Текст книги "Десять великих идей науки. Как устроен наш мир."
Автор книги: Питер Эткинз (Эткинс)
сообщить о нарушении
Текущая страница: 20 (всего у книги 31 страниц)
Глава восьмая
Космология
Глобализация реальности
Великая идея: Вселенная расширяется
Науку часто считают самонадеянной в ее самоубийственной, в глазах некоторых (включая меня самого), претензии быть единственным путем к истинному, полному и совершенному знанию. Однако некоторые из ее величайших достижений обладают необычайной скромностью. Ни в чем ее достижение не является столь величественным, а эта униженная скромность столь уместно полной, как в ее роли при установлении места человека во Вселенной. Самонадеянность этого величайшего достижения заключается в уверенности, что наука способна ответить на величайший из всех вопросов: вопрос о происхождении Вселенной. Неизбежное и ироническое унижение заключается в том, что астрономическая и космологическая революция свела на нет уникальность положения человека. У Птолемея мы были в центре. Коперник немного спихнул нас на прекрасную, но тем не менее небольшую планету на орбите вокруг Солнца. С тех пор Солнце было выпихнуто на незначительное положение в незначительной галактике в незначительном скоплении галактик в том, что может оказаться незначительной Вселенной.
Эта глава является историей последовательного унижения, в котором наши научные исследования столкнули нас с предположительной претензии на центральное место более даже, чем в сторону, и умалили нашу значимость. Однако в то же самое время, когда мы прилагали усилия, чтобы осознать нашу незначимость, мы, малюсенькие существа с ничтожными мозгами, постигли расширение Вселенной, дали меру всему, что существует, определили то, что, по-видимому, является нашим истоком, и даже выяснили вероятное развертывание нашего космического будущего. Нам есть чем гордиться в пучине нашего неизменно возрастающего унижения.
В предыдущих главах мы смотрели вглубь; здесь мы глядим наружу. Раньше мы смотрели на чрезвычайно малое; здесь мы смотрим на чрезвычайно большое. Теперь мы смотрим в открытое пространство небес, видим, где расположена наша маленькая арена, и вопрошаем, что же могут поведать нам звезды.
Звезды не избежали внимания греков. Сначала, когда в те более темные, чем теперь, дни, они ночью поднимали глаза, они видели щит с проколотыми в нем дырками, через которые светит божественный свет блистающей внешней сферы. Это видение космоса стало несколько более изощренным, когда во мнении проницательного Евдокса из Книда (примерно, 408-355 до н.э.) щит уступил место двадцати семи концентрическим сферам. До сих пор спорят, считал ли Евдокс эти сферы просто вычислительным приемом или, подобно Аристотелю, который усовершенствовал эту модель и довел число сфер до волнующих пятидесяти четырех, реально существующими. С точки зрения Аристотеля или, по крайней мере, средневековых представлений о том, что он действительно написал, все эти сферы, за исключением наружной, были прозрачными; наружная была черной, с точками прикрепленных к ней светильников, и делала один оборот в день. Согласно Аристотелю, небесные тела, населяющие сферы, были сделаны из пятого элемента, квинтэссенции, не имеющего аналога на Земле. Мы можем здесь фыркнуть, но остерегитесь: квинтэссенция еще вернется в конце этого обсуждения. Оболочки находились почти, но не совсем, в достижимых пределах, поскольку их высоту было трудно измерить. Даже Иоганн Кеплер (1571-1630) думал, что все звезды лежат на твердой оболочке толщиной лишь в несколько километров.
