Текст книги "Занимательно о космологии"

Автор книги: Анатолий Томилин

сообщить о нарушении

Текущая страница: 16 (всего у книги 20 страниц)

Обычно сегодня считают, что H = 75÷100  ^км/ _{сек·Мгпс}. Понятно, что переход на новую шкалу увеличил и расстояния до галактик, увеличил и время жизни вселенной, сведя его к приемлемой величине. Действительно, теперь

T =  ¹/ _H = 1  Мгпс/(100÷75)  ^км/ _сек = 3,086·10 ¹⁹  км/(100÷75)  ^км/ _сек = (10÷13)·10 ⁹  лет.

Пришло время для того, чтобы попытаться определить горизонты окружающего нас мира.

Горизонты вселенной

Люди давно заметили, что небесные тела «любят» объединяться в системы. Первая из таких систем – наша собственная Земля – Луна.

У Сатурна, опоясанного уникальным кольцом, десять спутников. У Юпитера – двенадцать. Наше Солнце, по существующим воззрениям, обыкновенная звезда, каких пруд пруди, имеет тоже систему из девяти открытых на сегодняшний день планет с тридцатью двумя спутниками. Ну, а звезды? В какие системы объединяются они?

Звезды составляют различные системы: двойные, тройные, кратные. Более крупными коллективами являются рассеянные звездные скопления: от десятков и сотен до тысячи и двух тысяч звезд. Еще более крупными объединениями являются шаровые звездные скопления, насчитывающие иногда более миллиона звезд. Академик В. А. Амбарцумян открыл еще один тип звездного содружества – ассоциации молодых, горячих звезд. Все эти содружества входят в состав гигантской звездной системы, носящей название Галактики и содержащей около ста миллиардов членов.

Первым вполне научно и убедительно описал Галактику Вильям Гершель. Он наглядно объяснил, что все наблюдаемые звезды образуют огромную звездную систему, по форме напоминающую линзу. Систему назвали Галактикой. Однако это предположение долгое время не выходило за рамки гипотезы.

В двадцатые годы нашего столетия Хаббл доказал, что спиральные и некоторые другие туманные пятнышки, с трудом различимые на фотографиях, сделанных с помощью мощных инструментов, на самом деле являются удаленными от нас звездными системами, вполне сравнимыми по размерам с нашей Галактикой. Началась новая эпоха в астрономии. Радиус исследуемого человеком мира увеличился в десятки тысяч раз. Это количественное расширение горизонтов не могло не повлечь за собой и качественного изменения взглядов на вновь открываемые объекты. Во вселенной нет ничего единственного и неповторимого, но природа не ставит и на конвейер свои объекты: галактики, радиогалактики, квазары, квазаги, пульсары – кто скажет, что ждет наших астрономов, когда в строй вступит новый советский сверхтелескоп с шестиметровым зеркалом?..

Наша Галактика окружена шестнадцатью соседями – тоже галактиками, образующими довольно тесную группу – Местную систему. Астрономы полагают: есть основания считать, что все до сих пор открытые семнадцать членов Местной системы связаны не только какими-то физическими законами, общими для всей группы, но и общим происхождением. Наблюдая миллионы галактик, разбросанных почти во всех уголках неба, астрономы заметили, что галактики также имеют тенденцию к группированию, объединяясь в скопления галактик. А нельзя ли в таком случае по аналогии со звездами предположить, что скопления галактик также объединяются в некую сверхсистему?

В 1953 году французский астроном Вокулер высказал мнение, что наиболее яркие (до 12-й видимой звездной величины), то есть ближайшие к нам галактики, определенно концентрируются, объединяясь в колоссальную сплюснутую систему, которую он и назвал сверхсистемой галактик. При этом советский астроном Б. Л. Воронцов-Вельяминов обнаружил, что не все наблюдаемые галактики входят в эту сверхсистему. Значит, это не метагалактика, включающая в себя все объекты, находящиеся в пределах, доступных обозрению.

Но тогда возникает вопрос: нельзя ли следующей ступенью организации вещества во вселенной считать метагалактику?

Непосредственно наблюдаемых фактов для такого вывода пока как будто нет. И все-таки некоторые основания предполагать, что такая система, как метагалактика, существует, имеются.

