741 (Расширение вселенной и красное смещение), страница 2

Приблизительно в это же время два американских физика из расположенного по соседству Принстонского университета, Боб Дикке и Джим Пиблс, тоже занимались исследованием микроволн. Они проверяли предположение Джорджа Гамова (бывшего ученика А. А. Фридмана) о том, что ранняя Вселенная была очень горячей, плотной и раскаленной добела. Дикке и Пиблс выска­зали ту мысль, что мы можем видеть свечение ранней Вселенной, ибо свет, испущенный очень далекими ее областями, мог бы дойти до нас только сейчас. Но из-за расширения Вселенной красное смещение светового спектра должно быть так велико, что дошед­ший до нас свет будет уже микроволновым (СВЧ) излучением. Дикке и Пиблс готовились к поиску такого излучения, когда Пен­зиас и Вильсон, узнав о работе Дикке и Пиблса, сообразили, что они его уже нашли. Зa этот эксперимент Пензиас и Вильсон были удостоены Нобелевской премии 1978 г. (что было не совсем спра­ведливо, если вспомнить о Дикке и Пиблсе, не говоря уже о Гамове!).

Правда, на первый взгляд, тот факт, что Вселенная кажется нам одинаковой во всех направлениях, может говорить о какой-то выделенности нашего местоположения во Вселенной. В частно­сти, раз мы видим, что все остальные галактики удаляются от нас, значит, мы находимся в центре Вселенной. Но есть и дру­гое объяснение: Вселенная будет выглядеть одинаково во всех на­правлениях и в том случае, если смотреть на нее из какой-нибудь другой галактики. Это вторая гипотеза Фридмана. Нет научных доводов ни за, ни против этого предположения, и его приняли, так сказать, из скромности: было бы крайне странно, если бы Вселенная казалась одинаковой во всех направ­лениях только вокруг нас, а в других ее точках этого не было! В модели Фридмана все галактики удаляются друг от друга. Это вроде бы как надутый шарик, на который нанесены точки, если его все больше надувать. Расстояние между любыми двумя точ­ками увеличивается, но ни одну из них нельзя назвать центром расширения. Притом, чем больше расстояние между точками, тем быстрее они удаляются друг от друга. Но и в модели Фридмана скорость, с которой любые две галактики удаляются друг от друга, пропорциональна расстоянию между ними. Таким обра­зом, модель Фридмана предсказывает, что красное смещение галактики должно быть прямо пропорционально ее удаленности от нас, в точном соответствии с открытием Хаббла. Несмотря на успех этой модели и на согласие ее предсказаний с наблю­дениями Хаббла, работа Фридмана оставалась неизвестной на за­паде, и лишь в 1935 г. американский физик Говард Робертсон и английский математик Артур Уолкер предложили сходные модели в связи с открытием Хаббла.

Сам Фридман рассматривал только одну модель, но можно ука­зать три разные модели, для которых выполняются оба фунда­ментальных предположения Фридмана. В модели первого типа (открытой самим Фридманом) Вселенная расширяется достаточно медленно для того, чтобы в силу гравитационного притя­жения между различными галактиками расширение Вселенной за­медлялось и в конце концов прекращалось. После этого галак­тики начинают приближаться друг к другу, и Вселенная начи­нает сжиматься. На рисунке показано, как меняется со временем расстояние между двумя соседними галактиками.

Оно возрастает от нуля до некоего максимума, а потом опять падает до нуля. В модели второго типа расширение Вселенной происходит так быстро, что гравитационное притяжение, хоть и замедляет рас­ширение, не может его остановить. На следующем рисунке показано, как изменяется в этой модели расстояние между галактиками.

Кри­вая выходит из нуля, а в конце концов галактики удаляются друг от друга с постоянной скоростью. Есть, наконец, и модель третьего типа, в которой скорость расширения Вселенной только-только до­статочна для того, чтобы избежать сжатия до нуля (коллапса). В этом случае расстояние между галактиками тоже сначала равно нулю, а потом все время возрастает. Правда, галак­тики «разбегаются» все с меньшей и меньшей скоростью, но она никогда не падает до нуля.

