Вселенная бесконечна.

    Закон тяготения может быть применён всюду во Вселенной” хотя в действительности он отражает лишь наш опыт внутри Солнечной системы. До полётов космических кораблей к другим звёздным системам нам ничего не остаётся, как экстраполировать законы, получившие “местное подтверждение”.

    Никто не знает, правильно ли на самом деле любое из этих утверждений. Однако, основываясь только на наблюдениях невооруженным глазом, человек может начать мыслить в космических масштабах. Более того, эти мысли могут оказаться интуитивно удовлетворительными. Кому нужны неуниверсальные законы? Кому нужны кучи звёзд, засоряющие совершенные (т. е. однородные) во всех других отношениях небеса?

    Космологический принцип можно расширить, включив в него помимо пространственного и временное измерение. Выразим это предположение языком обычной разговорной речи: Вселенная течёт по спокойной гладкой реке времени, не имеющей ни истока, ни моря, куда бы она впадала, ни водоворотов или ниагар между ними. Сторонники Стационарной Вселенной — теории, более подробно рассматриваемой ниже, — объявляют это положение совершенным космологическим принципом. Его назвали совершенным, потому что он включает четыре известных измерения, потому что он полнее и поэтому удовлетворяет нас и потому что его можно сформулировать, не прибегая к исследованиям при помощи сложных астрономических инструментов.

    Если обратиться от рассуждений к фактам, то наблюдательный фундамент был заложен в 1826 г. немецким астрономом Генрихом Ольберсом, задумавшимся над тем, почему ночное небо такое тёмное. Вопрос этот более глубокий, чем кажется на первый взгляд. Конечно, каждый естествоиспытатель, начиная от размышляющего пещерного жителя, видел, что ночное небо тёмное. Оно действительно тёмное, и с этим ничего не поделаешь. Ольберс копнул глубже. Он рассуждал так: если существует бесконечное количество звёзд и они распределены равномерно, то ночное небо должно казаться полностью покрытым сверкающими точками, т. е. всё небо должно быть таким же ярким, как Солнце. На самом же деле небо тёмное, и это расхождение требует объяснения. Это так называемый парадокс Ольберса, и любая космология должна его объяснить.

    Инстинктивное объяснение парадокса Ольберса состоит в том, что в бесконечной Вселенной большинство звёзд находится так далеко, что не может ярко освещать наше небо. Правда, интенсивность их света падает пропорционально квадрату расстояния, но каждый раз, как в наше поле зрения попадают вдвое более далёкие звёзды, общее число видимых звёзд возрастает в четыре раза. Ослабление света с расстоянием точно компенсируется увеличением числа звёзд. Конечно, можно привести и такой аргумент, что большая часть излучения далёких звёзд, должно быть, поглощается пылью и газом в гигантских межзвёздных просторах. Это предположение также не объясняет парадокса, даже если оно и истинно, так как пыль, поглощая излучение, вскоре нагреется до таких температур, что начнёт светиться подобно самим звёздам. И мы снова остаёмся с парадоксом, родившимся в результате противоречия между простейшим наблюдением и предположением, что Вселенная бесконечна во времени и пространстве.

    Вещество кажется довольно равномерно распределённым в пространстве в соответствии с первоначальной гипотезой Ньютона. Звёзды объединены в галактики, а сами галактики — в скопления. (Наша Галактика, Млечный Путь, входит в группу из семнадцати галактик.) Несмотря на эту иерархию, космологический принцип подкрепляется тем фактом, что все скопления и “кучи” кажутся распределёнными равномерно.

    Шкала расстояний, основанная на сравнительной интенсивности звёзд и галактик, не показывает никаких границ видимой Вселенной.

    Рассмотрим другую гипотезу. Пусть мы видим уличный фонарь, находящийся от нас на расстоянии одного квартала; тогда, как мы знаем, такой же фонарь на расстоянии двух кварталов будет казаться нам вчетверо более слабым. План теперь ясен: находим звёзды одинакового блеска, измеряем расстояние до ближайшей из них методом триангуляции и вычисляем расстояния до остальных, сравнивая их блеск с блеском звезды, расстояние до которой найдено. Это тот же метод, только вывернутый наизнанку. Для более близких галактик, где телескопы различают отдельные звёзды, знаменитые переменные звёзды цефеиды, - впервые открытые в созвездии Цефея, служат межгалактическими масштабными линейками. Блеск цефеиды представляет собой известную функцию времени, требуемого для того, чтобы пульсирующая звезда прошла цикл: яркая, тусклая, яркая. Астрономы выбирают цефеиду в другой галактике, измеряют периодические изменения её видимого блеска и, зная истинный блеск по её периоду, находят расстояние до цефеиды по уменьшению блеска. Если цефеид нет, то при измерении расстояния до самой яркой звезды (голубого гиганта) в галактике предполагают, что её блеск совпадает с блеском самого яркого голубого гиганта нашей Галактики.

