Большая Вселенная

Человеческое мышление не терпит ограничений. Несомненно, у читателей возник вопрос: откуда взялось то первоначальное достаточно разреженное газовое облако, из которого в дальнейшем образовались скопления галактик и галактики? Здесь мы сталкиваемся, пожалуй, с самой грандиозной проблемой современного естествознания. Речь идет о так называемой космологической проблеме. Космология занимается исследованием структуры и развития всей наблюдаемой нами части Вселенной. Конечна или бесконечна Вселенная, какая у нее геометрия, в чем причина разбегания галактик, вызывающего наблюдаемое красное смещение, - вот вопросы, которыми занимается космология. Подробнее вопросы космологии поднимались в учебном курсе «Теория относительности и ее критика» (см. §17 и §31), сейчас вернемся к этому вопросу, рассмотрев его с философской точки зрения и точки зрения перспектив развития жизни)

Эти вопросы связаны с общей проблемой эволюции Вселенной, в частности с ее наблюдаемым расширением. Если, как это считают в настоящее время, скорость разлета галактик увеличивается на 50 км/сек на каждый миллион парсек, то экстраполяция к прошлому приводит к удивительному результату: 12-15 миллиардов лет назад вся Вселенная была сосредоточена в очень маленькой области. Многие ученые считают, что в то время плотность Вселенной была около 10¹⁴ г/см т. е. такая же, как и у атомного ядра. А еще раньше, когда возраст Вселенной исчислялся ничтожными долями секунды, ее плотность была значительно выше ядерной. Такое состояние материи называют «сингулярным» - его свойства еще практически не изучена (попытками решить эту проблему занимается квантовая теория гравитации). Проще говоря, Вселенная тогда представляла собой одну каплю огромной плотности. По каким-то причинам капля пришла в неустойчивое состояние и взорвалась. Последствия этого взрыва мы и наблюдаем сейчас как разлет системы галактик.

Возникает естественный вопрос: не означает ли (в предположении, что изложенная гипотеза справедлива), что около 15 млрд. лет назад было «начало света»? Отсюда один шаг до представления, что 15 млрд. лет назад был сотворен мир... Надо сказать, что церковники широко использовали и используют описанное одно из возможных следствий наблюдаемого разлета галактик для религиозной пропаганды (а догматики, напротив, обвиняют космологию в том, что она якобы «помогает поповщине»). На этом примере видно, как церковь пытается использовать выводы современной науки, предварительно исказив и извратив их.

Следует, однако, иметь в виду, что если вывод о том, что 15 млрд. лет назад вся Вселенная представляла собой сверхплотную ядерную каплю, является правильным (а это, по-видимому так), суждения о «начале» и тем более «сотворении» мира являются ненаучными. Теория относительности утверждала, что вообще само понятие «время» при таких огромных плотностях может потерять всякий наглядный смысл. Столь же бессмысленно говорить в таких условиях о каком-то «начале времени» - речь идет всего лишь о том, что в момент Большого взрыва произошел фазовый переход материи из «сингулярного» состояния в состояние, привычное нам. Такой переход должен описываться законами законы квантовой теории тяготения - науки, которая пока еще находится в зачаточном состоянии. Излишне подчеркивать, что в условиях такой Вселенной «сверхплотной капли» никакая жизнь невозможна.

Нужно, однако, заметить следующее: нельзя заранее исключить, что наблюдаемая нами сейчас картина разлета галактик происходила с одинаковой скоростью и в сколь угодно далеком прошлом. Ведь можно считать, что в прошлом скорость разлета галактик была другой и, в частности, меньшей. Недавние открытия в космологии (гипотеза «темной материи» дает дополнительные аргументы в пользу таких выводов). Некоторые космологи полагали, что Вселенная не расширялась «от точки» с постоянной скоростью, а как бы пульсировала между конечными пределами ее средней плотности. Это означало бы, что в прошлом скорость разлета галактик была меньше, чем сейчас, а еще раньше система галактик, может быть, даже сжималась, т. е. галактики приближались друг к другу с тем большей скоростью, чем большее расстояние их разделяло. И в будущем наблюдаемая нами сейчас эпоха красного смещения сменится «фиолетовым смещением».