Наше восприятие Вселенной стало расширяться, когда человек положил ее под выпуклую линзу и отразил в параболическом зеркале. Ко времени сэра Уильяма Гершеля (1738-1822), который начал свою карьеру гобоистом в оркестре ганноверской гвардейской пехоты, но, под покровительством другого ганноверца, Георга III, превратился в выдающегося астронома, она разрослась в жерновообразное скопление мириадов звезд, имеющее около шести тысяч световых лет в диаметре. Постигаемый диаметр рос с момента постройки Эйфелевой башни, не потому, что астрономы могли теперь подняться выше над землей и вознести свои головы ближе к небесам [35]35
Титаны, упоминающиеся на цоколе сосуда, в который помещен палец Галилея, взгромоздили Пелион на Оссу, гору на гору, чтобы было удобнее шпионить за звездами; но «хрупкое стекло» смертного Галилея придвинуло звезды ближе, чем могли достать эти хулиганствующие боги. Так палец Галилея резюмировал превосходство мозга над мускулами.
[Закрыть], а потому, что лифт в этой башне был построен неким Уильямом Хейли, который поэтому разбогател достаточно для того, чтобы оплачивать страсть своего сына Джорджа Хейли (1868-1938) к астрономии. Хейли-младший был первым директором Йеркской обсерватории университета Чикаго, названной в честь Чарльза Йеркса, безжалостного чикагского трамвайного магната, который, в надежде вернуть себе место в обществе после тюремного заключения за присвоение чужого имущества, позволил уговорить себя финансировать постройку крупнейшего для того времени телескопа-рефрактора (его линза составляла 1 метр в диаметре). В 1904 г. Хейли перебрался в обсерваторию Маунт Вильсон, непосредственно под Лос-Анджелесом. Он знал, что добавляя дюймы к зеркалам, он сможет проникать в космос на большее число световых лет. Сначала его отец помог оборудовать там 60-дюймовый (полутораметровый) телескоп-рефлектор; затем, при содействии другого бизнесмена, Джона Хукера в 1918 г. был построен 100-дюймовый телескоп, остававшийся крупнейшим в мире в течение тридцати лет.
В 1919 г. Хейли убедил присоединиться к нему Эдвина Пауэлла Хаббла (1889-1953), стипендиата Родса из Оксфорда, который изучал право, но стал уставать от предъявляемых учебой требований. Хаббл начал свою работу с определения расстояния до некоторых дымчатых скоплений звезд, туманностей, которые долго приводили в недоумение астрономов. Измерение расстояния до объектов – далеко не легкая задача. Когда Хаббл приступил к работе, существовал лишь один способ сделать это, состоявший в использовании техники, предложенной Генриеттой Левит (1868-1921), работавшей в Обсерватории Гарвардского колледжа. Она заметила корреляцию между яркостью определенного класса звезд, переменных цефеид, которые встречаются в рукавах спиральных галактик, и периодом их пульсаций. Яркость, которую астрономы измеряют на Земле, зависит от расстояния до звезды, чем больше расстояние, тем более тусклой выглядит звезда. Поэтому, регистрируя период переменной звезды, мы можем судить об ее абсолютной яркости, а измеряя видимую яркость, можем сделать вывод о расстоянии до нее. Заключение Хаббла оказалось поразительным: в то время как наша Галактика, Млечный Путь, имеет, как известно, диаметр около 25 тысяч световых лет, ближайшая из туманностей, туманность Андромеды, удалена от нас на 2 миллиона световых лет. Она должна была находиться вне нашей Галактики; она была другой галактикой!
Наша воспринимаемая Вселенная немедленно стала больше, чем считалось ранее, и дыба нашего унижения натянулась еще на одну засечку. Нам не только пришлось принять факт, что мы не находимся в центре нашей планетной системы и вытолкнуты к краю Млечного Пути, но теперь стало ясно что и наша Галактика не более чем одна из мириадов. Пришло время еще большего и более серьезного унижения.