Модель Фридмана первого типа удивительна тем, что в ней Вселенная не бесконечна в пространстве, хотя пространство не имеет границ. Гравитация настолько сильна, что пространство, искривляясь, замыкается с самим собой, уподобляясь земной по­верхности. Ведь, перемещаясь в определенном направлении по поверхности Земли, вы никогда не натолкнетесь на абсолютно непреодолимую преграду, не вывалитесь через край и в конце кон­цов вернетесь в ту же самую точку, откуда вышли. В первой мо­дели Фридмана пространство такое же, но только вместо двух измерений поверхность Земли имеет три измерения. Четвертое измерение, время, тоже имеет конечную протяженность, но оно по­добно отрезку прямой, имеющему начало и конец. Потом мы уви­дим, что если общую теорию относительности объединить с кван-товомеханическим принципом неопределенности, то окажется, что и пространство, и время могут быть конечными, не имея при этом ни краев, ни границ.

Мысль о том, что можно обойти вокруг Вселенной и вернуть­ся в то же место, годится для научной фантастики, но не имеет практического значения, ибо, как можно показать, Вселенная ус­пеет сжаться до нуля до окончания обхода. Чтобы вернуться в исходную точку до наступления конца Вселенной, пришлось бы передвигаться со скоростью, превышающей скорость света, а это невозможно!

В первой модели Фридмана (в которой Вселенная расширяется и сжимается) пространство искривляется, замыкаясь само на се­бя, как поверхность Земли. Поэтому размеры его конечны. Во второй же модели, в которой Вселенная расширяется бесконечно, пространство искривлено иначе, как поверхность седла. Таким об­разом, во втором случае пространство бесконечно. Наконец, в третьей модели Фридмана (с критической скоростью расширения) пространство плоское (и, следовательно, тоже бесконечное).

Но какая же из моделей Фридмана годится для нашей Вселен­ной? Перестанет ли Вселенная наконец расширяться и начнет сжиматься или же будет расширяться вечно? Чтобы ответить на этот вопрос, нужно знать нынешнюю скорость расширения Все­ленной и ее среднюю плотность. Если плотность меньше неко­торого критического значения, зависящего от скорости расшире­ния, то гравитационное притяжение будет слишком мало, чтобы остановить расширение. Если же плотность больше критической, то в какой-то момент в будущем из-за гравитации расширение Вселенной прекратится и начнется сжатие.

Сегодняшнюю скорость расширения Вселенной можно опреде­лить, измеряя (по эффекту Доплера) скорости удаления от нас других галактик. Такие измерения можно выполнить очень точ­но. Но расстояния до других галактик нам плохо известны, по­тому что их нельзя измерить непосредственно. Мы знаем лишь, что Вселенная расширяется за каждую тысячу миллионов лет на 5—10%. Однако неопределенность в современном значении сред­ней плотности Вселенной еще больше. Если сложить массы всех наблюдаемых звезд в нашей и в других галактиках, то даже при самой низкой оценке скорости расширения сумма окажется мень­ше одной сотой той плотности, которая необходима для того, чтобы расширение Вселенной прекратилось. Однако и в нашей, и в других галактиках должно быть много «темной материи», которую нельзя видеть непосредственно, но о существовании ко­торой мы узнаем по тому, как ее гравитационное притяжение влияет на орбиты звезд в галактиках. Кроме того, галактики в основном наблюдаются в виде скоплений, и мы можем аналогич­ным образом сделать вывод о наличии еще большего количества межгалактической темной материи внутри этих скоплений, влия­ющего на движение галактик. Сложив массу всей темной материи, мы получим лишь одну десятую того количества, которое необ­ходимо для прекращения расширения. Но нельзя исключить воз­можность существования и какой-то другой формы материи, рас­пределенной равномерно по всей Вселенной и еще не зарегистри­рованной, которая могла бы довести среднюю плотность Вселен­ной до критического значения, необходимого, чтобы остановить расширение. Таким образом, имеющиеся данные говорят о том, что Вселенная, вероятно, будет расширяться вечно. Единственное, в чем можно быть совершенно уверенным, так это в том, что если сжатие Вселенной все-таки произойдет, то никак не раньше, чем через десять тысяч миллионов лет, ибо по крайней мере столько времени она уже расширяется. Но это не должно нас слишком сильно тревожить: к тому времени, если мы не переселимся за пределы Солнечной системы, человечества давно уже не будет — оно угаснет вместе с Солнцем!