Необходимо, однако, заметить следующее. Если бы даже гипотеза «пульсирующей между конечными значениями плотности Вселенной» оказалась правильной она не стала бы альтернативой гипотезе «сверхплотной капли» как начального состояния Вселенной. Дело в том, что нельзя себе представить неограниченно большое число пульсаций между пределами средней плотности. которые ниже ядерной.

В самом деле во Вселенной идет необратимый процесс - превращение водорода в гелий при термоядерных реакциях в недрах звезд. В наблюдаемой нами (довольно значительной) части Все ленной ужё несколько десятков процентов атомов водорода превратились в атомы гелия. На этот процесс могло уйти самое большее несколько десятков миллиардов лет. Если бы Вселенная в том. при Мерно, виде, в каком мы ее наблюдаем сейчас, существовала свыше сотни миллиардов лет, она была бы «почти гелиевая» Весь водород уже давно выгорел бы, светимости звезд, образующих галактики, были бы малы. Но этого заведомо нет. Другими словами, наблюдаемая нами Вселенная термодинамически достаточно молода. Так как пульсации Вселенной между не слишком большими пределами плотности не могут изменить темп эволюции звезд, можно сделать вы вод, что если пульсации Вселенной в прошлом и имели место, число их можно пересчитать по пальцам одной руки...

Можно себе представить (по крайней мере, математически) неограниченно большое число пульсаций, при которых, однако, в каждом цикле Вселенная сжимается по крайней мере до ядерных плотностей. Ядра гелия (так же как и других элементов) при этом распадаются на нуклоны и как бы «обезличиваются». А потом все опять начинается сначала... В этой модели Вселенная вполне может быть уподоблена легендарной птице Феникс...

Вряд ли, однако, это так. Простое повторение циклов по существу исключает развитие Вселенной в целом, что философски совершенно неприемлемо. И уж если Вселенная когда-то «взорвалась» и стала расширяться - не проще ли считать, что это было один раз...

Развитие астрофизики, и особенно радиоастрономии, в последние годы показало полную несостоятельность концепции пульсирующей мёжду конечными пределами плотности Вселенной.

По настоящему альтернативой концепции эволюционирующей от сверхплотной капли Вселенной является гипотеза не меняющейся, сохраняющей свои характеристики Вселенной, которой придерживается известный английский астрофизик Хойл и некоторые другие ученые. Неизменность Вселенной (несмотря на ее расширение) в этой гипотезе достигается допущением, что имеет место непрерывное «творение» материи из... ничего. Эта странная идея физически ничем не обоснована и, по существу, противоречит закону сохранения материи.

Окончательно решить вопрос - эволюционирует ли Вселенная или остается неизменной - смогли только астрономические наблюдения. Эти же наблюдения должны решить вопрос об общих свойствах Вселенной (например, вопрос об ее конечности, характере метрики и пр.).

Наиболее эффективными для решения космологической проблемы являются радиоастрономические методы исследования. Современные большие радиотелескопы позволяют изучать радиогалактики и квазары, удаленные на такие огромные расстояния, свет от которых был испущен на самой заре существования нашей Вселенной.

Прежде всего, радиоастрономические наблюдения позволяют уверенно исключить гипотезу «неизменной» Вселенной. Найдено, что пространственная плотность радиогалактик и квазаров, удаленных от нас на расстояние в несколько миллиардов световых лет. 1 больше, чем в сравнительной «близости» от нас). Это означает, что в более ранние эпохи эволюции Вселенной отношение числа радиогалактик к числу всех галактик было значительно больше, чем сейчас. Причиной этого явления может быть, например, значитё большая плотность межгалактического газа. Следовательно, приток этого газа в области галактических ядер был тогда значительно более интенсивен, чем в нашу эпоху расширения Вселенной. Если взрывы в галактических ядрах, являющиеся причиной образования радиогалактик, связаны с притоком межгалактического газа, то, очевидно, наблюдаемый радиоастрономами эволюционный эффект будет объяснен. Впрочем, возможны и другие объяснения. Но, так или иначе, радиоастрономичсские наблюдения говорят о том, что миллиарды лет тому назад Все ленная была другая, чем сейчас, т. е. она эволюционирует.

