Текст книги "Тайны пространства и времени"
Автор книги: Виктор Комаров
сообщить о нарушении
Текущая страница: 13 (всего у книги 37 страниц)
ПРОШЛОЕ, НАСТОЯЩЕЕ И БУДУЩЕЕ ВСЕЛЕННОЙ
Известный московский астрофизик А.Л. Зельманов однажды так определил связь, существующую между прошлым, настоящим и будущим. «Прошлое – тот отрезок времени, относительно которого мы питаем иллюзию, будто знаем о нем все. Будущее – тот отрезок времени, относительно которого мы питаем иллюзию, что можем все в нем изменить по своему желанию. А настоящее – та граница, на которой будущее превращается в прошлое и одни иллюзии сменяются другими».
Разумеется, это шутка. Но, как говорится, в любой шутке есть доля правды. В данном случае она состоит в том, что прошлое, настоящее и будущее связаны между собой самым тесным образом: настоящее вырастает из прошлого, а будущее – из настоящего.
В тех случаях, когда речь идет о явлениях космического порядка, в соотношение времен вмешиваются еще и гигантские космические расстояния.
Как известно, лучи света, как и другие электромагнитные излучения, распространяются в пространстве со скоростью 300 тысяч километров в секунду. При такой скорости любые земные расстояния электромагнитные излучения преодолевают практически мгновенно. И, наблюдая на экране телевизора футбольный матч, который транслируется из Южной Америки, мы видим, как мяч влетел в ворота практически в тот же самый момент, что и зрители, присутствующие на стадионе…
Иное дело расстояния космические. Даже от ближайшей звезды – Солнца свет до Земли идет 8 минут 18 секунд. А от всех прочих гораздо дольше. Поэтому, отыскав на небе Полярную звезду, мы увидим ее такой, какой она была около 500 лет назад. Яркую летнюю звезду Денеб из созвездия Лебедя мы наблюдаем с опозданием на 600 лет, многие другие космические объекты – в еще более отдаленном прошлом.
Весной 1987 года в одной из ближайших галактик – Большом Магеллановом Облаке вспыхнула так называемая сверхновая звезда. Событие, представляющее огромный интерес для науки, и довольно редкое. И впервые астрономы получили возможность наблюдать подобную вспышку, да еще сравнительно близкую, с самого начала! Исследователям Вселенной – нашим современникам – крупно повезло! Но современниками вспышки они отнюдь не являются. Ведь от Земли до Большого Магелланового Облака около двухсот тысяч световых лет. Значит, вспышка, которую земляне увидели в 1987 году, в действительности произошла около 200 тысяч лет назад. И чем дальше расположен от нас тот или иной космический объект, тем в более далеком прошлом мы его наблюдаем. Благодаря этому при астрономических исследованиях астрономы могут непосредственно изучать события давным-давно минувших времен, черпать из этих наблюдений факты, необходимые для построения астрофизических теорий, проверять полученные теоретические выводы.
Есть, впрочем, еще одна «путеводная звезда», способная указать науке путь в «детство» Вселенной. Это связь между прошлым и настоящим, между теми космическими объектами, которые существовали в прошлом, и теми, которые существуют в настоящем.
В свое время на основе специальной теорий относительности, созданной Эйнштейном, была разработана релятивистская механика точки. Однако в течение довольно длительного времени не существовало релятивистской механики протяженных объектов.
Лишь около 20 лет назад появилось понятие «релятивистской струны» – одномерного протяженного объекта и были предприняты попытки описать его поведение с помощью специальной теории относительности.
Дальнейшие исследования показали, что в отличие от точки «струна» (астрофизики иногда называют ее стрингом или суперстрингом) обладает внутренними степенями свободы и является квантовым объектом. Однако при переходе от обычной теории описания поведения струны к квантовой выяснилось, что нарушается один из фундаментальных принципов современной физической теории, так называемый принцип инвариантности. Чтобы преодолеть эту трудность, приходится рассматривать струну в пространстве не 3-х, а 26 измерений…
На основе идеи релятивистских струн развилась современная адронная физика, то есть физика частиц, принимающих участие в сильных взаимодействиях. К числу таких частиц относятся протоны, нейтроны и более тяжелые частицы гипероны (все эти частицы называются барионами), а также мезоны с достаточно большими массами. Все адроны, согласно современным представлениям, построены из кварков.
