Давайте теперь вдумаемся в эти цифры! По сути дела, они - границы нашего познания на сегодняшний день, измеренные отрезки дорог, ведущих невообразимо далеко. 10 в 42-й степени - это столь много, что никто даже не может вразумительно разъяснить, как действительно велико такое число. Но все же попробуем представить себе его.
Допустим, что до таких размеров увеличилось число людей. Земной шар может вместить лишь 1015 человек, да и то, если они станут на планете вплотную - локоть к локтю. Подсчитано, что во всей необъятной Вселенной имеется примерно 1021 звезд. Если предположить, что у каждой звезды есть 10 планет, то мы получим число планет, близкое к 1022. Теперь, если все эти планеты заселить, подобно Земле, то есть поставить на них людей плечом к плечу, то удастся разместить на них 1037 человек. И все же это намного меньше, чем цифра "1042". Нет, не представить нам с помощью привычных образов число 1042!
Давайте теперь от пространственной характеристики исследуемого мира перейдем ко времени.
Если, например, взять самое малое из известных нам расстояний - 10-14 сантиметров, то этот путь свет успевает пройти за 10-24 секунд. Значит, это и есть на сегодня для нас самый маленький, кратчайший временной промежуток. Доступными в настоящий период ученым методами измерить его невозможно. Ну а самый большой из ныне известных нам промежутков времени - конечно же "время жизни Вселенной", то есть продолжительность ее расширения. Астрофизики подсчитали, что оно составляет 10 - 20 миллиардов лет - примерно 1018 секунд.
И вот что особенно интересно. Когда мы подсчитаем, какой итог дает соотношение самого малого известного нам временного промежутка с самым большим, то получим то же самое умопомрачительное число - 1042 секунд. Вот какие временные масштабы сумел теперь осмыслить ничтожный, как утверждают защитники религии, Человек, сам живущий в среднем всего 70 лет, или 109 секунд.
Кстати сказать, совпадение интервалов времени и расстояний отнюдь не случайно. Самые далекие участки Вселенной удаляются от нас со скоростью, близкой к световой. И с такой же скоростью движутся частицы в микромире. Именно скорость света объединяет между собой обе бесконечности: бесконечность большого и бесконечность малого. А мы стоим как бы на перекрестке. Привычный повседневный мир, окружающий нас, не знает таких скоростей. Только разум, мысль позволяет людям познавать невообразимый мир, мерилом которого является скорость света.
Мы оценили масштабы пространства и времени. Осталось вещество, которое окружает нас. Оно, как известно, меняется со временем и перемещается в пространстве. Вещество чрезвычайно многолико, проявления его неисчерпаемы. Но есть у него одно характерное качество - масса, которую мы измеряем в граммах. Попробуем же приближенно оценить всю массу обозримой для нас на сегодня Вселенной. Как уже говорилось, в ней около 1021 звезд. По подсчетам ученых, одна звезда в среднем весит 1035 граммов. Значит, масса Вселенной составляет что-то около 1056 граммов - цифра, еще более грандиозная, чем 1042. И опять обратимся для сравнения к Человеку. Он ведь весит сам менее чем 105 граммов. А мозг его оказался способным осмыслить тяжесть всего мира!
Как далеко до него всем богам всех религий! Человек всемогущ в своем познании окружающей природы, он сумел, сидя на небольшой Земле, очертить границы необъятного мироздания, он черпает мощь даже из сознания своей ограниченности во времени и пространстве, в силах и средствах.
Но для чего все это ему? В чем смысл и причина такого стремления человека к знаниям?
Загадки пространства - времени - материи так волнуют и влекут наши умы отнюдь не сами по себе. Не ради холодного света абстрактных истин мы столь упорно штурмуем тайны мироздания. И не только технический прогресс, дающий материальное изобилие, зовет нас в глубины космоса и микромира. Нет! Главная - и отнюдь не всегда осознанная - причина наших поисков лежит в нас самих. Ведь говоря о границах Вселенной, мы говорим и о возможностях нашего разума - о границах или, вернее, безграничности его познания. Измеряя Вселенную, мы измеряем, по сути дела, и силу нашего мозга. Характер самых смелых, самых "безумных" научных теорий определяется характером нашего мышления. Поэтому-то так волнуют и манят, так тревожат людей тайны космоса и микромира. Они, в сущности, важнейшее мерило наших способностей познавать, а Человек рожден для no-знания, - в этом великий смысл и цель его жизни.