Однако самый выдающийся вклад в космологию радиоастрономия сделала в 1965 г., когда при испытании новой, весьма чувствительной приемной радиоаппаратуры в лаборатории Бэлла (США) на волне около 7 см был обнаружен совершенно новый тип космического радиоизлучения, интенсивность которого со всех направлений на небе была одинаковой. На более длинных волнах это излучение наблюдать затруднительно, так как оно «маскируется» более интенсивным радиоизлучением Галактики и Метагалактики. Дело в том, что, как показали дальнейшие наблюдения на других волнах сантиметрового диапазона, интенсивность этого излучения растет с ростом частоты пропорционально квадрату последней, между тем как интенсивность галактического и метагалактического синхротронного радиоизлучения довольно быстро падает с ростом частоты (рис. 20). Спектр и интенсивность вновь открытого изотропного радиоизлучения соответствует черному телу, нагретому до температуры около З Кельвина. Это излучение заполняет всю Метагалактику, так как никакой концентрации к Млечном Пути не обнаруживает (оно ведь изотропно!). Простой расчет показывает, что плотность энергии нового типа излучения составляет приблизительно 10^-19 Дж/см³. Это значительно больше плотности всех видов энергии в Метагаактике, например, энергии оптического излучения от галактик, кинетической энергии движения материи и пр. Только плотность энергии покоя, (или, как говорят, «размазанная»? плотность метагалактической материи), превышает плотность энергии открытого в 1965 г. нового вида излучения.

Объяснение этого таинственного «трехградусного» излучения, наполняющего всю Вселенную, было дано очень быстро. Еще в 1948 американский физик русского происхождения Г. Гамов (тот самый, который за двадцать лет до этого объяснил альфа-распад радиоактивных ядер на основе представлений квантовой механики) разработал теорию первоначально очень горячей расширяющейся Вселенной. Речь идет о самых ран них этапах ее эволюции, когда не было ни звезд, ни галактик, ни даже тяжелых элементов (ведь последние образуются только в недрах звезд). По мере расширения этого чрезвычайно горя чего «огненного шара» его температура должна быстро падать (по той же причине, по которой охлаждается расширяющийся в пустоту газ). Наконец, когда температура газа упадет приблизительно до 4000° (как показывают расчеты, это было тогда, когда «возраст» Вселенной был около З млн. лет, а размеры примерно в 1000 раз меньше современных), водород перестанет быть ионизованным. После этого заполняющее Вселенную излучение (которое в ту эпоху соответствовало нагретому до 4000° телу) перестанет взаимодействовать с веществом и в дальнейшем будет менять свою интенсивность и спектральный состав не так, как расширяющаяся Материя. Расчеты показывают, что по мере расширения Вселенной это излучение будет все время сохранять свой равновесный характер (т. е. описываться известной формулой Планка), а его температура будет убывать обратно пропорционально размерам Вселенной. Между тем газ будет охлаждаться значительно быстрее обратно пропорционально квадрату размеров? Вселенной. Так как после «отклейки» излучения от вещества Вселенная увеличила свои размеры более чем в 1000 раз, то сейчас температура заполняющего Вселенную излучения должна быть около 3°; именно это излучение и было обнаружено сотрудниками лаборатории Бэлла. Таким образом, это излучение не генерируется какими-либо телами «современной» Вселенной, а отражает ее состояние на раннем этапе эволюции. По этой причине И.С.Шкловский назвал его «реликтовым» и сейчас этот термин получил всеобщее распространение. Подобно тому, как не которые виды животных и растений являют собой анахронизм и оказываются «застывшими» остатками той жизни, которая была на Земле в прошедшие геологические эпохи (например, сумчатые млеко питающие, некоторые виды рыб и т. д.), трехградусное излучение есть как бы «реликт» давно прошедшего этапа в эволюции мира.