Следующей задачей Хаббла было определить скорости, с которыми другие галактики приближаются к нам или удаляются от нас, и, таким образом, обнаружить динамику Вселенной. Похожа ли она, например, на газ, в котором острова галактик сгрудились почти случайно, или они просто подвешены на небе? Это движение уже фактически установил в 1912 г. Весто Слайфер (1875-1969), работавший в Обсерватории Лоуэлла в Аризоне. Он измерял смещение цвета галактик, вызываемое их движением, и к 1924 г. обнаружил, что тридцать шесть галактик из пятидесяти одной, обследованной им, удаляются от нас. Слайфер использовал эффект Допплера, изменение длины волны света, вызванное движением источника: движение к нам уменьшает воспринимаемую длину волны, придавая белому цвету синий оттенок; движение от нас увеличивает воспринимаемую длину волны, придавая белому цвету красный оттенок. Подобный же эффект имеет место и для звука: когда приближающийся к нам экипаж издает более высокий звук, чем экипаж от нас удаляющийся. Этот эффект возникает, потому что движение источника сближает гребни волны или раздвигает их (рис. 8.1). Чем больше скорость источника, тем больше смещение длины волны, поэтому относительную скорость можно определить, измеряя смещение. Если длина волны возрастает, давая так называемое красное смещение, то источник движется от наблюдателя. Свет большей части галактик демонстрирует красное смещение, поэтому они удаляются от нас.
Рис. 8.1.Эффект Допплера состоит в изменении длины волны излучения (будь то света или звука), принимаемого неподвижным наблюдателем от движущегося источника. На верхней диаграмме источник неподвижен и посылает излучение с заданной длиной волны. На средней диаграмме источник движется в направлении наблюдателя, и гребешки волн сближаются так, что наблюдатель принимает волны более короткой длины волны или более высокой частоты (смещение к синему или к более высоким нотам для звука). На нижней диаграмме источник удаляется от наблюдателя, движение растягивает волны, и наблюдатель принимает волны большей длины волны или более низкой частоты (смещение к красному или к более низким нотам для звука).
Хаббл пошел дальше. В 1923-29 гг. он пришел к удивительному заключению, что скорость удаления пропорциональна расстоянию от нас, чем дальше галактика, тем быстрее она от нас улетает. Это наблюдение теперь выражается в общем законе Вселеноой:
Скорость удаления = постоянная Хаббла × расстояние от нас.
Постоянная Хаббла такова, что галактика на расстоянии 10 миллионов световых лет кажется удаляющейся от нас со скоростью 200 км в секунду, галактика на расстоянии 20 миллионов световых лет кажется удаляющейся от нас со скоростью 400 км в секунду, и так далее.
Хаббл сделал вывод, хотя даже забыл упомянуть о нем в первой работе, что Вселенная расширяется. Каждая галактика подобна точке, отмечающей положение на слое резины. Для дальнейших ссылок представим себе галактики в виде маленьких монет, наклеенных на поверхность резинового баллона: когда резина растягивается, монеты расходятся в стороны, но сами они не растягиваются (рис. 8.2). Следствие этого расширения ужасно, ибо если мы проследим его назад во времени, то должен настать момент, когда все монеты совпадут, а Вселенная превратится в единственную точку. То есть Вселенная, по-видимому, имела начало. Я ввел уклончивое слово «по-видимому», потому что в космологии ничего нельзя утверждать вполне прямо, особенно в криволинейном пространстве-времени, и позднее мне придется дополнить это умозаключение. Однако на данной стадии мы можем считать одним из следствий великой идеи о том, что Вселенная расширяется, утверждение, что был момент, когда все это началось. Это действительно захватывает дух и вызывает множество вопросов, некоторые из которых, например, как разворачивается Вселенная [36]36
За время, которое вы потратите на чтение этой сноски – возможно, секунд 10 – расстояние между двумя галактиками, разделенными 1 миллионом световых лет, возрастет на 200 км.
[Закрыть], мы исследуем в этой главе.
Рис. 8.2.Модель, показывающая, как мы можем представить себе расширяющуюся Вселенную. Монеты, приклеенные к поверхности сферы, представляют галактики. Когда Вселенная расширяется – что представлено расширением сферы, – галактики удаляются друг от друга, но сами не расширяются. В соответствии с этой моделью, наблюдатель, находящийся на любой монете, будет видеть, как другие монеты удаляются: из разбегания галактик не следует, что мы занимаем во Вселенной особое место.