Современные научные гипотезы коренным образом отличаются и от чисто отвлеченного "умствования" древних, и даже от более дисциплинированного, но тоже в сущности "умствования" натурфилософов Нового времени. Сегодняшние научные выводы, как правило, подкрепляются всей мощью реальных, строгих и проверенных знаний. Причем не только квантовая теория или астрофизика, но и космология опираются теперь на четкий эксперимент - достаточно вспомнить в этой связи открытие реликтового излучения Вселенной, когда радиотелескопы "поймали" наконец вполне реальные отголоски того самого "большого взрыва", с которого, как предполагали ученые, и начались величественные процессы рождения атомов и звезд нашего мира... Да, различие с древними мифами тут разительное! И все же если вдуматься, то стройная и величественная современная картина "большой вспышки", несмотря на всю ее математическую строгость, несет в себе весьма похожий на древние легенды аромат романтики, поэзии. Он заключается в невообразимой грандиозности познанного людьми мира, в его поразительной величественности, наконец, в том, что человек сумел все это осмыслить и охватить своим разумом, пусть и не полностью...
Маяки мироздания
Познакомимся с одной важной космологической гипотезой, которая, как кирпичик, входит в современную космологию и тоже опирается на данные непосредственных наблюдений. Ученый Ян Зельхейм исследовал в космосе 11 слабых точечных источников радиоизлучения - квазаров, удаленных от нас на миллиарды световых лет. И для каждого из них он обнаружил пару-антипод в противоположной точке неба. Что это означает?
Согласно современным научным представлениям, в основе которых лежит теория относительности А. Эйнштейна, в замкнутой Вселенной любой луч электромагнитного излучения должен вернуться в исходную точку. Следовательно, в принципе на Землю радиоволны и видимый свет от одного и того же источника излучения могут приходить двумя путями и с противоположных сторон! Если это так, то тогда 11 пар зельхеймовоких радиоисточников - просто 11 максимально удаленных от нас излучателей, испускающих радиоволны двумя путями по эйнштейновской кривизне - навстречу друг другу.
Правда, противостояние таких пар не абсолютно зеркально. Но если учесть невероятную удаленность от нас этих источников радиосигналов и чрезвычайно многочисленные местные искривления пространства, то такие небольшие отклонения легко объяснимы. На возможность фокусировки лучей в сферическом мире указывает и академик В. Л. Гинзбург. Такая фокусировка следствие положительной кривизны пространства. Это наглядно видно на двухмерной модели (Razum01.gif):
Распространяясь по большим кругам, исходящий от точки А свет соберется на другом "полюсе" - в точке В. Луч в принципе может обогнуть сферу несколько раз. Но из-за местных неоднородностей свет, идущий по разным путям, будет по-разному и отклоняться. В результате для наблюдателя изображение далекого квазара должно как бы "размножиться" - могут появиться так называемые "духи". Поиски этих "духов" - размноженных изображений одного и того же источника - это опытная проверка справедливости теоретической модели сферического мира, созданной современной наукой.
Наблюдая самый дальний квазар, мы как бы оглядываемся на бесконечно далекое прошлое. Ведь свет от такого квазара, видимый на Земле сейчас, начал свое путешествие около 8 - 10 миллиардов лет назад. Возраст нашей планеты определяется примерно в 5 миллиардов лет. Значит, от этого квазара свет пустился в путь задолго до того, как образовалась Земля. Именно подобные излучения позволяют ученым перекинуть мост через пропасть времени, "заглянуть" в эпоху образования Вселенной. Возраст Вселенной, повторяем, исчисляется в 10 - 20 миллиардов лет.
Напомним, что существуют две научные теории, пытающиеся объяснить процесс расширения Вселенной. Первая постулирует во времени некий определенный момент - "большой взрыв", "большую вспышку", положившую начало Вселенной. Эта теория так и называется "взрывной"; иногда ее именуют "эволюционной".
