхностей. То, что мы сейчас называем евклидовым пространством-временем, очень похоже на первоначальную геометрию Евклида и отличается от нее лишь числом измерений: четыре вместо двух. В евклидовом пространстве-времени не делается различий между осью времени и направлениями в пространстве. В реальном же пространстве-времени, где событиям отвечают действительные значения координаты времени, эти различия видны сразу: для всех событий ось времени лежит внутри светового конуса, а пространственные оси - снаружи. В любом случае, пока мы имеем дело с обычной квантовой механикой, мнимое время и евклидово пространство-время можно рассматривать просто как математический прием для расчета величин, связанных с реальным пространством-временем.      Второе условие, которое должна включать в себя любая завершенная теория, - это предположение Эйнштейна о том, что гравитационное поле представляется в виде искривленного пространства-времени: частицы стремятся двигаться по траекториям, заменяющим в искривленном пространстве-времени прямые, но, поскольку пространство-время не плоское, эти траектории искривляются, как будто на них действует гравитационное ноле. Если фейнмановское суммирование по траекториям соединить с представлением Эйнштейна о гравитации, то тогединить с представлением Эйнштейна о гравитации, то тогда аналогом траектории одной частицы станет все искривленное пространство-время, которое представляет собой историю всей Вселенной. Для того чтобы избежать технических затруднений, которые могут встретиться при конкретном вычислении суммы по историям, искривленные четырехмерные пространства надо считать евклидовыми. Это означает, что ось времени мнимая и не отличается от пространственных осей. Для вычисления вероятности того, что действительное пространство-время обладает некоторым свойством, например выглядит одинаково во всех точках и во всех направлениях, надо сложить волны, соответствующие всем тем историям, которые обладают этим свойством.      В классической общей теории относительности может существовать много разных видов искривленного пространства-времени, и все они отвечают разным начальным состояниям Вселенной. Зная начальное состояние нашей Вселенной, мы знали бы целиком всю ее историю. Аналогично в квантовой теории гравитации возможно много разных квантовых состояний Вселенной, и точно так же, зная, как вели себя в ранние времена искривленные евклидовы четырехмерные пространства в сумме по историям, мы могли бы определить квантовое состояние Вселенной.      В классической теории гравитации, использующей действительное пространство-время, возможны лишь два типа поведения Вселенной: либо она существовала в течение бесконечного времени, либо ее началом была сингулярная точка в какой-то конечный момент времени в прошлом. В квантовой же теории гравитации возникает и третья возможность. Поскольку используются евклидовы пространства, в которых временная и пространственные оси равноправны, пространство-время, будучи конечным, может тем не менее не иметь сингулярностей, образующих его границу или край. Тогда пространство-время напоминало бы поверхность Земли с двумя дополнительными измерениями. Поверхность Земли имеет конечную протяженность, но у нее нет ни границы, ни края: поплыв по морю в сторону заката, вы не вывалитесь через край и не попадете в сингулярность.     Если евклидово пространство-время простирается назад по мнимому времени до бесконечности или начинается в сингулярной точке мнимого времени, то, как и в классической теории относительности, возникает вопрос об определении начального состояния Вселенной - Богу, может быть, и известно, каким было начало Вселенной, но у нас нет никаких оснований мыслить это начало таким, а не иным. Квантовая же теория гравитации открыла одну новую возможность: пространство-время не имеет границы, и поэтому нет необходимости определять поведение на границе. Тогда нет и сингулярностей, в которых нарушались бы законы науки, а пространство-время не имеет края, на котором пришлось бы прибегать к помощи Бога или какого-нибудь нового закона, чтобы наложить на пространство-время граничные условия. Можно было бы сказать, что граничное условие для Вселенной - отсутствие границ. Тогда Вселенная была бы совершенно самостоятельна и никак не зависела бы от того, что происходит снаружи. Она не была бы сотворена, ее нельзя было бы уничтожить. Она просто существовала бы.  Как и всякое теоретическое положение, оно может быть первоначально выдвинуто из эстетических или метафизических соображений, но затем должно пройти реальную проверку - позволяет ли оно делать предсказания, согласующиеся с наблюдениями. В случае квантовой теории гравитации такая проверка затруднена по двум причинам. Во-первых, как будет показано в следующей главе, мы еще не имеем теории, которая успешно объединяла бы общую теорию относительности с квантовой механикой, хотя нам во многом известна форма, которую должна иметь такая теория. Во-вторых, всякая модель, детально описывающая всю Вселенную, несомненно, будет в математическом отношении слишком сложна, чтобы можно было на ее основе выполнять точные вычисления. Поэтому в расчетах неизбежны упрощающие предположения и приближения, и даже при этом задача извлечения предсказаний остается чудовищно сложной.