Все варианты модели Фридмана имеют то общее, что в какой-то момент времени в прошлом (десять — двадцать тысяч миллионов лет назад) расстояние между соседними галактиками должно бы­ло равняться нулю. В этот момент, который называется боль­шим взрывом, плотность Вселенной и кривизна пространства-вре­мени должны были быть бесконечными. Поскольку математики реально не умеют обращаться с бесконечно большими величи­нами, это означает, что, согласно общей теории относительности (на которой основаны решения Фридмана), во Вселенной должна быть точка, в которой сама эта теория неприменима. Такая точ­ка в математике называется особой (сингулярной). Все наши научные теории основаны на предположении, что пространство-время гладкое и почти плоское, а потому все эти теории неверны в сингулярной точке большого взрыва, в которой кривизна прост­ранства-времени бесконечна. Следовательно, даже если бы перед большим взрывом происходили какие-нибудь события, по ним нельзя было бы спрогнозировать будущее, так как в точке большого взрыва возможности предсказания свелись бы к нулю. Точно так же, зная только то, что произошло после большого взрыва (а мы знаем только это), мы не сможем узнать, что происходило до него. События, которые произошли до большого взрыва, не мо­гут иметь никаких последствий, касающихся нас, и поэтому не должны фигурировать в научной модели Вселенной. Следователь­но, нужно исключить их из модели и считать началом отсчета времени момент большого взрыва.

Мысль о том, что у времени было начало, многим не нравится, возможно, тем, что в ней есть намек на вмешательство божест­венных сил. (В то же время за модель большого взрыва ухвати­лась католическая церковь и в 1951 г. официально провозгласи­ла, что модель большого взрыва согласуется с Библией.) В свя­зи с этим известно несколько попыток обойтись без большого взрыва. Наибольшую поддержку получила модель стационарной Вселенной. Ее авторами (1948) были X. Бонди и Т. Гоулд, бе­жавшие из оккупированной нацистами Австрии, и англичанин Ф. Хойл, который во время войны работал с ними над пробле­мой радиолокации. Их идея состояла в том, что по мере разбегания галактик на освободившихся местах из нового непрерывно рождающегося вещества все время образуются новые галактики. Следовательно, Вселенная должна выглядеть примерно одинаково во все моменты времени и во всех точках пространства. Конечно, для непрерывного «творения» вещества требовалась некоторая мо­дификация теории относительности, но нужная скорость творе­ния оказывалась столь малой (одна частица на кубический кило­метр в год), что не возникало никаких противоречий с экспери­ментом. Стационарная модель — это пример хорошей научной тео­рии: она простая и дает определен­ные предсказания, которые можно проверять путем наблюдений. Одно из ее предсказаний таково: должно быть постоянным число галактик и других аналогичных объектов в любом заданном объе­ме пространства независимо от того, когда и где во Вселенной производятся наблюдения. В конце 50-х — начале 60-х годов астрономы из Кембриджского университета под руководством М. Райла (который во время войны вместе с Бонди, Гоулдом и Хойлом тоже занимался разработкой радиолокации) составили каталог источников радиоволн, приходящих из внешнего простран­ства. Эта кембриджская группа показала, что большая часть этих радиоисточников должна находиться вне нашей Галактики (мно­гие источники можно было отождествить даже с другими галак­тиками) и, кроме того, что слабых источников гораздо больше, чем сильных. Слабые источники интерпретировались как более удаленные, а сильные — как те, что находятся ближе. Далее, ока­залось, что число обычных источников в единице объема в удаленных областях больше, чем вблизи. Это могло означать, что мы находимся в центре огромной области Вселенной, в которой меньше источников, чем в других местах. Но возможно было и другое объяснение: в прошлом, когда радиоволны начали свой путь к нам, источников было больше, чем сейчас. Оба эти объяснения противоречат предсказаниям теории стационарной Вселенной. Кро­ме того, микроволновое излучение, обнаруженное в 1965 г. Пензиасом и Вильсоном, тоже указывало на большую плотность Все­ленной в прошлом, и поэтому от модели стационарной Вселенной пришлось отказаться.