В этой теории все физические взаимодействия сводятся уже к взаимодействиям не точечных, а протяженных объектов – к взаимодействию струн.
Кроме адронов и более легких частиц лептонов существуют еще и частицы-переносчики физических взаимодействий. Переносчиками электромагнитного взаимодействия служат фотоны, сильного – глюоны, слабого – бозоны.
Правда, нитеобразное расположение скоплений в сверхскоплениях просматривается более отчетливо, чем нитевидное расположение отдельных галактик в самих скоплениях. Но это скорее всего объясняется тем, что галактики расположены значительно ближе друг к другу, чем соседние скопления, и потому в значительно большей степени подвержены воздействию сил взаимного тяготения. За миллиарды лет гравитационное взаимодействие могло весьма существенно изменить первоначальную картину расположения звездных островов в пространстве скоплений. Так что нитевидное расположение галактик представляет собой вполне реальный факт.
Оригинальные идеи в физике ценятся необычайно высоко. Вспомним знаменитое высказывание одного из «зачинателей» современной физической науки Нильса Бора: эта теория недостаточно безумна, чтобы быть истинной… Но выдвинуть необычную идею еще мало. Перефразируя известную пословицу, можно сказать, что в физике «оригинальными идеями вымощен ад». Безумные идеи способны выдвигать и обитатели психиатрических лечебниц. Но природа – единственна и потому среди множества «безумных» идей истинной может быть только одна.
А это значит, что, выдвигая оригинальную физическую идею, необходимо обосновать ее жизнеспособность, доказать, что реальные события если не обязательно должны, то хотя бы могли развиваться именно таким путем.
Нитевидная «неоднородность», тончайшая нитевидная «складка», способная дать жизнь нитеобразным скоплениям и сверхскоплениям – какими свойствами она должна обладать? Скажем прямо, свойства эти поразительны. Материал, из которого состоят подобные нитевидные, тончайшие словно волос образования, или, как их сейчас принято называть, «космические струны», должен быть чудовищно плотным и массивным. Иначе эти неоднородности не смогли бы сконцентрировать вокруг себя и удержать вещество, необходимое для формирования тысяч галактик. Но и этого мало. Материал «струн» должен быть в высшей степени устойчивым, крепким, способным не только противостоять необычайно бурным процессам, протекающим в окружающей расплавленной ядерной магме, но и оставаться при этом «холодным», безразличным к испепеляющему жару ранней Вселенной.
Каким же образом подобные удивительные объекты в процессе расширения могли образоваться? Вот вопрос. Случайная «флюктуация», «всплеск», случайное отклонение от средней плотности? Ну, если бы речь шла об одной струне или, в крайнем случае, нескольких, подобное предположение было бы еще допустимо. Но ведь скоплений и сверхскоплений множество…
Значит, в расширяющейся Вселенной должен был действовать какой-то механизм, закономерно порождающий «космические струны». Это – очередное «знание о незнании», поскольку детали подобного механизма нам еще неизвестны. Можно только предположить, что струны – своеобразные остатки того первозданного вещества, из которого образовалась наша Вселенная.
Обсуждая удивительные свойства космических струн, физики нередко говорят о «запаянном» в этих тончайших «жгутах» «первобытном» вакууме и о «высоконапряженном однородном вакуумном поле», о «первобытном правеществе». Но все это скорее эпитеты, своеобразные художественные образы, нежели точные физические характеристики. Чтобы добыть такие характеристики, астрофизикам совместно с физиками предстоит еще немало потрудиться. А вот последовательность событий, происходивших в ту эпоху, по крайней мере, чисто внешне можно себе представить и сейчас.
Как мы уже знаем, в период стремительного «раздувания» Вселенной в ней образовались домены – области, причинно не связанные друг с другом. Области эти были отделены друг от друга тончайшими стенками-пленками, состоящими из вещества, на тридцать порядков более массивного, чем космические струны. В тот момент, когда началась эра господства сил тяготения, эти «стенки» под действием огромного поверхностного натяжения мгновенно разорвались на отдельные части, которые, в свою очередь, тут же стянулись, образовав черные дыры.
