Текст книги "Человек, открывший взрыв Вселенной. Жизнь и труд Эдвина Хаббла"

Автор книги: Игорь Новиков

Соавторы: Александр Шаров
сообщить о нарушении

Текущая страница: 14 (всего у книги 15 страниц)

Обратимся теперь к неравенству Δm < E _св+ m _e. Оно требует, чтобы разность Δm масс нейтрона и протона была достаточно мала.

Протон и нейтрон – похожие частицы, отличающиеся лишь зарядами и небольшой разностью масс. Такие семейства похожих частиц получили название «изотопических мультиплетов». Если посмотреть на список разности масс в других подобных семействах, стабильных относительно сильного взаимодействия частиц, то увидим, что Δm для протона и нейтрона заметно меньше их всех. Снова флуктуация! И опять как раз такая, чтобы выполнялось рассмотренное выше неравенство, необходимое для существования сложных структур.

Приведенные примеры показывают, что значений констант зачастую выглядят так, как будто природа специально «подгоняла» эти значения для того, чтобы могли появиться сложные структуры во Вселенной и, в конце концов, чтобы могла появиться жизнь. При этом природе «приходится» устраивать иногда значительные флуктуации от типичных значений констант, устраивать весьма «тонкую настройку» законов физики.

Заметим, что существует еще одна «странность» в сегодняшней Вселенной. Речь идет о совпадении по порядку значений времени существования типичной звезды и времени, протекшем с начала расширения Вселенной.

Это совпадение действительно выглядит весьма странно. Время существования звезды, как можно показать, определяется скоростью ядерных реакций в ней, непрозрачностью вещества, т. е. в конечном счете, свойствами протонов и электронов, и силой гравитационного взаимодействия, определяемой постоянной тяготения G. Продолжительность «жизни Вселенной», с другой стороны, определяется совсем другими процессами, процессами, которые протекали в начале Большого взрыва Вселенной.

Так что же означает близость этих времен – случайное совпадение или что-то важное?

Сравнительно недавно возник новый научный подход, который пытается ответить на этот вопрос, а также объяснить все особенности и «странности» нашей Вселенной (некоторые из них уже рассмотрены выше),. Известный советский космолог А. Л. Зельманов, характеризуя этот подход, сказал: «Мы являемся свидетелями данных событий потому, что другие события протекают без свидетелей». Эти слова выражают суть так называемого антропного принципа.

Что это за принцип и какое отношение имеет он к рассматриваемым проблемам?

Прежде всего заметим, что сложные формы движения материи – например, такие, как сложные химические соединения, жизнь и тем более разумная жизнь, могли возникнуть во Вселенной только на определенном этапе ее развития, близком к нашей эпохе. Действительно, сложная химия и жизнь, по крайней мере в известных нам формах, требует существования планет земного типа, вероятно, с океанами, обогреваемыми достаточно близкой звездой, свечение которой длительно не меняется. Для развития жизни, конечно, нужна сложная химия и благоприятные условия в течение многих миллиардов лет.

Перечисленных условий заведомо не было в далеком прошлом Вселенной, когда не существовало ни звезд, ни планет. Не может жизнь начать зарождаться, по-видимому, и в далеком будущем, когда звезды погаснут, и тем более – в очень отдаленном будущем, когда распадутся тяжелые частицы, превращаясь в свет и нейтрино.

Отсюда первый вывод – жизнь и разумная жизнь нашего типа могут возникнуть во Вселенной во вполне определенный выделенный период – в нашу эпоху, когда есть для этого условия.

Таким образом антропный принцип объясняет, казалось бы, странное совпадение времени существования звезды и Вселенной. Это объясняется так: для нашего появления во Вселенной должно выполняться примерное равенство возраста Вселенной времени существования звезды, что на первый взгляд казалось загадочным.

Другой вывод антропного принципа состоит в том, что наблюдатели («свидетели») могут появиться только при определенном наборе физических констант, при определенных физических законах, о чем мы говорили выше. Если и были (или может быть есть?) другие вселенные, с иными законами, то они существуют без сложных структур, а, значит, без «свидетелей». В них никогда не появляется жизнь. Таким образом, наша Вселенная такая, как мы ее видим именно потому, что мы в ней есть.

