В этот период вещество Вселенной напоминало плазму. Оно представляло собой расширяющееся облако протонов, электронов и легких ядер (главным образом гелия), пронизанное гигантскими электромагнитными потоками всех степеней жесткости - от радиоволн до гамма-лучей. Излучение это, конечно, обладало равновесной с веществом температурой. Но температура по мере расширения быстро уменьшалась. "Выстрел" свершился - и горячие газы вырвались на простор... Поэтому через несколько тысяч лет после "взрыва" температура достигла вполне привычных для нас значений: 3000 - 4000°К [Буквой К обозначается температурная шкала Кельвина, в которой отсчет ведется от абсолютного нуля - минус 273,16 градуса по шкале Цельсия], а плотность вещества упала примерно до 10-20 г/см3. В этих условиях электроны уже могли соединяться с ядрами и образовывать первые в юной Вселенной легкие атомы - водородные, гелиевые и т. п. В такой среде излучение как бы "отрывается" от вещества, перестает испускаться и поглощаться. Температура этого излучения тоже быстро уменьшается.
Как известно, температура меняется обратно пропорционально расстоянию между любыми удаленными частицами расширяющегося объема, а плотность обратно пропорционально кубу этого расстояния. Вспомним, что плотность вещества в современной Вселенной достигает значения 10-29 г/см3. Поделив величину плотности вещества юной Вселенной - 10-20 на сегодняшнюю плотность - 10-29, мы получим величину 109. Это соответствует изменению расстояния в 103, или, говоря иными словами, радиус современной Вселенной в 1000 раз больше, чем той прежней, о которой идет речь. А это означает, что температура "оторвавшегося" излучения должна теперь быть в 1000 раз меньше, то есть соответствовать приблизительно 3°К.
Мысль о том, что такое излучение - "свидетель" первоначального "взрыва" - можно обнаружить в космосе, была высказана еще более 20 лет назад, но, как это часто бывает, ей не придали большого значения: идея была "чуточку" преждевременной. Зато поеле 1965 г., когда реликтовое излучение было открыто, все смогли оценить, насколько она была справедлива. Остается добавить, что температура этого излучения оказалась 2,7°К! Это был еще один триумф современной научной теории. Выяснилось, что разработайные советским ученым А. А. Фридманом в начале 20-х годов модели Вселенной не только качественно, но и количественно вполне реально описывали эволюцию мира. Столь же справедливой оказалась и гипотеза о "горячей" Вселенной.
Наиболее примечательное свойство реликтового излучения - его удивительная однородность, как говорят ученые, изотропность: со всех точек неба оно поступает к нам с одинаковой интенсивностью. И это тоже помогает ученым: ведь исследуя современный реликтовый фон и высчитывая, каким он был на более ранней стадии, можно заглянуть в прошлое Вселенной. Поэтому с полным на то основанием сегодня можно сказать, что в период "отрыва" излучения от вещества Вселенная была более или менее изотропной. Это очень важный вывод, хотя он и не дает нам права судить о более ранних стадиях, когда первичное облако не было "прозрачно" для излучений.
В первые секунды - а может быть, даже дни и годы после "взрыва" Вселенная могла быть сильно анизотропной, то есть обладать любыми неоднородностями. Но постепенно они сгладились, как складки на камере мяча после его накачки. При этом следует учесть также, что на пути к нам кванты реликтового излучения многократно рассеивались и "забывали" о своем далеком прошлом. Вот почему о более ранних стадиях жизни Вселенной мы можем только высказывать гипотезы. Однако не исключено, что об этих периодах нам когда-нибудь смогут рассказать реликтовые нейтрино и гравитационные волны, если ученые когда-нибудь сумеют их поймать.
И все же современная наука сумела совершить громадный прыжок в прошлое нашего мира! Если квазары позволили им приблизиться к моменту "большого взрыва" лишь на 2 миллиарда лет, то реликтовые кванты сократили этот срок до 300 тысяч лет. По сравнению с гигантским временем существования Вселенной это очень мало.