Иная судьба ожидала нити «космических струн». В борьбе с ними гравитация оказалась бессильной, они устояли, пронизав бесчисленными волокнами вещество ранней Вселенной. Под действием собственного тяготения они причудливо извивались и перемещались в пространстве, то и дело сталкиваясь друг с другом. Сталкивались, изгибаясь, и их различные части. И эти столкновения сделали то, что не смогла сделать гравитация сама по себе. Нити «струн» разрывались, рассекались, разрубались на множество частей. Обладая огромными массами и перемещаясь с колоссальными ускорениями, «струны» испускали мощное гравитационное излучение – волны, тяготения, а вместе с ними теряли часть своей массы и с течением времени постепенно «таяли». Но те, что остались, оказали решающее воздействие на дальнейшую эволюцию материи в нашей Вселенной. Без них не образовались бы ни галактики, ни звезды, ни планеты.
Вот такой сценарий происхождения галактик и был предложен академиком Зельдовичем. А затем наступила пора расчетов, которые и были выполнены на ЭВМ главным образом американскими учеными. И концы удалось свести с концами. Правда, для этого пришлось ввести в расчеты несколько так называемых подгоночных параметров. Впрочем, астрофизикам так поступать приходится довольно часто. При построении теоретических моделей тех или иных процессов какие-то свойства изучаемых систем, как правило, остаются неизвестными. И для того чтобы выполнить намеченные расчеты, теоретику приходится вводить условные параметры. Разумеется, берутся они не «с потолка», а исходя из соображений о физической сущности происходящих процессов. Но как бы то ни было, их использование придает теоретической модели некоторую долю неопределенности. Не случайно ученые, шутя, говорят, что с «помощью» «подгоночных» параметров можно в принципе доказать все что угодно. Только дальнейшее развитие науки может показать, насколько корректным в каждом конкретном случае было их применение…
К счастью, при построении модели эволюции Вселенной, о которой идет речь, таких параметров было использовано немного и относились они исключительно к свойствам «первоначального» вакуума. Все же последующее развитие событий получилось с помощью вычислений уже чисто автоматически без всяких дополнительных предположений.
Оптимизм вселяло то обстоятельство, что в итоге теоретических построений вырисовалась картина структуры Вселенной, в которой как форма сверхскоплений, так и число этих грандиозных образований, содержащих то или иное количество архипелагов галактик, находились в согласии с данными астрономических наблюдений.
Однако теория теорией, а главным арбитром, который в естественных науках выносит оценку достоверности теоретических построений, являются факты, добываемые с помощью экспериментов и наблюдений. Дело в том, что в астрофизике нередко бывает так, что следствия некоторой причины, предсказанные теорией, налицо, но причина, их породившая, оказывается совершенно иной. Поэтому необходимо обнаружить и пронаблюдать саму «причину». Что же говорят астрономические наблюдения о новой модели формирования крупномасштабной структуры Вселенной? Удалось ли отыскать в просторах мирового пространства сами «космические струны»?
Прежде всего, задумаемся над тем, как их вообще можно обнаружить? Сделать это непросто хотя бы уже по той причине, что в современной Вселенной «струн» должно было сохраниться не так уж много. Значительная их часть бесследно «растаяла», «испарилась», а те, что дожили до наших дней, имеют сравнительно небольшую по космическим меркам протяженность: всего около тысячи световых лет. Напомним для сравнения, что поперечник нашей Галактики – сто тысяч световых лет. К тому же, согласно расчетам, среднее расстояние между ближайшими струнами составляет десятки миллионов световых лет. Но, может быть, самая большая трудность – в другом. Как мы уже знаем, «струны» не излучают ни свет, ни радиоволны, хранят они полное «молчание» и во всех других диапазонах электромагнитных излучений. Поэтому ни телескопы, ни радиотелескопы, ни приемники инфракрасного, ультрафиолетового, рентгеновского и гамма-излучений для поиска этих загадочных образований, увы, непригодны. Одна надежда на гравитацию. «Струны» обладают очень мощным тяготением, а оно так или иначе должно сказываться на тех или иных космических явлениях.