Антроцный принцип активно разрабатывался и разрабатывается сейчас известными физиками и астрономами: Р. Дикке, Г. Гамовым, П. Дираком, С. Хоукингом, Я. Б. Зельдовичем, М. Рисом, Дж. Уилером, Б. Картером, Д. Барроу, И. Л. Розенталем и другими.

Еще одной фундаментальной особенностью нашего мира является тот факт, что физическое пространство почему-то трехмерно; не двумерно, не пятимерно, а именно трехмерно. То, что здесь кроется какая-то загадка, физики осознали достаточно давно. Еще Э. Мах прямо и недвусмысленно ставил вопрос: «Почему пространство трехмерно?» Серьезный анализ проблемы был начат знаменитым физиком П. Эренфестом.

Чтобы попытаться осознать суть этой проблемы, можно поступить аналогично тому, как уже делалось с другими фундаментальными константами – мысленно изменить число измерений пространства, т. е. постараться представить, что было бы, если бы пространство имело размерность, отличную от трех.

Мы остановимся здесь на рассмотрении лишь некоторых изменений в простейших физических взаимодействиях, которые произойдут при вариации размерности пространства.

Одним из самых простых примеров физических взаимодействий является закон Кулона для покоящихся зарядов и закон Ньютона для тяготеющих масс. В обоих случаях сила взаимодействия ослабевает обратно пропорционально квадрату расстояния F ∝ 1/r ². Однако еще И. Кант понял, что закон обратных квадратов есть следствие трехмерности нашего пространства. В самом деле, почему сила, например, электростатического взаимодействия ослабевает с расстоянием? Наиболее наглядный ответ заключается в том, что с ростом r силовые линии поля распределяются на все большей поверхности сферы, охватывающей заряд и имеющей радиус r. Площадь сферы растет как r ², значит, плотность силовых линий,

пронизывающих эту сферу, уменьшается ~ 1/r ², что и определяет закон изменения силы. Но сказанное справедливо только в трехмерном пространстве. Если пространство четырехмерно, то площадь трехмерной сферы (геометрического места точек, равноудаленных от центра в четырехмерном пространстве) пропорциональна r ³, а для пространства N измерений эта площадь пропорциональна r ^{N -1}. Отсюда и закон изменения электростатической и гравитационной силы в N-мерном пространстве F ∝ 1/r ^{N -1}. Почему так важно изменение закона падения силы в пространстве размерности N? Рассмотрим движение пробного заряда на круговой орбите вокруг центрального заряженного тела (с зарядом противоположного знака, чтобы было притяжение) в пространстве любой размерности N. Пусть задан момент количества движения заряда (он не может меняться при движении). Тогда центробежные силы будут пропорциональны 1/r ³и не зависят от N. Из механики известно, что

для существования устойчивых круговых орбит необходимо, чтобы центробежные силы уменьшались с расстоянием быстрее, чем F. Иначе движение по кругу будет неустойчивым и малейшее возмущение приведет либо к падению заряда к центру, либо к удалению его в бесконечность. А отсутствие устойчивых круговых орбит означает отсутствие вообще связанных состояний, когда заряд движется в ограниченной области пространства вокруг центрального тела. Отсюда следует, что для существования связанных состояний необходимо N ≤ 3. Этот результат был распространен впоследствии на квантовую механику.

Полученный вывод представляется неожиданным. На первый взгляд кажется, что увеличение размерности пространства открывает новые возможности для усложнения движения в нем тел, а значит и для существования более сложных структурных образований. На деле же оказывается, что в таких пространствах нет связанных устойчивых систем тел, взаимодействующих электрическими и гравитационными силами, т. е. в них не может быть ни атомов, ни планетных систем, ни звезд, ни галактик!

С другой стороны, если N = 2 или 1, то в таких пространствах взаимодействующие заряды противоположных знаков никогда не могли бы улететь на сколь угодно большие расстояния. Здесь силы падают с расстоянием слишком медленно и какую бы начальную скорость ни дать заряду, центральное тело своей силой притяжения остановит улетающий заряд и заставит его двигаться к себе. В таких пространствах не существовало бы свободного движения тяготеющих тел.

И только в трехмерном пространстве возможны и связанные и свободные состояния.