Однако попробуем все же подойти еще ближе к "началу". Согласно "горячей" модели Вселенной Фридмана, через 100 секунд после "взрыва" плотность вещества должна составлять около 100 г/см3, а температура - 109 градусов. Подсчеты говорят, что на этой стадии вещество состояло в основном из протонов, нейтронов и электронов. При этом протоны активно взаимодействовали с нейтронами, образуя главным образом альфа-частицы. Те же немногие нейтроны, которые не успели вступить во взаимодействие, распадались. Таким образом, сразу же после "взрыва" Вселенная состояла на 90 процентов из протонов и на 7 - 8 процентов - из ядер гелия. Отсюда понятно, что, определив процент гелия в сегодняшней Вселенной, можно было бы существенно подкрепить "горячую" фридмановскую модель. И действительно, у исследователей теперь есть немало оснований утверждать, что гелия во Вселенной много - около 5 - 10 процентов.
Но и на этом современная теоретическая наука не останавливается. Она стремится проникнуть в еще более ранние стадии существования мира. В тот момент, когда время (Т) было равно всего 0,3 секунды, плотность вещества должна была достигать 107 г/см3, а температура - 3-1010 градусов. Этот период характеризуется "отрывом" нейтрино от нуклонов. В принципе здесь имело место то же явление, о котором уже шла речь, когда мы говорили о реликтовом излучении. Как и электромагнитное излучение, нейтрино не успевали излучиться и поглощались веществом. Но с уменьшением плотности вещество стало для нейтрино прозрачным. Разница здесь лишь в критических значениях плотности: 10-20 г/см3 - для электромагнитных квантов и 10-7 для нейтрино.
Считается, что излученные в тот период нейтрино должны были "дожить" до наших дней. Но теперь они уже настолько охладились (температура их с 3*1010 упала до 2°К), что ученым вряд ли удастся их "поймать" в ближайшее время. Для этого точность существующей у нас аппаратуры нужно увеличить на несколько порядков. Но в принципе поймать реликтовый нейтринный фон можно. И это приблизило бы нас почти к самому моменту "начала". Впрочем, температуру в 2°К дает уже знакомая нам модель с изотропным расширением. Если же ранние стадии были анизотропны, то реликтовые нейтрино должны обладать температурой более высокой, и "уловить" их, конечно, будет легче. Возможно, это и произойдет в ближайшие годы...
Но продолжим наше путешествие во времени, наш "прорыв" к Т-0 [Здесь следует уточнить, что Т=0 - это своего рода математическая условность. Дело в том, что общая теория относительности предполагает замедление течения времени вблизи сверхплотных масс, причем оно даже может вообще остановиться в условиях чудовищной плотности вещества. Таким образом, мы можем рассматривать Т=0 как своего рода начало отсчета привычного нам времени-пространства. Ведь теория относительности всегда рассматривает время в неразрывной связи с пространством.], ко все более высоким плотностям и температурам. Здесь нас ожидают некоторые сюрпризы.
При Т=10-4 секунды плотность вещества уже "ядерная" - 1014 г/см3. Это означает, что Вселенная в тот момент еще находилась под властью квантовых законов. С достаточной строгостью мы можем считать такую раннюю Вселенную... громадным атомным ядром со всеми вытекающими из этого последствиями. Поистине удивительное торжество диалектики с ее законами перехода количества в качество! Поскольку общая теория относительности не учитывает квантовость, то вряд ли с ее помощью можно описать эту раннюю стадию.
А при еще более высоких плотностях квантовые законы играли, видимо, большую роль. Мы даже представить себе не можем, сколь необычны были проявления многоликой пространственно-временной сущности в тех условиях! Может быть, все наши современные физические понятия просто не имели тогда никакого смысла. Так что нельзя даже говорить о чудовищной "гравитационной" плотности, которую, возможно, имела Вселенная в самый момент Т-0. Теория пока дает нам умопомрачительную цифру: 4*1093 г/см3 - и ничего к ней не добавляет. Помочь тут не могут ни наши сегодняшние знания, ни здравый смысл...
Но разве Человек сделал уже свои самые последние шаги в глубины космоса и микромира?..
Нет! Он стоит ныне на перекрестке дорог, исчезающих в ночи. Пусть он мысленно "обрубил" бесконечности и знает, что в принципе эти дороги где-то кончаются. Но где? И сумеет ли он хоть когда-нибудь дойти туда? Попытаемся же приблизительно оценить количество максимально возможной информации во Вселенной и сравнить его с информационной мощностью человеческого мозга.
Согласно принципу Бреммермана, никакая система не может обработать информации больше чем 1,6х1047 бит/грамм-секунду. Для простоты предположим, что никакая система не может и выдать большей информации. Тогда, помножив это число Бреммермана на массу и возраст Вселенной, получим и ее информационную емкость: 1,6*1047 бит/грамм-секун-ду Х1058 граммХ1018 секунд=10123 бит. Человеческий мозг в течение жизни способен переработать лишь 1014 бит, или 105 бит/секунду. Вывод из этих расчетов напрашивается недвусмысленный - Вселенная для человеческого разума неисчерпаема.