В частности, «космические струны» могут играть роль «гравитационных линз», отклоняющих своим могучим притяжением световые лучи более далеких объектов. И если позади струны расположен квазар (компактный, необыкновенно яркий космический объект), то в телескоп мы увидим не одну, а две близко расположенные светящиеся точки. Благодаря воздействию поля тяготения «струны» произойдет «расщепление» изображения квазара на две составляющие. Подобное явление не так давно зарегистрировали американские астрономы, но их наблюдения требуют еще тщательной проверки.
Если же позади «космической струны» окажется какая-нибудь галактика, то ее видимый диск мы увидим рассеченным на две половины. В принципе возможны и другие способы косвенного обнаружения «космических струн». Но подобные исследования только начинаются.
Так была построена новая, «струнная» модель формирования крупномасштабной структуры Вселенной. Модель, способная успешно преодолеть многие трудности прежних гипотез.
Именно так как будто произошло и на этот раз. В научной печати появились сообщения о том, что группа астрофизиков из Гарвардского университета в США в результате тщательного анализа ряда скоплений галактик обнаружила довольно многочисленные нарушения нитеобразной структуры. Оказалось, что в ряде мест у «нитей» имеются гигантские разрывы, свободные от вещества, протяженностью в сотни миллионов световых лет. По форме эти пустоты похожи на гигантские «пузыри», на поверхности которых расположены скопления галактик, а внутри – светящегося вещества в сотни раз меньше. Иными словами, скопления встречаются не только на нитеобразных пересечениях соседних «ячеек» сетевой структуры, но и на оболочках этих ячеек. И что самое главное и самое интересное: такие галактики разлетаются во все стороны от центров ячеек с огромными скоростями, достигающими тысяч километров в секунду.
Такая картина невольно наводит на мысль, что в истории эволюции нашей Вселенной был период каких-то грандиозных катаклизмов, гигантских взрывов, разметавших во всех направлениях часть вещества «космических струн», вследствие чего формирование галактик происходило не только вдоль нитевидных сгущений, но и на внешних окраинах. Те «следы», которые прошедшие события оставили в современной Вселенной, своеобразные «тени минувшего».
Как известно, все явления окружающего нас мира подчиняются определенным законам природы, которые действуют всегда, когда для этого складываются соответствующие условия. К числу таких законов относятся, например, закон всемирного тяготения, законы движения, открытые Ньютоном, законы Кеплера, закон Ома и т.д. и т.п. Знание этих законов помогает разобраться в причинах явлений, происходящих в той или иной системе, но они почти ничего не могут рассказать об ее «индивидуальном прошлом», ее предыстории.
Иное дело свойства, присущие той или иной конкретной физической системе, скажем, Солнечной системе или Метагалактике; и те обстоятельства, что сложились именно такие свойства, а не какие-либо иные, должны иметь определенные причины, уходящие в прошлое, сложившиеся в процессе ее эволюции. Так, согласно закону тяготения, обращение малых тел вокруг центрального ядра может в принципе совершаться в различных направлениях и в разных плоскостях, по любым эллиптическим орбитам. Между тем в нашей Солнечной системе планеты движутся вокруг Солнца в одной плоскости, в одном направлении и по орбитам, мало отличающимся от окружностей. Исходя из этого и должна строиться теория происхождения Земли и других планет Солнечной системы. Теория эта не только должна объяснить, как вещество из некоторого исходного состояния сформировалось в Солнечную систему, но и как в ходе такого процесса сложились ее современные свойства.
Не всякое прошлое могло послужить началом тех процессов, той эволюции, которая привела интересующий нас космический объект к его современному состоянию. Перед нами открывается реальная возможность: изучая настоящее – восстановить тот ход событий, который привел к его осуществлению. Таким образом, современное состояние любой космической системы – ключ к познанию ее истории, ее прошлого.