Другие представления исходят из того, что Вселенная по мере расширения постоянно образовывала новую материю из энергии пространства. Эта материя заполняет новыми галактиками все увеличивающиеся бездны между галактиками существующими, и таким образом Вселенная остается относительно однородной, неизменной - без начала и без конца. Такая концепция известна под названием "стационарной". Позднее в нее внесли некоторые поправки - и возникла идея пульсирующей Вселенной, которая периодически то расширяется от взрывов некоего изначального тела, то сжимается вновь, а затем опять взрывается по огромным циклам. И так до бесконечности...
Несмотря на ожесточенные споры, ученые не могли доказать явного преимущества той или другой теории. Для проверки обеих гипотез важно было, в частности, подсчитать количество галактик, расположенных по периметру Вселенной. Если бы такой подсчет показал, что там сконцентрировано больше галактик, чем в центральной части, то это подтвердило бы верность взрывной теории, утверждающей: вначале галактики находились на более близком расстоянии друг от друга. Ну а если подсчет показал бы, что галактики распределены по всей Вселенной сравнительно равномерно, то у ученых появились бы серьезные основания полагать: права теория стационарная, доказывающая, что Вселенная неизменна и ныне, и в прошлом, и в бесконечном будущем.
В 1961 г. сотрудник Кембриджского университета Мартин Райл завершил свой восьмилетний подсчет радиоисточников и подтвердил известное скопление небесных объектов у внешних краев Вселенной. Подсчитывать радиоисточники довольно трудно и столь же сложно дать им правильную интерпретацию...
Вот почему квазары стали для исследователей своеобразными маяками, постоянно фиксируемыми и достаточно удаленными ориентирами для широкого изучения относительной скорости расширения Вселенной. Сопоставляя красные смещения галактик и квазаров на все более отдаленных точках космоса, ученые получили возможность определить, ускоряется или замедляется темп расширения Вселенной. Согласно стационарной теории, этот темп должен увеличиваться с течением времени и по мере вечного движения галактик дальше от центра в расширяющейся Вселенной. Согласно взрывной теории, темп расширения должен уменьшаться, так как галактики теряют свою энергию под влиянием всемирного тяготения и отдаляются друг от друга все более медленно, чем непосредственно после взрыва. Если темп замедления достаточно резок, то, значит, в конце концов наступит момент, когда снова начнется фаза сжатия галактик.
А если Вселенная действительно начнет сжиматься, то, по некоторым расчетам, это будет все ускоряющийся во времени процесс. Галактики станут "сбегаться" быстрее и быстрее, пока не "сольются" в сравнительно небольшой шар с исключительной плотностью вещества, который в конце концов снова взорвется, и, как в популярной песне, "все опять повторится сначала"...
Современная космология утверждает, что для расширяющейся Вселенной существует "горизонт события", за которым находится ненаблюдаемый антимир. Поэтому можно сказать, что переход всей Вселенной от расширения к сжатию подобен падению ее в зазерка-лье антимира. Наблюдая с Земли сжатие Вселенной, мы увидели бы как бы "провалы" галактик за "горизонт событий", в мир встречного времени.
Впрочем, проблемы "сжимающегося" мира имеют для нас скорее теоретический интерес. Наука сегодня кладет свою основную лепту на чашу весов "взрывной", "нестационарной" теории. Поэтому-то наряду с "переписью" галактик ученые и пытаются провести подсчет квазаров. В "стационарной" Вселенной квазары должны распределяться в постоянной пропорции в любой исторический отрезок времени. Подсчитав число этих сверхзвезд с небольшим красным смещением - они ближе к нам и, следовательно, представляют сравнительно недавние эпохи в жизни Вселенной - и сопоставив его с числом объектов, чье большое красное смещение указывает на удаленность от нас во времени и пространстве, можно проверить справедливость обеих теорий.