После всего сказанного наверное не столь странно выглядит утверждение о том, что если бы природе пришлось много раз пробовать «создавать» вселенные с разными размерностями пространства, то только при N=3 возникали бы возможности для существования и связанных гравитирующих систем, и свободных тел, для существования связанных и свободных состояний движения электронов в атомах. Значит, только в этом случае возможно возникновение очень сложных и разнообразных структур, обладающих возможностью возникать и распадаться. Только здесь есть возможность изменчивости, эволюции, возникновения жизни, а, следовательно, именно в таких пространствах (и вероятно только в них!) могут существовать «свидетели». Поэтому нечего удивляться, что мы живем именно в трехмерном пространстве.

Теперь для того, чтобы получить решение перечисленных выше проблем «странных» свойств нашей Вселенной, осталось «только» выяснить возможность того, что природа действительно «пыталась создавать» многочисленные вселенные или даже бесконечное их число с разной физикой возможно с большими иногда флуктуациями численного значения констант, с разной размерностью пространства и т. д.. Тогда бы стало понятно, что мы – наблюдатели, исследователи появились только в редчайшей «наиболее удачной» (для нашего существования) из таких вселенных.

Американский физик Дж. Уилер последние тридцать лет настойчиво подчеркивает принципиальную важность квантовых флуктуации свойств пространства – времени, которые должны иметь место при планковской плотности ρ _п≈ 10 ⁹⁴г/см ³и в масштабах порядка r _*≈ 10 ^-33см и t _*≈ 3∙10 ^-44с. Здесь пространство – время должно в некотором смысле представлять собой «дышащую» пену, возникающих и тут же уничтожающихся черных и белых дыр, очень маленьких замкнутых минивселенных и еще более сложных топологических структур. А. Д. Линде и А. А. Старобинский развили эти представления в рамках современной физики и космологии.

Согласно нарисованной А. Д. Линде картине, подавляющая часть физического пространства – времени находится в состоянии квантовой пены с плотностью близкой к ρ _п≈ 10 ⁹⁴г/см ³. В возникающих из нее «пузырях» происходят квантовые флуктуации и в то же время происходит их раздувание из-за гравитационного отталкивания вакуумноподобного состояния, которое там имеется. Большая часть объемов «пузырей» тут же возвращается из-за флуктуации в состояние «пены». В малой части объема может продолжаться раздувание и продолжаться проявление квантовых флуктуации плотности вакуумноподобного состояния. Очень малая доля первоначального объема после длинной цепочки случайных флуктуации может иметь уже плотность вакуумноподобного состояния, заметно меньшую, чем ρ _п. Теперь амплитуда квантовых флуктуации уже не так велика, Эти объемы продолжают систематически раздуваться, как это было описано в начале этого раздела, превращаясь после распада вакуумноподобного состояния в горячие вселенные,

В одной из таких вселенных и находимся мы. Можно сказать, что происходит вечное рождение Вселенной из флуктуации (или, если угодно, рождение многих вселенных), вечное воспроизводство Вселенной самой себя. У такого мира в целом нет начала и не будет конца. Он вечен и юн одновременно. Это – картина взрывающейся Вечности.

При рождении новых минивселенных из вакуумной пены происходят, вероятно, флуктуации всех физических параметров, включая размерность пространства и времени и флуктуации самих физических законов. Итак, возможно, природа «пыталась» несчетное число раз создавать вселенные с самыми разными свойствами. Мы живем в «наиболее удачном» (для нас) экземпляре этого вечного творения. Но надо помнить, что «наша Вселенная» не является ни наиболее типичной, ни наиболее вероятной частью мира.

Таков ответ современной науки на вопрос Эйнштейна о возможности совсем иных миров.

Открытая Э. Хабблом взрывающаяся Вселенная, казавшаяся еще недавно невообразимо сложной и не поддающейся человеческому воображению «всей Вселенной», оказалась ничтожной песчинкой в еще бесконечно большем и более сложном потоке окружающего нас мира.

В заключение скажем коротко о современных представлениях об эволюции Вселенной на более поздних стадиях, чем первые мгновения после Большого взрыва и синтеза легких элементов в начале расширения.

После первых пяти минут температура во Вселенной упала ниже миллиарда кельвинов. Все активные процессы с элементарными частицами к этому времени закончились и наступил длительный период «спокойствия».