Существует не очень отчетливое предположение, что в состав метагалактики входит столько же гигантских звездных островов, сколько примерно звезд содержит такая Галактика, как наша, и что метагалактика является автономной системой галактик. Размеры метагалактики не трудно подсчитать, если заранее пойти на признание закона Хаббла. Строго-то говоря, он не совсем точен для очень больших расстояний. Но давайте пренебрежем этим обстоятельством. Тогда границы обозримой вселенной отодвинутся от нас на расстояние, на котором находятся галактики, уносящиеся от нас со скоростью света C.

Итак, закон Хаббла: v =  H ·  r.

Отсюда, если v= 300 000  км/сек, то

r =  v/ H = 300 000  ^км/ _сек/(100÷75)  ^км/ _{сек·Мгпс} = (3000÷4000)  Мгпс.

Нельзя сказать даже, что это «огромное» расстояние. Это просто ни с чем не сообразное расстояние в 10 ²⁸сантиметров, которое нет смысла переводить в километры. Все равно его себе не представить.

Есть предположение, что метагалактика не является последней ступенью организации вещества во вселенной. Но ежели метагалактика не вся вселенная, то позволительно задать вопрос: что же дальше?

А дальше, говорят некоторые ученые, по-видимому, «следует предположить существование других метагалактик с еще большими расстояниями и, может быть, еще более грандиозными схемами организации».

«Вот это здорово! – имеет право воскликнуть читатель. – А не кажется ли автору, что изгоняемый с самых первых страниц „демон бесконечности“ снова контрабандой проник в картину мира?»

Ну, что может ответить на это автор. Он сокрушенно разведет руками и невнятно пробормочет что-то, ссылаясь на спиральный путь развития познания и на новый, все более возрастающий уровень наших знаний о бесконечности по сравнению не только с греками и арабами, но и с концепцией Ньютона и Лобачевского, Римана, Эйнштейна и Фридмана.

Отец Жорж решает уравнения

«Я только решаю уравнения. Разбираться в их физическом смысле должны физики». Эти слова с небольшой степенью достоверности приписываются Александру Александровичу Фридману. Дело в том, что «вселенные Фридмана» расширялись потому, что этого требовали от них решения космологических уравнений Эйнштейна. И все! Полвека назад это выглядело вовсе не так наглядно, как может показаться нам с позиций 1971 года. Люди жаждали увидеть физическую картину рождения вселенной, соответствующую абстрактной математической схеме. Люди требовали интерпретации математических решений.

В 1931 году профессор университета в Лувене, в Бельгии, аббат Жорж Эдуард Леметр (1894–1966) выступил с предложением рассматривать «нуль-пункт» вселенной именно как момент, когда все вещество, вся материя вселенной была исторгнута в разных направлениях из крошечного объема, стремящегося в «нуль-пункте» пространства и времени к нулю. Для некоторых эта гипотеза снова запахла «сотворением мира». Нечто из ничего! На такие чудеса способен только господь бог. О Жорже Леметре почти не найти подробных сведений, хотя он прочно входит в первую пятерку космологов-релятивистов. Причина, очевидно, в двойственности его жизни и судьбы.

В 1922 году двадцативосьмилетний Леметр рукоположен в сан. А в 1923–1924 годах усиленно изучает астрофизику в Кембридже и в Массачусэтском технологическом институте. Там же защищает он и диссертацию. В 1927 году Леметр возвращается в Бельгию, где он становится профессором астрономии католического университета в Лувене. Леметр много занимается вопросами общей теории относительности. Примерно девяносто процентов всех его работ (а он опубликовал 73 труда) посвящены общерелятивистской космологии и проблемам ОТО.

В 1931 году Леметр первым очень наглядно описал, как некогда все вещество вселенной было сдавлено в один ком, который он назвал «отцом-атомом», и как в один прекрасный момент t = 0 «отец-атом» взорвался. Осколки его, первоначального комка материи, полетели (и продолжают разлетаться сейчас) в разные стороны, породив наблюдаемую вселенную со всеми атрибутами ее пространства-времени.