По последним данным, квазаров с большим красным смещением оказалось гораздо больше. Это свидетельство того, что Вселенная эволюционирует во времени, а не находится в стационарном состоянии. Сейчас получены спектры более сотни квазаров. Максимальное обнаруженное расстояние тут составляет около 8 миллиардов световых лет. Такой результат говорит о том, что ученым удалось заглянуть в то время, когда нашей Вселенной было "всего" 2 миллиарда лет! А это означает, что мы теперь непосредственно обозреваем уже о;коло 80 процентов необъятного мира!
Как видим, исследование квазаров стремительно раздвигает границы космологии.
Обнаружение в 1965 г. реликтового (остаточного) излучения, испущенного в начальные моменты развития Вселенной, указывает на то, что когда-то была так называемая догалакти-ческая фаза ее развития - тогда не было ни галактик, ни квазаров. Вот почему квазары все же дают нам о Вселенной весьма ограниченные сведения. Очевидно, с их помощью ученые не сумеют заглянуть глубже чем на 8 миллиардов лет назад.
А как же все-таки тогда узнать о догалак-тической юности Вселенной? И есть ли вообще у человека сегодня такая возможность?
Антимир родился в тот же день и в тот же час
Гипотеза сверхплотной "бомбы", из которой, как цыпленок из яйца, вылупилась наша Вселенная, остается равнодушной к великой симметрии мира. Но антивещество властно требует всех прав гражданства. Вполне допустимо предположить, что вещество и антивещество - близнецы, родившиеся в одном и том же месте и в одно и то же время. Естественно допустить также, что оба состояния материи развились в какой-то момент эволюции сверхплотного протовещества. Первая космологическая теория, которая справедливо поступила с антивеществом, была разработана американским физиком Гольдхабером. Он назвал первоначальное средоточие Вселенной "универсоном". При распаде эта исходная суперчастица разделилась на две: "космон" и "антикосмон". Как нетрудно понять из названий, "космон" дал начало веществу, "антикосмон" антивеществу. Пока все это не более чем фантастика, в лучшем случае феноменологическая "протогипотеза", которую еще только предстоит развить. Гольдхабер не называет причин внезапного распада "универсо-на". Он лишь проводит здесь параллель с распадом тета-нулымезона на положительный и отрицательный пионы. Подобно этим частицам, "космон" и "антикосмон" разлетелись в разные стороны, стремясь скорее покинуть место распада. Последовавший за этим взрыв "космона" дал жизнь окружающему нас миру. Что же касается "антикосмона", то он мог не взорваться и по сей день. Впрочем, он мог и взорваться одновременно с "космоном", но в этом случае Антивселенная находится вне пределов нашей видимости.
Гипотеза Гольдхабера - это как бы предшествующая ступень гипотезы образования Вселенной из протовещества. Кроме того, она вносит в эту последнюю гипотезу недостающий элемент симметрии. В остальном же на нее распространяются все присущие таким гипотезам недостатки. Мы не знаем и никогда не узнаем, откуда появился "универсон" и почему он вдруг претерпел распад на две противоположные частицы. Но точно так же нам приходится принимать как данное и сверхплотное протовещество, сжатое до ничтожных размеров! И с этим приходится мириться. Как говорят физики, проблема рождения Вселенной относится к числу "неприятных".
Если мы принимаем "взрыв" за начало развития Вселенной, то нужно смириться и с тем, что именно с этого момента начался и отсчет времени. "До" этого будильник стоял, точнее, его просто не существовало! Итак, окончательно договоримся, что все вопросы, касающиеся того, что было "до", просто не имеют смысла. Это позволит нам иными глазами смотреть и на "неприятные" проблемы. Все отличие этих проблем от гипотез натурфилософов в том, что "неприятные" проблемы опираются на всю мощь экспериментальных и теоретических наук, тогда как главной опорой натурфилософов была чистая фантазия. Разница очень существенная.
Поэтому не будем спрашивать, что было до начала Вселенной. Блаженный Августин, говорят, заинтересовался тем, что делал бог до того, как создал мир. На этот вопрос могло быть два одинаково неприятных ответа: 1) бога до того, как он создал мир, просто не было и 2) бог был занят тем, что создавал ад для людей, задающих глупые вопросы.