В этот период расширяющаяся плазма была еще достаточно горяча и непрозрачна для излучения. Реликтовое излучение определяло силу давления в плазме. В такой смеси плазмы и излучения имелись небольшие по амплитуде колебания плотности – звуковые волны. Ничего, кроме звуковых колебаний в расширяющейся плазме не происходило.

Теория эволюции малых возмущений в расширяющейся Вселенной была построена советским физиком Е. М. Лифшицем в 1946 г. Он показал, что в высокотемпературной плазме на ранней стадии расширения горячей Вселенной любые отклонения в плотности вещества от однородного распределения могут существовать только в виде звуковых волн. Силы гравитации в этот период в любом линейном масштабе не могут привести к росту уплотнений плазмы столь сильному, чтобы возникли обособленные облака или отдельные небесные тела. Иными словами, в этот период не может сработать механизм гравитационной неустойчивости. (Основы теории этого явления были созданы Джинсом еще в начале XX века.)

Только по прошествии 3∙10 ⁵лет расширяющаяся плазма остыла до 4000°К и превратилась в нейтральный газ (произошел процесс рекомбинации). Нейтральный газ практически прозрачен для реликтового излучения. Теперь давление газа определяется только движением нейтральных атомов, упругость газа резко падает и становится возможным срабатывание механизма гравитационной неустойчивости. В 1964 г. один из авторов книги (И. Н.) показал, как достаточно большие по длине волны возмущения эпохи горячей плазмы после резкого падения давления могут развиться под действием тяготения в обособленные тела. Дальнейшее развитие теории гравитационной неустойчивости проводилось научными школами Я. Б. Зельдовича, Е. М. Лифшица, И. М. Халатникова, Л. Э. Гуревича и др. у нас в стране, П. Пиблса, Д. Бардина и др. за рубежом. В последнее десятилетие выяснилось, что в формировании крупномасштабной структуры Вселенной существенную роль, вероятно, играли слабовзаимодействующие частицы, которые по своей суммарной массе во много раз превосходят, по-видимому, массу обычного видимого вещества.

Отдельные галактики, их скопления возникли, вероятно, в эпоху сравнительно близкую к нашей, когда все расстояния в расширяющейся Вселенной были всего в несколько раз меньше сегодняшних.

Проблемы образования крупномасштабной структуры тесно переплетены с современной наблюдательной космологией и активно изучаются.

Одной из важнейших задач наблюдательной космологии является определение полной средней плотности вещества во Вселенной. Как уже упоминалось, задача эта весьма осложнена присутствием во Вселенной труднонаблюдаемых форм вещества – «скрытой массы».

Еще в пятидесятые годы астрономы полагали, что практически все вещество Вселенной находится в светящихся галактиках. Тогда задача определения усредненной плотности вещества может быть решена следующим образом. В достаточно большом объеме пространства подсчитывается общее число галактик. Умножая среднюю массу галактики на их полное число, находят полную массу вещества внутри данного объема. Деление массы на объем дает среднюю плотность вещества. Надежное определение средней плотности вещества, входящего в галактики, было выполнено подобным методом в 1958 г. голландским астрономом Я. Оортом. Полученное им значение составляет ρ ₁= 2∙10 ^-31г/см ³, если считать, что постоянная Хаббла равна 75 км/(с∙Мпк).

Это значение плотности в 50 раз меньше, чем критическое значение, отделяющее случай вечно расширяющейся бесконечной Вселенной от случая замкнутой в пространстве Вселенной, в которой расширение в будущем сменится сжатием.

Дальнейшие исследования ничего существенного в оценке Оорта для вещества, входящего в светящиеся галактики, не внесли. Однако выяснилось, что вокруг видимых, очерченных светящимися звездами тел галактик имеются обширные массивные короны из невидимой нами материи. Она проявляется своим тяготением. Тяготение невидимых корон влияет на движение отдельных облаков газа, находящихся далеко за границей светящейся галактики, и на движение спутников – карликовых галактик. Вероятно, полная масса невидимых корон во много раз больше, чем масса видимых галактик.

Наличие «скрытой массы» проявляется и при исследовании скоплений галактик. Полная масса скопления, включающая и «скрытую массу» вещества между галактиками, определяется измерением его гравитационного потенциала. Потенциал может быть измерен по наблюдаемым скоростям движения отдельных галактик в скоплении и путем определения температуры горячего газа также имеющегося в скоплениях. Оказывается, что «скрытая масса» часто более чем на порядок превышает суммарную массу видимых галактик скопления.