В 1963 г. два советских физика, Е. М. Лифшиц и И. М. Ха­латников, сделали еще одну попытку исключить большой взрыв, а с ним и начало времени. Лифшиц и Халатников высказали пред­положение, что большой взрыв — особенность лишь моделей Фридмана, которые, в конце концов, дают лишь приближенное описание реальной Вселенной. Не исключено, что из всех моделей, в какой-то мере описывающих существующую Вселенную, сингу­лярность в точке большого взрыва возникает только в моделях Фридмана. Согласно Фридману, все галактики удаляются в пря­мом направлении друг от друга, и поэтому нет ничего удивитель­ного в том, что когда-то в прошлом все они находились в одном месте. Однако в реально существующей Вселенной галактики ни­когда не расходятся точно по прямой: обычно у них есть еще и небольшие составляющие скорости, направленные под углом. По­этому на самом деле галактикам не нужно находиться точно в одном месте — достаточно, чтобы они были расположены очень близко друг к другу. Тогда нынешняя расширяющаяся Вселен­ная могла возникнуть не в сингулярной точке большого взрыва, а на какой-нибудь более ранней фазе сжатия; может быть, при сжа­тии Вселенной столкнулись друг с другом не все частицы. Какая-то доля их могла пролететь мимо друг друга и снова разойтись в разные стороны, в результате чего и происходит наблюдаемое сейчас расширение Вселенной. Как тогда определить, был ли на­чалом Вселенной большой взрыв? Лифшиц и Халатников заня­лись изучением моделей, которые в общих чертах были бы по­хожи на модели Фридмана, но отличались от фридмановских тем, что в них учитывались нерегулярности и случайный харак­тер реальных скоростей галактик во Вселенной. В результате Лифшиц и Халатников показали, что в таких моделях большой взрыв мог быть началом Вселенной даже в том случае, если га­лактики не всегда разбегаются по прямой, но это могло выпол­няться лишь для очень ограниченного круга моделей, в которых движение галактик происходит определенным образом. Посколь­ку же моделей фридмановского типа, не содержащих большой взрыв, бесконечно больше, чем тех, которые содержат такую син­гулярность, Лифшиц и Халатников утверждали, что на самом деле большого взрыва не было. Однако позднее они нашли гораздо более общий класс моделей фридмановского типа, которые содер­жат сингулярности и в которых вовсе не требуется, чтобы галак­тики двигались каким-то особым образом. Поэтому в 1970 г. Лифшиц и Халатников отказались от своей теории.

Тем не менее, их работа имела очень важное значение, ибо показала, что если верна общая теория относительности, то Все­ленная могла иметь особую точку, большой взрыв. Но эта работа не давала ответа на главный вопрос: следует ли из общей теории относительности, что у Вселенной должно было быть начало вре­мени — большой взрыв? Ответ на этот вопрос был получен при совершенно другом подходе, предложенном в 1965 г. английским математиком и физиком Роджером Пенроузом. Исходя из пове­дения световых конусов в общей теории относительности и того, что гравитационные силы всегда являются силами притяжения, Пенроуз показал, что когда звезда сжимается под действием соб­ственных сил гравитации, она ограничивается областью, поверх­ность которой, в конце концов, сжимается до нуля. А раз поверх­ность этой области сжимается до нуля, то же самое должно про­исходить и с ее объемом. Все вещество звезды будет сжато в нулевом объеме, так что ее плотность и кривизна пространства-времени станут бесконечными. Иными словами, возникнет син­гулярность в некой области пространства-времени, называемая черной дырой.