    Заставим теперь эту масштабную линейку работать в космологии. История эта началась в 1912 г., когда американский астроном В.М. Слайфер приступил к изучению далёких галактик с помощью спектроскопа. Он ожидал, что спектрограф разложит свет этих галактик в линейчатый спектр, подобный тому, который обнаружен у элементов, найденных в звёздах нашей Галактики. Однако, когда спектрограммы были изучены, линии оказались не совсем там, где их ожидали найти на фотографических пластинках. Линии Н и К ионизованного кальция, достаточно интенсивные и легко отождествляемые, были смещены к красному концу спектра, т. е. к более длинным волнам. Сотни галактик обладают таким смещением спектральных линий к красному концу спектра, а в то же время у всех 17 членов нашей местной системы галактик оно отсутствует. Таким образом, спектроскоп установил новую особенность Вселенной, которую должна учитывать каждая космологическая модель.

    Почему возникает красное смещение в спектрах галактик? Первое и наиболее естественное объяснение опирается на эффект Допплера: движения галактик прочь от Земли приводят к “растягиванию” световых волн, т. е. к уменьшению их частот. Большинство галактик, спектры которых исследованы, по этому признаку движутся прочь от нас, потому что их спектры “растянуты”, т. е. смещены к красному концу. Возможны и другие интерпретации красного смещения. Например, смещение может возникать на пути света, при его взаимодействии с пылью, подобно тому как происходит покраснение света заходящего Солнца. В настоящее время большинство астрономов и космологов считают красное смещение результатом действия эффекта Допплера.

    Однако сначала рассмотрим величину, обратную постоянной Хаббла. Она имеет размерность времени, равна примерно 10 миллиардам лет и, по-видимому, одна и та же для большинства измеренных галактик. А не возраст ли это видимой Вселенной? Эту величину можно рассматривать как время, потребовавшееся каждой галактике, чтобы достичь измеренного нами расстояния от Земли, если галактика двигалась с нынешней скоростью. Но возможно, эти рассуждения наивны. В течение тех нескольких десятилетий, что мы наблюдаем галактики, нам удалось лишь сделать моментальный снимок Вселенной за почти бесконечно малый отрезок времени её существования. Ещё более запутывает положение то обстоятельство, что на этот моментальный снимок попадает свет настолько отдалённых звёзд, что мы видим их такими, какими они были миллиарды лет назад. Конечная величина скорости распространения света создаёт эффект своеобразной машины времени. Весьма возможно, что далёкие галактики уже взорвались или мирно “скончались” от старости. Мы знаем так мало, что нужно быть очень осторожными.

    Картина Вселенной, нарисованная Хабблом, получила популярное название “расширяющейся Вселенной”. Общепринято сравнивать галактики с точками на поверхности надуваемого шара. По мере натяжения резины все точки удаляются друг от друга. Физическую картину можно сделать более реалистичной, если вообразить целую серию покрытых точками шаров, находящихся друг в друге, которые одновременно надуваются таким образом, что расстояния между ними увеличиваются. Если поселиться в одной из этих точек, неважно в какой, то обитателю будет казаться, что все остальные точки от него удаляются. Даёт ли эта физическая картина правильную интерпретацию полученных данных? Существует ли самый внешний шар?

    Представьте себе фильм о “расширяющейся Вселенной”, в котором каждая минута демонстрации равна миллиарду лет. Продолжая демонстрацию фильма в будущее, увидим ли мы, что галактики разбегаются всё дальше и дальше и в конце концов исчезают из нашего поля зрения, достигнув скорости света? Американский космолог русского происхождения Джордж Гамов и другие сторонники теории Большого Взрыва, или “эволюционной космологии” Жоржа Леметра, говорят — да! Приверженцы теории Стационарной Вселенной во главе с астрономом Фредом Хойлом отвечают — нет! Итак, вступаем в битву. В настоящее время более модной является теория Большого Взрыва, поэтому рассмотрим её первой.

    Рис. 2. Расширяющаяся Вселенная, представленная надувающимися концентрическими шарами. По мере того как шары надуваются и резина растягивается, точки на поверхности, изображающие галактики, удаляются друг от друга. В аналогии для трёхмерного пространства расстояния между соседними шарами должны также увеличиваться со временем.

    Теория Большого Взрыва представляет собой модель космоса, аналитическую модель, которая позволяет нам путешествовать в прошлое и будущее с помощью математики. Если бы мы могли соорудить её практически, как модель самолёта или очень сложный планетарий, она показала бы нам эволюцию Вселенной с момента её возникновения (гигантский катаклизм в этой модели) до современного состояния, и так далеко в будущее, как мы пожелаем. Теория Большого Взрыва (и любая другая модель) должна отвечать следующим условиям:

    Разрешить парадокс Ольберса.

    Учитывать постоянную Хаббла, т. е. красное смещение.

    Соответствовать космологическому принципу.

    Не противоречить независимо измеренному возрасту Земли.

    Не нарушать ни одного основного физического закона, установленного на основании земных экспериментов.