Леметровская модель была легка для понимания и очень эффектна. Его решение немного отличалось от решения Фридмана. Радиус кривизны менялся во времени как бы с «остановкой». При этом сам Леметр, понимая несостоятельность «гипотезы творца», относился к ней с большой осторожностью и был далек от примитивного представления о боге-кудеснике, создавшем мир из ничего. Вот что сказал он по поводу теории расширяющейся вселенной с «началом» на XI Сольвеевском международном конгрессе в 1958 году, посвященном вопросам космологии.

«В той мере, в какой я могу судить, такая теория полностью остается в стороне от любых метафизических или религиозных вопросов. Она оставляет для материалиста свободу отрицать любое трансцедентное бытие. В отношении начала пространства-времени материалист может оставаться при том же мнении, которого он мог придерживаться в случае неособенных областей пространства-времени».

Так что Леметр, хоть и был аббатом – отцом Жоржем, вопросы веры и знания старался не смешивать. Однако вряд ли нашего читателя особенно заинтересует проблема отношений священнослужителя со своим кумиром. Да и наша задача иная. Как ученый Ж. Э. Леметр, безусловно, выдающаяся личность. Почетный доктор ряда университетов, член Бельгийской и Итальянской академий наук, он становится также членом Ватиканской – Папской академии наук и даже избирается в последние годы ее президентом.

Один из немногих ученых мира Леметр в 1953 году награжден медалью Эддингтона.

Международная премия за популяризацию научных идей Георгию Гамову

В свое время модель Леметра сыграла весьма существенную роль в развитии мировоззрения. Особенно популярной стала она после того, как физик Георгий Гамов (1904–1968) назвал теорию Леметра теорией большого взрыва и доработал ее начальный этап.

Фигура Георгия Антоновича Гамова весьма одиозна. И, наверное, автор бы не стал даже упоминать о его биографии, ограничившись изложением теории, если бы не смерть ученого, которая подвела грустный, но неизбежный итог избранной им для себя жизни.

Родился Георгий Гамов в Одессе, там же начал учиться, наблюдать звезды в подаренный отцом телескоп; в Одессе Гамов кончил и среднюю школу. Отпраздновав это событие, юноша поступил в Ленинградский университет. Годы учебы совпадают со временем бурного становления советской физики. Именно этот период дал нашей стране П. Л. Капицу и Н. Н. Семенова, И. В. Курчатова и Ю. Т. Харитона, В. Н. Кондратьева и А. П. Александрова, И. К. Кикоина и многих других видных ученых наших дней. Сейчас это старшее поколение советских физиков – нобелевские лауреаты, лауреаты Ленинских премий, а главное, люди, чьи имена знает и произносит с уважением народ родной страны…

Со многими из них начинал, был знаком, спорил и работал вместе Георгий Гамов. В 1928 году он защитил диссертацию и был направлен в группе талантливой молодежи в летнюю школу в Геттинген – эту «Мекку науки» начала столетия. Затем он совершенствуется в Кавендишской лаборатории у Эрнста Резерфорда и Чадвика. В Копенгагене он встречается с Нильсом Бором, которому рассказывает о своих работах по квантовой теории и строению ядра. Бор приглашает его на год к себе в Институт теоретической физики, добивается для него стипендии Датской королевской академии наук. Ослепительная научная карьера, огромный талант и блестящие перспективы. В 1931 году Гамов возвращается в СССР и избирается членом-корреспондентом Академии наук СССР – это в двадцать-то семь лет!

Но вот наступает 1933 год. Вместе с другими советскими учеными Георгий Антонович Гамов едет на Сольвеевский конгресс в Брюссель, где получает приглашение прочесть цикл лекций по ядерной физике в Мичиганском университете.

После недолгого пребывания во Франции в институте Пьера Кюри он переезжает в США, где начинает постоянную работу в качестве профессора физики университета Георга Вашингтона в Вашингтоне. Там в сотрудничестве с венгерским эмигрантом Э. Теллером он разрабатывает свою знаменитую теорию бета-распада. Затем публикует ряд работ по теории ядерной жидкости и ядерным реакциям в звездах. Вместе с Шенбергом развивает теорию «Урка процесса», которая привлекла внимание специалистов к роли нейтрино в звездных процессах. (Одессит Гамов не мог удержаться, чтобы не ввести жаргонное словечко для обозначения процессов «похищения» энергии. Так «урки» получили гражданство в научной литературе.) Здесь же начинает разрабатывать теорию образования элементов. Вступление Америки во вторую мировую войну не изменяет интересов Гамова. Он становится научным консультантом ряда военных учреждений, принимает участие в манхэттенском проекте, консультируя группу Лос Аламоса, занимающуюся непосредственно созданием атомной бомбы.