Великое единоборство смертного и слабого "мыслящего тростника" с вечной и неисчерпаемой природой - вот извечная задача ученого. Однако даже это реальное соотношение с бесконечным миром все же нисколько не может принизить Человека, как это пытается делать религия, постулируя его слабость и ничтожность перед богом и якобы сотворенным им миром. Ведь любой мифический бог и "божий мир", созданные человеческим воображением многие века тому назад - на ранних этапах познания, выглядят весьма примитивно по сравнению с тем, что сегодня Человек знает и делает, по сравнению с необъятным окружающим его реальным миром. Пусть необозримы бездны времени и пространства, все же люди исследуют и познают их. Именно своей дерзкой способностью осмыслить бесконечность, разумом и взглядом объять необозримое - вот чем силен и славен Человек...
В. Л. Гинзбург,
академик, лауреат Ленинской премии
В начале 1973 г. широко отмечалось 500-летие со дня рождения знаменитого польского астронома Николая Коперника, опрокинувшего привычную для той эпохи картину мира. Коперниковское учение противоречило религиозному мировоззрению, согласно которому в центре Вселенной находится Земля, а Солнце, Луна и звезды вращаются вокруг Земли.
Несколько десятилетий шли споры вокруг "безумной" гипотезы Коперника. Но вот в начале XVII в. произошла величайшая революция в наблюдательных средствах астрономии: был изобретен или, точнее, начал применяться Галилеем телескоп. Наблюдения неба, сделанные с помощью телескопа, быстро подтвердили правоту Коперника (достаточно упомянуть об открытии спутников Юпитера, вращающихся вокруг этой планеты). Идея гелиоцентризма победила, а накопление данных о небесных светилах стало происходить нарастающими темпами.
До начала XX в. теоретической базой для объяснения физических явлений, происходящих во всех частях Вселенной, служила механика Ньютона с ее важнейшими принципами: независимостью пространства и времени от "наполняющего" Вселенную вещества и возможностью изучать движение небесных тел, используя в качестве привилегированной системы отсчета неподвижный мировой эфир, наполняющий все мировое пространство.
Примерно 60 лет назад выяснилось, однако, что принципы ньютонианской физики должны быть заменены при описании картины мира принципами специальной и общей теории относительности: никакой абсолютной (привилегированной) системы отсчета не существует, пространство и время понятия в известном смысле относительные, гравитация тесно связана со свойствами пространства, модель Вселенной, построенная на основе новых теоретических принципов физики, глубоко отличается от Вселенной Коперника, Галилея, Кеплера и Ньютона, не говоря уже о наивных представлениях седой древности, аккумулированных в библейских легендах.
Ко всему этому в 50-х и 60-х годах нашего века произошла вторая революция в развитии наблюдательной астрономии. Радиотелескопы, рентгеновские телескопы, зарождающиеся методы нейтринной астрономии, разработка аппаратуры для обнаружения гравитационных волн, экспериментальная проверка выводов из теории относительности, обнаружение целого ряда необычных астрономических объектов и явлений (квазаров, пульсаров, реликтового излучения) - все это поставило перед современными астрофизиками задачи, имеющие огромное мировоззренческое значение. Надо было объяснить вновь обнаруженные явления и то, что было известно астрономам раньше, с позиций единой физической теории и построить такую модель Вселенной, которая и соответствовала бы тому, что мы наблюдаем сейчас в окружающем нас пространстве, и отражала бы длительную эволюцию планет, звезд, галактик, всей Метагалактики.
Уже исходя из общих соображений, можно было заключить, что такая модель окажется несовместимой со многими привычными представлениями о строении мира и о "природе вещей", поскольку они, эти привычные представления, соответствуют законам механики Ньютона. Новая же модель должна учитывать эффекты теории относительности, которые становятся ощутимыми при скоростях, близких к скорости света, и при плотностях вещества, превышающих в миллиарды раз плотность воды.