    Установив необходимое оборудование, включим кинопроектор на обратный ход и будем свидетелями того, как все галактики слетаются к Земле, вместо того, чтобы от неё разбегаться. В теории Большого Взрыва они сливаются в гигантский шар первичной материи и (или) энергии, названный Гамовым илемом. (Он заимствовал этот термин у Аристотеля, который обозначал им основную субстанцию Вселенной.) Таково начало фильма, представляющего начало времени в этой космологии. Любая киноплёнка, отснятая до этого момента, должна, по-видимому, показать за работой бога, или какой-то первичный принцип, или (и мы не можем исключить вероятность этого) сжатие некой предшествующей Вселенной в илем. Напрашивается мысль о подобной цикличной, непрерывно повторяющейся Вселенной, однако не существует никакой известной силы, которая была бы способна стянуть обратно разбегающиеся галактики, наблюдаемые в наше время, в илем. Все галактики превысили скорость убегания и не могут быть вновь захвачены тяготением, хотя не исключено, что какая-то неизвестная ещё сила может вызвать сжатие. Либо мы наблюдаем последнее дыхание цикличной Вселенной (её выдох), либо постулированный илем самопроизвольно возник из ничего.

    Теория Большого Взрыва Вселенной широко популяризовалась, так что сейчас многие свыклись с мыслью о том, что разбегающиеся галактики когда-то могли быть спрессованы в своеобразное “космическое яйцо”. В тихие времена, предшествовавшие атомной бомбе, представление о том, что галактики являются осколками колоссального взрыва, не привлекало многих учёных ³. Когда бельгийский священник Жорж Леметр выдвинул в конце двадцатых годов нашего века эту идею, на неё не обратили внимания. Она завоевала широкое признание лишь после того, как её сторонником и пропагандистом стал Артур Эддингтон. Позднее в своей книге “Расширяющаяся Вселенная”, опубликованной в 1933 г., Эддингтон популяризовал теорию Большого Взрыва. Эта теория легко доступна для понимания, возможно потому, что нам хорошо знакомы результаты взрывов на Земле. Такие популяризаторы науки, как Эддингтон и Гамов (“Создание Вселенной”), писали настолько убедительно, что главный соперник Большого Взрыва — теория Стационарной Вселенной — с трудом пробивала себе дорогу на страницы печати.

    Признавая, что теория Большого Взрыва доступна пониманию, зададим всё же вопрос: объясняет ли она при этом данные наблюдений? Конечно, она объясняет красное смещение, так как была придумана именно для этой цели. Теория Большого Взрыва не противоречит космологическому принципу, потому что все обломки взрыва равномерно распределены в пространстве и разбегаются по некоторому закону. Теоретически расширение и сжатие Вселенной являются единственными крупномасштабными движениями, разрешаемыми космологическим принципом, поскольку, например, общее вращение запрещается из-за того, что вращение требует наличия определённой оси, а ось требует симметрии, которая исключает однородность. Не нарушаются также основные законы, выведенные с помощью земных экспериментов, потому что, как мы увидим, теория Большого Взрыва прочно опирается на результаты этих экспериментов, в частности на данные ядерной физики.

    Парадокс Ольберса разрешается в рамках расширяющейся Вселенной. В такой Вселенной скорость света достигается на расстоянии в 10 миллиардов световых лет. Галактики, если они существуют за пределами этой воображаемой сферической поверхности, остаются для нас невидимыми, поскольку свет, который они излучают, никогда до нас не дойдёт. Фотоны, испускаемые в нашем направлении звёздами, движущимися быстрее света (допустим на мгновение, что это возможно), будут иметь чистую относительную скорость, направленную от Земли, так же как камень, брошенный с конца поезда, движущегося с большой скоростью, будет казаться наблюдателю у рельсов летящим вперёд. Читатели, знакомые со специальной теорией относительности Эйнштейна, станут отрицать возможность удаления от нас физического объекта со скоростью, превышающей скорость света. Специальная теория относительности безусловно предполагает это ограничение, но общая теория относительности, которую мы можем применить в космологии, не обязательно запрещает такие скорости ⁴. Тёмное ночное небо, так беспокоившее Ольберса, создаётся конечной видимой Вселенной. Более того, ночное небо станет ещё темнее, по мере того как всё больше и больше галактик пересечёт сферу радиусом в 10 миллиардов лет и станет невидимым. Ночное небо темнеет также из-за эффекта Допплера, смещающего свет далёких галактик в инфракрасную область, в которой наши глаза нечувствительны.

    Согласно гипотезе илема, Вселенная родилась в одно мгновенье в виде колоссального скопления элементарных частиц, большей частью протонов, электронов и нейтронов ⁵. Первоначальная температура илема составляла миллиарды градусов, т. е. была значительно выше, чем в недрах Солнца. Элементарные частицы двигались со скоростями, близкими к скорости света. Эта горячая кипящая масса, из которой впоследствии должны были родиться все звёзды и галактики, по-видимому, была очень похожа на центральную область только что взорвавшейся водородной бомбы, но несравненно больше, плотнее и жарче. Следующая глава истории илема, как и судьба многих её авторов, связана с историей развития ядерного оружия.

