Что же касается систем более крупного масштаба – скоплений галактик, то самое далекое из тех, до которых удалось определить расстояния, находится в созвездии Волосы Вероники на расстоянии около 5200 Мпс от нашей Галактики, а самое близкое – на расстоянии около 29 Мпс. Это скопление

в созвездии Девы, включающее в себя приблизительно 200 галактик высокой и средней светимости; в том числе 10 гигантских спиральных систем и 7 гигантских эллиптических.

Галактики внутри групп и скоплений, а также сами группы и скопления движутся друг относительно друга. Так, внутри Местной группы галактика Андромеды к нам приближается. А вся Местная группа со скоростью, равной нескольким сотням километров в секунду, движется по направлению к скоплению в Деве.

Это скопление является центром еще более грандиозного объединения звездных островов – сверхскопления с поперечником, достигающим 60 Мпс. В него входит и наша Местная группа, а также ее космические соседи – всего около 20 тысяч галактик, не считая карликовых звездных систем. Все они обращаются вокруг скопления в Деве.

Когда-то считалось, что во Вселенной существует бесконечная «лестница», бесконечная иерархия звездных систем. Звезды образуют галактики, галактики объединяются в группы, группы – в скопления, скопления – в сверхскопления, сверхскопления – в сверхсверхскопления и так далее без конца. Однако исследования последних лет показали, что эта лестница обрывается на сверхскоплениях. Объединений большего порядка в нашей Вселенной, по-видимому, не существует.

«Соты» Вселенной

Еще в 1976 году, основываясь на теоретических исследованиях, проведенных в Институте прикладной математики имени М. Келдыша АН СССР, ученые высказали предположение о существовании в структуре Вселенной своеобразных «пустот» – областей, свободных от звезд и галактик.

Год спустя это предсказание было подтверждено данными, полученными сотрудниками Тартуской астрофизической обсерватории в Эстонии под руководством Я.Э. Эйнасто. Они обнаружили в созвездии Персея большую область, свободную от галактик. А затем американские астрономы открыли огромную полость, практически свободную от звезд и галактик, с поперечником около 300 миллионов световых лет.

Главная трудность при изучении пространственной структуры Вселенной состоит в том, что все космические объекты, в том числе далекие галактики, проектируются на небесную сферу, заполняя ее более или менее равномерно. Поэтому для того, чтобы составить представление о распределении галактик в пространстве, необходимо узнать расстояния до каждой из них. Но измерение расстояний до отдельных галактик – задача очень сложная. И в широких масштабах она стала решаться лишь в последние годы. Тогда и подтвердилось, что во Вселенной действительно существуют достаточно большие области, внутри которых галактики практически отсутствуют.

Представим себе на минуту, что с нашего земного неба исчезли все звезды и мы невооруженным глазом можем наблюдать далекие галактики. Какие «узоры» образуют они в пространстве?

С помощью электронно-вычислительной техники выяснилось, что галактики распределены в пространстве сверхскоплений не хаотически, а образуют своеобразные «сети» в виде дуг, перемычек и ребер гигантских ячеек, чем-то напоминающих пчелиные соты. Каждая сторона такой ячейки имеет протяженность около 100 миллионов световых лет.

В настоящее время уже известно несколько подобных «пустот», некоторые из них имеют весьма внушительные размеры. Так, американские астрономы обнаружили свободную от звезд и галактик область с поперечником около 300 миллионов световых лет. Они изучили распределение звездных островов вдоль трех близко расположенных прямых линий, направленных в глубины Вселенной. В результате такого зондирования обнаружилось, что по избранным направлениям вплоть до расстояний порядка 500 миллионов световых лет и начиная с расстояний около 800 миллионов световых лет, галактики расположены довольно густо. Но в промежутке между этими «отметками» ни одной галактики зарегистрировать не удалось. Ориентировочный объем открытой учеными полости составляет 1025 кубических световых лет.

На ранней стадии расширения Вселенной вещество представляло собой смесь водорода и гелия, достаточно равномерно распределенную в пространстве. Однако не абсолютно равномерно. В разных точках плотность среды могла несколько различаться. Как показывают расчеты, с течением времени под действием сил тяготения подобные различия должны были возрастать. А на еще более поздней стадии, согласно теоретическим представлениям, развивавшимся Я. Зельдовичем и его сотрудниками, исходное вещество стало стягиваться к стенкам тех самых ячеек, которые мы наблюдаем в современную эпоху.

Следует подчеркнуть, что открытие гигантских космических «пустот» нисколько не противоречит представлениям об однородности Вселенной в больших масштабах. Ведь их размеры не идут ни в какое сравнение с размерами той области пространства, которая охвачена астрономическими наблюдениями.

Для окончательного выяснения пространственной структуры Вселенной наряду с дальнейшей разработкой теории потребуется провести множество исследований и наблюдений, в частности, определить положение в пространстве десятков тысяч далеких галактик, а также разработать методы обнаружения разреженного ионизированного газа.

Если повсеместный характер сетевой структуры сверхскоплений галактик подтвердится дальнейшими исследованиями, то это будет иметь колоссальное значение для понимания особенностей строения и эволюции нашей Вселенной. Дело том, что «сетевая структура» неустойчива! Возможно, именно по этой причине в нашей Вселенной не существует (или почти не существует) объединений более высокого порядка, чем сверхскопления. Да и сами сверхскопления постепенно рассеиваются и, таким образом, представляют собой лишь временную фазу пространственного распределения звездных систем.

Согласно некоторым расчетам, продолжительность того этапа эволюции Вселенной, на протяжении которого сохраняется сетевая структура сверхскоплений, составляет примерно 10 миллиардов лет. Это говорит о том, что мы живем на некотором промежуточном этапе эволюции Вселенной, – этапе не слишком молодом, но и не слишком старом, так что ее пространственная структура еще будет существенным образом изменяться. Этот вывод имеет принципиальное значение.

Хотя внегалактическая астрономия – один из наиболее бурно развивающихся разделов современной науки о Вселенной, но это и одна из самых молодых ее областей. Поэтому нет ничего удивительного в том, что в современной внегалактической астрономии имеется больше нерешенных вопросов, чем в любой другой области науки о Вселенной. И вопросов не только частного, локального характера, но и фундаментальных, от содержания ответов на которые зависит наше понимание основных законов мироздания, свойств и строения того мира, в котором мы живем и частью которого являемся.

Загадка скрытых масс

На пороге третьего тысячелетия астрономы все еще не могут дать точный ответ на вопрос: из чего состоит наша Вселенная?

Хорошо известно, что галактики состоят из звезд, планет, межзвездного газа и пыли, но… и еще из «чего-то» такого, что никак не удается зарегистрировать никакими приемниками излучения.

Эти таинственные объекты проявляют себя только гравитационными воздействиями на другие космические тела. А так как гравитация непосредственно связана с массами, то таинственные «невидимки» получили название «скрытой массы».

Впервые на проблему существования скрытой массы натолкнулся еще в 1933 году швейцарский астроном Ф. Цвикки. Измеряя скорости движения галактик в скоплении, расположенном в созвездии Волосы Вероники, он обнаружил, что они движутся с очень высокими скоростями. Последующие вычисления показали, что для того, чтобы удержать столь «быстрые» галактики, необходима масса, значительно превосходящая (раз в десять!) общую массу скопления, о котором идет речь. Так возник «парадокс Цвикки», получивший впоследствии подтверждения при изучении других скоплений звездных островов Вселенной.

Дело в том, что в принципе существуют два независимых способа определения массы скоплений галактик. Один из них основан на обнаруженной астрономами зависимости между массами скоплений и скоростями собственных движений звездных островов, которые входят в их состав. Поскольку эти скорости, а также радиусы скоплений можно достаточно точно определить с помощью астрономических наблюдений, то нетрудно вычислить и массы скоплений. Массы, определенные подобным методом, получили название «вириальных» по «имени» одной важной теоремы классической механики.

Другой способ заключается в следующем. Многочисленные исследования показали, что массы скоплений галактик и отдельных звездных систем связаны с их светимостями. Чем выше светимость, тем больше масса. Поэтому считается, что измеряя светимости, можно довольно точно определять как массы отдельных галактик, так и их групп.

Вполне естественно было сопоставить полученные двумя способами результаты между собой. И не менее естественно было ожидать, что поскольку речь идет о массах одних и тех же космических объектов, то эти результаты совпадут.

Однако оказалось, что массы скоплений, определенные по их светимостям, значительно ниже, чем их «вириальные» массы. Добро бы это различие составляло какие-нибудь 510%. Тогда его вполне можно было бы отнести на счет мелких ошибок, допущенных при измерении физических характеристик изучаемых объектов, погрешностей вычислений и тому подобных «побочных обстоятельств». Астрономы нередко так и поступают…

Но в данном случае подобный «спасительный метод» согласования несовпадающих результатов был явно неприменим. Оказалось, что «вириальные» массы превосходят массы, определенные по светимости, в десятки и в сотни раз.

А в 1970-е годы дополнительно выяснилось, что движение галактик в скоплениях вступает и в противоречие с законами небесной механики. Более того, оказалось, что внешние области нашей Галактики обращаются вокруг ее центра так же быстро, как и внутренние! Эту аномалию также можно было бы объяснить наличием скрытой массы. Если допустить, что наша звездная система полностью погружена в огромное массивное невидимое «облако», то все странности, связанные с вращением ее составных частей, вполне закономерны.

Окончательно убедившись в реальном существовании скрытых масс, астрономы не могли не задуматься над тем, что они могут собой представлять. Определенная часть исследователей Вселенной допускает, что «темное вещество» вполне может состоять из обычных космических объектов, которые просто не удается наблюдать из-за огромных космических расстояний. Речь может идти как о планетах и астероидах, так и о не «загоревшихся» или уже остывших звездах, нейтронных звездах и даже черных дырах. В совокупности подобные объекты стали называть английской аббревиатурой МАСНО, что значит– «массивные компактные объекты гало…», то есть объекты, которые могут располагаться в периферийных областях галактик, в том числе и нашего Млечного Пути.

В 1986 году астрофизик Пристонского университета в США Б. Пачински предложил применить для поиска МАСНО-объектов метод так называемых гравитационных линз.

Идея состояла в следующем. Если одно из «темных» массивных тел, обращающихся вокруг центра нашей Галактики, в какой-то момент окажется на пути световых лучей, идущих к Земле от одной из звезд Большого Магелланова Облака, то гравитационное поле этого МАСНО-объекта сработает как «собирающая линза». В результате видимый блеск «линзируемой» звезды на какое-то время значительно возрастет, а затем она возвратится в обычное состояние. В последнее десятилетие подобные исследования проводились рядом научных коллективов, однако полученные результаты пока не дают оснований для окончательных выводов.