Существует несколько аспектов нашего описания, которые мы должны отправить на отдых, некоторые теперь, некоторые позже. Где бы мы ни поместили наши телескопы, мы видим галактики, улетающие от нас по мере расширения Вселенной. Однако это не совсем верно, некоторые близкие галактики – одна из них туманность Андромеды – немного угрожающе движутся по направлению к нам. Это «локальное» движение является так называемым особым движениемгалактики (где «особое» означает скорее индивидуальное, чем необычное), движением относительно каркаса расширяющейся Вселенной. Мы можем представлять себе галактики блуждающими по пространству и отвечающими на притяжение друг друга. Для близких друг к другу галактик это движение может преодолевать космическое разлетание, так же как две монеты, скользящие по слою резины, могут съезжаться, несмотря даже на то, что резина растягивается.
Вторым аспектом является тот факт, что расширение, которое мы наблюдаем, как нам кажется, помещает нас снова в центр мира, поскольку все галактики удаляются от нас. Это неравноправие, однако, иллюзорно, так как, где бы в космосе мы ни находились, мы все равно видели бы разлетание прочь от нас. Аналогия монет, приклеенных к баллону, показывает, что происходит: на какой бы монете мы ни стояли, мы увидим, что соседние монеты удаляются от нас. Это наблюдение является сутью принципа, воплощающего политическую корректность, космологического принципа, который утверждает, что Вселенная выглядит одинаково, где бы ни находился наблюдатель. Смирение снова возвращается на свое место.
Перед тем как перейти к делу, коснемся одного технического момента. Хаббл был не вполне прав, думая, что он измерил скорость разбегания галактик. Мы можем интерпретировать красное смещение как эффект Допплера и, значит, как указание на скорость удаления галактик, только для объектов, которые близки к нам. Свет от очень удаленных объектов начал свой путь к нам давным-давно; Вселенная с тех пор расширилась, и волны света растянулись. Правильной интерпретацией красного смещения, пригодной как для близких, так и для очень удаленных галактик, является та, в которой оно есть мера изменения масштабаВселенной за время, прошедшее от момента излучения света до момента его регистрации.
Так, если длина волны смещена к красному каким-либо фактором, то волна начала свое путешествие, когда Вселенная была намного меньше. Это необычайно, что, глядя в пространство, мы видим Вселенную такой, какой она была, когда ее масштаб был меньше чем теперь.
Если бы галактики двигались с постоянной скоростью, мы могли бы использовать постоянную Хаббла, чтобы вычислить, когда вся видимая Вселенная была одной точкой. Нам придется вернуться к этому позже, но здесь подходящий случай начать. На таком основании мы можем считать, что Вселенная возникла приблизительно 15 миллиардов лет назад. Событие, которое знаменует начало Вселенной, британский астроном Фред Хойл (1915-2001), выступая по радио в 1950 г., назвал Большим Взрывом. Хойл использовал этот термин пренебрежительно [37]37
Хойл сказал: «Эта идея Большого Взрыва кажется мне неудовлетворительной… ибо, когда мы смотрим на нашу Галактику, мы не видим ни малейших признаков того, что этот взрыв когда-либо имел место».
[Закрыть], поскольку он предпочитал свою собственную теорию устойчивого состоянияВселенной, в которой, по мере расширения Вселенной, в нее вбрасывается вещество, чтобы обеспечить сохранение его плотности. При известной скорости расширения Вселенной, которая принималась в теории устойчивого состояния, в каждом кубическом метре пространства каждые 10 миллиардов лет должны порождаться всего несколько атомов водорода, поэтому требования к тому, кто производит материю, не слишком обременительны. Конечно, мы можем даже представить себе напряжение натянувшегося пространства, порождающего атомы, поэтому рождение вещества не является абсурдным a priori; но сотворение частиц, очевидно, отвергает закон сохранения энергии, и поэтому это предположение дурно пахнет, несмотря на его благонамеренность.