Но если Гольдхабер в своей гипотезе исходит из изначального существования сверхплотной "бомбы" - а такая посылка, как мы видели, диктуется наблюдаемым расширением Вселенной, - то шведские астрофизики Альф-вен и Клейн пытаются вывести Метагалактику из облака крайне разреженного вещества. Вряд ли такая попытка достаточно серьезна. Но в гипотезе шведских ученых есть несколько остроумных моментов, из-за которых с ней стоит познакомиться. Ведь диалектика развития научных идей подсказывает, что наиболее правильное решение рождается на стыке двух противоположных мнений. Закроем глаза на, мягко говоря, не очень ясную отправную точку в гипотезе Альфвена и Клейна, согласно которой облако появилось в результате небольшого изменения энергетического состояния пространства. Знакомство с природой физического вакуума дает возможность "переварить" и не такие идеи.
Итак, мы приходим к какой-то (чем она хуже внезапного взрыва?) энергетической флюктуации. Чистая энергия обязана превратиться в эквивалентное число пар, состоящих из частицы и античастицы. По сути дела, облако Альфвена - Клейна не что иное, как плазма. В первые моменты существования эта плазма настолько разрежена, что столкновения частиц очень редки и аннигиляция между частицами и античастицами почти невозможна. Но постепенно, под действием гравитационных сил, плазма начинает сжиматься. Аннигиляцион-ные вспышки происходят все чаще и чаще, а конечные продукты аннигиляции - фотоны - все более плотным потоком пронизывают пространство. Короче говоря, повышается радиационное давление, которое и приводит в конце концов к равновесию сжимающих и расталкивающих сил. В этих условиях происходит формирование атомов, облаков газа, которые постепенно конденсируются в различные небесные тела.
Самое любопытное в гипотезе шведов - это идея отделения вещества от антивещества. С ней стоит познакомиться поближе: она может в какой-то мере дополнить другие, более удачные космологические теории. Наконец, она обладает и самостоятельной ценностью.
Еще в период сжатия первичной плазмы, процесса, вероятно, весьма неравномерного, возможно появление различных местных сгущений. Температура в таких сгущениях вследствие повышенной плотности аннигиляции, естественно, выше, чем в окружающем газе. Это, в свою очередь, приводит к конвекции. Под действием гравитационных сил более легкий электронно-позитронный газ начинает скопляться в одном участке, который мы условно можем назвать "верхним". Более тяжелый газ, обогащенный нуклонами и антинуклонами, оказывается тогда в "нижних" областях. Движение заряженных частиц в плазме вызывает появление электромагнитных сил, которые "рассортировывают" частицы с разноименными электрическими зарядами.
Не касаясь подробностей механизма электромагнитной сепарации частиц из "верхней" и "нижней" областей, удовольствуемся лишь конечным результатом. А он нам известен заранее, поскольку в нашем мире частицы преобладают над античастицами. В итоге нам ведь нужно соединить позитроны с антипротонами и электроны с протонами и отделить вещество от антивещества. Альфвен, собственно, и предлагает такую гипотетическую схему магнитных полей в сжимаемом облаке, при которой индуцируются необходимые для сепарации электрические токи. Конечно, приведенная им схема произвольна, но она вероятна. А можно ли требовать большего от гипотезы, касающейся одного из самых "неприятных" вопросов?
Приняв со всеми возможными допущениями и оговорками, что эволюция первоначальной плазмы привела в конце концов к образованию облаков водорода и антиводорода, мы сразу же сталкиваемся с новой трудностью. Суть ее предельно ясна. Как объяснить, что не произошла аннигиляция этих облаков?
Подобно тому как из кольцевых магнитных линий можно создать замкнутую "трубку", в которой, как в бутылке воду, можно хранить плазму, в будущем, вероятно, удастся создать и "бутылку" для хранения античастиц. Сквозь невидимые магнитные стенки ни изнутри, ни снаружи не сможет прорваться ни одна заряженная частица. В таком "сосуде" можно будет безбоязненно хранить запасы античастиц, не опасаясь аннигиляции. Одним словом, человек научится экранировать вещество от антивещества. Но у нас-то речь идет о процессах, которые гипотетически должны были протекать за миллиарды лет до появления человека!