Таким образом, учет «скрытой массы» делает полную среднюю плотность материи во Вселенной близкой к критическому значению. Превышает ли полная плотность критическое значение или нет, до сих пор неизвестно,

Неясна и физическая природа «скрытой массы». Часть ее, возможно, принадлежит слабосветящимся маломассивным звездам, практически невидимым с больших расстояний. Однако, вероятно, основная часть «скрытой массы» обусловлена большим числом элементарных частиц, очень слабо взаимодействующих с обычным веществом и поэтому проявляющих себя только тяготением. Это могут быть нейтрино (если нейтрино обладают массой покоя) или другие, похожие по своим свойствам на нейтрино частицы, оставшиеся во Вселенной с эпохи самого начала ее расширения.

Вся современная внегалактическая астрономия, самыми разными методами исследующая большую Вселенную, своими корнями восходит к работам великого Хаббла, имя и дела которого навсегда останутся в науке.

ОСНОВНЫЕ ДАТЫ ЖИЗНИ И ДЕЯТЕЛЬНОСТИ Э. ХАББЛА

 1889 г., 20 ноября – Родился в Маршфилде, штат Миссури, в семье Джона Пауэла Хаббла и Вирджинии Ли Джеймс.

1897 – 1901 гг. – Начало интереса к астрономии.

1906 г. –  Окончание школы и поступление в Чикагский университет.

1910 г. – Окончание университета.

1910 – 1913 гг. – Стипендиат Родса в Колледже королевы Оксфордского университета в Англии, где изучает право.

1914 г. – Возвращение в Чикагский университет для подготовки диссертации по астрономии.

1916 г. – Публикация первой научной работы.

1917 г. – Защита диссертации на степень доктора философии.

1917 – 1919 г. – Служба в составе Американских экспедиционных сил во Франции в звании майора, командование пехотным батальоном.

1919 г. – Возвращение в США, демобилизация и начало работы на обсерватории Маунт Вилсон.

1922 г. – Основные работы по изучению диффузных туманностей в Галактике.

1922 – 1926 гг. – Разработка классификации галактик.

1923 г. – Открытие первой цефеиды в туманности Андромеды.

1924 г. – Женитьба на Грейс Бэрк.

1926 – 1929 гг. – Публикация результатов изучения туманностей Андромеды и Треугольника. Утверждение концепции островной структуры Вселенной,

1927 г. – Избрание в Национальную академию наук США.

1928 г. – Избрание .в Королевское астрономическое общество Великобритании.

1929 г. – Открытие закона красного смещения – закона Хаббла.

1931 – 1934 гг. – Подтверждение закона красного смещения (совместно с Хьюмасоном).

1932 г. – Открытие шаровых скоплений в туманности Андромеды.

1934 г. – Публикация результатов подсчетов галактик.

1935 г. – Награждение медалью Барнарда Колумбийского университета.

1935 г. – Разработка совместно с Толменом методов изучения природы красного смещения.

1936 г. – Публикация книги «Мир туманностей».

1937 г. – Публикация книги «Наблюдательный подход к космологии».

1938 г. – Награждение медалью Брюс Тихоокеанского астрономического общества.

1939 г. – Награждение медалью Франклина института Франклина.

1940 г. – Награждение медалью Королевского астрономического общества Великобритании.

1940 г. – Первое публичное выступление с призывом к поддержке Англии в войне с гитлеровской Германией.

1942 – 1945 гг. – Служба в Баллистической лаборатории Абердинского полигона.

1946 г. – Награждение «Медалью за заслуги» за выдающиеся работы по баллистике во время Второй мировой войны.

1947 г. – Избрание в Венскую академию наук.

1949 г. – Избрание во Французский институт – академию Франции.

1949 г. – Получение первых фотографий на 200 – дюймовом рефлекторе на обсерватории Маунт Паломар.

1953 г. – Публикация последней научной работы о звездах высокой светимости в галактиках – объектах Хаббла – Сендиджа (совместно с Сендиджем).

1953 г. 28 сентября – скоропостижная смерть от инсульта возле своего дома в Сан-Марино, пригороде Пасадены.