Обнаружение реликтового излучения, наряду с открытием Хабблом «разбегания» галактик, является крупнейшим достижением наблюдательной космологии. Оно резко сокращает количество возможных гипотез об эволюции Вселенной. Например, оно, по-видимому, закрывает гипотезу стационарной, не меняющейся со временем Вселенной, о которой речь шла выше. Оно делает также несостоятельной гипотезу пульсирующей между конечными значениями средней плотности Вселенной. Теперь можно считать полностью доказанным основное положение, что Вселенная эволюционирует, и притом сильнейшим образом. Вместе с тем открытие реликтового излучения и его объяснение демонстрирует поистине безграничные возможности познания объективно существующего, реального мира. Стоит немного задуматься: до 1963 г. максимальное наблюдаемое значение красного смещения было равно 0,47 (для радиогалактики 3С 295). В этом случае наблюдаемый объект излучал тогда, когда размеры Вселенной были в пол тора раза меньше, чем сейчас, и она была моложе в 2 раза. И вот всего лишь через 2 года после обнаружения квазаров открывается реликтовое излучение, позволяющее наблюдать Вселенную, когда ее размеры были примерно в 1000 раз меньше современных, а возраст - в десятки тысяч раз меньше. И мы «непосредственно» видим, что в столь отдаленную эпоху еще никаких галактик и звезд не было и в помине, а Вселенная представляла собой просто расширяющееся, довольно горячее облако водородно-гелиевой плазмы с плотностью в несколько тысяч частиц на кубический сантиметр. Это простейшая астрофизическая плазма, сходная с плазмой планетарных туманностей, но только «попроще» - ведь тяжелых элементов, присутствующих в планетарных туманностях, тогда еще не было. Есть, однако, одно существенное различие: в то время как плотность излучения в планетарных туманностях сравнительно невелика, наш «огненный шар» наполнен равновесным планковским излучением, плотность энергии которого на много порядков больше, чем плотность тепло вой энергии плазмы. И вот надо представить, что закономерное развитие этого простейшего плазменного облака, наполненного равновесным излучением, привело к той невероятно богатой кар тине Вселенной, которую мы сейчас наблюдаем. Огромное разнообразие звезд, включая сюда и нейтронные звезды, планеты, кометы, живую материю с ее невероятной сложностью и много еще такого, о чем мы сейчас не имеем даже понятия,? все в конце концов развилось из этого примитивного плазменного облака. Невольно напрашивается аналогия с каким-то гигантским геном, в котором была закодирована вся будущая, невероятно сложная история материи во Вселенной... Конечно, это весьма поверхностная аналогия, но чувство безмерного удивления остается, по крайней мере у автора этой книги...

Кто может поручиться за то, что успехи науки в ближайшие не сколько лет или десятилетий не позволят «заглянуть» в еще более ранние эпохи эволюции Вселенной? Заглянуть не глазами теоретиков (которым в известных пределах все позволено а найти экспериментально нечто похожее на «реликтовые» кванты, но дающие ин формацию о гораздо более молодой Вселенной. Какой же она была до того, как излучение «отклеилось» от вещества? Ученые надеются, что продвинуться в еще более ранние эпохи существования Вселенной поможет сооружаемый в европейском ядерном центре ускоритель LHC (Large Hadron Collider – Большой адронный коллайдер). Этот ускоритель должен будет сообщать сталкивающимся частицам энергию, достаточную для образования кварк-глюонной плазмы – именно в таком состоянии существовала Вселенная в свои первые мгновения, когда не было еще ядерной материи (нуклонов) в привычном нам понимании, а кварки (составные частицы нуклонов) и склеивающие их глюоны находились в равновесии между собой.

Вероятно, «следами» той эпохи могут быть нейтрино, для которых чудовищной плотности слои вещества - не преграда. Сейчас нейтринная астрономия делает лишь свои первые. Ее развитие будет неизбежно сопряжено с огромными трудностями. Но высочайшая цель - найти во Вселенной реальные (т. е. материальные) следы первых мгновений жизни Вселенной, должна оправдать все усилия на трудном пути развития нейтринной астрономии.