В последние годы в лексиконе физиков-теоретиков и астрофизиков появился новый термин «сценарий». На первый взгляд, он может показаться несколько легкомысленным, заимствованным из сферы искусства, однако его применение вполне оправдано. Термин «сценарий» подчеркивает, с одной стороны, гипотетический, предположительный характер той или иной теоретической картины развития нашей Вселенной на определенных стадиях ее существования. А с другой – незавершенный характер предлагаемой теоретической модели. Между прочим, и в киноискусстве, откуда этот термин, собственно говоря, и перекочевал в астрофизику, сценарий – это только еще литературный образ будущего фильма.
В принципе, вероятно, можно построить сколько угодно различных сценариев эволюции Вселенной. Но претендовать на серьезное признание могут только те из них, которые способны установить причинную связь между прошлым и настоящим.
О создании общей теории относительности Альбертом Эйнштейном мы уже говорили. Так же, как и о том, что с точки зрения этой теории наш мир представлялся трехмерной сферой, расположенной в четырехмерном «пространстве-времени». При этом Эйнштейн считал, что Вселенная не только не меняется с течением времени, но в ней нет даже каких-либо движений достаточно крупного масштаба.
Стационарная космологическая модель Эйнштейна была чрезвычайно важным шагом на пути познания реальных свойств мироздания. Но шагом не последним. Во всяком случае, очень скоро выяснилось, что реальная Вселенная – нестационарна…
Летом 1922 года в берлинском физическом журнале появилась небольшая статья никому не известного Ленинградского математика Александра Александровича Фридмана. Статья называлась «О кривизне пространства» и была посвящена анализу уравнений общей теории относительности…
Александр Фридман не был физиком-теоретиком, его специальностью были математические методы изучения метеорологических процессов. Течение таких процессов зависит от множества причин, и поэтому системы уравнений, с помощью которых они описываются, чрезвычайно сложны. Занимаясь исследованием подобных систем, Фридман не только накопил огромный опыт анализа уравнений математической физики, но и развил в себе умение находить за лесом математических формул физическую сущность изучаемых явлений. Сочетание этих качеств и позволило ленинградскому математику совершить новый фундаментальный шаг в познании картины Вселенной.
Ему удалось обнаружить совершенно неожиданный факт, не замеченный Эйнштейном. Оказалось, что уравнения общей теории относительности, описывающие эволюцию Вселенной, имеют не только «статические», но и «нестатические» решения. Это означало, что Вселенная должна либо расширяться, либо сжиматься.
Это было сенсационное открытие, но сделал его никому не ведомый молодой исследователь, дерзнувший посягнуть на мнение признанных корифеев. В свое время в похожую ситуацию попал и сам Эйнштейн. Теперь же, став всемирно известным автором двух великих физических теорий, он, в свою очередь, недооценил результаты, полученные Фридманом.
Трудно сказать, проверял ли Эйнштейн выводы ленинградца с карандашом в руках. Скорее всего, бегло. Должно быть, великий физик положился на интуицию, а она подсказывала, что ничего подобного не может быть: ведь нестационарная Вселенная Фридмана противоречила его собственной стационарной модели. Но как бы там ни было, Эйнштейн, ознакомившись со статьей Фридмана, поместил в очередном номере физического журнала коротенькую заметку, в которой весьма категорично утверждал, что результаты Фридмана вызывают серьезные сомнения и скорее всего неверны.
Прочитав это, Фридман написал Эйнштейну письмо, в котором подробно изложил существо своей работы. На этот раз великий физик проверил все особенно тщательно и к своему удивлению пришел к заключению, что Фридман… абсолютно прав. Возможно, другой на его месте продолжал бы из принципа отстаивать свое первоначальное мнение или, в лучшем случае, просто промолчал. Но Эйнштейну были абсолютно чужды какие-либо амбиции, увы, нередко застилающие глаза даже весьма маститым ученым. Самой главной целью его жизни было познание реальной природы, и потому он никогда не упорствовал в своих ошибках. При этом не имело значения, что его ошибку заметил кто-то другой, для Эйнштейна было гораздо важнее, что ошибка исправлена и тем самым внесено что-то существенно новое в наши знания о мире.
И 13 мая 1923 года в редакцию физического журнала поступило письмо Эйнштейна, которое и было вскоре опубликовано под заголовком «Заметка о работе А. Фридмана о кривизне пространства». «В предыдущей заметке, – писал Эйнштейн, – я критиковал названную работу. Однако моя критика, как я убедился из письма Фридмана, основывалась на ошибках в вычислениях. Я считаю результаты Фридмана правильными…».
