Таинственные явления природы и Вселенной - Сергей Минаков

Кстати, сам термин «Большой взрыв» был придуман именно Хойлом, когда он высмеивал конкурирующую теорию в популярном ток-шоу на радио «Би-би-си».

Между тем, ироническому термину Хойла было суждено стать обозначением одного из основных мотивов современной космологии. Как бы физики ни относились к моделям вселенной Фридмана, их эпохальное значение для науки, а может быть, и для человеческого познания вообще состоит в наличии в них начальной сингулярности, где перестает работать ОТО. В сингулярности вещество сжимается до бесконечной плотности, и становится невозможно распространить решение на более ранние моменты времени. Таким образом, если воспринимать все буквально, Большой взрыв должен рассматриваться как начало Вселенной. Возможно ли, чтобы вся Вселенная началась с единственного события, случившегося конечное время назад?

Многие специалисты считали сингулярность Большого взрыва чисто формальным следствием предположений о строгой однородности и изотропности, которые Фридман использовал для решения уравнений Эйнштейна. Если в коллапсирующей Вселенной все галактики приближаются к нам, то неудивительно, что они столкнутся в одном большом схлопывании. Но если движение галактик будет хоть немного отличаться от радиального, можно предположить, что они «промахнутся» друг мимо друга и начнут снова разлетаться. В таком случае сингулярности удастся избежать, а вслед за сжатием последует новое расширение. Была надежда, что таким способом удастся построить так называемую «осциллирующую» модель Вселенной без начала с чередующимися периодами расширения и сжатия.

Оказалось, однако, что притягивающая природа гравитации делает такой сценарий невозможным. Британские физики Роджер Пенроуз и Стивен Хокинг, тогда еще аспиранты, доказали серию теорем, показывающих, что в очень широком диапазоне условий космологической сингулярности избежать нельзя. Основные предположения, использованные в этих доказательствах, состоят в том, что ОТО Эйнштейна верна и что материя во всей Вселенной обладает положительной плотностью энергии, так что гравитация не может стать отталкивающей. Таким образом, пока мы держимся в рамках ОТО и не предполагаем существования экзотической гравитационно-отталкивающей материи, сингулярность будет неизбежной, а вопрос о начальных условиях останется неразрешенным.

7 января 1610 года Галилео Галилей впервые в истории человечества направил построенный им телескоп на небо.

Теория Большого взрыва, которая не описывает Большой взрыв

Так теория Большого взрыва стала основанием новой физической науки — космологии.

Самый сильный аргумент в пользу теории Большого взрыва — это расширение Вселенной, открытое в 1929 году Эдвином Хабблом. Он, как мы уже знаем, обнаружил, что далекие галактики стремительно разлетаются от нас. В таком случае выходит, что если проследить движение галактик назад во времени, то в некоторый момент в прошлом все они сливаются вместе, что и говорит о взрывном возникновении Вселенной.

Другим важным подтверждением Большого взрыва служит космическое микроволновое излучение. Космос заполнен электромагнитными волнами, примерно такими же, что и в привычных микроволновках. Интенсивность этого излучения снижается по мере расширения Вселенной, так что мы сейчас наблюдаем лишь слабый отсвет раскаленного первичного огненного шара.

Теория Большого взрыва помогает космологам в изучении того, как этот огненный шар расширялся и остывал, как возникали атомные ядра и как из бесформенных газовых облаков возникали грандиозные спирали галактик. Результаты этих исследований прекрасно согласовывались с астрономическими наблюдениями, и это практически не оставляло сомнений в том, что теория развивается в правильном направлении. Однако было одно занятное обстоятельство: теория Большого взрыва описывала только последствия Большого взрыва и ничего не говорила о нем самом!

Вдобавок ко всему при ближайшем рассмотрении Большой взрыв выглядит весьма странно. Дело в том, что окружающий нас огромный мир, полный звезд и галактик, образуется только при том условии, что энергия первичного состояния выверена с немыслимой точностью. Ничтожное отклонение приводит либо к тому, что огненный шар «схлопывается» под действием собственного тяготения, либо к тому, что Вселенная оказывается почти пустой.