Вернемся, однако, к эпохе эволюции Вселенной, когда произошла «отклейка» излучения от вещества и возникли реликтовые кванты, улавливаемые современными радиотелескопама. Впереди еще гигантский эволюционный путь до современного состояния Вселенной. Плазма довольно быстро становится нейтральным водородно-гелиевмм атомарным газом. Этот газ, расширяясь, быстро охлаждается, гораздо быстрее, чем излучение. Можно показать, что молекулы водорода образоваться не успеют - слишком мала скорость соответствующей химической реакции. Когда размеры Вселенной увеличатся в несколько десятков раз, а температура газа опустится ниже 5° шкалы Кельвина, наступит следующий очень важный период ее развития. Первоначально почти однородная газовая среда разобьется на отдельные сгустки. Причиной такой «фрагментации» в конечном итоге является закон всемирного тяготения. Детали этого важнейшего процесса известны сейчас очень плохо, но он, несомненно, имел место. Из этих сгустков, являющихся «протоскоплениями» галактик, путем дальнейшей фрагментации образовались меньшие сгустки. В их центре формировались «черные дыры», вокруг которых собирались сгустки вещества, постепенно эволюционировавшие в галактику. После этого расширение Вселенной сводилось к разлету галактик (т. е. к непрерывному увеличению расстояния между галактиками), между тем как сами галактики практически не расширялись.

Таким образом, нарисованная картина показывает, что галактики, а потом звезды образовались на сравнительно позднем этапе эволюции Вселенной, когда размеры последней были примерно в 10 раз меньше, чем сейчас. На ранних этапах своей эволюции галактики, по-видимому, были значительно более активны, чем в наши дни (об активности галактик, точнее их ядер, см. предыдущую главу). Именно поэтому количество радиогалактик и квазаров в ту довольно отдаленную от нас эпоху было значительно больше, чем сейчас, о чем речь шла выше. Далеко не весь газ Вселенной сконденсировался в галактики. Некоторая часть газа осталась в межгалактическом пространстве. Ультрафиолетовое и рентгеновское излучение образовавшихся к тому времени звезд и галактических ядер будет ионизовать и нагревать межгалактический газ. Температура его поднимется до многих десятков миллионов градусов. Таким образом, ожидаемая довольно высокая температура межгалактического газа в современной Вселенной есть результат его вторичного разогрева - ведь к моменту образования скоплений галактик он был очень холодный. Межгалактическое пространство заполнилось также сверхэнергичными заряженными частицами и космическими лучами, которые образовались в результате активности ядер галактик и взрывов сверхновых звезд. До образования галактик во Вселенной не было космических лучей так же, как и тяжелых элементов. Постепенно Вселенная стала принимать те черты, которые мы сейчас наблюдаем.

Итак, Вселенная эволюционировала и эволюционирует. Эта эволюция, являющаяся ее основной особенностью, наблюдается на всех уровнях. Мы сейчас обрисовали картину эволюции Вселенной в целом от примитивной водородно-гелиевой плазмы до того грандиозного своим многообразием феномена, который мы наблюдаем сейчас. В свою очередь эволюционируют галактики от простейших облаков до сложных спиральных звездных систем с огромным разнообразием популяций. Об эволюции звезд мы уже говорили. В последующих главах речь будет идти об эволюции планетных систем. И, конечно, огромную эволюцию претерпела жизнь на Земле и, как следует полагать, на других планетах.

Современная наука о Вселенной  - астрономия - вся насквозь эволюционна. Не всегда так было. Только развитие нашей науки, потребовавшее огромных усилий от ее творцов, привело к эволюционному взгляду на Вселенную, причем не в плане умозрительных заключений, а на основе строгого анализа фактов. В ХVIII, ХIХ и даже первой половине ХХ столетия астрономия была статичной, застывшей. Изучались с большой точностью движения планет и комет, модели звездных атмосфер, их химический состав. И это, конечно, было очень важно. Но истинная картина меняющейся поражающей многообразием явлений, богатой скачкам и взрывами Вселенной стала ясной астрономам только в последние десятилетия.