В то же время ряд других физиков и астрофизиков занялись поисками пресловутой «скрытой массы» в мире элементарных частиц. В частности, некоторые физики возлагают надежды на еще неизвестные науке (неоткрытые) тяжелые элементарные частицы с экзотическими свойствами. И хотя они еще не обнаружены, им даже уже присвоили специальное наименование – IMP, что означает – «слабо взаимодействующие массивные частицы».

Высказывались также предположения о существовании еще одной, на этот раз сверхлегкой ненаблюдаемой частицы – «аксиона». По оценкам некоторых исследователей, число таких частиц в каждом кубическом сантиметре пространства достигает невообразимой величины, равной 100 триллионам, так что их суммарный вклад в «скрытую массу» может оказаться весьма существенным.

Аксионы пытались обнаружить в Национальной лаборатории в Ливермоле в США в штате Калифорния с помощью супермощного магнита, но – безуспешно. Как полагают сами исследователи, для получения окончательного ответа относительно существования аксионов понадобится еще не меньше Шлет.

Новые возможности для изучения физической природы «темной массы» появились в последние годы в результате исследований английских астрономов, проведенных в связи с созданием фотографической карты южного неба в дополнение к уже имевшейся карте северного неба, созданной американскими астрономами с помощью 5-метрового телескопа обсерватории на горе Паломар. С этой целью английские ученые установили в Австралии в обсерватории Новый Южный Уэллс крупный телескоп так называемой системы Шмидта с поперечником 1,2 метра.

В числе дополнительных программ, осуществляемых с помощью этого инструмента, была программа исследования изменений, которые происходят на специально выбранном участке неба, равном 35 квадратным градусам, за различные промежутки времени от нескольких часов до многих лет. Руководителем этой программы был астроном Королевской Эдинбургской обсерватории в Шотландии Майк Хоукинс. В этой обсерватории были тщательно исследованы фотопластинки, полученные в Австралии. В результате удалось зафиксировать положения в пространстве, размеры и конфигурации примерно 200 тысяч галактик. Затем эти данные были сопоставлены друг с другом, что позволило получить представление о поведении каждого из наблюдавшихся объектов. И стало очевидно, что значительное число вариаций в их состоянии происходит лишь за достаточно длительные промежутки времени. За некоторыми из подобных объектов удалось проследить не только визуально, но и спектоскопически с помощью англо-австралийского телескопа с поперечником зеркала 3,9 метра. Фотографирование производилось на протяжении 17 лет с 1975 по 1992 год.

И уже в начале наблюдений стало ясно, что типичный период вариаций физического состояния изучаемых объектов составляет от 5до Шлет. Если кратковременные вариации продолжительностью менее одного года можно было объяснить нестабильностью тех или иных конкретных объек тов, то для длительных вариаций подобное объяснение не подходило. Следовало искать какие-то иные причины этого явления.

Новая многообещающая идея возникла в результате совместного обсуждения упомянутой проблемы Майком Хоукинсом и специалистом по так называемым гравитационным линзам австралийкой Рэчел Вебстер. Физический эффект, на возможность которого они обратили внимание, был предсказан еще Эйнштейном. Согласно общей теории относительности, гравитационные поля должны оказывать влияние на ход световых лучей. Анализ показывает, что если на пути светового потока, идущего от какого-либо космического источника излучения, окажется компактный массивный объект, то его поле тяготения будет действовать подобно оптической линзе. В результате наблюдатель, находящийся на одной прямой линии с этими объектами, обнаружит значительное увеличение светимости источника, например, звезды или квазара.

Сопоставив имеющиеся в его распоряжении многочисленные фактические данные, М. Хоукинс пришел к заключению, что причиной многих вариаций светимости далеких квазаров могут быть именно гравитационные линзы. В частности, было замечено, что у близких квазаров вариации светимости практически не наблюдаются. Например, у самого близкого к нам квазара ЗС 273. Этот факт как раз и свидетельствует в пользу гипотезы гравитационных линз. В самом деле, для близких квазаров или других источников светового излучения, расположенных на сравнительно небольших расстояниях от Земли, пересечение луча зрения, соединяющего наблюдателя и наблюдаемый светящийся космический объект гравитационной линзой, представляет собой крайне редкое явление. Однако в тех случаях, когда объект находится на очень большом расстоянии от земного наблюдателя, вероятность того, что на луче зрения окажется гравитационная линза, значительно возрастает.

Поэтому логично предположить, что неожиданные усиления светимости близких источников, например звезд, вызваны в подавляющем большинстве случаев теми или иными физическими процессами на самой звезде – в частности, вспышками новых или сверхновых. Что же касается далеких квазаров, то их вариативность, по мнению Хоукинса, скорее

всего объясняется наличием во Вселенной большого числа невидимых компактных массивных тел, играющих роль гравитационных линз, которые и составляют основную часть темной массы Вселенной.

Но что1 могут представлять собой эти компактные массивные объекты? Какова их природа? Ответ на этот вопрос имеет чрезвычайно важное космологическое значение. Как известно, будущее нашей Вселенной зависит от величины средней плотности материи. Если эта плотность ниже некоторого «критического» значения – Вселенная будет расширяться неограниченно. В противном же случае расширение со временем сменится сжатием. Согласно существующей теории про нахождения нашей Вселенной, на ранней стадии ее существования могло возникнуть лишь около 5% массы, необходимой для обеспечения критической плотности и состоящей из барионного вещества, то есть тех элементарных частиц, из которых состоят обычные космические объекты – планеты, звезды, туманности, галактики.

Согласно подсчетам Хоукинса, подавляющее большинство гравитационных линз обладает массами, сравнимыми с массой Юпитера. По его предположению, на той стадии эволюции Вселенной, когда кварки перестали существовать в свободном состоянии и вошли в состав атомов, могли сформироваться многочисленные черные дыры, обладающие массами, сравнимыми с массой Юпитера. И они-то и являются теми гравитационными линзами, которые вызывают наблюдаемые вариации светового излучения далеких квазаров. Иными словами, наша Вселенная содержит огромное количество сравнительно небольших черных дыр. И когда мы наблюдаем те или иные объекты, расположенные в отдаленных регионах космоса, мы, как правило, видим их «через» космические гравитационные линзы.

Если все сказанное соответствует реальному положению вещей, то, по-видимому, основную часть «темной массы» Вселенной составляют небольшие черные дыры.

Оригинальный подход к проблеме «скрытой массы» был в свое время предложен академиков Я.Б. Зельдовичем. Он выдвинул «нитевидную модель» крупномасштабной структуры Вселенной, объясняющую, почему галактики заполняют пространство Вселенной неравномерно, концентрируясь к ребрам своеобразных пространственных ячеек, о которых мы уже упоминали. Согласно гипотезе Зельдовича, основы этих ребер составляют сверхплотные нитевидные образования, получившие в современной физике название «струн» или «суперструн» (или «стринги» и «суперстринги»).

Итак, природа «скрытых масс» еще не установлена. Известно только то, что она существует. Между тем вопрос о скрытой массе Вселенной – это в полном смысле слова вопрос о ее будущем! Если масса темного вещества окажется выше некоторого «критического» значения, то в какой-то момент расширение Вселенной прекратится и начнется обратный процесс – сжатие. Если же невидимого вещества не так много, то расширение Вселенной будет продолжаться вечно…

Нестационарная Вселенная

Было время, когда казалось, что космические объекты, составляющие население нашей Вселенной, почти не изменяются с течением времени, постепенно переходя от одного стационарного состояния к другому стационарному состоянию. Однако с появлением новых средств астрономических исследований, позволяющих регистрировать и анализировать информацию, содержащуюся не только в оптическом, но и в других диапазонах космических электромагнитных излучений, картина «спокойной» Вселенной была кардинально пересмотрена. Выяснилось, в частности, что почти все известные нам галактики излучают не только свет, но и радиоволны, и что эти излучения связаны с выделением огромных количеств энергии. В настоящее время не приходится сомневаться в том, что источником этих энергий являются активные физические процессы, протекающие в ядрах этих звездных систем. И, судя по всему, подобные активные нестационарные процессы играют весьма существенную роль в эволюции космических объектов! Эта роль впервые была отмечена выдающимся советским астрофизиком академиком В.А. Амбарцумяном.

В 1960-х годах новые технические возможности позволили астрономам исследовать неизвестные свойства уже известных объектов. В частности, внимание ученых привлекли так называемые голубые звезды. Они были впервые обнаружены и даже сфотографированы 100 лет назад и на этих снимках выглядели так же, как и другие звезды нашей Галактики. Правда, было замечено, что они обладают очень сильным ультрафиолетовым излучением, но это обстоятельство почему-то в то время никого не заинтересовало. И только когда выяснилось, что эти звезды являются еще и радиоисточниками, они стали объектом пристального исследования. Одной из таких звезд, зарегистрированной в каталогах космических радиостанций под номером ЗС 273, заинтересовался американский астроном, голландец по происхождению Мартен Шмидт. Исходя из результатов спектральных наблюдений, он пришел к выводу о том, что объект ЗС 273 должен находиться от Земли на расстоянии порядка нескольких миллиардов световых лет, то есть у границ наблюдаемой области Вселенной. Но это означало, что загадочный объект излучает неправдоподобно большое количество энергии…

Открытие космических объектов, впоследствии получивших название квазаров, явилось одним из самых выдающихся событий в естествознании второй половины XX столетия.

Согласно подсчетам, квазар ЗС 273, обнаруженный первым, излучает примерно в сто раз большую энергию, чем самые гигантские известные нам галактики! Это тем более удивительно, что квазары представляют собой компактные образования – их поперечники достигают всего нескольких световых месяцев, максимум – года.

По-видимому, квазары возникли раньше, чем галактики, а затем каким-то образом «обрастали» звездами и становились ядрами этих звездных систем. Что же касается источников их энергии, то этот вопрос остается открытым. Единственное, что можно утверждать определенно, – то, что это не термоядерные реакции. Такие реакции заведомо не могли бы обеспечить столь высокий выход энергии из столь небольшого объема.