Теория устойчивого состояния привлекала Хойла, поскольку позволяла избежать вопроса о том, что случилось в начале, ибо начала не было: Вселенная всегда была здесь и всегда расширялась. Она также позволяла избежать еще более головоломного вопроса о том, что происходило до того, как Вселенная появилась на свет. Однако возможность избегания вопросов не может быть оправданием для принятия какой-либо теории; разумеется, это лишь кажущееся упрощение, и еще неизвестно, что труднее: понять, почему Вселенная всегда была тут, или найти механизм ее возникновения. В целом для ученых причинно-следственная цепочка более приятна, чем воспоминания о вечности.
Модель устойчивого состояния Вселенной, независимо развитая Генрихом Бонди и Томасом Голдом в работах, опубликованных с 1948 по 1949 гг., теперь огромное большинство ученых не считает правдоподобной, и она, подобно самому Хойлу, почила в Бозе. Однако нам не следует слишком поспешно насмехаться над забракованной теорией: далее мы увидим, что современные представления вернулись к ее более изощренной версии, в которой целые вселенные вбрасываются в бытие даже чаще, чем теория устойчивого состояния требует того от малюсеньких атомов водорода.
В высшей степени впечатляющими являются обнаружение космического фонового излучения и его детальные свойства, которые мы вкратце опишем, фактически составляющие огромный корпус свидетельств говорящих в пользу модели Большого Взрыва. Некоторые космологи сегодня сомневаются, что Вселенная в раннем возрасте прошла через стадию, когда она была очень плотной и очень горячей. Но на самом деле с помощью необычайного сочетания теории, наблюдений и растягивания наших знаний об очень малом для объяснения очень большого, мы можем сегодня со значительной уверенностью проследить историю Вселенной назад во времени, вплоть до малейших долей первой секунды после ее рождения. Астрономическим наследием Хаббла является экспериментальное открытие расширения Вселенной; его интеллектуальное наследие, однако, гораздо значительнее, ибо оно включает в себя самое малое, осознание того факта, что такие карлики, как мы, могут проследить свою историю почти до начала времен. Это интеллектуальное наследие мы исследуем в оставшейся части этой главы и увидим, что научные идеи, рождающиеся в наших лилипутских лабораториях, способны объять космос.
Сверхострый интеллект может увидеть с первого взгляда, что Вселенная расширяется. В 1826 г. немецкий астроном Генрих Вильгельм Ольберс (1758-1840) видел вполглаза, что Вселенная расширяется, но не понял того, что увидел. Он опубликовал вопрос, известный теперь как парадокс Ольберса, несмотря на то, что проблема была известна с тех пор, как в 1610 г. Кеплер предлагал для нее решение. Ольберс указал на правоту тех, кто озадачен тем фактом, что на небе по ночам темно. Вы и я, с нашими необученными умами, можем думать, что ответ очевиден: Солнце зашло. Но Ольберс напомнил своим читателям, что если Вселенная бесконечна и вечна, то куда бы вы ни провели достаточно далеко в небо линию от вашего глаза, ее конец упрется в звезду. Поэтому небо ночью должно быть таким же ярким, как поверхность Солнца, так как оно по существу является сплошным листом Солнца, покрывающим небеса. Хотя наше солнце может зайти, мириады других солнц не заходят.
Существуют два возможных объяснения. Первое, более простое, заключается в том, что если Вселенная возникла конечное время назад, аргументы Ольберса неверны, поскольку свету от очень отдаленных звезд не хватило времени, чтобы долететь до нас. Поэтому, вместо того чтобы быть листом солнечного света, лист неба имеет щели, в которых звезды находятся слишком далеко для того, чтобы внести вклад в освещенность ночного неба.