Позже его совместные работы с Теллером помогли американцам соорудить и взорвать свое первое водородное чудовище… Пожалуй, тогда-то впервые и поднялся в его душе гребень волны сожаления особенно высоко. Ни отъезд его, Гамова, одного из ведущих советских физиков тридцатых годов, ни война, выигранная его родным, но покинутым им народом, не остановили развитие науки. А не уехал бы он, этот процесс, может быть, шел бы еще быстрее. Впрочем, в то время, когда американцы еще только монтировали неуклюжую установку для производства водородного взрыва, в Советском Союзе уже была готова, испытана и передана в серийное производство водородная бомба.

После войны Гамов отходит от ядерной физики. Отголоски его прошлых трудов еще слышатся в разрабатываемой им космологической гипотезе большого взрыва в 1947–1949 годах. Но в 1954 году он резко меняет направление исследований и начинает заниматься вопросами биологии. И здесь снова вспышка таланта – Гамов предлагает идею генетического кода и публикует целый ряд пионерских работ по биологии.

В 1956 году он переходит на работу в университет Колорадо, где остается уже до конца жизни.

20 августа 1968 года Георгия Антоновича Гамова не стало. Переехав в США, он оборвал все связи с родиной, полностью натурализовался. И все-таки до конца жизни оставался русским, тосковал по России и умер одиноким и скорбным – обычная судьба эмигранта. Независимо от таланта, ума или иных качеств нет для человека более горькой судьбы, чем потерять родину. Даже если внешне его жизнь будет казаться парадом благополучия.

В Америке Гамов много занимался популяризацией науки. Им написано более сотни научных работ и около тридцати научно-популярных статей. Издано около тридцати томов его книг, из них двадцать три научно-популярные. Гамов был членом многих академий мира, а в 1956 году ООН присудила Гамову Международную премию за выдающийся вклад в популяризацию научных идей. Подобный акт – большая редкость, и надо быть действительно «выдающимся популяризатором», чтобы в нашем мире удостоиться чести признания… Впрочем, с примером образца популярного мышления Г. А. Гамова читатель сам может познакомиться в следующем параграфе.

«Big bang», или «Большой взрыв», в науке о происхождении вселенной

Итак, вы помните, уважаемый читатель, что аббат Леметр дал идею «рождения» вселенной. При этом он предусмотрительно не доводил кривую изменения радиуса кривизны до начала координат. Да и сами оси предпочитал рисовать с разрывом в этой «особой» точке. Нет, о начальном периоде развития вселенной профессор Леметр предпочитал не говорить вообще…

Гамов заинтересовался именно началом. Его не устраивали названия – «первичный атом». Он предпочел назвать ком первичной, плотно спрессованной и раскаленной праматерии, находящейся в «довзорвавшемся» состоянии, илемом, позаимствовав этот термин у Аристотеля. (Стагирский философ обозначал так основную субстанцию вселенной.)

По мнению Гамова, эволюция вселенной разбивается на пять стадий. Сначала илем состоял из очень сжатой (плотной) массы водорода, у которого все электроны оболочек вдавлены в протоны ядер, а возникшие в результате этой операции нейтроны сжались еще до предела, образовав однородную массу колоссальной плотности да еще находящуюся при весьма высокой температуре.

В 1948 году Гамов вместе с соавторами Р. Альфером, Г. Бете, фамилии которых удачно образовывали начало греческого алфавита, дал «альфа, бета, гамма-теорию» образования элементов в результате взрыва илема. (Истины ради надо сказать, что Бете никакого участия в этой работе не принимал и его имя понадобилось Гамову для изящества заголовка.) Указанная теория предполагала, что илем разлетелся буквально на отдельные нейтроны. Нейтроны же в существовавших адских условиях быстро распадались на электроны и протоны.

Посмотрите на рисунки. На них представлены пять стадий, или пять эпизодов, из истории вселенной Гамова. Каждый из них помечен временем, в течение которого занавес был поднят.