     Если принять условие отсутствия границ, то оказывается, что вероятность развития Вселенной но большинству возможных историй пренебрежимо мала, но существует некоторое семейство историй, значительно более вероятных, чем остальные. Эти истории можно изобразить в виде как бы поверхности Земли, причем расстояние до Северного полюса соответствует мнимому времени, а размеры окружностей, все точки которых равно удалены от Северного полюса, отвечают пространственным размерам Вселенной. Вселенная начинается как точка на Северном полюсе. При движении на юг такие широтные окружности увеличиваются, что отвечает расширению Вселенной с течением мнимого времени (рис. 8.1). Вселенная достигает максимального размера на экваторе, а затем с течением мнимого времени сжимается в точку на Южном полюсе. Несмотря на то, что на Северном и Южном полюсе размер Вселенной равен нулю, эти точки будут сингулярными не более, чем Северный и Южный полюс на поверхности Земли. Законы науки будут выполняться в них так же, как они выполняются на Северном и Южном полюсах Земли.      Но в действительном времени история Вселенной выглядит совершенно иначе. Десять или двадцать тысяч миллионов лет назад размер Вселенной имел минимальное значение, равное максимальному радиусу истории в мнимом времени. Затем, с течением действительного времени, Вселенная расширялась в соответствии с хаотической моделью раздувания, предложенной Линде (но теперь уже нет необходимости предполагать, что Вселенная была каким-то образом создана в правильном состоянии). Вселенная достигла очень больших размеров, а потом должна опять сжаться в нечто, имеющее в действительном времени вид сингулярности. Поэтому в каком-то смысле все мы обречены, даже если будем держаться подальше от черных дыр. Сингулярностей не будет лишь в том случае, если представлять себе развитие Вселенной в мнимом времени.      Если Вселенная на самом деле находится в таком квантовом состоянии, то ее история в мнимом времени не будет иметь никаких сингулярностей. Но, как уже отмечалось, главное значение теорем о сингулярностях таково: они показывают, что гравитационное поле должно стать очень сильным, так что нельзя будет пренебречь квантовыми гравитационными эффектами. Именно это ведет к выводу, что в мнимом времени Вселенная должна быть конечной, но без границ и сингулярностей. По возвращении же в реальное время, в котором мы живем, обнаруживается, что сингулярности появляются опять. Астронавт, упавший в черную дыру, все равно придет к трагическому концу, и только в мнимом времени у него не было бы встречи с сингулярностями.      Может быть, следовало бы заключить, что так называемое мнимое время - это на самом деле есть время реальное, а то, что мы называем реальным временем, - просто плод нашего воображения. В действительном времени у Вселенной есть начало и конец, отвечающие сингулярностях, которые образуют границу пространства-времени и в которых нарушаются законы науки. В мнимом же времени нет ни сингулярностей, ни границ. Так что, быть может, именно то, что мы называем мнимым временем, на самом деле более фундаментально, а то, что мы называем временем реальным, - это некое субъективное представление, возникшее у нас при попытках описать, какой мы видим Вселенную. Поэтому не имеет смысла спрашивать, что же реально - действительное время или время мнимое? Важно лишь, какое из них более подходит для  описания. Мы можем теперь, пользуясь методом суммирования, по историям и предположением об отсутствии границ, посмотреть, какими свойствами Вселенная может обладать одновременно. Например, можно вычислить вероятность того, что Вселенная расширяется примерно с одинаковой скоростью во всех направлениях в то время, когда плотность Вселенной имеет современное значение. В упрощенных моделях, которыми мы до сих пор занимались, эта вероятность оказывается весьма значительной; таким образом, условие отсутствия границ приводит к выводу о чрезвычайно высокой вероятности того, что современный темп расширения Вселенной почти одинаков во всех направлениях. Это согласуется с наблюдениями фона микроволнового излучения, которые показывают, что его интенсивность во всех направлениях почти одинакова. Если бы Вселенная в одних направлениях расширялась быстрее, чем в других, то интенсивность излучения в этих направлениях уменьшалась бы за счет дополнительного красного смещения.      Сейчас изучаются и другие следствия из условия отсутствия границ. Особенно интересна задача о малых отклонениях плотности от однородной плотности ранней Вселенной, в результате которых возникли сначала галактики, потом звезды и наконец мы сами. В силу принципа неопределенности ранняя Вселенная не может быть совершенно однородной, потому что должны обязательно присутствовать некоторые неопределенности в положениях и скоростях частиц - флуктуации. Исходя из условия отсутствия границ, мы найдем, что в начальном состоянии во Вселенной действительно должна быть неоднородность, минимально возможная с точки зрения принципа неопределенности. Затем Вселенная пережила период быстрого расширения, как в моделях раздувания. В течение этого периода начальные неоднородности усиливались, пока не достигли размеров, достаточных, чтобы объяснить происхождение тех структур, которые мы видим вокруг себя. В такой расширяющейся Вселенной, в которой плотность вещества слабо меняется от места к месту, расширение более плотных областей под действием гравитации могло замедлиться и перейти в сжатие. Это должно привести к образованию галактик, звезд и, наконец, даже таких незначительных существ, как мы. Таким образом, возникновение всех сложных структур, которые мы видим во Вселенной, можно объяснить условием отсутствия у нее границ в сочетании с квантово-механическим принципом неопределенности.      Из представления о том, что пространство и время образуют замкнутую поверхность, вытекают также очень важные следствия относительно роли Бога в жизни Вселенной. В связи с успехами, достигнутыми научными теориями в описании событий, большинство ученых пришло к убеждению, что Бог позволяет Вселенной развиваться в соответствии с определенной системой законов и не вмешивается в ее развитие, не нарушает эти законы. Но законы ничего не говорят нам о том, как выглядела Вселенная, когда она только возникла, - завести часы и выбрать начало все-таки могло быть делом Бога. Пока мы считаем, что у Вселенной было начало, мы можем думать, что у нее был Создатель. Если же Вселенная действительно полностью замкнута и не имеет ни границ, ни краев, то тогда у нее не должно быть ни начала, ни конца: она просто есть, и все! Остается ли тогда место для Создателя?