Второе объяснение является более утонченным и еще больше уменьшает интенсивность света, который даже из конечной Вселенной должен, по нашим ожиданиям, достичь наших глаз. Когда мы смотрим вдаль, мы смотрим назад сквозь время, так как оно требуется для того, чтобы свет достиг до нас. Мы видим то, что было, когда свет отправился в путь, а не то, что происходит, когда свет достигает наших глаз. Даже чтение этой страницы уже является частью истории, поскольку вы видите ее такой, какой она была около одной миллиардной секунды назад (10 − 9секунд, 1 наносекунда), а не такой, какой она является в этот момент. Большинство зрителей спортивных соревнований видят их так, как если бы они проходили в прошлом году, или, точнее, в прошлой микросекунде, не в тот самый момент, когда забивается гол, а примерно на микросекунду позже. Удаленные астрономические объекты излучили свет, который сейчас достигает нас, миллиарды лет назад, когда температура Вселенной была столь высокой, что все небо светилось с интенсивностью солнца. Глядя в это «далеко» и в это «давно», мы могли бы ожидать, подобно Ольберсу, что увидим небо, залитое светом. Но с тех пор Вселенная расширилась, и волны света, типичного для объектов, разогретых до 10 тысяч градусов (10 4К), чрезвычайно растянулись. Вместо длин, измеряемых в нанометрах, при которых волны видимы, они приобрели длины, измеряемые в миллиметрах, и стали невидимыми. Эти волны теперь характеризуют гораздо более холодное тело с температурой около 3 градусов около абсолютного нуля (3 К). Ночное небо действительно светится чем-то, приближающимся по интенсивности к свечению поверхности звезды, но этот звездный свет является столь древним и растянутым, что мы воспринимаем небо темным.
Ученые натолкнулись на это объяснение, когда модель горячего Большого Взрыва утвердилась как теоретическая возможность. На основании этой модели также было предсказано, что температура Вселенной должна падать по мере ее расширения, поскольку длины волн излучения, заполняющего все пространство, растягиваются. В результате то, что когда-то было коротким, становится длинным, а плотность энергии во Вселенной падает. Температура оказывается обратно пропорциональной масштабу Вселенной, так что, когда Вселенная удваивается в размере, ее температура падает до половины предыдущей величины. Для обнаружения излучения, оставшегося от Большого Взрыва, были приложены значительные усилия, но всех опередили обучавшиеся в докторантуре Арно Пензиас (р. 1933) и Роберт Вильсон (р. 1936), которые занимались удалением голубиного помета с большой микроволновой антенны. Однако это не было единственным их занятием: они были радиоастрономами, принявшими в свое ведение эту антенну, ставшую ненужной, когда примитивная передающая система спутника Эхо была заменена на Телстар. Они надеялись использовать ее в интересах более фундаментальной радиоастрономии и поискать источник фонового шипения, докучавшего приему. После исключения всех наземных источников, для чего и требовалось соскоблить голубиный помет и повернуться спиной к Манхэттену, им оставалось лишь прийти к выводу, что излучение имеет космическое происхождение. Они наткнулись на останки огненного шара, его ослепительного излучения, растянувшегося до невидимых микроволн, его электрического грома, приглушенного до почти молчащего электронного шипения.
Подробное изучение микроволнового фонового излученияв последующие годы показало, что оно в точности такое, какое, по ожиданиям, излучало бы тело при температуре 2.728 градусов выше абсолютного нуля (то есть около минус 270 градусов Цельсия, рис. 8.3). С того момента, как было дозволено наше движение вокруг Солнца, движение Солнца вокруг центра нашей Галактики и общий дрейф нашей локальной группы галактик к Великому Аттрактору, это излучение остается одинаковым в любом направлении, куда ни бросишь взгляд. Оно однородно с точностью до одной стотысячной и имеет характеристики, которые отметают множество других предположений, делавшихся для объяснения его происхождения теми, для кого идея горячего Большого Взрыва отвратительна. Нет сомнения в том, что Вселенная когда-то была в высшей степени горячей и в высшей степени плотной.
Рис. 8.3.Интенсивность излучения, заполняющего пустое пространство, может быть измерена для каждой длины волны, и кружочки показывают полученные таким способом величины. Сплошная линия является интенсивностью, предсказываемой законом Планка для излучения черного тела (глава 7), если температура тела равна 2,728 К.