Однако вернемся к космологии. Для решения общих вопросов о геометрии и метрике Вселенной очень важно оценить среднюю плотность вещества в ней. Эта оценка имела бы большое значение для выбора модели Вселенной, т. е. для вопроса о ее конечности или бесконечности. Для того чтобы Вселенная была замкнута, нужно, чтобы средняя плотность межгалактического газа была примерно в 30 раз больше «размазанной» плотности галактик. Пока, особенно в связи с открытием «темной материи», вопрос о средней плотности Вселенной остается открытым.

Приходится также слышать мнение, что вывод о замкнутости Вселенной якобы несовместим с философией диалектического материализма. Это, конечно, заблуждение. Основным атрибутом Вселенной с точки зрения философии диалектического материализма является ее объективное существование и познаваемость. Нелепо связывать судьбу этой философии с каким-нибудь конкретным свойством Вселенной, например свойством конечности или бесконечности. Закономерности Вселенной потому и называются объективными, что не зависят от предвзятых взглядов от дельных людей, плохо понимающих дух философии диалектического материализма.

Для проблемы происхождения и развития жизни во Вселенной ее расширение имеет очень большое значение. Как легко показать математически, плотность поля излучения в бесконечной Вселенной, равномерно заполненной излучающими объектами, должна быть очень большой. Так как в этом случае звезды должны экранировать друг друга, то поверхностная яркость неба должна быть такой же, как у звезд или Солнца. Иными словами, небо было бы ослепительно ярко, а температура материи во всей Вселенной была бы около 5-10 тыс. °К. Тот факт, что яркость неба, обусловленная излучением всех объектов Вселенной, все-таки незначительна, хотя Вселенная может быть и бесконечной, требует объяснения. Эта проблема известна астрономам уже свыше полутора столетий. Она получила название «фотометрический парадокс».

Еще в ХIХ столетии делались попытки устранить фотометрический парадокс при помощи тех или иных гипотез о характере распределения излучающих объектов во Вселенной. Эти попытки, однако, носили весьма искусственный характер и оказались неудачными. Столь же неудачны были попытки устранения фотометрического парадокса путем введения поглощающей материи, распределенной по всей Вселенной. Анализ показал, что наличие такой поглощающей свет материи только усилило бы парадокс.

Развитие современной космологии устранило фотометрический парадокс. Решающим обстоятельством является наличие красного смещения в спектрах галактик. Благодаря этому явлению кванты света - фотоны, излученные очень далекими галактиками и дошедшие до нас, как бы «деградируют» или «тощают»: соответствующие им длины волн становятся все больше и больше, а энергии уменьшаются. Излучение самых удаленных от нас частей Вселенной благодаря явлению красного смещения уходит в длинноволновую, невидимую область спектра, и его интенсивность сильно падает. Можно сказать, что красное смещение как бы «срезает» излучение далеких областей Вселенной, тем самым устраняя фотометрический парадокс.

Необходимо подчеркнуть, что явление красного смещения, вызванного расширением, разлетом галактик, благоприятствует возникновению и развитию жизни в тех или иных уголках Вселенной. Если бы Вселенная не расширялась и была бы бесконечной, температура в ней была бы настолько высокой, что даже простейшие молекулярные соединения вряд ли могли образоваться. Конечно, нарисованная в этой главе картина развития и эволюции Вселенной является самой общей и по мере развития науки должна конкретизироваться и уточняться. Не исключено, разумеется, что отдельные важные детали этой картины претерпят существенное изменение. Но основной вывод, к которому подводит нас развитие космологии и астрофизики во второй половине ХХ столетия, вряд ли будет поколеблен: в истории развития Вселенной, рассматриваемой как целое, были (и, вероятно, будут) эпохи, весьма затрудняющие, если не исключающие, возникновение и развитие жизни. Жизнь есть закономерный этап развития материи во Вселенной. Тем более это относится к разумной жизни.