Итак, первый акт – 0÷5 минут от «начала». Илем только что взорвался. Вы видите в кадре смесь частиц. Флегматичные нейтроны, не выдержав чудовищных температур, распадается на протоны и электроны, сопровождаемые юркими фотонами. В такой «атмосфере», несмотря на «тесноту», частицы движутся с энергией, которую можно сравнить с энергией современных ускорителей. В недрах илема яростно кипят ядерные реакции – частицы, сталкиваясь, образовывают ядра легких элементов, которые тут же распадаются…

Второй акт – от пятой минуты до получаса родившегося времени. Это уже не илем, но еще и не вселенная. Вместе с расширением падает температура. Надо полагать, что подобный процесс не является новостью для эрудированного читателя. Вспомните – ведь это не что иное, как хорошо знакомый принцип работы обыкновенного холодильника.

Полчаса непрерывного взрыва достаточно, чтобы заготовить основное количество стройматериала для всей дальнейшей работы. Читатель, конечно, знает, что свободные нейтроны имеют период полураспада всего 12–13 минут. И через полчаса их остается слишком мало для того, чтобы реакции могли идти с прежней легкостью. Вместе с протонами нейтроны образуют дейтоны и тритоны, ядра гелия и других, более тяжелых элементов. Тридцать минут спустя от всего первоначального количества нейтронов остается примерно восьмая часть… Реакции синтеза затухают…

Следующий, третий акт занимает период от тридцатой минуты «действа» до двухсотпятидесятимиллионного года существования. Автор надеется, что читатель понимает, насколько следует доверять приводимым цифрам. Гипотеза есть гипотеза, и самое большое, на что может претендовать ее творец, – это примерный порядок совпадения величин… Итак, через полчаса после взрыва образовавшиеся ядра приступили к ловле бездомных электронов и стали образовывать атомы. Атомы скапливались в облака, которые в дальнейшем дали начало галактикам и звездам. Этот период Гамов характеризует возникновением протогалактики…

Акт четвертый – первый миллиард существования на исходе. Во вселенной возникли галактики, в недрах которых зарождаются протозвезды и, может быть, даже протопланеты.

И наконец, последний акт охватывал следующие четыре миллиарда лет и заканчивался в нашем с вами времени. Всего получалось примерно 5 миллиардов! Но внимательного читателя это не должно удивлять, потому что он помнит, как в шестидесятых годах нашего столетия произошла переоценка временной шкалы в сторону ее увеличения, и пять миллиардов лет вселенной превратились в тринадцать! Впрочем, этот факт еще найдет себе место в нашей книжке. К сожалению, сложная и путаная история космологии не позволяет выстроить все события последовательно в хронологическом порядке. И отступления, забегания вперед неизбежны так же, как неизбежны и некоторые повторения.

Наглядность гипотез Леметра и Гамова привлекли к ним всеобщее внимание. По мнению многих сторонников гипотезы, такой взрыв чем-то должен быть очень похож на взрыв атомной или водородной бомбы; только, понятно, сверхбомбы, супербомбы, сверх-супер-ультра– и т. д. бомбы, бомбы, представить которую себе трудно, просто невозможно, даже обладая сверхфантастическим воображением. Это сравнение, возникшее в период «атомно-водородного бума», распространилось среди самых широких масс. Правда, может быть, причина этого сравнения кроется в том, что именно физики – участники разработки водородного оружия – и были главными болельщиками гипотезы «big bang’a».

Конечно, смущала всех сингулярность, присущая этой модели. Та самая пресловутая особая точка, или нуль-пункт вселенной. И еще смущало то, что в гипотезе так много внимания уделяется первым тридцати минутам после взрыва. Ведь возраст вселенной насчитывает миллиарды лет… По этому поводу уместно предоставить слово самому автору теории.

«Многие люди, – рассуждает Гамов, – считают, что не имеет физического смысла говорить о получасе или часе, который был 5 (сейчас по новой шкале соответственно 10–13 – А. Т.) миллиардов лет назад. Чтобы ответить им, я предлагаю: посмотрим на место в Неваде, где была взорвана несколько лет назад атомная бомба. Это место еще „горячо“ из-за существования долгоживущих продуктов взрыва. Для того, чтобы создать эти продукты, достаточно было миллионной доли секунды. Простая арифметика показывает, что период, прошедший с момента этого взрыва, во столько же раз больше микросекунды, во сколько 5 (соответственно читай 10–13 – А. Т.) миллиардов лет больше „того“ получаса! Но ведь от этой разницы мгновение взрыва не стало для нас менее интересным и менее существенным».