Теперь мы можем соединить вместе наблюдения и теорию и немного поразмышлять об истории мира. Мы знаем (из решения уравнений Эйнштейна, дающих математическое описание гравитационного поля в присутствии массивного тела, глава 9), как будет меняться масштаб Вселенной со временем в зависимости от сделанного предположения о том, как много вещества она содержит. Мы знаем из определения постоянной Хаббла современную скорость ее расширения и знаем, как температура Вселенной связана с ее масштабом. Откуда мы это знаем? Интенсивность излучения волн различной длины зависит от температуры (вспомним наше обсуждение излучения черного тела в главе 7, рис. 8.3), а длины волн при расширении Вселенной растягиваются, поэтому существует связь между температурой и масштабом. Комбинируя связь температуры с масштабом и изменение масштаба во времени, мы можем определить, как меняется со временем температура Вселенной.
Мы можем развернуть эту связь больше, поскольку знаем из наших лабораторных опытов, какие изменения вызывает температура. Мы знаем, как температура Вселенной, космического горнила, потом печки, а позднее и холодильника, менялась во времени, поэтому у нас есть средства для вывода заключений о том, как свойства Вселенной менялись вскоре после ее рождения. Вообще говоря, высокие температуры заставляют вещи разваливаться, и лишь частицы, которые крепко удерживаются вместе, имеют шанс выжить при них, а частицы, удерживаемые слабо, могут выжить лишь при низких температурах. Мы используем этот принцип в кухне, где жарка и варка помогают расщеплять вещества на более мелкие, более легко усваиваемые, более ароматные молекулы, а замораживание помогает хранить их, замедляя реакции, приводящие к разложению. Температура космоса выполняет похожую кулинарную функцию, но припасы, которые мы готовим в космической печи, есть содержимое самой материи.
«Вскоре после» в последнем параграфе является ни к чему не обязывающим оборотом, требующим расшифровки. Когда диаметр объема, в который была упакована современная наблюдаемая Вселенная, равен величине, называемой планковской длиной, несколько меньшей 200 миллиардно-триллионных метра (то есть 1,6×10 − 35м, фундаментальная величина, с которой мы встретимся в главе 9), наша современная физика спотыкается. Для изучения событий, происходивших, когда Вселенная была столь компактной, нам нужна квантовая теория гравитации. Такая теория начинает возникать, но сегодня мы так мало уверены в ней, что я выделю эту квантово-палеолитическую эру из нашей истории и рассмотрю ее позже отдельно. Туннель, вырытый нами назад сквозь время, выходит из тумана неведения на планковском времени, около 5,4×10 − 44с после рождения, когда температура принимала свою планковскую величину примерно 1,4×10 32градусов Это было около 15 миллиардов лет назад: не в пределах живой памяти, но и не так ужасно далеко, чтобы невозможно было себе представить. И это в самом деле совершенно замечательно, что так много всего произошло за такое короткое время. Мы не можем, как епископ Ашер с его дотошным анализом Библии, дать точную дату, вроде 23 октября 4004 г. до н.э., полдень, время завтрака [38]38
Часто цитируют неправильно как 26-го в 9 утра, см.
http://www.merlyn.demon.co.uk/critdate.htm.
[Закрыть], но точность нашего определения момента рождения возрастает по мере роста нашего понимания динамики эволюции Вселенной, и мы можем надеяться вскоре пришпилить его с точностью до миллиарда лет или большей.