Космология Большого взрыва просто постулирует, что Вселенная в начальном состоянии обладала требуемыми свойствами. Физическая наука в состоянии лишь описать, как развивалась Вселенная из заданной начальной конфигурации. Но попытки разобраться, почему все началось именно с этого конкретного состояния, выходят за рамки физики. Вот какой показательный случай описывает Стивен Хокинг, один из самых знаменитых ученых-космологов современности. В 1981 году Хокинг участвовал в конференции по космологии, организованной орденом иезуитов в Ватикане: «В конце конференции участники были удостоены аудиенции Папы. Он сказал, что эволюцию Вселенной после Большого взрыва изучать можно, но не следует вторгаться в сам Большой взрыв, потому что это был момент Сотворения и, следовательно, Божественный акт. Я был очень рад, что Папа не знал темы только что сделанного мной доклада о возможности того, что пространство-время… не имеет границ, то есть что оно не имеет начала, а значит, нет и момента Сотворения».

Попробуйте умножить 37 037 на любое число от 1 до 9, а затем умножьте полученный результат на 3. Сами увидите, что выйдет!

Горячая Вселенная

Идея первичного огненного шара родилась в голове Георгия Гамова, очень колоритного физика русского происхождения, работавшего во многих ведущих исследовательских лабораториях Европы и США. Его коллега Леон Розенфельд писал, что Гамов «был ярок во всем, даже в своей физике». Еще аспирантом Гамов прослушал курс лекций Фридмана по общей теории относительности, так что знал об идее расширяющейся Вселенной, можно сказать, из первых рук. Кроме того, за очень короткое время Гамов стал мировым авторитетом в области ядерной физики.

Гамов утверждал, что ранняя Вселенная была не только сверхплотной, но также и очень горячей. Причина в том, что газы разогреваются, когда их сжимают, и охлаждаются при расширении.

Представьте, что в большой ящик помещено много-много маленьких шариков. Шарики беспорядочно движутся и отскакивают от стенок ящика. Теперь представим себе, что стенки ящика раздвигаются в стороны. Если мы бросим в стену мяч, он отлетит к нам с такой же скоростью, с какой мы его бросили. Но если стена удаляется от мяча, его скорость будет меньше после столкновения с ней. Так же и молекулы в расширяющемся пространстве будут замедляться. Конечно, в расширяющейся Вселенной нет никаких стен! Но молекулы отталкиваются друг от друга, так что расширение влияет на скорость их движения аналогичным образом. А температура по определению не что иное, как мера энергии движения молекул. Ясно, что в расширяющемся пространстве она будет убывать, и Вселенная будет становиться все холоднее. Ну а если двигаться в прошлое, мы, наоборот, заметим, что Вселенная будет становиться все горячее, и, в конце концов, в точке космологической сингулярности — в момент Большого взрыва — окажется бесконечно горячей. Собственно, поэтому космологическую сингулярность и называют Большим взрывом.

Гамов также понял, что уравнения Фридмана можно использовать для определения температуры и плотности Вселенной в любой момент времени. Например, спустя секунду после Большого взрыва температура составляет 1010 °C (10 млрд), а плотность — около 1 т/см3. Самая насыщенная событиями часть истории горячей Вселенной, для которой характерна быстрая смена поколений экзотических частиц, приходится как раз на первую секунду ее существования. В течение нескольких следующих минут образуются простейшие атомные ядра: водород, дейтерий, тритий, гелий-3 и гелий-4 (цифры обозначают число нуклонов — протонов и нейтронов, частиц, из которых состоят все атомные ядра). Процесс образования гелия начинается примерно через три минуты после Большого взрыва и завершается менее чем за минуту. Вселенная продолжает расширяться в жутком темпе, а плотность и температура очень быстро падают. После насыщенных событиями первых 3–4 мин темп космической драмы замедляется. С частицами вещества мало что происходит. Но зато существенные изменения происходят с излучением, наполняющим огненный шар.

Как нам известно еще из школьного курса физики, на макроскопическом (то есть на «человеческом») уровне излучение можно представить состоящим из электромагнитных волн — колеблющихся сгустков электрической и магнитной энергии. Волны разной частоты вызывают разные физические эффекты, и мы знаем их под разными названиями. Видимому свету соответствует лишь узкая полоска во всем электромагнитном спектре. Волны с более высокой частотой называют рентгеновским излучением, а еще более высокочастотные — гамма-лучами. Двигаясь по частотам вниз, мы встретим микроволны, а за ними радиоволны. Все они распространяются со скоростью света.