Очередная загадка Вселенной

По мере развития науки все больший интерес и все большую ценность приобретает изучение «единичных» явлений, от исследования которых естествознание на протяжении своей истории упорно открещивалось. Считалось, что единичные явления ни с чем нельзя сравнить и поэтому их изучение сталкивается с непреодолимыми трудностями. В особенности это касалось явлений, происходящих во Вселенной, поскольку их, как правило, невозможно воспроизвести и повторить в эксперименте.

Но, с другой стороны, именно «единичные» явления представляют собой особый интерес для современной науки, поскольку они уникальны, а все уникальное содержит в себе неповторимую информацию, позволяющую осуществлять успешное наступление на самые сокровенные тайны природы!

Популяризаторы науки любят повторять, что Вселенная неистощима на всевозможные сюрпризы. Но это справедливо лишь отчасти. Хотя течение времени в различных регионах Вселенной зависит от величины сил тяготения, «в среднем», по нашим земным меркам, космические события происходят чрезвычайно медленно. А по этой причине промежутки вре мени между «единичными» уникальными космическими событиями и явлениями чрезвычайно велики. Так что, если чтото подобное удается зарегистрировать – это означает, что нам в высшей степени повезло, поскольку это явление пришлось как раз на тот краткий отрезок времени, в течение которого существует астрофизика. А это придает явлениям, о которых идет речь, особую ценность.

Одно из таких уникальных загадочных космических явлений было зарегистрировано в 1978 году, когда астрономам удалось обнаружить в созвездии Водолея объект, получивший в дальнейшем условное обозначение SS433.

Первая загадка возникла уже при изучении его спектра. Оказалось, что у этого объекта часть спектральных линий смещена к красному концу спектра, а часть – к фиолетовому. Известно, что подобное смещение спектральных линий наблюдается в тех случаях, когда источник излучения соответственно от нас удаляется или к нам приближается. Получалось, что объект SS433 удаляется от нас со скоростью около 80 тысяч километров в секунду и одновременно… приближается к нам со столь же высокой скоростью!

Но никакое материальное тело в реальном мире не может в одно и то же время перемещаться в двух диаметрально противопрложных направлениях. Так способна вести себя только очень сложная система, различные части которой движутся по-разному.

Вскоре обнаружился еще один не менее удивительный факт. Выяснилось, что линии в спектре SS433 меняют свое положение с периодом, равным 164 суткам!

Мало того, оказалось, что загадочный объект интенсивно излучает в рентгеновском диапазоне, является переменным источником инфракрасного излучения и радиоисточником с чрезвычайно сложной структурой!..

Не слишком ли много загадок для одного и того же космического объекта? Естественно, возник вопрос: какова его физическая природа? Других космических объектов с аналогичными свойствами астрономы никогда не регистрировали. В подобных ситуациях единственным способом поисков объяснения является построение теоретической модели, при создании которой используется все многообразие уже» известных нам физических явлений во Вселенной. Точнее, комбинация подходящих фрагментов таких явлений.

Многое при этом, разумеется, зависит от изобретательности и творческого воображения исследователя, но зато появляется возможность на основании полученной модели что-то предсказать, а затем сравнить подобный прогноз с результатами наблюдений.

И такая модель была построена. Суть ее состоит в следующем. Из центральной части некоего объекта выбрасываются с большой скоростью две газовые струи. Одна из них движется по направлению к земному наблюдателю, другая – от него. Именно этим обстоятельством объясняется то таинственное «раздвоение» SS433, о котором шла речь выше.

В центральной же области SS433 расположен компактный газовый диск, вращающийся вокруг центрального массивного тела. При этом струи газа движутся в плоскости, образующей с осью вращения газового диска угол около 20 градусов. Таким образом, вся система приобретает свойства наклонного волчка.

Из механики известно, что ось вращения такой системы должна медленно менять свое положение в пространстве – испытывать так называемую прецессию. Как это, в частности, происходит с осью суточного вращения Земли. Благодаря этому, положение газовых струй в объекте SS433 относительно земного наблюдателя будет с течением времени периодически изменяться. Таково возможное объяснение второй загадки SS433-164-суточной периодичности в перемещении линий в его спектре.

Пока не вполне ясно, за счет каких сил движение газа в струях в SS433 остается постоянным и упорядоченным? Не исключено, что здесь существенную роль играют мощные магнитные поля. Не установлено и точное расстояние до загадочного объекта. Оценки колеблются от 11 до 17 тысяч световых лет, но во всяком случае ясно, что объект SS433 расположен в пределах нашей Галактики.

При разработке описанной модели астрофизики исходили из того, что выбросы газовых струй происходят в ядрах так называемых радиогалактик, а также в сверхмощных источниках космической энергии – квазарах. Принимались во внимание и явления, происходящие в так называемых двойных системах, которые представляют собой комбинацию'нейтронной звезды или черной дыры и обычной массивной звезды-гиганта, обращающихся вокруг общего центра масс. Так что не исключено, что центральным объектом в SS433 тоже является двойная система!

Дело в том, что ядра галактик обладают гигантскими массами порядка миллиарда масс Солнца, а масса любой двойной системы – сравнительно невелика. Между тем в SS433 ежегодно выбрасывается в газовых струях довольно значительное количество вещества. С одной стороны, это говорит о том, что масштабы подобных процессов, происходящих во Вселенной, могут колебаться в весьма широких пределах, а с другой – о том, что современная стадия SS433 вряд ли может быть достаточно продолжительной. Вероятно, этим и объясняется уникальность загадочного объекта в созвездии Водолея!

Видимо, нам действительно просто повезло и мы оказались современниками редчайшего космического явления, дальнейшее изучение которого может пролить свет на природу многих активных процессов, происходящих во Вселенной.

Черные дыры во Вселенной

«Первый свой опыт я проделал над куском белой шерстяной материи. До чего же странно было видеть, как эта белая материя постепенно таяла, как струя пара, и затем совершенно исчезла! Мне не верилось, что я это сделал. Я сунул руку в пустоту и нащупал материю, столь же плотную, как и раньше. Я нечаянно дернул ее, и она упала на пол. Я не

сразу ее нашел…» Так герой научно-фантастического романа знаменитого английского писателя Герберта Уэллса «Человек-невидимка» проводил свой первый опыт. Он изобрел способ делать невидимыми различные тела, а затем превратил в невидимку и самого себя.

Любой несамосветящийся предмет мы видим потому, что он отражает некоторую часть падающего на него света. Несветящийся предмет, который никаких лучей не отражал бы, а был бы для них абсолютно прозрачен, оказался бы невидимым. Однако материальных объектов, удовлетворяющих подобным условиям и существующих в нашем обыденном макроскопическом мире, мы не знаем. Тем не менее объекты-невидимки, полностью поглощающие любые излучения, а сами ничего не излучающие, в принципе могут существовать!

XX век принес целый ряд удивительных открытий в области физики и астрономии. Многие из них с трудом укладываются в наши обыденные представления об устройстве окружающего мира, а порой вступают с ними и в прямое противоречие. Но таков закономерный путь развития естествознания, об этом мы уже говорили не раз. Идет своеобразная цепная реакция: обнаруживаются диковинные явления, а их дальнейшее изучение и осмысление приводит к открытию явлений еще более поразительных. И к этому надо быть готовыми – мы вступили в «странный мир» современной физики и астрофизики, и по мере дальнейшего продвижения он неизбежно будет становиться все более и более странным!

Во второй половине XX столетия в астрофизике большую популярность приобрела гипотеза так называемых черных дыр. Одно название чего стоит: «дыры» во Вселенной, да еще «черные»!

Если некоторая масса вещества окажется в малом объеме, критическом для данной массы, то под действием собственного тяготения это вещество начинает неудержимо сжиматься. Наступает своеобразная гравитационная катастрофа – гравитационный коллапс.

В процессе коллапса растет концентрация массы. Растет в соответствии с общей теорией относительности и кривизна пространства. И в конце концов наступает момент, начиная с которого ни один луч света, ни одна частица, ни один вообще физический сигнал не может «вырваться» из подобного образования наружу. Оставаясь в рамках общей теории отно сительности, подобную ситуацию можно интерпретировать и как замыкание пространства в данном месте в результате возрастания кривизны. Образовавшийся в результате такого замыкания объект и есть черная дыра.

Если справедливо существующее представление о том, что всякая информация должна иметь материального носителя, то такой объект для внешнего наблюдателя как бы перестает существовать – от него не поступает никакая информация.

Как заметил в одной из своих работ крупнейший американский специалист по теории гравитации Кип Торн, «…из всех творений человеческого разума: от мифологических единорогов и драконов до водородной бомбы, пожалуй, наиболее фантастическое – это черные дыры. Однако из физических законов с неизбежностью следует существование черных дыр».

Радиус коллапсирующего тела, при котором оно превращается в черную дыру, называется гравитационным радиусом. Для массы Солнца гравитационный радиус равен 3 километра, для массы Земли – 0,9 сантиметра. Если бы Солнце сжалось до размеров шара с радиусом 3 километра, оно превратилось бы в черную дыру.

А сфера, радиус которой равен гравитационному, получила название «сферы Шварцшильда». Любое тело, оказавшееся на поверхности этой сферы, не может оставаться неподвижным – оно должно падать внутрь. Иногда эту сферу называют еще «горизонтом черной дыры».

На поверхности, радиус которой для данной массы равен гравитационному, сила тяготения практически становится бесконечно большой. И для того чтобы ее преодолеть и оторваться от черной дыры, надо было бы развить вторую космическую скорость, превосходящую скорость света. Вот почему черная дыра ничего не выпускает наружу.

В то же время она может втягивать в себя окружающее вещество, увеличивая при этом свои размеры.

Таким образом, возможность образования черных дыр в принципе можно объяснить и с точки зрения классической механики Ньютона. На это еще в конце XVIII века обратил внимание П. Лаплас. Однако полная теория физических процессов, происходящих в черных дырах и описывающая весь комплекс связанных с ними явлений, может быть построена только с позиций общей теории относительности.

Для внешнего наблюдателя процесс сжатия коллапсирующего вещества будет протекать бесконечно длительное время. И, как показывают расчеты, момента вхождения массы «под» гравитационный радиус он вообще никогда не дождется, так как вблизи границы черной дыры время практически останавливается.

Иную картину увидел бы воображаемый наблюдатель, падающий вместе с веществом в черную дыру. Он за конечный промежуток времени достиг бы гравитационного радиуса и продолжал падение к центру черной дыры.

Таким образом, ход времени вне черной дыры и внутри нее оказывается качественно различимым. С точки зрения обычной «земной» логики и здравого смысла, опирающегося на круг явлений, привычных для человека и протекающих в привычной для него среде обитания, эти рассуждения о неодинаковом ходе времени могут показаться по меньшей мере странными и противоречивыми. Но они, тем не менее, соответствуют реальности.