Альфвен предсказал вариант самопроизвольной взаимной экранировки облаков водорода и антиводорода. На границе соприкосновения таких облаков неизбежно возникает аннигиляция. Но бояться ее не нужно. Аннигилируя, атомы и антиатомы породят вихри фотонов и электронно-позитронных пар. Этот радиационный газ, подобно пару, подбрасывающему каплю воды на раскаленной плите, будет стремиться отбросить облака антиподов в разные стороны. Чем сильнее будет протекать аннигиляция, тем энергичнее будут силы расталкивания. Поэтому облака, едва успев войти в соприкосновение, разойдутся, как корабли, подгоняемые ветрами, дуюшими с разных сторон.
Таких облаков-антиподов в первоначальной плазме рождается великое множество. Мы нарочно взяли лишь одну пару, чтобы легче было разобраться в происходящих процессах. Далее начинается самое интересное. Магнитные поля в первичной плазме крайне слабы. При самом оптимистическом подсчете, они лежат в пределах 1 - 2 гаусс. Но чем слабее магнитное поле, тем слабее и ток в природном контуре плазменного сгустка. А это, в свою очередь, означает, что в космической сепарации участвует меньше частиц. По расчетам Альфвена и Клейна, магнитные поля средней силы способны разделить вещество и антивещество, общая масса которых соизмерима с массой звезды. Парадоксальный вывод!
Он означает, что даже наша вполне заурядная система могла возникнуть не из одного водородного облака, а только в процессе слипания нескольких таких облаков. Отсюда легко прийти к выводу, что даже в нашей Галактике половина звездных систем может состоять из антивещества! Астрономам придется много потрудиться, чтобы опровергнуть этот ошеломляющий вывод. Звездный свет не несет нам информации о веществе, которое его испускает. И может быть, даже ближайшие наши соседки Альфа Центавра и Тау Кита черпают свою энергию из синтеза антипротонов.
И все же, несмотря на то что электромагнитное излучение одинаково для вещества и антивещества, у нас есть определенные шансы распознать окружающие Солнечную систему антимиры. Конечно, если эти антимиры действительно существуют. Оставляя в стороне нейтринную астрономию, которая является делом будущего, коснемся так называемых фронтов. Мы употребили это название по аналогии с одноименным атмосферным явлением, наблюдающимся при столкновении холодных и теплых воздушных масс. Атмосферный фронт легко обнаружить по характерным шумам: воды, крикам птиц и животных. Аналогичло этому можно попытаться обнаружить анниги-ляционный фронт в космосе.
Поскольку на границе вещества и активе" щества кипят аннигиляционные битвы, то, как говорят астрономы, в "гамма-свете" соответствующие участки ночного неба не могут не выдать себя. Конечно, атмосфера задерживает рентгеновские излучения космоса. Но гамма-телескопы уже выводились с помощью спутников на околоземную орбиту. Первые такого рода опыты, правда, показали, что космический гамма-фон довольно однороден. Но окончательные выводы на основании этого делать нельзя. Потребуются еще десятки и сотни точных измерений. Да и гамма-телескопы еще не настолько совершенны, чтобы мы окончательно отказались от идеи существования "ближних" антимиров.
Впрочем, "роме гамма-астрономии есть еще одна возможность подтвердить или опровергнуть гипотезу шведских астрофизиков. Речь идет об особенностях аннигиляционных фронтов, на которые обратил внимание советский ученый Н. А. Власов. На короткое мгновение перед аннигиляцией частицы и античастицы образуют псевдоатомные структуры - прото-ний (протонно-антипротонная пара) и пози" троний (электронно-позитронная пара). Про-тоний и позитроний обладают избыточной энергией. Поэтому, прежде чем исчезнуть, они успевают испустить световые кванты. Вполне понятно, что квазиатомные структуры обладают строго определенными спектрами. На основании этого Н. А. Власов и предлагает изучить спектры всех даже самых слабых свечений в пространстве.
Прорыв к "началу"
Попробуем совершить мысленное путешествне к тем далеким временам, когда привычное для нас понятие "наблюдатель" теряет всякий смысл, когда не было ни галактик, ни звезд, ни планет, ни разума...