А спустя несколько лет американский астроном Слайфер обнаружил в излучении галактик так называемое красное смещение. Подобное явление, известное в физике под названием эффекта Доплера, наблюдается в тех случаях, когда расстояние между источником излучения и приемником непрерывно возрастает.
Еще через несколько лет другой американский астроном Хаббл выяснил, что чем дальше находится от нас та или иная галактика, тем быстрее она удаляется. Это означало, что все звездные острова взаимно удаляются друг от друга – мы живем в расширяющейся Вселенной.
Но как мы уже знаем, современное состояние нашей области мироздания должно хранить в себе следы своей предыстории. Поэтому проведем мысленный эксперимент. Да, именно мысленный. Дело в том, что исследовательская работа астрономов заметно отличается от работы физиков, химиков или биологов. И те, и другие, и третьи, как правило, имеют возможность изучать интересующие их объекты непосредственно. Наблюдать их поведение. Проводить эксперименты – то есть изменять по своему желанию их состояние: нагревать, сжимать, облучать и регистрировать последствия подобных воздействий. Исследователи Вселенной таких возможностей практически полностью лишены. Особенно в тех случаях, когда речь идет об изучении космических объектов, расположенных за пределами Солнечной системы. Остается экспериментировать либо теоретически, проигрывая различные варианты на компьютерах, либо мысленно, с помощью воображения… Займемся этим и мы.
Остановим разлетающиеся галактики и повернем их вспять. Тогда все процессы потекут в обратном порядке, и мы придем к поразительному заключению: пятнадцать – двадцать миллиардов лет назад не было ни звезд, ни галактик, ни планет, ни туманностей, а только необыкновенно плотная и необычайно горячая плазма – «зародыш» будущей Вселенной. Разбегание галактик – это тоже «тени минувшего».
Это открытие послужило толчком к созданию теории так называемой горячей расширяющейся Вселенной. Она была разработана главным образом усилиями русского физика Георга Гамова и католического ученого Жоржа Леметра. Согласно этой теории, Вселенная образовалась в результате Большого взрыва первоначального необычайно плотного компактного «сгустка» космического вещества (так называемой сингулярности). Эта теория долгое время считалась общепринятой, однако в дальнейшем обнаружился ряд обстоятельств, которые она объяснить не могла. В частности, при разработке конкретных сценариев и моделей расширяющейся Вселенной ученые столкнулись с целым рядом трудностей и загадочных противоречий. Возникло немало вопросов, требовавших ответа, – появилось новое «знание о незнании».
Предположения о прошлом не должны вступать в конфликт с настоящим, а между тем некоторые свойства современной Вселенной явно противоречили теоретическим предположениям о предшествующих фазах ее эволюции.
Так, например, согласно существующим представлениям, современная Вселенная однородна и изотропна. Иными словами, свойства ее достаточно больших областей приблизительно одинаковы и все пространственные направления физически равноправны. Универсальный характер космических систем является отправной точкой современной космологии. Звезды напоминают по своему строению наше Солнце, другие галактики – наш Млечный Путь. Удаленные небесные тела состоят из тех же атомов, из которых состоят тела на Земле. А физические процессы, протекающие в дальнем космосе, по-видимому, идентичны тем процессам, которые развертываются в ближнем космосе.
Был сформулирован так называемый космологический принцип: «Ближний космос можно рассматривать как типичный образец Вселенной в целом». Это относится ко всей «организации» Вселенной – в частности, к распределению галактик как по удалению, так и по направлениям (однородность и изотропия). Эти свойства сохраняются и в процессе расширения Вселенной.
То, что пространственные направления физически равноправны, в рамках теории расширяющейся Вселенной выглядит крайне загадочным. В самом деле, в мире, в котором мы обитаем, никакие физические взаимодействия не могут распространяться со скоростью, превосходящей скорость света, – таковы законы физики! Из этого следует очень важный вывод: область Вселенной, которую мы непосредственно наблюдаем, всегда имеет конечные размеры, в ней существует оптический «горизонт», за который в данную эпоху мы не в состоянии заглянуть. Объекты, расположенные за этим «горизонтом», находятся от нас на столь больших расстояниях, что электромагнитные излучения не успели преодолеть их за то время, в течение которого Вселенная существует.