    Тридцатиминутная “варка” должна была привести к синтезу протонов и нейтронов и образованию тяжёлого водорода — дейтерия (Н¹ + Н¹ → D²). Аналогичные реакции синтеза могли породить тритий (Н³) и изотопы гелия (Не³ и Не⁴). На исходе 30 минут Вселенная должна была в основном состоять из водорода и гелия, что примерно и наблюдается сегодня. Тяжёлые элементы, составляющие менее 1 % массы Вселенной, возникли, вероятно, в результате последовательного синтеза тяжёлого водорода и изотопов гелия; здесь необходимо построить разумный теоретический мост через трещину в теории, образовавшуюся в связи с тем, что ядра с массовым числом пять, по-видимому, в природе не существуют из-за своей неустойчивости. Другими словами, если мы настаиваем на том, чтобы прибавлять по одному, мы не можем дойти до шести, потому что пять не существует. Синтезируя ядра с массами четыре, три и два в комбинациях свыше пяти, теория Большого Взрыва может перекинуть мост через трещину и объяснить наблюдаемое обилие различных элементов. Гамов называет современное распределение элементов “самым старым археологическим” свидетельством из существующих. Конечно, синтез тяжёлых элементов происходит до некоторой степени и сейчас в горячих недрах звёзд.

    Энергия для Большого Взрыва, самой крупной ядерной бомбы, которая когда-либо была создана, доставлялась экзотермическим синтезом ядер водорода. Выброшенная взрывом первичная материя конденсировалась в различных местах, образовав звёзды и галактики, которые до сих пор разбегаются от места взрыва с огромной скоростью ⁶. Таким образом, наблюдаемые нами галактики должны иметь примерно одинаковый возраст. Однако здесь своеобразно вмешивается фактор времени, поскольку мы видим свет, излучённый далёкими галактиками миллиарды лет назад, так что некоторые из них, вероятно, давно прекратили своё существование.

    Если считать верной нашу шкалу астрономических расстояний, мы должны видеть галактики в разных стадиях эволюции: чем дальше они находятся, тем моложе они должны казаться нам из-за конечной величины скорости света. Далее, галактики не обязательно должны “стареть” с одинаковой скоростью. Некоторые из них могут омолаживаться по мере образования новых звёзд из пыли (см. гл. 5). Если бы все старые и умирающие звёзды заменялись молодыми, то казалось бы, что галактика совсем не стареет. Астрономы различают два основных типа галактик: спиральные, которые кажутся омолаживающимися, и эллиптические, не отличающиеся этой особенностью. Последние, таким образом, оказываются самыми лучшими космологическими часами, поскольку процесс старения у них не искажается омоложением. Исследование далёких эллиптических галактик показывает, что они значительно краснее, чем если бы учитывалось влияние только эффекта Допплера. Напрашивается вывод: избыток красного цвета вызван тем, что в действительности мы видим галактики такими, какими они были миллиарды лет назад, — моложе, холоднее и поэтому краснее. В то же время спиральные омолаживающиеся галактики не обладают избытком красного цвета. Обнаружение этого избытка служит серьёзным подкреплением теории Большого Взрыва, которая предполагает, что все галактики возникли одновременно. Если бы новые галактики образовывались всё время, как предполагается в теории Стационарной Вселенной, то далёкие эллиптические галактики (наши часы) находились бы на разных стадиях эволюции и о разном их возрасте свидетельствовала бы разная величина избытка красного цвета ⁷.

    Достаточно о теории Большого Взрыва. Она поддерживается многочисленными данными наблюдений и отвечает шести первоначально поставленным условиям ⁸. Главный её недостаток состоит в определённом отсутствии привлекательности: неистовое катаклизмическое начало и медленная, затяжная гибель в результате распыления всех галактик. Но красота теории — вещь субъективная: некоторые, может быть, и предпочтут услышать выстрел стартового пистолета, зная, что гонки когда-нибудь кончатся.

    Космология включает, помимо борьбы теорий, и борьбу отдельных лиц. При этом споры не заглушаются увитыми плющом стенами и обложками научных журналов. Обе основные космологические теории имеют своих защитников, отличающихся красноречием и склонностью выносить свои взгляды на суд широкой публики. С одной стороны Джордж Гамов, защищающий теорию Большого Взрыва, с другой стороны английский астроном Фред Хойл, оказывающий предпочтение идее непрерывного творения материи и теории Стационарной Вселенной. Ни одна из этих теорий не получила решительного подтверждения наблюдениями, и поэтому остаётся широкое поле для убеждения и научной полемики. Обе теории отвечают шести основным требованиям, сформулированным выше.

    У теории Большого Взрыва почти не было соперников с момента, когда её предложил Леметр, и до 1948 г., когда группа учёных Кембриджского университета заложила фундамент теории Стационарной Вселенной. Главными архитекторами были Герман Бонди и Томас Голд, два родившихся в Австрии космолога, а также Фред Хойл — в настоящее время самый энергичный сторонник этой теории. Противодействие теории Стационарной Вселенной и мысли о непрерывности творения материи с самого начала было сильным. Сторонник модели Стационарной Вселенной Д. Сиама так говорит об этом в “Международной науке и технике”: “Думаю, справедливо будет сказать, что большинство учёных отвергают её, но что некоторые видные специалисты считают стационарное состояние Вселенной настолько философски привлекательным, что предпочитают сохранять ум открытым до тех пор, пока не будут проведены решающие наблюдения”. Это великолепная краткая формулировка существующей ситуации, а также указание на философскую соблазнительность теории Стационарной Вселенной.