      Каждой исторической эпохе присущ свой горизонт науки, своя ограниченность представлений о природе вещей, явлений, окружающих человека. На протяжении тысячелетий человек не мог охватить взглядом свою планету. И первоначально он со­здавал примитивные космологические представления типа: «Зем­ля держится на трех слонах» (или на черепахе, в зависимости от того, что он видел перед собой)...

     Благодаря усилиям Н. Коперника, И. Кеплера и И. Ньютона более 300 лет назад горизонт астрономии был расширен за ор­биту планеты Сатурн. В. Гаршель отодвинул его до края Га­лактики, а совсем недавно Хаббл — в далекое межгалактическое пространство. Ныне нельзя не испытывать чувство гордости от того, что человеческий разум оказался способным раскрывать тайны далеких звезд и галактик, устанавливать законы их строе­ния и развития.

     Но с каждым годом перед человеком встают все более слож­ные вопросы, затрагивающие фундаментальные свойства мате­рии и конкретные формы ее существования. Симметрична ли Вселенная относительно вещества и антивещества? Состоят ли элементарные частицы из более простых? Неизменны ли на са­мом деле так называемые постоянные величины — постоянная тяготения С, постоянная Планка h, скорость света с и другие? И почему они имеют именно такие, а не другие численные зна­чения? И если некоторые из них медленно изменяются, то как  это влияет на развитие Вселенной и ее отдельных составные частей.

        Да, сегодня нам известно уже многое о строении Вселенной и ее отдельных' объектов. Но... с каждым годом расширяется горизонт науки, расширяются пределы в пространстве и вре­мени, до которых проникает человеческий разум. И, как говорил римский философ Сенека, несомненно, что на долю наших по­томков" останется большая часть истин, еще не открытых...