В начале 20-х годов советский физик А. А. Фридман показал путем теоретических расчетов, что статическая релятивистская модель строения Вселенной, предложенная А. Эйнштейном в 1917 г., является лишь одной из огромного числа возможных моделей, и вполне вероятно, что наша Вселенная непрерывно расширяется. Через несколько лет расширение Вселенной было доказано: об этом свидетельствует так называемое красное смещение спектральных линий в спектрах далеких от нас галактик. Картина такова: галактики как бы разбегаются в пространстве, возникнув 10 - 20 миллиардов лет назад из сгустка вещества колоссальной плотности.
Состояние вещества и ход физических процессов, сами понятия о времени и пространстве в "ранний" период эволюции Вселенной, когда плотность была грандиозна, еще недостаточно ясны и, вероятно, существенно отличаются от понятий физики сегодняшнего дня. Здесь нас ждет много нового, быть может, совсем необычного.
Но качественные изменения во Вселенной происходили не только в далеком прошлом. Имеются теоретические предположения, что при определенных условиях эволюция звезд приводит к образованию так называемых "черных дыр". Поле тяжести у поверхности этих дыр так велико, что силы гравитации "сковывают" в этой части пространства все виды лучистой энергии, в том числе и свет. Поэтому эти массивные звезды становятся невидимыми, если только на них не падает вещество извне. Выяснение того, как при этом все же обнаружить "черные дыры", является одной из интереснейших задач современной астрофизики.
Было бы легкомысленным пытаться в краткой беседе изложить хотя бы в самой общей форме основные достижения современной астрофизики или хотя бы дать сколько-нибудь полное представление об ее содержании [Подробнее об этом можно прочитать в кн.: В. Л. Гинзбург. Современная астрофизика. Научно-популярные статьи. М., 1970. - Ред.]. Хочу лишь отметить, что современная астрофизика ставит перед нами грандиозные по трудности задачи построения общей картины мира, соответствующей новым теоретическим представлениям и новым данным наблюдательной астрономии.
Значит ли все сказанное, что борьба за истину, шедшая на протяжении веков, в свете современных знаний теряет свое значение? Значит ли это также, что современная картина динамически развивающейся Вселенной делает бессмысленными старые споры о строении Солнечной системы?
Ни в коем случае. Современная научная картина мира включает в себя как часть, элемент, как относительную истину и гелиоцентризм Коперника, и механику Ньютона. Ведь дело в том, что каких бы достижений ни добилась наука, какой бы вид ни приняла вследствие этого картина мира, она всегда будет противостоять любой догме, пытающейся дать абсолютный (и потому неверный, мертвый, иллюзорный) ответ на вопрос, "как" устроен тот универсум, в котором живет и мыслит человек [Этому вопросу посвящена статья академика В. Л. Гинзбурга "Гелиоцентрическая система и общая теория относительности. От Коперника до Эйнштейна" в "Эйнштейновском сборнике. 1973". М., 1974. - Ред.].
Лишь активное познание, свободное от наперед заданных установок и подкрепляющее каждый свой шаг наблюдением и экспериментом, имеет право на существование. И чем дальше мы уходим по бесконечному пути постижения законов природы, тем слабее позиции ложного, метафизического, догматического способа описания природы.
Г. А. Чеботарев,
доктор физико-математических наук
Оптимизм нашего знания
Вспоминаю, с какой тревогой рассматривали мои коллеги новейшие фотографии Марса: следы небесной бомбардировки различались на его поверхности так явственно, что он больше напоминал Луну, чем землеподобную планету. И каждый невольно думал: а хорошо, что наша Земля находится далеко от пояса астероидов, где часто падают метеориты.
Небесная механика, которой занимается Институт теоретической астрономии, не так уж богата драматическими событиями. Мы изучаем в основном движение малых небесных тел - астероидов и комет. И хотя они находятся к нам много ближе звезд, но все же держатся обычно на почтительном расстоянии от Земли. Правда, "небесные камни" не раз обрушивались на нашу планету и в различных ее местах оставляли "шрамы", которые заметны до сих пор. В Африке, например, это кольцо Вудворта диаметром 50 километров - след от падения метеорита. Есть предположение, что гигантская, 440-километровая, дуга Гудзонова залива тоже часть метеоритного кратера.
Но изучение малых небесных тел показывает, что их падение не может представлять серьезной опасности для планет. Луна существует миллиарды лет, хотя от небесной бомбардировки ее ничто не защищает (для Земли роль панциря играет атмосфера); крохотный спутник Марса - Фобос, сфотографированный недавно с космического корабля, весь изрыт оспинами от ударов метеоритов, и все же он существует. Конечно, если крупный "небесный камень" упадет на один из городов Земли, то будет беда. Однако такое событие весьма маловероятно.