    Обе главные особенности теории Стационарной Вселенной непосредственно вытекают из совершенного космологического принципа, сформулированного Бонди, Голдом и Хойлом: свойства Вселенной постоянны как в пространстве, так и во времени. Отсюда следует:

    Плотность Вселенной постоянна во времени, несмотря на разбегание галактик, вытекающее из красного смещения.

    Теория Стационарной Вселенной постулирует самопроизвольное рождение материи для восполнения её убыли из-за разбегания.

    Если рассматривать объём в 1 м³, то расширение Вселенной, усреднённое по всему пространству, приведёт к тому, что за миллиард лет из этого объёма будет удаляться всего два атома водорода. Эти два атома замещаются самопроизвольным творением чего-то из ничего. Проще говоря, это означает увеличение массы Земли на 4 г за 5 миллиардов лет.

    Если плотность Вселенной всё время постоянна, то отрицается её рождение и гибель. Нет сверхъестественного начала и бесконечного распыления материи в конце.

    Если опять прибегнуть к аналогии с кинофильмом, то теперь эта картина будет бесконечно длинной. В какое бы время мы ни включили кинопроектор, мы увидим одну и ту же усреднённую картину Вселенной. Детали могут меняться, но основные особенности сохраняются вечно. По мере того как галактики разбегаются от камеры, их заменяют новые галактики, возникающие из непрерывно пополняемого жидкого “супа” водородных атомов. Сосуд никогда не иссякает.

    Кто может отрицать непрерывность, симметрию и даже красоту Стационарной Вселенной? Всё же некоторые отрицают. Мы живём в мире конечных величин: расстояний, которые мы проезжаем до работы, и числа дней, оставшихся до праздника. Многим кажется, что прыжок от конечных земных величин к многомерной бесконечности доступен лишь одному богу.

    Философская привлекательность теории Стационарной Вселенной состоит не только в том, что устраняется постулированный централизованный “горшок” для “варки” элементов, но и в том, что при этом отказываются также от услуг повара. Вместо того чтобы, говоря языком причинной логики, считать Вселенную, видимую сейчас в телескоп, результатом лишь единственного предполагаемого события далёкого прошлого, теория Стационарной Вселенной прокладывает путь для следующего фундаментального обобщения: Вселенная существует и ведёт себя только таким образом, чтобы навеки сохранить это существование, иначе её давным давно не было бы. Значит, природа всех физических законов должна быть такой, чтобы предотвратить разбегание галактик и конечное рассеяние и исчезновение Вселенной, т. е. они должны гарантировать вечную стабильность Стационарной Вселенной. Более того, законы природы должны быть очевидны из современных процессов, а не из экскурсов в археологию, поскольку время не играет никакой роли во Вселенной, где не происходит никаких исторических событий. Наука и учёные любят простые всеобъемлющие принципы, и здесь они их находят. Некоторые биологи полагают, что жизнь существует только для того, чтобы себя увековечивать; возможно, Вселенная является воплощением подобного первичного принципа.

    Окончательное признание теории Стационарной Вселенной зависит в первую очередь от данных наблюдений. Теория Стационарной Вселенной удовлетворяет эстетическим требованиям, а также объясняет парадокс Ольберса и красное смещение подобно тому, как это делает теория Большого Взрыва. Не отрицается расширение Вселенной. Весьма возможно, что именно творение новой материи приводит к расширению Вселенной, а не наоборот. Теория подчиняется космологическому принципу и даже более широкому требованию, так как включает время. Стационарная Вселенная не может не согласовываться с измеренным возрастом Земли, так как в ней перемешаны старые и молодые звёзды. В телескоп мы должны видеть и умирающие и рождающиеся галактики; по-видимому, на самом деле так и происходит. Общий возраст Стационарной Вселенной — понятие бессмысленное.

    Нуждается в подтверждении лишь то соображение, что земная физика приложима также и к космосу. Нарушает ли творение новой материи земные законы? Один ответ состоит в том, что закон сохранения материи и энергии применим только к конечным объёмам, и поскольку каждый атом водорода, сотворённый в 1 м³, уравновешивается таким же атомом, покидающим этот объём, закон сохранения не нарушается. Закон сохранения материи, опирающийся только на земной опыт, может быть проверен лишь в ограниченном пространстве. Скорость творения массы, требуемая Бонди, Голдом и Хойлом, значительно ниже чувствительности наших инструментов и потому не противоречит фактическому опыту. Теория также отрицает какое-либо увеличение энтропии (т. е. “порядка”) для Вселенной в целом, потому что для неё требуется неменяющаяся Вселенная. Хотя физические процессы у нас на Земле свидетельствуют о кажущейся неизбежности увеличения энтропии, мы с помощью телескопа не можем сказать, не уменьшается ли она во Вселенной в целом.