Вещество, оказавшееся внутри черной дыры, продолжает падать к ее центру, где в результате образуется так называемая сингулярность, то есть точечный объект, в котором плотность вещества достигает бесконечной величины!

Кстати, заметим, что на протяжении длительного времени в теории горячей расширяющейся Вселенной также считалось, что наша Метагалактика образовалась из точечной так называемой космологической сингулярности, которую еще образно иногда именовали «первоатомом». Это событие – Большой Взрыв – и предопределило дальнейшее расширение Вселенной.

В теории горячей расширяющейся Вселенной закономерно возникает и такой вопрос: а что было до начала расширения, то есть до момента времени t = О? И если не было ничего, то откуда вообще могла возникнуть наша Вселенная? По мнению А.Д. Линде, это «один из наиболее мучительных вопросов, стоящих перед космологами».

В связи с этим некоторые теоретики, в частности, Я.Б. Зельдович, попытались разрубить этот «гордиев узел» с помощью идеи возникновения Вселенной «из ничего», в результате так называемой квантовой флюктуации. Подобная идея и была по сути дела реализована в «инфляционной теории».

Именно от момента «космологической сингулярности» обычно отсчитывался возраст нашей Вселенной. При этом начальный «момент времени» на оси времени предшествовал на 10~43с (так называемый планковский интервал) тому моменту, когда Вселенная вышла из сингулярного «планковского» состояния и в ней начали проявлять себя те фундаментальные законы физики, которые пришли на смену законам «квантовой гравитации», управлявшим всеми процессами в эпоху от 0 до 10~43с.

Что же касается сингулярности внутри черной дыры, то скорее всего это не математический точечный объект, а так называемая планковская сингулярность, обладающая размером 10~33 сантиметра.

Следует особо подчеркнуть, что в «планковской фазе» фундаментальные законы современной физики не действуют, не работают. Таким образом, и вся современная фундаментальная физика в целом, как и отдельные физические теории, тоже имеет определенные границы применимости. Поэтому мы не располагаем теоретическими средствами, с помощью которых можно было бы описать, что именно происходило на «сингулярной стадии» раздувания. Чтобы решить эту проблему, потребуется создание единой «квантово-гравитационной теории», которая была бы применима к описанию структуры, свойств и эволюции физического вакуума. Но создание подобной теории – дело будущего.

И это справедливо не только по отношению к сингулярностям, заключенным внутри черных дыр, но и по отношению к той «космологической сингулярности», которая возможно существовала в момент начала нашей Вселенной. По словам советского физика-теоретика А. Старобинского, «внутри планковской области… может быть что угодно. Точно так же, как и внутри черных дыр».

Возникает вопрос: каково будущее вещества, которое оказалось втянутым в черную дыру? Окажется ли оно «захороненным» в ней на вечные времена или все же может при определенных обстоятельствах «возвращаться» во Вселенную?

В рамках общей теории относительности существуют два независимых решения уравнений, относящихся к явлениям типа гравитационного коллапса. Одно из них описывает необратимый процесс катастрофического сжатия материи, в результате которого образуется черная дыра. Что касается вто рого решения, то оно в известной степени обратно первому. Согласно этому решению, материя, наоборот, движется от «сингулярности» – то есть происходит «антиколлапс», вследствие чего образуется так называемая белая дыра.

Но как говорят физики и математики, решения, о которых идет речь, не «сшиваются». Иными словами, с точки зрения общей теории относительности, коллапс, строго говоря, не может сам собой перейти в антиколлапс, а черная дыра превратиться в «белую дыру»! Если же встать на позицию внешнего наблюдателя, то центральная сингулярность в черной дыре является принципиально ненаблюдаемой, а аналогичная сингулярность в «белой дыре» в принципе может наблюдаться. Но как показывают расчеты, те белые дыры, которые, возможно, образовались на ранней стадии существования нашей Вселенной, расходуя свое вещество, к настоящему времени уже все равно стали бы ненаблюдаемыми.

Тем не менее, как показывают теоретические вычисления, наряду с черными дырами в принципе могут существовать и «белые дыры», то есть образования, в которых происходит «антиколлапс» – катастрофический разлет вещества. У вращающихся черных дыр, обладающих неким электрическим зарядом, стадия сжатия может все же смениться фазой расширения.

В то же время новые белые дыры сейчас образоваться не могут из-за того, что коллапс теоретически не может превратиться в антиколлапс. И если бы мы все-таки обнаружили в нашей Вселенной какую-нибудь «белую дыру», то это скорее всего означало бы, что мы наблюдаем проявление в нашем пространстве черной дыры, образовавшейся в каком-то смежном с нашим другом мире.

Известный советский астрофизик академик Н.С. Кардашев предложил в свое время «мысленный эксперимент», позволяющий наглядно иллюстрировать свойства черных и белых дыр.

Правда, тут следует сделать оговорку. Хотя непосредственно «увидеть» черную дыру невозможно, она, строго говоря, невидимкой, в том смысле, который вкладывал в это понятие Уэллс, не является. Мы не можем «видеть» сквозь нее. Тем самым как бы вполне оправдывается экзотическое название – черная дыра.

Рассмотрим ощущения воображаемого наблюдателя, погружающегося на космическом корабле в заряженную черную дыру. Такой путешественник уже никогда на возвратится в свой мир. Проникновение в заряженную черную дыру с последующим выходом в белую дыру будет соответствовать путешествию на «машине времени», которая проходит бесконечно большие расстояния за конечные промежутки времени и преодолевает в конечном интервале собственного времени (времени, протекающего для путешественника) бесконечно большие интервалы времени для внешнего наблюдателя. В этом путешествии наблюдатель, находящийся в корабле, «выныривает» как бы в «абсолютном будущем» – в мир, которым, быть может, станет наш мир через невообразимо огромные промежутки времени. Мало того, не исключено, что этот «новый» мир не связан с нашим миром никаким простым пространственно-временным образом, а отделен от него бесконечно большим интервалом времени. И обычным способом в него нельзя попасть никогда!

Как считает Н. Кардашев, наблюдатель во время погружения в черную дыру увидит все будущее нашей Вселенной, а при «выходе» из белой дыры в другую вселенную – все прошлое этой соседней вселенной.

В 1974 году было теоретически показано, что квантовые эффекты, связанные с черными дырами, должны приводить к тому, что и эти объекты излучают, подобно так называемому абсолютно черному телу с температурой, отличной от нуля, и в результате постепенно теряют свою массу – «испаряются».

Однако более или менее ощутимым такое испарение может быть только у черных мини-дыр с массой в миллиарды миллиардов раз меньше солнечной.

Так, «дыра» с массой порядка нескольких миллиардов тонн может полностью испариться за 10 миллиардов лет, то есть за срок, сравнимый с возрастом нашей Вселенной. В современную эпоху подобные «мини-дыры» в нашей Вселенной вряд ли могут возникать. Во всяком случае соответствующих физических процессов и условий, необходимых для этого, не наблюдается.

Но на ранней стадии расширения их образование, вероятно, было возможно. Однако к нашему времени такие минидыры должны были скорее всего полностью испариться. Что же касается черных дыр с несколько большими массами, то

они в принципе могли «дожить» и до нашего времени! И если такие объекты существуют, то сейчас они, видимо, должны переживать заключительные стадии своей эволюции – стадии бурного испарения и даже ядерного взрыва! Однако поиски подобных объектов пока что успеха не принесли.

Здесь имеются в виду теоретические исследования английского физика-теоретика Стивена Хокинга, которому удалось показать, что черные дыры, по сути дела, не такие уж черные, как считалось раньше, а должны излучать так называемое абсолютно черное тело с температурой выше абсолютного нуля. В частности, согласно расчетам Хокинга, если в процессе «испарения» масса черной дыры достигнет 1015г, то последний миллион тонн ее массы будет излучен в окружающее пространство в темпе ядерного взрыва.

По словам одного из крупнейших современных физиковтеоретиков Стивена Вейнберга, в науке «главная трудность состоит в том, что люди не воспринимают всерьез результаты, уже полученные теорией». Хотя в свое время Поль Дирак, а во второй половине XIX столетия А. Зельманов неоднократно говорили о том, что все непротиворечивые научные теоретические результаты рано или поздно обязательно обнаружат себя в реальных явлениях окружающего мира.

Следует заметить, что открытие Хокинга в какой-то мере сняло с представления о черных дырах некоторый налет фантастичности и даже «полумистицизма», сопутствовавший им с самого начала, и, таким образом, способствовало укреплению у физиков и астрономов веры в реальность их существования как важного элемента научной картины мира. И это привело к тому, что в настоящее время черные дыры представляют собой один из самих популярных, хотя пока еще чисто теоретических и не обнаруженных наблюдениями, объектов современной астрономии и астрофизики.

Не менее важным результатом исследований Хокинга является и вывод о том, что эти объекты завершают свое существование взрывным излучением и разбросом остатков своей массы. А это означает, что хотя с точки зрения классической общей теории относительности «коллапсарное» и «антиколлапсарное» решения ее уравнений не сшиваются, природа тем не менее, видимо, все же превращает коллапс в антиколлапс, хотя он и не укладывается в строгие рамки современной общей теории относительности!

Исследования советского теоретика Шварцмана наряду с выводом С. Хокинга внесли заметные изменения в существовавшие до этого представления о природе черных дыр и возможности их наблюдения. Из этого результата следовало, что материи, коллапсирующей на черную дыру для достижения «гравитационного радиуса» и сферы Шварцшильда, достаточно конечного интервала времени. Как удалось показать Шварцману, вещество, собирающееся у поверхности черной дыры, или излучение, еще не проникшие внутрь черной дыры, тем не менее увеличивают ее массу. А благодаря этому «растягивается» гравитационный радиус черной дыры. Иными словами поверхность Шварцшильда расширяется с конечной скоростью навстречу падающему на нее веществу, движение которого из-за воздействия гравитационного поля черной дыры постоянно замедляется. И захватывает его. И все это происходит с точки зрения внешнего наблюдателя, в частности земного наблюдателя, за конечный интервал времени.

Эффект, о котором идет речь, – весьма существенен. Согласно подсчетам Шварцмана, в сверхмассивных черных дырах с массой, равной 109 масс Солнца, вещество, падающее на нее с расстояния двух гравитационных радиусов, проникает внутрь всего за две недели. А в черную дыру, обладающую звездной массой, с такого же расстояния – примерно за 1(Г3 с.