Может создаться впечатление, что за таким оптимизмом астрономов скрывается фатализм: мол, зачем пугать людей, если грозящую с неба опасность предотвратить все равно невозможно. Но это не так. Нас интересует только истина, только правда, как бы ни была она горька.
Многих интересует, например, что случится, если в результате нестационарных процессов на Солнце его излучение усилится и средняя температура на нашей планете повысится хотя бы на 3 - 4 градуса? Ведь ясно, что тут дело не ограничится отказом людей от теплой одежды. Такое повышение температуры скажется, вероятно, и на глубинных процессах в биосфере, последствия чего довольно трудно предвидеть.
Бывает, что возникают еще более пугающие вопросы, например: что будет, если недалеко от Солнца вспыхнет сверхновая звезда и в связи с этим на Земле резко возрастет фон радиации? Как отразится это на эволюции жизни?
Такие проблемы обсуждаются ведь не только в научных кругах, но и на страницах печати, они становятся достоянием всех. Нередко их пытаются использовать ревнители религии, пугающие верующих скорым концом света.
Астрономов такие вопросы волнуют не меньше других. Не следует думать, что человеческие тревоги, в том числе и связанные с процессами во Вселенной, им чужды. Но, становясь к телескопу или садясь за расчеты, ученый должен, обязан позабыть на время о том, что его волнует, о своих личных чувствах по этому поводу и заняться кропотливой добычей и объективной интерпретацией реальных фактов. Другого пути к настоящей истине нет.
Именно такой подход неопровержимо говорит нам: вопросы эти достаточно абстрактны. У человечества есть все основания для долгой и счастливой жизни на нашей планете и в Солнечной системе.
Мне вспоминается шумиха, поднятая в свое время вокруг астероида Икар. Кто-то из западных журналистов опубликовал интервью с ученым, из которого следовало, что в 1968г. эта малая планета может врезаться в Землю. Приводилось даже "научное" обоснование: мол, орбита Икара, простирающаяся от Меркурия до пространства за Марсом, может быть изменена притяжением Меркурия. И сразу же западные газеты начали расписывать все возможные и предполагаемые последствия падения Икара, словно возможность столкновения его с Землей уже была доказана. Говорили даже о том, что СССР и США якобы готовят высадку на этот астероид, чтобы изменить его орбиту. В Мировой центр малых планет, то есть к нам, в Ленинград, в Институт теоретической астрономии, пришел по этому поводу специальный запрос. В ответ на него мы сообщили результаты своих расчетов и вывод, что Икар пролетит вдали от Земли. Так оно и случилось.
Это, конечно, замечательно, когда сбываются оптимистические научные прогнозы. Однако Вселенная разнообразней не только того, что люди себе представляют, но и того, что они вообще могут вообразить. И вот астроном у телескопа встречается с ней как бы один на один. Перед ним - безграничные просторы, его окружает бесконечный океан времени. Не появляется ли при этом у земного наблюдателя, астронома мысль о бессилии науки познать Вселенную?
Мне думается, что самая большая радость для человека - процесс узнавания нового, раскрытия сокровенных тайн природы. Знания, добытые предшествующими поколениями ученых, можно сравнить с горой. Как только молодой человек в процессе учебы взобрался на ее вершину, перед ним раскрываются чарующие горизонты. При всей относительности знаний - а она существует всегда - он видит мир как бы целиком. Перед ним картина, в которой есть и неясные детали, и очень много еще недорисованных мест.
Какие чувства и стремления пробуждает такой вид в молодом ученом? Прежде всего удивление, очарование красотой природы, желание работать, открывать неведомое, служить истине, ибо только на этом пути были сделаны самые большие открытия.
Я вообще не представляю себе, что знание может породить пессимизм, напротив, оно должно являться и является источником оптимизма. Астроном, возможно, лучше других понимает всю сложность и безграничность Вселенной. Но сознание того, что он, так мало живущий человек с ординарной планеты, вмещает в своем мозгу всю эту сложность и безграничность, не может не быть источником гордости за науку, за человечество.
Да, человек смертен! Но посмотрите, какие разные выводы делают из этого очевидного факта материалисты и защитники религии. Первые говорят: трудись, проживи свою жизнь так, чтобы продвинуть вперед человечество на его нелегком пути к знанию и счастью. Вторые же считают земное существование лишь подготовкой к вечной жизни в загробном царстве.