Имеется еще одна характеристика начала, на которую нам надо обратить внимание. Часто спрашивают, гдепроисходил Большой Взрыв? Ответ прост и точен (каким и бывает всегда хороший ответ): он происходил везде. Вселенная не взрывалась вочто-то, и в той мере, в какой название Большой Взрыв создает впечатление взрыва, оно неудачно. Большой Взрыв заполнял все пространство: он происходил всюду. И нет необходимости, чтобы Вселенная когда-то была точкой. Если Вселенной предназначено расширяться вечно (без обратного схлопывания), то всегдавне любой заданной области находилась масса, большая, чем внутри нее, даже в момент творения. То есть если Вселенная «открыта» и должна расширяться вечно, она всегда уже была бесконечной. Поэтому, даже если видимая Вселенная, Вселенная, с которой мы взаимодействуем – которая простирается на 15 миллиардов световых лет от нас во всех направлениях и свет которой сотворен на таком расстоянии, чтобы ему как раз хватило времени достичь нас сегодня, – была когда-то спрессована в бесконечно малую точку, мир все же был бесконечной областью вне этой точки. Только если Вселенная «замкнута», то есть подвергнется Большому Хлопку в некотором отдаленном времени в будущем – событие, представляющееся все более маловероятным по мере накопления свидетельств, связанных со скоростью расширения, – было бы правильным представлять себе всю Вселенную первоначально упакованной в одной точке.
Нам также необходимо понять, как описывать расширение Вселенной. В дальнейшем я буду говорить не о размере Вселенной, которая, по-видимому, бесконечна во все времена, и не о размере видимой Вселенной, который соответствует радиусу около 15 миллиардов световых лет, но раньше был меньше, а о ее масштабе. Под этим «масштабом» я имею в виду множитель, связанный с расстоянием между двумя точками, которые сегодня отделяет друг от друга 1 метр. Так, при масштабе 100, эти точки будет разделять 100 метров, когда масштаб был одна миллиардная (10 − 9), две точки были разделены расстоянием в одну миллиардную метра (10 −9м). Эйнштейновские уравнения гравитационного поля можно использовать для расчета зависимости масштабного множителя от времени в разных моделях Вселенной. Первые достаточно реалистические решения были получены русским математиком, авиатором, испытателем воздушных шаров и метеорологом Александром Александровичем Фридманом (1888-1925), который предложил их незадолго до своей смерти от тифа. Они известны, как модели Фридмана (рис. 8.4). Похожие решения были найдены бельгийским духовным лицом, аббатом Жоржем Леметром (1894-1966) в 1925 г.; он был первым, кто проследил их назад во времени и обнаружил то, что назвал «космическим яйцом», а мы теперь называем Большим Взрывом.
Рис. 8.4.История фридмановской Вселенной. Если плотность Вселенной меньше определенной величины, то она «открыта» и расширяется вечно. Если плотность Вселенной больше этой величины, то она «замкнута» и после начальной фазы расширения сожмется обратно к Большому Хлопку. Если плотность Вселенной в точности равна критической, она будет расширяться вечно, но постепенно останавливаться при времени, приближающемся к бесконечности. Современные измерения заставляют предположить, что Вселенная не является замкнутой. Имеются новые наблюдаемые свидетельства в пользу предположения о том, что Вселенная открыта и, может быть, недавно вошла в фазу ускорения.
На сегодняшний день космологи верят, что Вселенная является ни открытой и ни замкнутой, она является «плоской». Плоская Вселенная похожа на открытую Вселенную по характеру расширения, и ее масштаб будет растягиваться всегда, но ее расширение постепенно замедляется и становится бесконечно медленным, когда масштаб приближается к бесконечности. В плоской Вселенной, как и в открытой Вселенной, не существует предела для удаления друг от друга двух точек, разделенных сегодня одним метром. Следствием плоскости, так же как и открытости, является то, что Вселенная всегда имела бесконечную протяженность, и поэтому Большой Взрыв происходил всюду в бесконечном объеме пространства. Когда люди говорят, что Вселенная была изначально очень маленькой, они имеют в виду – им следует иметь в виду, – что масштаб был изначально крайне малым и что две точки, разделенные теперь расстоянием в 1 метр, были разделены тогда мельчайшей долей метра. При том огромном количестве вещества, которое было спрессовано в крошечном пространстве, вы можете представить себе, какова была его плотность; фактически оно было примерно в 10 97раз более плотным, чем вода. И оно было таким плотным везде, везде в бесконечном объеме Вселенной было, всегда было и всегда будет, ужасно много.