Если все было именно так, как предполагал Гамов, то и сегодня где-нибудь во вселенной можно отыскать следы колоссальных температур, царствовавших в первые мгновения «большого взрыва»?.. Ну пусть хоть «остывшие остатки» каких-то первоначальных квантов…

Пока вещество находилось в ионизованном состоянии, оно представляло собой горячую плазму из электронов, протонов и ядер легких элементов (в основном гелия).

Плазма эта сначала находилась в динамическом равновесии. Это значит, что частицы излучают и поглощают одинаковые количества квантов электромагнитной энергии. Температура излучения находится в полном соответствии с температурой плазмы. Но постепенно расстояния между частицами увеличиваются. (Ведь взрыв сообщил им громадные скорости разбегания.) Теперь, чтобы излученный квант энергии мог добраться до частицы, способной его поглотить, нужно было время. В пути энергия кванта уменьшается.

Таким образом, с расширением вселенной температура излучения падает. Чем дальше лететь кванту, тем «холоднее» он должен становиться. (Вспомните, что красное смещение от далеких галактик больше, чем от близких.)

Через несколько сотен тысячелетий после «начала» температура уже изрядно «разжижившейся» среды падает примерно до трех-четырех тысяч градусов. Теперь уже не все излученные кванты поглощаются возбужденными частицами. Среда становится «прозрачной» для излучения, оно как бы «отрывается» от нее и начинает «гулять» по вселенной. Вот эти-то электромагнитные волны и должны бы дожить до наших дней, пусть «постаревшие», «охладившиеся». Расчеты теоретиков показали, что, добравшись до нас, до нашего времени, это излучение должно иметь температуру не выше трех-четырех градусов по Кельвину.

Значит, «горячая» модель Гамова требовала, чтобы в наши дни во вселенной можно было обнаружить излучение в 3–4°К. В 1948 году средств для подобных наблюдений еще не существовало. Радиоастрономия в послевоенные годы только начинала свой «марш-бросок», и измерение излучения столь низких температур казалось радиоастрономам тех лет делом совершенно безнадежным.

В середине XX столетия, впрочем, как и во все другие времена, когда человечество оказывалось незанятым на фронтах, вторая мировая война уступила место войне «холодной». Вопросы происхождения вселенной снова оказались в центре ожесточенной идеологической борьбы.

Одно из наиболее влиятельных направлений идеалистической философии – неотомизм. Неотомисты широко пользуются введенным Фомой Аквинским еще в XIII веке принципом гармонии разума и веры, с особой охотой используя нерешенные вопросы науки для защиты религиозных догматов. Недаром еще в 1879 году неотомизм был объявлен официальной философской доктриной католической церкви. А в 1951 году папа римский Пий XII выступил с большой речью, призывая признать достижения современной науки в качестве доказательств всемогущества бога.

Часть ученых – представителей материалистического направления – поспешили решительно отмежеваться от идеалистических тенденций в космологии и… впали в другую крайность. Вместе с богом они отреклись от всей теории расширяющейся вселенной. Довольно долго среди материалистов «хорошим тоном» считалась верность идее бесконечной вселенной, тогда как релятивистская космология объявлялась «бесплодной математической игрой, лишенной какого бы то ни было астрономического значения»; общая же теория относительности рассматривалась как «математические упражнения, не имеющие ничего общего с космологией».

Так споры о моделях мира переплелись со спорами о мировоззрении двух непримиримых лагерей: материализма и идеализма.

Между тем спорящим сторонам предстояло договориться прежде всего о самом предмете спора. Потому что, как выяснилось, далеко не все представители бурно развивающейся космологии вкладывали в термин «вселенная» одинаковое понятие. Короче говоря, к середине текущего столетия космология представляла собой хорошо и со знанием дела перепутанный клубок противоречий. Распутывать его выпало на долю ученым нашего поколения.