В дальнейшем этот вывод получил подтверждение в работе И. Новикова и В. Фролова «Физика черных дыр», хотя и был получен из несколько иных соображений.

И уже одно это говорит в пользу справедливости результата, о котором идет речь. Но почему-то этот результат до сих пор внимания теоретиков в должной степени не привлек. Но, тем не менее он, вне всякого сомнения, самым существенным образом изменяет наши представления о месте и роли черных дыр в современной научной картине мира.

Теперь мы знаем, что проваливающиеся в черную дыру внешние массы, с точки зрения стороннего наблюдателя, не только достаточно быстро достигают ее внешней поверхности, но еще значительно быстрее должны «добираться» до ее центральной «планковской сингулярности».

В кибернетике рассматривается такая задача. Есть некоторый объект, внутреннее устройство которого нам неизвестно. Его называют «черным ящиком». Но у него имеются «входы»

и «выходы». На «входы» поступают внешние сигналы, а на «выходе» можно наблюдать информацию о том, как черный ящик «ответил» на входные сигналы. Задача состоит в том, чтобы, не вскрывая черного ящика – только по соотношению входных и выходных сигналов, составить представление о его внутреннем устройстве.

Представьте себе, что вы не знаете ни устройства, ни принципов действия вашего телевизора. Известно лишь, что на его вход поступают электрические сигналы с антенны, а на выходе – на экране – мы видим изображение, а в динамиках слышим звук – голос, музыку. И по этим входным и выходным сигналам необходимо составить представление о конструкции черного ящика – телевизора.

В принципе существуют два способа решения этой задачи. Можно регистрировать поступающие с антенны сигналы и сравнивать с тем, что происходит на выходе. Это – путь наблюдений. Но есть и другая возможность – более активная. Самим подавать на вход различные сигналы и наблюдать, что произойдет на выходе.

Астрофизикам приходится решать аналогичные задачи. Большинство космических объектов – это типичные черные ящики, о внутреннем строении которых и происходящих там физических процессах можно судить только по внешним проявлениям.

Однако положение астрономов осложняется по меньшей мере двумя обстоятельствами. Во-первых, они, как правило, лишены возможности экспериментировать, а могут лишь наблюдать. А во-вторых, подавляющее большинство космических черных ящиков – это черные ящики без входа. Иными словами, нам неизвестны те внешние воздействия, которые способны повлиять на внутреннее состояние интересующих нас объектов.

Например, мы не знаем таких внешних воздействий, которые могли бы изменить течение физических процессов на Солнце. Есть, правда, экстравагантная гипотеза Э. Броуна, согласно которой периодические колебания солнечной активности связаны с гравитационными приливными возмущениями со стороны обращающихся вокруг светила планет. Однако пока это всего лишь предположение.

Впрочем, среди космических объектов имеются и такие, для которых внешние воздействия играют существенную роль,

и мы об этом знаем. В частности, любопытные явления были обнаружены в так называемых двойных системах, состоящих из двух звезд, обращающихся вокруг общего центра масс. Если одна из этих звезд намного массивнее другой, то на нее должно «перетекать» вещество второй – обычной звезды. И подобный процесс может играть роль «входного» сигнала, воздействующего на состояние массивной звезды. Есть определенные «входы» и у таких небесных тел, как планеты и кометы. Для планет это, к примеру, влияние солнечной активности а для комет – воздействие теплового светового излучения Солнца, солнечного ветра, а также притяжения планетгигантов.

Результат, полученный Шварцманом, означает, что и черную дыру мы можем теперь рассматривать как черный ящик, в котором поступающее извне вещество играет роль «входных сигналов».

Что же касается «выходных сигналов», то после работ Хокинга и Шварцмана на них тоже можно в принципе рассчитывать! Это, во-первых, хокинговское излучение или «испарение», а во-вторых, «не исключено», что в «планковской фазе» неизвестные нам законы квантовой гравитации могут приводить к антиколлапсу проваливающегося в черную дыру вещества. При этом «не исключено» следует понимать в смысле, сформулированном в свое время академиком А.Д. Сахаровым. А именно: «не исключено» – означает, что мы не можем на теперешнем уровне знаний ни опровергнуть, ни обосновать эту возможность.

Более того, теперь известны и другие разнообразные наблюдения явлений, возможно, связанных с антиколлапсом выбрасываемого черными дырами вещества. А это означает, что, быть может, удастся найти удовлетворительное объяснение некоторым давно наблюдаемым, но до сих пор не очень понятным астрономическим феноменам, таким, например, как движение со сверхсветовыми скоростями в квазарах и некоторых радиоисточниках, о которых мы уже говорили.

Пока же астрономы, как обычно в соответствии с «бритвой Оккама», предпочитают искать объяснение этих явлений в рамках общепризнанной фундаментальной физики.

Существует и еще одна заманчивая перспектива. Не исключено, что возможность обнаружения антиколлапсарных феноменов в черных дырах и их нетрадиционное объяснение

может дать ценный материал для построения той самой «квантово-гравитационной» теории, создание которой пока что упорно не дается современным физикам.

Глава 5

ПРОШЛОЕ, НАСТОЯЩЕЕ И БУДУЩЕЕ ></emphasis>ВСЕЛЕННО></emphasis>

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.

От настоящего – к прошлому

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 стрйнгом

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 – един ственна 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. Разуме ется, 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 расстоя ние 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 какаянибудь 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 помргает 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.

Сценарий для Вселенной

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 «пространствевремени». При этом Эйнштейн считал, что Вселенная не только не меняется с течением времени, но в ней нет даже какихлибо 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 Ленинград ского 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 сво ему 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…

Каковы же те данные, которыми располагает современная астрофизика относительно средней плотности вещества? У различных исследователей результаты получаются неодинаковые. Но все же на существующем уровне наших знаний принято считать, что реальная средняя плотность весьма близка к критическому значению, хотя «чуть-чуть» и «не дотягивает» до него. Если подобное представление соответствует действительности, то наша Вселенная незамкнута и бесконечна.

Однако задумаемся над тем, каким путем этот результат получен. Если не вдаваться в тонкости, то астрофизики поступили следующим образом: постарались учесть массы всех известных современной науке космических объектов и форм вещества, существующих во Вселенной, сложили полученные значения вместе и подсчитали, сколько вещества приходится на единицу объема. Вообще-то метод вполне надежный, я бы сказал – естественный. А как же иначе?..

И все было бы хорошо и убедительно, если бы не одно «но». К сожалению, у нас не может быть полной уверенности в том, что при подсчете средней плотности удалось учесть все, абсолютно все массы. А если не все? Это вполне возможно, поскольку нет гарантии в том, что все без исключения виды вещества во Вселенной нам уже известны. Вспомним хотя бы о проблеме «скрытой массы». Так что вполне может

быть, что «кое-что» астрономы упустили. Вопрос в том, как велико это «кое-что»?

Пока астрономия оставалась чисто оптической наукой и все наблюдения велись с помощью обычных телескопов, исследователям Вселенной были известны главным образом те космические объекты, которые светятся, излучают свет. Однако с развитием радиоастрономии, а затем и заатмосферной всеволновой астрономии выяснилось, что существует и невидимое вещество, излучающее в других диапазонах электромагнитных волн. Так, например, межзвездный нейтральный водород излучает радиоволны длиной 21 сантиметр, а холодная космическая пыль «дает о себе знать» инфракрасным излучением.

Впрочем, общая масса такого невидимого вещества значительно уступает массе звездных островов галактик и, следовательно, сколько-нибудь существенных поправок в величину средней плотности внести не может. Казалось, достигнута полная ясность.

Однако, согласно астрофизическим данным, реальная средняя плотность в нашей Вселенной близка к «критической». Возникает естественный вопрос: почему это так? Простое совпадение? Но всякое совпадение настораживает: простые совпадения обычно весьма маловероятны. И если мы все же с ними сталкиваемся, они требуют соответствующих объяснений. У совпадений, если они не случайны (что, повторяем, маловероятно), должны быть вполне определенные причины. К какой же категории относится совпадение фактической средней плотности с «критической»? И если ко второй, то в чем причина такого совпадения? Скорее всего, «истоки» этого явления прячутся в очень отдаленном прошлом, где-то в первобытном «ядерном тумане» самых ранних этапов эволюции Вселенной.

У самого начала

Итак, в результате развития теории горячей расширяющейся Вселенной возникло новое очередное «знание о незнании». Во-первых, появилась необходимость объяснить с позиций этой теории однородность и изотропию Вселенной, и во-вторых – ответить на вопрос, в чем причина совпадения реальной средней плотности вещества с «критической».

И еще: почему пространство, в которой мы живем, обладает тремя измерениями – не больше и не меньше? В самом деле – почему именно тремя? В настоящее время разрабатываются различные теории, согласно которым мы, в действительности, обитаем в пространстве со значительно большим числом измерений. Однако во всех направлениях, кроме трех взаимоперпендикулярных – X, Y и Z, наше пространство «свернуто», потому нам оно и представляется трехмерным и мы можем перемещаться в нем только в трех направлениях. Но вопрос в том, почему пространство «свернулось» именно таким, а не каким-либо иным образом, остается без ответа.

И, наконец, быть может, самый главный вопрос: что было до начала расширения, до начального, «нулевого» момента. Иными словами, из чего наша Вселенная образовалась?

Однако все попытки получить ответы на эти вопросы в рамках классического сценария горячей расширяющейся Вселенной к успеху не привели. Установить причинную связь между предполагаемым начальным состоянием Вселенной и ее современными свойствами никак не удавалось. Стало ясно, что требуется какой-то принципиально новый подход…

Значило ли это, что «сценарий» горячей расширяющейся Вселенной должен быть забракован? Что начинать поход за новым знанием надо с того, чтобы от этого «сценария» полностью отказаться?

Пути научного познания истино причудливы и замысловаты. Прежде всего потому, что причудлива сама природа, в том числе и связь между прошлым и будущим. Эволюция материи вовсе не обязательно должна происходить плавно и постепенно – в процессе развития любой системы могут совершаться неожиданные, поражающие воображение скачки. Не было ли такого «скачка» и в истории нашей Вселенной?

В последние годы ряд физиков-теоретиков занялся разработкой весьма необычной теории – цель ее как раз и состоит в том, чтобы выяснить физическую природу возможного «скачка», о котором идет речь. В основу этой теории было положено предположение о том, что Вселенная возникла в результате так называемой флюктуации физического вакуума…

Все – есть вакуум!