1. Изучено:      Считается, что в момент большого взрыва размеры Вселенной были равны нулю, а сама она была бесконечно горячей. Но по мере расширения температура излучения понижалась. Через секунду после большого взрыва температура упала примерно до десяти тысяч миллионов градусов.  В это время Вселенная состояла из фотонов, электронов, нейтрино и их античастиц. По мере того как Вселенная продолжала расширяться, а температура падать, скорость рождения электрон антиэлектронных пар в соударениях стала меньше скорости их уничтожения за счет аннигиляции. Поэтому почти все электроны и антиэлектроны должны были аннигилировать друг с другом, образовав новые фотоны, так что осталось лишь чуть-чуть избыточных электронов. Примерно через сто секунд после большого взрыва температура упала до тысячи миллионов градусов, что отвечает температуре внутри самых горячих звезд. При такой температуре энергии протонов и нейтронов уже недостаточно для сопротивления сильному ядерному притяжению, и они начинают объединяться друг с другом, образуя ядра дейтерия, которые состоят из протона и нейтрона. Затем ядра дейтерия присоединяют к себе еще протоны и нейтроны и превращаются в ядра гелия, содержащие два протона и два нейтрона, а также образуют небольшие количества более тяжелых элементов - лития и бериллия. Вычисления показывают, что, согласно горячей модели большого взрыва, около четвертой части протонов и нейтронов должно было превратиться в атомы гелия и небольшое количество тяжелого водорода и других элементов. Оставшиеся нейтроны распались на протоны, представляющие собой ядра обычных атомов водорода.      Всего через несколько часов после большого взрыва образование гелия и других элементов прекратилось, после чего в течение примерно миллиона лет Вселенная просто продолжала расширяться и с ней не происходило ничего особенного. Наконец, когда температура упала до нескольких тысяч градусов и энергии электронов и ядер стало недостаточно для преодоления действующего между ними электромагнитного притяжения, они начали объединяться друг с другом, образуя атомы. Вся Вселенная как целое могла продолжать расширяться и охлаждаться, но в тех областях, плотность которых была немного выше средней, расширение замедлялось из-за дополнительного гравитационного притяжения. В результате некоторые области перестали расширяться и начали сжиматься. В процессе сжатия под действием гравитационного притяжения материи, находящейся снаружи этих областей, могло начаться их медленное вращение. С уменьшением размеров коллапсирующей области ее вращение ускорялось, подобно тому, как ускоряется вращение фигуриста на льду, когда он прижимает руки к телу. Когда наконец коллапсирующая область стала достаточно малой, скорости ее вращения должно было хватить для уравновешивания гравитационного притяжения - так образовались вращающиеся дискообразные галактики. Те области, которые не начали вращаться, превратились в овальные объекты, называемые эллиптическими галактиками. Коллапс этих областей тоже прекратился, потому что, хотя отдельные части галактики стабильно вращались вокруг ее центра, галактика в целом не вращалась.      Состоящий из водорода и гелия газ внутри галактик со временем распался на газовые облака меньшего размера, сжимающиеся и од действием собственной гравитации. При сжатии этих облаков атомы внутри них сталкивались друг с другом, температура газа повышалась, и в конце концов газ разогрелся так сильно, чти начались реакции ядерного синтеза. В результате этих реакций из водорода образовалось дополнительное количество гелия, а из-за выделившегося тепла возросло давление и газовые облака перестали сжиматься. Облака долго оставались в этом состоянии, подобно таким звездам, как наше Солнце, превращая водород в гелий и излучая выделяющуюся энергию в виде тепла и света. Более массивным звездам для уравновешивания своего более сильного гравитационного притяжения нужно было разогреться сильнее, и реакции ядерного синтеза протекали в них настолько быстрее, что они выжгли свой водород всего за сто миллионов лет. Затем они слегка сжались, и, поскольку нагрев продолжался, началось превращение гелия в более тяжелые элементы, такие как углерод и кислород. Но в подобных процессах выделяется не много энергии, и потому, как уже говорилось в главе о черных дырах, должен был разразиться кризис. Не совсем ясно, что произошло потом, но вполне правдоподобно, что центральные области звезды коллапсировали в очень плотное состояние вроде нейтронной звезды или черной дыры. Внешние области звезды могут время от времени отрываться и уноситься чудовищным взрывом, который называется взрывом сверхновой, затмевающей своим блеском все остальные звезды в своей галактике. Часть более тяжелых элементов, образовавшихся перед гибелью звезды, была отброшена в заполняющий галактику газ и превратилась в сырье для последующих поколений звезд. Наше Солнце содержит около двух процентов упомянутых более тяжелых элементов, потому что оно является звездой второго или третьего поколения, образовавшейся около пяти миллионов лет назад из облака вращающегося газа, в котором находились осколки более ранних сверхновых. Газ из этого облака в основном пошел на образование Солнца или был унесен взрывом, но небольшое количество более тяжелых элементов, собравшись вместе, превратилось в небесные тела - планеты, которые сейчас, как и Земля, вращаются вокруг Солнца