    Короче говоря, многие стороны теории Стационарной Вселенной привлекают к ней внимание ряда учёных и философов, хотя она и противоречит некоторым глубоко заложенным инстинктам. В настоящее время наши наблюдения природы не могут доказать её неправомерность.

    Сущность и мощь современной науки состоят в экспериментальном подтверждении или опровержении гипотез. Лишь в том случае, когда две гипотезы не могут быть проверены экспериментально, учёные могут себе позволить роскошь сделать эстетический выбор. Это тоже научный метод, отражение объективной реальности, за исключением таких случаев, когда гипотезы искажаются приверженцами традиционных взглядов (вспомним первоначальное сопротивление “неестественной” квантовой теории) или ретивыми коммивояжёрами. В космологии экспериментальные данные не являются решающими.

    И теория Большого Взрыва, и теория Стационарной Вселенной отвечают шести первоначально сформулированным условиям. Кроме того, как уже упоминалось, теория Большого Взрыва подкрепляется избытком красного цвета у далёких эллиптических галактик. Хотя гипотеза илема, связанная с теорией Большого Взрыва, и обеспечивает возможный механизм образования различных химических элементов, она должна была признать творение рабочего материала — протонов, нейтронов и электронов. Это признание акта творения должно нас беспокоить не более чем признание теорией Стационарной Вселенной вечного существования химических элементов. Некоторые космологи, в частности Д. Сиама, считают гипотезу создания элементов отрицательной стороной теории Большого Взрыва, так как в ней существует множество мелких противоречий, каждое из которых может погубить теорию.

    При поисках методов решающей проверки обеих главных космологий становится ясным, что большинство таких методов зависит от точных наблюдений очень далёких галактик. Атмосфера и ионосфера Земли искажают и поглощают свет и радиоволны. Предлагаемые ниже три метода в значительной степени зависят от вынесения астрономических инструментов за пределы газовой оболочки Земли — туда, где видимость лучше. Для этой цели на искусственных спутниках Земли всё в больших количествах устанавливают спектроскопы, счётчики рентгеновских лучей и радиотелескопы.

    Вот три позиции метода проверки обеих теорий:

    1. Первый метод состоит в более детальном изучении форм, размеров и спектров галактик, находящихся на различных расстояниях от нас. Если будут обнаружены какие-либо систематические изменения помимо красного смещения, вызываемого эффектом Допплера, то теория Стационарной Вселенной, требующая однородности при усреднении галактик по большим объёмам, будет развенчана. Наблюдаемый избыток красного цвета у эллиптических галактик попадает под эту категорию, но многие учёные считают это свидетельство ещё недостаточным. Серьёзную помощь оказал бы в этом деле большой телескоп, установленный на космической станции или на лишённой атмосферы Луне, где искусственный свет не мешал бы наблюдениям.

    2. Теория Стационарной Вселенной требует также, чтобы постоянная Хаббла не менялась с увеличением расстояния от Земли, т. о. чтобы расширение было равномерным. Сейчас имеются довольно неточные данные, но они как будто свидетельствуют об увеличении постоянной Хаббла с расстоянием. Один из вариантов теории Стационарной Вселенной предсказывает, что скорость разбегания галактик должна уменьшаться со временем. Таким образом, постоянная Хаббла для более далёких галактик должна быть больше, потому что мы видим их такими, какими они были миллиарды лет назад, когда разбегались быстрее. И снова для решения этого вопроса требуется больше данных.

    3. Этот способ, как и два предыдущих, учитывает основную идею теории Стационарной Вселенной об однородности — свойство, которое можно довольно легко проверить пассивными наблюдениями с Земли. Если теория Стационарной Вселенной верна, то галактики и любые другие астрономические объекты должны быть равномерно распределены в пространстве. Мы уже знаем, что для галактик это справедливо, но как обстоит дело с другими объектами? Для такой проверки выбраны радиоисточники ⁹, которые обладают тем преимуществом, что испускаемое ими длинноволновое излучение мало подвержено влиянию межзвёздной пыли. Метод состоит в том, что измеряется интенсивность каждого радиоисточника, а затем строится график число радиоисточников–интенсивность. Число радиоисточников, видимых в сфере радиусом R, должно быть пропорционально R³, а интенсивность каждого такого объёма обратно пропорциональна R². Если радиоисточники распределены равномерно и в среднем имеют одинаковую интенсивность, то на графике число радиоисточников–светимость должна получиться прямая с наклоном –3/2. Первые подсчёты такого рода, проведённые П. Ф. Скоттом и М. Райлом в Кембриджском университете, показали, что наклон прямой ближе к –1,8, к разочарованию сторонников теории Стационарной Вселенной. Однако эти результаты нуждаются в дополнительной проверке, и, как принято в науке, исследование будет дублировано другими наблюдателями.

    Рис. 4. Поглощение в атмосфере позволяет электромагнитному излучению лишь некоторых длин волн проходить к инструментам на поверхности Земли (1 мк=10^–6 м, 1 Å=1 ангстрем=10^–10 м).