Поскольку физический вакуум – та среда, которая фактически заполняет мировое пространство и с ней тесно связаны его фундаментальные физические свойства, нам придется прежде, чем продолжить рассказ о сценарии возникновения нашей Вселенной, посвятить знакомству с этой удивительной средой специальный раздел…

Выйдем на улицу в ясную безлунную ночь и посмотрим на небо. Мы увидим ослепительную россыпь звезд – они везде, куда бы мы ни направили наш взор. Это – звезды нашей Галактики. А за ее пределами на расстояниях в миллионы и миллиарды световых лет – другие галактики, другие звездные системы. Их сотни миллионов и каждая из них состоит из десятков и сотен миллиардов звезд. По современным данным, около 98% вещества Вселенной сосредоточено именно в звездах.

А между галактиками, между звездами – что там? Расстояния между соседними звездами или соседними галактиками во много раз превосходяг собственные размеры этих объектов. Звезды и галактики – это лишь отдельные «точки» и «островки» в необъятном космосе.

Перечисление всего того, что заполняет межпланетное пространство, в том числе и пространство Солнечной системы, оказалось бы довольно длинным. Это и плазма – разреженный ионизованный газ, и пылевые частицы, и космические лучи, и метеоритное вещество.

Что касается газа, то в околосолнечном пространстве он главным образом состоит из солнечных частиц. Во время полных солнечных затмений можно видеть солнечную корону, серебристо-жемчужное сияние, окружающее наше светило, закрытое в этот момент непрозрачным лунным шаром. Но это нежно светящееся образование – лишь небольшая часть короны, непосредственно примыкающая к Солнцу. На самом деле корона непрерывно расширяется, и ее частицы уносятся во всех направлениях на сотни миллионов километров, образуя своеобразный «ветер». В районе Земли его скорость составляет около 400 километров в секунду. Этот поток солнечной плазмы так и называют: «солнечный ветер». И название это не просто эффектный литературный образ – солнечный ветер может в полном смысле слова надувать паруса и приводить в движение парусные космические аппараты. Конечно,

особые паруса – космические, сделанные из специальной полимерной пленки, площадью в десятки квадратных километров.

Между прочим, такой космический парусник предполагалось запустить по направлению к знаменитой комете Галлея, которая в очередной раз приближалась к Солнцу в 1986 году. Однако ученые все же направили к этой небесной гостье космические аппараты обычного типа…

Таким образом, в сущности мы живем внутри солнечной короны и с полным правом можем считать себя обитателями солнечной атмосферы. Если солнечный ветер до поверхности Земли практически не доходит, не в силах преодолеть магнитного поля планеты и вынужден огибать ее по сторонам, то с межпланетной пылью мы соприкасаемся непосредственно. Ежегодно на поверхность Земли оседает ни много ни мало около миллиона тонн космических пылинок.

Носятся в космическом пространстве и льдинки – замерзшие газы и более крупные метеоритные тела. Издавна считалось, что метеориты бывают каменными, железными и железокаменными. Но не так давно астрономы обратили внимание на любопытное обстоятельство. После пролета по небу так называемых ярких болидов, которые связаны с вторжением в земную атмосферу достаточно крупных космических тел, за очень редкими исключениями в районе, где наблюдалось это эффектное небесное явление (по небу летит, разбрасывая огненные брызги ослепительно яркий шар), выпадения метеоритов почему-то не происходило.

Это обстоятельство получило объяснение в результате наблюдений, проводившихся на протяжении ряда лет чехословацкими и американскими астрономами, создавшими для систематического фотографирования болидов специальные «метеоритные сети».

Итак, большинство космических тел, влетающих в земную атмосферу, поверхности планеты не достигает. Между тем достаточно крупные каменные или железные метеориты должны были бы выпадать на Землю. Почему же они не падают? Куда исчезают?

Ответ напрашивается сам собой: очевидно, метеоритные тела, о которых идет речь, обладают весьма малой плотностью и прочностью и легко разрушаются при движении в атмосфере.

Диффузная материя – то есть газ и пыль имеются и в межзвездном, а судя по последним данным, и в межгалактическом пространстве. Пространство это заполнено и всякого рода электромагнитными излучениями, потоками элементарных частиц, а также различными физическими полями, в том числе гравитационным полем.

А что будет, если из некоторой области космического пространства все это «убрать», удалить все, что только возможно? Что после этого останется – пустота или все же какая-то физическая система с необычными свойствами – вакуум?..

Имеется в виду не тот «технический вакуум», который образуется в результате откачивания воздуха из какого-либо сосуда, а особое состояние материи.

О том, что в природе должна существовать некая «пустота» – «ничто», догадывались еще великие философы древности. Хотя такой выдающийся мыслитель, как Аристотель, подобной точки зрения не разделял. Его удивляло то, что существует «нечто», а не «ничто», однако в своей знаменитой «Физике» он утверждал, что «природа боится пустоты».

Тем не менее было время, когда считалось, что окружающий нас мир состоит из вещества и пустоты – пространства, лишенного материи, своеобразной универсальной арены, на которой разыгрываются все происходящие в природе физические процессы. Картина для своей эпохи в общем-то вполне естественная, само собой разумеющаяся, основанная на каждодневных наблюдениях за окружающей природой, практическом опыте людей, данных классической физики, здравом смысле, наконец. Однако обыденный здравый смысл, как мы многократно отмечали, советчик ненадежный, а наглядные представления скользят по поверхности и не в состоянии проникнуть в сокровенную глубину явлений – вспомним принцип Коперника.

Интересно, что позицию, отличающуюся от аристотелевской, занимал Галилео Галилей, считавший, что хотя природа и боится пустоты, но лишь в определенной степени: упругость твердых тел он объяснял тем, что между составляющими эти тела мельчайшими частицами имеются свободные пространства – своеобразные «поры», не заполненные веществом.

Однако с развитием науки понятие «пустоты» претерпело весьма существенные, более того, принципиальные изме нения. Выяснилось, что абсолютной пустоты в природе вообще не бывает. И в этом смысле ближе к истине был все же Аристотель. Ее нет даже там, где полностью отсутствует какое бы то ни было вещество. Уже в XIX столетии выдающийся физик М. Фарадей, открывший явление электромагнитной индукции, пришел к заключению, что материя присутствует везде и нет промежуточного пространства, не занятого ею. Любая область пространства всегда заполнена какими-либо видами материи – различными излучениями и полями.

Но даже с такой поправкой пространство все еще оставалось просто вместилищем, заполненным бесчисленными материальными объектами.

Но в начале XIX века развитие оптики заставило ученых задуматься над тем, что представляет собой свет и каким образом он распространяется? Было высказано предположение, что по аналогии со звуковыми волнами, распространяющимися в упругой среде, световые волны также распространяются в особой среде – все заполняющем «эфире». Колебания эфира – и есть световые волны.

Но вскоре был обнаружен факт, вступавший с гипотезой эфира в непримиримое противоречие. Оказалось, что световые волны носят поперечный характер, иными словами, направление колебаний в световой волне перпендикулярно направлению ее распространения. Но поперечные волны могут распространяться только в твердых телах… Эфир же абсолютно твердым быть не может, в противном случае в нем не могли бы двигаться планеты…

И тем не менее в различных вариантах представления об эфире сохранялись еще довольно долго, до той поры, когда созданная Эйнштейном специальная теория относительности не покончила с ними, на этот раз уже навсегда. Выяснилось, что для света не нужен материальный носитель – световое излучение само является материей особого рода.

Казалось, что проблема тем самым возвращается к своему первоначальному состоянию: вакуум – абсолютная пустота.

И только в связи с развитием квантовой физики в начале XX столетия представления о «пустоте» вышли на совершенно новый уровень. Важная роль в развитии этих представлений принадлежала выдающемуся физику-теоретику Полю Дираку.

Изучению вакуума Дирак придавал чрезвычайно важное значение. «Проблема точного описания вакуума, – писал он, – по моему мнению, является основной проблемой, стоящей в настоящее время перед физиками. В самом деле, если вы не можете правильно описать вакуум, как можно рассчитывать на правильное описание чего-либо более сложного». Однако задача построения теории физического вакуума оказалась значительно сложнее, чем предполагал Дирак. В частности, из его собственных работ вытекало, что «вакуумное море» почти ничем не проявляет себя.

Тем не менее, по мере дальнейшего развития науки, накапливалось все больше фактов, свидетельствующих о том, что «физический вакуум» не есть чисто условное изобретение ученых, а реальное физическое состояние материи. Тот же Дирак предполагал, что если из вакуума в результате внешнего энергетического воздействия удастся «выбить» электрон, превратив его в реальную вещественную частицу, то на его месте в «вакуумном океане» должна остаться своеобразная «дырка», обладающая всеми свойствами электрона, но положительным зарядом. И уже спустя год после этого предсказания «положительный электрон» – «позитрон» был экспериментально обнаружен в космических лучах.

В дальнейшем выяснились факты еще более поразительные. Оказалось, что помимо вещества, полей и излучений существует еще одна весьма необычная, образно говоря, «скрытая» форма существования материи – «физический вакуум». Впрочем, «скрытая», но не совсем. В каждой точке пространства каждое мгновение физический вакуум рождает частицы и античастицы, которые тут же аннигилируют и снова уходят в вакуум.

В частности, было установлено, что родившийся из физического вакуума электрон может существовать как реальная частица лишь в течение исключительно малого промежутка времени– всего 10~22с. За это время он никак не может «проявить себя», то есть вступить во взаимодействие с какой-либо другой реальной частицей.

Выяснилось также, что электрон в силу некоторых фундаментальных законов микромира никогда, ни при каких обстоятельствах не может находиться в состоянии покоя – отнять у электрона всю энергию невозможно, при любых условиях он будет находиться в движении, дрожать…

Это – основное, ключевое утверждение в современных представлениях о вакууме. Любая микросистема все время должна двигаться. В каждом малом объеме пространства непрерывно рождаются пары «частица – античастица». Они рождаются и тут же аннигилируют, испуская световые кванты, которые в свою очередь мгновенно поглощаются. В каждый момент в рассматриваемом объеме существует многообразие частиц и квантов излучения.

Таких элементарных частиц – не только электронов и позитронов, – возникающих из вакуума и тут же исчезающих, должно существовать великое множество. Подобные «невидимые» частицы назвали «виртуальными». Они одновременно как бы существуют и не существуют! Считается, что в вакууме имеются все возможные виды элементарных частиц. Однако при обычных условиях их энергия недостаточна, чтобы вырваться в реальный мир и превратиться в частицы обычного вещества. Присутствие подобных частиц физики назвали «нулевыми колебаниями вакуума».