Мало того, во Вселенной всегда есть такие «точки», которые находятся друг от друга на расстояниях, превосходящих расстояние оптического «горизонта». Между такими точками, очевидно, не может существовать никакой причинной зависимости. Образно говоря, ни одна из таких «точек» не может «знать», что происходит в другой. Не так уж трудно подсчитать, что к числу подобных «независимых» точек относятся, например, точки, расположенные на границах наблюдаемой области Вселенной и отстоящие друг от друга на угловые расстояния, превосходящие тридцать градусов. Между тем астрономические наблюдения выявили удивительный факт: оказывается, материя, расположенная у границ наблюдаемой Вселенной, везде – везде! – обладает приблизительно одинаковыми свойствами. Как же так? Каким образом это могло произойти? Если Вселенная равномерно расширяется, то в ней нет и не может быть никакого механизма, способного выравнивать неоднородности на расстояниях, превосходящих расстояние оптического горизонта.
Возникла и еще одна трудность, судя по всему, непреодолимая в рамках теории горячей расширяющейся Вселенной… Известно, что герои литературных произведений, вызванные к жизни воображением автора, затем по ходу развития действия приобретают самостоятельность, независимо от желаний и воззрений своего создателя. Сформулированный фантазией писателя образ в какой-то момент перестает ему подчиняться. В тех или иных ситуациях, возникающих в процессе повествования, герой может поступать только так и не иначе, в соответствии со своей предысторией и с тем характером, которым он наделен, независимо от того, хочет этого автор или не хочет. Обретя заданные писателем свойства и взгляды, он уже не может в дальнейшем подчиняться авторскому произволу. Любое насилие над образом сразу же сделает произведение противоречащим жизненной правде, а значит и не художественным.
Нечто подобное происходит порой и в науке. Разработанная тем или иным ученым теория обретает самостоятельную жизнь, может выйти из-под «контроля» своего создателя и привести к выводам, противоречащим его собственным представлениям о природе. Так произошло и с теорией относительности. Хотя сам Эйнштейн и был убежден в конечности Вселенной, из уравнений созданной им теории в принципе вытекала и другая возможность. Степень искривления пространства, согласно общей теории относительности, зависит от массы тяготеющего вещества. Поэтому, чем больше масса – тем сильнее кривизна. И при достаточно больших массах она может сделаться настолько значительной, что произойдет «свертывание», «самозамыкание» пространства – оно станет конечным.
Ну, а если масса окажется меньше некоторого критического значения? Тогда замыкания не произойдет и пространство будет бесконечным.
Проведем еще один «мысленный эксперимент». Соберем все вещество, все массы Вселенной – звезды, планеты, туманности, сгустки вещества, элементарные частицы – и равномерно «размажем», распределим эту массу по всему пространству, предварительно превратив ее – мысленно, конечно, – для удобства вычислений, в ядра атомов водорода – протоны. Подсчитаем, сколько протонов попадает в каждый кубический метр. Если десять и больше – Вселенная замкнута и конечна, если меньше – незамкнута и бесконечна.
Таким образом, от величины средней плотности непосредственно зависят геометрические свойства Вселенной. Но не только геометрические! Если фактическая средняя плотность больше критической, то расширение Вселенной со временем должно смениться сжатием. Общая масса Вселенной в этом случае окажется столь велика, что ее тяготение остановит разлетающиеся галактики и заставит их возвратиться к исходной точке, подобно тому, как сила тяготения Земли возвращает брошенный вверх камень. Если же средняя плотность меньше или равна критической – расширение Вселенной будет продолжаться неограниченно.
Таков теоретический вывод, позволивший сформулировать новую проблему, новое «знание о незнании». Нам известно, что геометрические свойства окружающего нас мира зависят от распределения вещества. Это – знание. Но нам неизвестно, какова точно реальная величина средней плотности в нашей Вселенной. Это – незнание. Незнание, открывающее путь к новым исследованиям…