    Рис. 5. Число радиоисточников, видимых радиотелескопами с большими антеннами, показывает, что с увеличением расстояния иx количество превышает число, ожидаемое теорией Стационарной Вселенной.

    Между тем сторонники теории Большого Взрыва испытывают чувство удовлетворения, потому что все данные, хотя и носящие предварительный характер, по-видимому, опровергают теорию Стационарной Вселенной. Защитники же последней заняты поисками таких модификаций своей теории, которые спасли бы её основу и при этом учитывали современные данные наблюдений, если они будут подтверждены другими учёными с помощью нового и лучшего оборудования. Даже если теория Стационарной Вселенной будет в конце концов сброшена с колесницы науки, она сыграет свою благородную роль, заставив космологов отточить карандаши и усовершенствовать теории, а также инструменты. Ведь именно гипотеза, которая поддаётся проверке, оказывается самой полезной для науки; она достаточно определенна для того, чтобы сказать “да” или “нет” на поле завершающей битвы экспериментальных данных.

    Если теория Стационарной Вселенной окажется ошибочной, это ещё не будет означать справедливости теории Большого Взрыва, хотя последняя и останется главным фаворитом. Чтобы доказать её правильность или ошибочность, придётся прибегнуть к новым методам проверки. И если одна космология отомрёт, на её месте вырастут другие. Несомненно, завтрашние инструменты, установленные на искусственных спутниках и лунных базах, откроют новые свойства Вселенной, которые потребуют лучших и более широких космологий.

ЛИТЕРАТУРА

Bondi H., Cosmology, Cambridge University, 1960.

Coleman J. A., Modern Theories of the Universe, Signet P-2270, 1963.

Eddington A. S., The Expanding Universe, Cambridge University Press, New York, 1933.

Gamow G., The Creation of the Universe, The Viking Press, New York, 1961.

Glasstone S., Sourcebook on the Space Sciences, D. Van Nostrand Co., Princeton, 1965.

Hoyle P., Galaxies, Nuclei, and Quasars, Harper & Row, New York, 1965 (русский перевод: Xойл Ф., Галактики, ядра и квазары, изд-во “Мир”, М., 1968).

Hoyle F., Frontiers of Astronomy, Harper & Bros., New York, 1955.

Hoyle F., The Nature of the Universe, Signet P-2331, 1960.

Mc Vittie G. C. General Relativity and Cosmology, University of Illinois Press, Urbana, 1965 (русский перевод 1-го изд.: Мак-Витти Дж., Общая теория относительности и космология, ИЛ, М., 1961).

Munitz М. К., Theories of the Universe, Free Press, New York, 1957.

North J. D., The Measure of the Universe: A History of Modern Cosmology, Oxford University Press, New York 1965.

Sciama D. W., Modern Cosmology, International Science and Tochnology, p. 38, Feb. 1965.

Shapley H., ed.. Source Book in Astronomy, 1900-1950, Harvard University Press, Cambridge, 1960.

Singh J., Great Ideas and Theories of Modern Cosmology, Dover Publications, New York, 1961.

Гинзбург В.Л. Современная астрофизика, изд-во “Наука”, М. 1970.

Комаров В. H., Увлекательная астрономия, изд-во “Наука”, М., 1968.

ПРИМЕЧАНИЯ:

1. Световой год — расстояние, которое свет проходит за год. Употребляется как единица измерения расстояний до звёзд и равен примерно 9 ½ триллионам километров.

2. Метод радиоактивных элементов, применённый к самым различным образцам, взятым из земной коры и метеоритов, нигде не дал возраст, больший 4,5 млрд. лет. Примерно такое же значение было получено для возраста поверхности Луны на основе анализа образцов лунных пород, доставленных на Землю при полётах “Аполлонов”. По-видимому, эта величина даёт возраст солнечной системы.

Однако само Солнце (а следовательно, и его система) не принадлежит к самым старым звёздам нашей Галактики. Возраст наиболее старых звёзд, находящихся в так называемых шаровых скоплениях, действительно может, по-видимому, достигать 10—15 млрд. лет. Трудно, однако, точно указать возраст самой старой звезды Галактики. — Прим. ред.

3. У этого представления есть не упоминаемая автором интересная предыстория. А. Эйнштейн, создавший общую теорию относительности, описывающую самые общие и глубокие свойства всемирного тяготения, попытался построить модель Стационарной Вселенной, т. е. записать и решить уравнения, описывающие однородное распределение вещества в неизменяющемся пространстве. Это ему не удалось, и Эйнштейн решил, что применять уравнения общей теории относительности ко Вселенной можно будет только после их видоизменения (он предложил ввести в эти уравнения так называемый космологический член). Однако вскоре выдающийся советский математик, физик и метеоролог А. А. Фридман показал, что уравнения Эйнштейна без всяких космологических членов можно применить ко Вселенной; их можно решить, но только это решение оказалось нестационарным. Иными словами, он показал, что если уравнения общей теории относительности правильно описывают физическую реальность, то Вселенная должна меняться со временем — она должна либо расширяться, либо сжиматься, либо пульсировать. Позднее, уже в тридцатых годах, английские астрофизики А. Милн и М. Мак-Кри показали, что общая теория относительности здесь ни при чём; уже из самых обычных законов Ньютона следует необходимость для Вселенной расширяться или сжиматься.