Следует признать, что у физиков хорошо развито воображение. Многие названия и термины представители этой науки придумывают в высшей степени удачно. Они не только достаточно точно отражают физическую сущность того или иного явления, но создают его впечатляющий образ.

«Нулевые колебания»… А если не «нулевые»? Возможно ли это? Оказывается, возможно. При определенных обстоятельствах «нулевые колебания» начинают себя проявлять. При этом должны возникать особые эффекты, которые в принципе можно зарегистрировать. И некоторые из них, действительно, зарегистрированы…

Мы вплотную подошли к весьма сложным «материям», к физическим явлениям, которые в окружающем нас мире ни с чем сравнить нельзя, поскольку они ни на что не похожи. Поэтому представить себе подобные явления в наглядных образах практически, увы, невозможно.

Но что поделать, так устроен окружающий нас мир. Он сложен, противоречив и полон самых неожиданных связей. Потянешь за одно «звено», за одну «ниточку», а отзовется не только по соседству, но и в .областях, казалось бы, очень и очень отдаленных. Вот и приходится к ответам на интересующие нас вопросы пробираться окольными путями, решая по дороге множество побочных задач…

Но вернемся к физическому вакууму. Похоже, что именно вакуум представляет собой основу всего существующего. Любопытно, что аналогичную идею в свое время высказал в образной форме академик Г.И. Наан. Он говорил, что основу мироздания составляет вакуумный океан, а все вещественные космические объекты – звезды, планеты, туманности, галактики – это лишь «легкая рябь на его поверхности».

В высшей степени любопытна и поучительна история первого эксперимента, показавшего, что вакуум есть нечто физически вполне реальное. Ученые не без основания называют его «экспериментом века»…

Когда в 1930-е годы Поль Дирак с присущим ему теоретическим блеском точно рассчитал спектр излучения атома водорода – системы, состоящей из протона и электрона, то выяснилось, что так называемый второй энергетический уровень, на котором может находиться электрон, – это в действительности два уровня, слившиеся друг с другом.

Через несколько лет американский физик Леон Пастернак, исследуя оптические спектры водорода, в частности, переход электрона со второго уровня на первый, обнаружил, что вопреки расчетам Дирака при этом возникают не одна, а две спектральные линии. Однако этот результат был получен на самом пределе возможностей прибора, с которыми работал Пастернак, и хотя как спектроскопист он пользовался заслуженной известностью, никто не отнесся к его наблюдению всерьез…

Вторая мировая война способствовала развитию радиолокации. Одним из тех, кто имел дело с новой аппаратурой, был американский физик Виллис Лэмб. И когда зойна окончилась, он решил вернуться к опыту Пастернака. Если второй уровень в самом деле расщепляется на два, рассуждал он, то должен существовать и переход между ними. Но в этом случае, как показывает расчет, соответствующая линия излучения будет лежать в радиодиапазоне. Для проверки этого предположения Лэмб решил воспользоваться списанной радиолокационной аппаратурой, чтобы создать необходимые экспериментальные установки. И когда задуманный эксперимент был осуществлен, Лэмб обнаружил именно то, что и ожидал…

Дирак оказался немного не прав. Он не учел физического эффекта, вызывающего расщепления второго уровня. Знаменитый физик рассматривал систему, состоящую из протона

и электрона, – и только. А в реальном мире такой изолированной системы просто не существует – есть протон и электрон, погруженные в физический вакуум. Протон – тяжелая частица, и она колебаниям вакуума не поддается, а электрон под их влиянием сам начинает колебаться. Это и приводит к расщеплению уровня, обнаруженному Лэмбом…

Физики говорят, что еще до войны известный советский физик-теоретик Дмитрий Иванович Блохинцев на семинаре академика Игоря Евгеньевича Тамма дал совершенно правильное объяснение результата опыта Пастернака. К подобному эффекту, утверждал он, способны привести колебания физического вакуума. Но в то время неизбежность «все более странного мира» еще не казалась столь неизбежной. Идея Блохинцева показалась всем настолько необычной, что никто не отнесся к ней с достаточной серьезностью. И соответствующая статья, к сожалению, так и не появилась в печати…

Вообще в конце 1940-х годов физический вакуум для большинства людей, даже близко стоящих к физике, был чем-то прямо-таки «потусторонним».

Но вернемся к явлениям, которые происходят в физическом вакууме и в реальности которых сегодня уже не приходится сомневаться.

Известно, что два разноименных электрических заряда в пустоте притягиваются друг к другу с некоторой силой. Но если их поместить в какую-либо среду, то благодаря ее влиянию сила взаимодействия между зарядами изменится/Например, в воде она ослабевает в 80 раз. Нечто похожее происходит и в физическом вакууме. Если в нем находится, скажем, положительно заряженное ядро, то оно начинает взаимодействовать с виртуальными электронами и позитронами – подтягивает к себе электроны и отталкивает позитроны. Благодаря этому два заряда будут взаимодействовать между собой не совсем по закону Кулона. И это отклонение наблюдается в экспериментах, в частности, в опытах на ускорителях. Например, рассеивание пучка электронов большой энергии на протонах из-за влияния физического вакуума фактически происходит не совсем так, как должно было бы происходить в пустоте. Таким образом, можно считать, что физический вакуум – среда – ничем не «хуже» тех сред, с которыми мы обычно имеем дело. На какую же из известных нам сред он похож – вот в чем вопрос? На металл, полупроводник, диэ лектрик, жидкость? Исследования последних лет позволяют считать, что во многих отношениях физический вакуум ведет себя подобно сверхпроводнику…

Сверхпроводимость – чрезвычайно интересное явление. Оказывается, в некоторых металлах при понижений температуры до 23,4 градуса Кельвина, то есть до минус 250 градусов Цельсия, электрическое сопротивление обращается в нуль. Именно в нуль – не становится пренебрежимо малым, а полностью исчезает.

Однажды ученые провели такой опыт. В замкнутом контуре, помещенном в жидкий гелий, возбудили ток. И он без всякого ослабления циркулировал там 14 месяцев, до тех пор, пока не разобрали установку. С момента открытия явления сверхпроводимости прошло около 40 лет. И теперь мы довольно хорошо разобрались в физическом механизме этого явления. В сверхпроводнике под влиянием кристаллической решетки вещества электроны при определенных условиях начинают притягиваться друг к другу, образуя связанные пары. Этим парам «выгодно», как физики часто говорят, «сесть» на нижний энергетический уровень. Таким образом, внутри сверхпроводника образуется своеобразная подсистема, коллектив с равной нулю энергией, обладающая сверхпроводящими свойствами. Грубо говоря, эта подсистема обеспечивает движение электронов без трения – а это и есть сверхпроводимость…

В 1967 году американский физик С. Вайнберг и пакистанский физик, работавший в Англии и Триесте, А. Салам, предложили интересную теорию физического вакуума, весьма напоминающую теорию сверхпроводимости. Из их теории следовало, что в физическом вакууме тоже могут возникать коллективы частиц, находящихся на нижнем энергетическом уровне – так называемый конденсат. При этом обнаружилось поразительное обстоятельство: от того, сколько «скрытых» частиц окажется в таком коллективе, зависят физические характеристики реальных частиц, например, их массы.

Если нагревать сверхпроводник, то из сверхпроводящего коллектива частицы начнут переходить на верхние уровни, «уходить наверх». Коллектив начнет разрушаться, а свойство сверхпроводимости будет ослабевать и в конце концов исчезнет. Нечто подобное происходит и в физическом вакууме. Если его нагревать – а в физическом смысле нагреть можно все, что угодно, – то «конденсат» начнет «испаряться», а массы

реальных частиц соответственно уменьшатся, изменится характер взаимодействия между ними. При достижении критической температуры, равной 1016 градусов, в физическом вакууме произойдет фазовый переход, который должен привести к радикальному изменению его свойств, а следовательно, и свойств реальных частиц. Но, разумеется, сходство между сверхпроводником и вакуумом – только аналогия.

Как говорил академик А.Б. Мигдал, пустота – особый объект, ни на что не похожий и потому заслуживающий самостоятельного изучения.

Таким образом, современная физика располагает убедительными доказательствами того, что «физический вакуум в действительности не «ничто», а все-таки нечто».

И пожалуй, самое важное состоит в том, что та скрытая от наших глаз и непосредственных ощущений загадочная форма материи способна при некоторых условиях рождать вещественные частицы без нарушения законов сохранения. Подобные условия могут складываться как под воздействием внешних сил, скажем, мощных полей тяготения или электромагнитных полей, так и «спонтанно», самопроизвольно.

Теория «инфляции»

Необходимость преодоления упомянутых выше трудностей привела к разработке теории так называемой раздувающейся, распухающей или инфляционной Вселенной.

Согласно этой теории, в результате спонтанного всплеска физического вакуума образовался первоначальный «объем» нашей Вселенной размером около 10~33 сантиметра, содержащий не более 10-5 граммов вещества. Затем произошло примерно следующее. По современным представлениям, физический вакуум обладает гравитационными свойствами. Однако эта гравитация порождает не притяжение, как в обычных условиях, а отталкивание. В современной Вселенной гравитация вакуума либо совершенно отсутствует, либо чрезвычайно мала. Но в начальный период расширения при колоссальной температуре она должна была достигать колоссальной величины. Такое состояние получило название «ложного вакуума».

Сперва гравитация вакуума была ниже, чем гравитация обычного вещества. Однако в процессе расширения наступил момент, когда она ее превзошла. Именно это обстоятельство

и должно было вызывать «распухание» Вселенной, которое происходило со скоростью, во много раз превышающей скорость света. Это «распухание» сопровождалось стремительным уменьшением плотности обычного вещества и не менее стремительным понижением температуры.

И хотя, согласно теории, эта стадия продолжалась всего около 10~30с, за этот малый промежуток времени первоначальный объем Вселенной возрос примерно в 1050раз! ,

Происходило это «раздувание» по экспоненциальному закону (типа ех), то есть подобно тому, как растут в мире цены в соответствии со скоростью инфляции. Поэтому-то «раздувающуюся» Вселенную и называют «инфляционной» Вселенной.

Во время инфляционного расширения каждые 10~34с все области нарождающейся Вселенной сперва удваивали свои размеры, а в дальнейшем этот процесс развертывался в геометрической прогрессии. Все части Вселенной разлетались как при взрыве. Это и был фактически Большой взрыв!