2. Рассмотрено:      В модели Фридмана все галактики удаляются друг от друга. Это вроде бы как надутый шарик, на который нанесены точки, если его все больше надувать. Расстояние между любыми двумя точками увеличивается, но ни одну из них нельзя назвать центром расширения. Притом чем больше расстояние между точками, тем быстрее они удаляются друг от друга. Но и в модели Фридмана скорость, с которой любые две галактики удаляются друг от друга, пропорциональна расстоянию между ними. Таким образом, модель Фридмана предсказывает, что красное смешение галактики должно быть прямо пропорционально ее удаленности от нас, в точном соответствии с открытием Хаббла. Несмотря на успех этой модели и на согласие ее предсказаний с наблюдениями Хаббла, работа Фридмана оставалась неизвестной на Западе, и лишь в 1935 г. американский физик Говард Робертсон и английский математик Артур Уолкер предложили сходные модели в связи с открытием Хаббла.

     Сам Фридман рассматривал только одну модель, но можно указать три разные модели, для которых выполняются оба фундаментальных предположения Фридмана. В модели первого типа (открытой самим Фридманом) Вселенная расширяется достаточно медленно для того, чтобы в силу гравитационного притяжения между различными галактиками расширение Вселенной замедлялось и в конце концов прекращалось. После этого галактики начинают приближаться друг к другу, и Вселенная начинает сжиматься. На рис. 3.2 показано, как меняется со временем расстояние между двумя соседними галактиками. Оно возрастает от нуля до некоего максимума, а потом опять падает до нуля. В модели второго типа расширение Вселенной происходит так быстро, что гравитационное притяжение хоть и замедляет расширение, не может его остановить. На рис. 3.3 показано, как изменяется в этой модели расстояние между галактиками. Кривая выходит из нуля, а в конце концов галактики удаляются друг от друга с постоянной скоростыо. Есть, наконец, и модель третьего типа, в которой скорость расширения Вселенной только-только достаточна для того, чтобы избежать сжатия до нуля (коллапса). В этом случае расстояние между галактиками тоже сначала равно нулю (рис. 3.4), а потом все время возрастает. Правда, галактики "разбегаются" все с меньшей и меньшей скоростью, но она никогда не падает до нуля.

3.Исследовано:                                                                                                                                                                 Если бы через секунду после большого взрыва скорость расширения оказалась хоть на одну сто тысяча миллион миллионную (1/100.000.000.000.000.000) меньше, то произошло бы повторное сжатие Вселенной и она никогда бы не достигла своего современного состояния.

СОДЕРЖАНИЕ

1.     Модель большого Взрыва

1.1.  Гипотетическое представления о Вселенной

1.2.  Расширяющаяся Вселенная

1.3.  Рождение и гибель Вселенной

2.     Заключение 

3.     список использованной литературы

Список используемой литературы

1.     П. Г. Куликовский :«Справочник любителя АСТРОНОМИИ» М.1971 г.

2.    Б. А. Воронцов- Вельяминов :«Очерки о Вселенной» М. «Наука» 1976 г.

3.    И. А. Климишин «Астрономия наших дней» М. «Наука» 1980 г.

4.    П. Девис «Случайная Вселенная» М. «МИР» 1985 г.

5.    В. Н. Комаров Б. Н. Пановский « Занимательная астрономия» М. «Наука» 1984 г.

6.    И. А. Климишин «Открытие Вселенной» М. « Наука» 1987 г.

7.    И. С. Школовский «Вселенная Жизнь Разум» М. « Наука» 1976г.

8.    В.В. Казютинский «Вселенная Астрономия, Философия», М.«Знание»1972 г.

9.    И.Д. Новиков «Эволюция Вселенной», М. 1983 г.

10.  С.П. Левитан. «Астрономия», М., «Просвещение» 1994 г.

5rik.ru

Смотрите также

• 
  Реферат на тему хозяйство и быт кангюев
• 
  Коррупция и бюрократизм как этические проблемы реферат
• 
  Основные виды и категории муниципальных образований реферат
• 
  Гипотеза как форма развития научного знания реферат
• 
  Католицизм как ветвь мирового христианства готовый реферат
• 
  Многофункциональность глагола to do реферат для детей
• 
  Реферат на тему о вреде фаст фуда
• 
  Реферат история россии в рассказах для детей
• 
  Хусусиятхои умуми ва фарккунандаи намудхои фарханг реферат
• 
  Реферат предельно допустимые концентрации веществ в воздухе
• 
  Реферат на тему развитие зародыша у животных