Таким образом, идея о расширении Вселенной была выдвинута и обоснована А. А. Фридманом. Поэтому математические модели расширяющейся Вселенной часто называют моделями Фридмана и даже “миром Фридмана”. Правда, А. А. Фридман предпочитал не обсуждать подобное начальное состояние, справедливо полагая, что для этого нет данных. Представление о начальном состоянии как Большом Взрыве какого-то состояния материи действительно было предложено Ж. Леметром. — Прим. ред.

4. Здесь неточное объяснение, которое может ввести читателя в заблуждение. Разумеется, общая теория относительности также запрещает движения материальных тел со скоростями, большими скорости света. Но здесь дело в другом. Скорость разлетания галактик ни в коем случае нельзя считать скоростью их движения в пространстве. Каждая галактика почти неподвижна относительно окружающего её пространства. Её скорость в “своём пространстве”, называемая пекулярной скоростью, как правило, не превышает тысячи километров в секунду. Разлетание Вселенной есть расширение всего пространства, и большая скорость далёких галактик есть просто как бы эффект накопления малых скоростей расширения в каждой точке пространства. — Прим. ред.

5. Нам бы хотелось предостеречь читателя от слишком буквального понимания слова “родилась”, так же как и обращения автора к богу, впрочем обычно иронического. Ни в коем случае нельзя считать, что было пустое пространство, в котором внезапно появилась материя. Такое представление столь же ошибочно, как и убеждение (к сожалению, разделяемое многими недостаточно квалифицированными популяризаторами науки), что расширение Вселенной есть разлетание шаров из галактик, движущихся в пустом пространстве с разными скоростями. Ещё раз подчёркиваем, что разлетание галактик есть расширение пространства с почти неподвижными (по космическим масштабам) галактиками. В состоянии илема само пространство и, по-видимому, также и время были другими. Здесь можно выдвигать много разных гипотез. Например, можно предположить, что до этого материя была в какой-то иной, совершенно не известной нам форме; можно считать, что сами понятия о пространстве и времени как о физических реальностях требуют ограниченности, т. е. может быть бесконечное время столь же бессмысленно, как и бесконечная скорость материального тела. Несомненно, проблема “начального состояния для расширяющейся Вселенной” будет в будущем разрешена — но только тогда, когда для этого будет достаточно наблюдательных данных. Пока их нет. — Прим. ред.

6. Здесь, к сожалению, автор допустил ту же распространённую ошибку. Никакого “места взрыва”, из которого выбрасывалась первичная материя, не было. Во всём “тогдашнем” пространстве, равномерно заполненном первичной материей, повсюду выделялась энергия. И лишь несколько позже, когда это первичное вещество остыло, из-за расширения пространства равномерно распределённая материя стала распадаться на отдельные, почти неподвижные сгущения, из которых образовались галактики, а затем и звёзды. — Прим. ред.

7. Согласно другому объяснению, избыток красного цвета вызывается межгалактической пылью — предположение, которое требует, чтобы 99 % массы Вселенной находилось в состоянии пыли.

8. Теперь можно сказать и о главном подтверждении теории Большого Взрыва. В 1965 г. было сделано одно из важнейших открытий в астрономии — был обнаружен реликтовый фон радиоизлучения. Это кванты электромагнитных волн, испущенные элементарными частицами почти сразу после Большого Взрыва. Тогда их энергия соответствовала температуре около 10 млрд. градусов. Но за 10 млрд. лет движения в расширяющемся пространстве они испытали такое сильное красное смещение, что теперь их энергия (пропорциональная частоте) соответствует температуре в 2,7 градуса по шкале Кельвина. Правда, ещё не всё достаточно ясно с интерпретацией этого реликтового фона, но почти наверняка он действительно свидетельствует о Большом Взрыве.

Знакомясь далее с теорией Стационарной Вселенной, читатель должен иметь в виду, что даже наиболее горячий её защитник, Ф. Хойл, отказался от неё. Тем не менее познакомиться с этой теорией стоит — она весьма поучительна. — Прим. ред.

9. Радиоастрономические наблюдения обнаружили большое число внегалактических источников мощного радиоизлучения. Только очень небольшую часть этих источников удалось отождествить с оптически наблюдаемыми галактиками (некоторые из них дают очень интенсивное радиоизлучение — их называют радиогалактиками) или с квазарами, о которых речь будет идти в следующей главе. Тем не менее ясно, что действительно подавляющее большинство радиоисточников есть невидимые нами галактики и их можно вполне использовать для подобного анализа.

В оригинале автор употребляет устаревший термин “радиозвезда”, который здесь заменён на более правильный термин “радиоисточник”. — Прим. ред.

Дата установки: 02.12.2008
[вернуться к содержанию сайта]

W