Из вакуума родилось огромное количество реальных частиц вещества с общей массой около 10» г. При этом вся энергия вакуума перешла в тепловую и Вселенная разогрелась до чрезвычайно высокой температуры. Одновременно с этим исчезло и свойственное состоянию «ложного вакуума» гравитационное отталкивание, сменившись обычной гравитацией, замедляющей расширение. С этого момента дальнейшая эволюция происходила в соответствии с теорией горячей расширяющейся Вселенной. Таким образом, пустое пространство самопроизвольно «взорвалось» благодаря отталкиванию, присущему ложному вакууму.

Если бы образование «пространства-времени» происходило в состоянии истинного вакуума, то инфляция не могла бы развиться и Большой взрыв свелся бы к слабому всплеску.

Теория «распухающей» Вселенной способна разрешить многие из загадок, о которых упоминалось выше, например, формирование однородности и изотропии современной Вселенной. До начала раздувания внутри общего «горизонта» в близких точках должна была установиться приблизительно одинаковая температура и другие физические условия. Но в период раздувания со сверхзвуковой скоростью эти точки оказались стремительно разнесенными на огромные расстояния друг от друга.

Но что значит «раздувание со сверхсветовой скоростью»? И не просто со сверхсветовой, а, как показывают расчеты, со скоростью, превышающей скорость света в огромное число раз? Не противоречит ли подобное утверждение одному из фундаментальных положений современной физики, согласно которому передача любых физических взаимодействий в нашей Вселенной не может происходить со скоростями, большими, чем скорость света.

Таким образом, возникает парадоксальная ситуация, требующая специального объяснения. И подобное объяснение существует…

Прежде всего попытаемся разобраться в том, каким способом можно измерить скорость тела, которое проносится мимо неподвижного наблюдателя, скажем, скорость гоночного автомобиля. Для этого выбирается некий «жесткий масштаб», своеобразная «мерная линейка», и отмечаются моменты времени, когда наш автомобиль поравняется с ее началом и концом. Поделив длину нашей «линейки» на разность зарегистрированных моментов времени, мы и определим интересующую нас скорость. Все очень просто… Между прочим, примерно таким способом пользуются при определении скоростей гоночных автомобилей во время рекордных заездов. А теперь рассмотрим более сложную ситуацию, когда наблюдатель находится от движущегося тела– того же автомобиля на очень большом расстоянии. Что может послужить нам «мерной линейкой» в подобных условиях? Ведь без нее не обойтись! Необходимо хотя бы мысленно связать с наблюдателем некую систему отсчета, некий жесткий «каркас». И продолжить этот «каркас» к тому месту, где находится движущееся тело. Измерив по отношению к нему скорость движения автомобиля, мы тем самым определим и его скорость по отношению к наблюдателю. В общем это тоже довольно обычный процесс измерения относительной скорости двух удаленных друг от друга тел.

Но при этом должно выполняться одно непременное условие! Наша система отсчета – «каркас» – обязательно должна быть жесткой и жестко связанной с наблюдателем. Нетрудно сообразить, что любые деформации системы отсчета неизбежно приведут к тому, что скорость движения автомобиля, измеренная по отношению к этой системе в том месте, где автомобиль движется, уже не будет скоростью по отношению к наблюдателю.

Возможно ли ввести такую жесткую систему отсчета, необходимую для измерения относительной скорости, в период начального «раздувания» Вселенной? Принципиально невозможно! Мощные силы гравитационного отталкивания, действующие в состоянии «ложного вакуума», будут неизбежно деформировать любой достаточно протяженный «каркас». А это значит, что в подобном состоянии понятие относительной скорости для удаленных друг от друга точек просто-напросто теряет физический смысл. Поэтому-то «распухающая» Вселенная и может раздуваться как угодно быстро, без нарушения фундаментального принципа предельного характера скорости света.

Возможно, подобные рассуждения показались вам несколько искусственными и недостаточно убедительными. Но, поверьте, они проведены со всей необходимой в физике строгостью… Итак, точки, удаленные в настоящее время на расстояния, превосходящие расстояние «оптического горизонта», в самом начале «раздувания» Вселенной могли располагаться «по соседству» и обмениваться друг с другом физическими сигналами. Однако и среда в результате стремительного расширения тоже не была абсолютно однородной. Этому помешало возникновение небольших неоднородностей плотности, которые в дальнейшем стали центрами формирования скоплений галактик.

Так с помощью новой теории была преодолена одна из главных трудностей, с которой столкнулись авторы «сценария» горячей расширяющейся Вселенной. Естественное объяснение получила и близость средней плотности вещества в современной Вселенной к критическому значению. Дело в том, что, согласно теории, плотность «ложного вакуума» в «распухающей» Вселенной в точности равна критической. Поэтому и плотность вещества, возникшего при распаде «ложного вакуума», также должна быть равна критической плотности.

Существует и еще одно весьма любопытное следствие стремительного «раздувания» Вселенной. Из теории вытекает, что после стадии «распухания» в областях, которые в начальный период достаточно далеко отстояли друг от друга, могли сформироваться различные физические условия. И между такими областями – «доменами», в процессе «раздувания» должны были возникнуть «доменные стенки».

В процессе дальнейшего расширения из таких областей образовались «мини-вселенные», а разделяющие их стенки отдалились очень далеко друг от друга, в частности, и от нас – за расстояние «оптического горизонта».

В этих достаточно удаленных друг от друга областях, различающихся своими физическими свойствами, возможно, поразному протекали и процессы свертывания многомерного пространства. В результате в различных «мини-вселенных» могли сформироваться пространства разной размерности.

Вполне логичные объяснения получают и в рамках теории «раздувающейся» Вселенной и некоторые другие свойства мироздания, не находившие истолкования в прежних теориях. Теперь, как всегда, слово за наблюдателями. Ибо только наблюдения могут подтвердить или опровергнуть теорию «раздувающейся» Вселенной.

Инфляционная теория не только помогла'преодолеть трудности, возникшие в теории горячей расширяющейся Вселенной – из нее вытекал ряд важных следствий. В частности, выяснилось, что в процессе «раздувания» могли, как мы уже отмечали, сформироваться обособленные пространственные области – «домены», с различными физическими условиями, которые дали начало «мини-вселенным». Следовательно, наша Вселенная не единственная в мироздании, а лишь одна из множества вселенных, обладающих разными физическими свойствами.

И как бы ни развивалась инфляционная теория в будущем, ее появление – еще одно свидетельство теснейшей связи между микро– и макропроцессами…

Вселенная из… «ничего»

Идея, согласно которой «из ничего не родится ничто», возникла еще в V веке до н. э. в эпоху Парменидов. И оказалась одной из самых устойчивых идей, которая прошла через столетия и сохранялась в естествознании в неизменном виде почти до самого последнего времени! Еще всего какие-нибудь десять лет назад гипотезу о самопроизвольном возникновении в результате чисто физических процессов вещества и энергии из «ничего» большинство естествоиспытателей считало неприемлемой…

В невозможности возникновения «чего-либо» из «ничего» как будто убеждает нас и повседневный житейский опыт.

Мы привыкли к тому, что одни предметы или объекты всегда образуются из других предметов или объектов. И что из этого правила не существует исключений.

С другой стороны, известный современный английский астрофизик П. Девис утверждает, что возникновение «чегото» из «ничего» не только в принципе возможно, но и реально происходит! Из чего, например, – ставит он вопрос, – возникают мысли, а также идеи? МьГсли, без сомнения, существуют реально, рассуждает Девис, а для их возникновения требуется непосредственное участие головного мозга. Однако мозг обеспечивает лишь реализацию мыслей, но не является их причиной. Сам по себе мозг порождает мысли не в большей степени, чем компьютер – вычисления. Мысли могут быть вызваны (порождены) другими мыслями, а также ощущениями или сведениями, то есть информацией, хранящейся в памяти или поступающей извне. Однако эти соображения не раскрывают природу самих мыслей.

Многие творческие люди говорят, что их произведения – результат неожиданного вдохновения. Таким образом, рождение картины, или стихотворения, или музыкального произведения фактически является примером рождения «чегото» из «ничего». В пользу подобной точки зрения свидетельствуют высказывания ряда известных современных поэтов, писателей и композиторов. Так Андрей Вознесенский утверждает: «Чувствуешь эту связь, словно кто-то диктует тебе». Об этом же говорил и Владимир Солоухин: «Писал стихи – так мне всегда казалось, что под чью-то диктовку». Аналогичные мысли высказывал и выдающийся композитор А. Шнитке: «Музыка мною не пишется, а улавливается… Вроде как я имею дело не со своей работой, а переписываю чужую»…

Можно ли, однако, считать, что из «ничего» возникают физические объекты? В том числе наша Вселенная?

В принципе можно. Подобной точки зрения придерживаются такие известные современные физики и астрофизики как Алан Гут из Массачусетского технологического института (МТИ) в США, Сидней Коулмен из Гарвардского университета, Алекс Виленкин из университета Тафта. Они считают, что «ничто» – неустойчиво и Вселенная спонтанно «распустилась из «ничего».

Классическая физика рассматривала Вселенную как гигантский часовой механизм. Новая квантовая физика раз рушила эту лапласовскую схему. На атомном уровне материя и ее движение неопределенны и непредсказуемы. Разумеется, и атомный мир не свободен полностью от причинности, но она проявляется здесь неоднозначным образом. Главная особенность «квантового поведения», которая лежит в основе материи, – утрата строгих причинно-следственных связей.

Применима ли, однако, квантовая физика ко Вселенной? И если применима, то в каких пределах? Во всяком случае, ранняя Вселенная была ограничена весьма малыми размерами! Имеющиеся в распоряжении, современной физики и астрофизики данные говорят, что квантовые законы с момента начала расширения – в так называемую эру Планка– до 10~43с играли определенную роль. И действие этих законов следует принимать во внимание вплоть до 10~32с с момента начала инфляции.

Как считают некоторые теоретики, именно между этими двумя «эпохами» существовал момент времени, когда возникла наша Вселенная. По словам С. Ноуммена, именно в этот момент и совершился «квантовый скачок» из «ничего» во «время». Современное «пространство-время» есть не что иное, как реликт той эпохи.

Но откуда взялась энергия, необходимая для инфляционного расширения? Ведь существует закон сохранения энергии, а энергия начальной Вселенной была равна нулю. Но дело в том, что закон сохранения энергии в его обычной форме к инфляционной Вселенной неприменим. Сам процесс инфляционного расширения формирует возрастание энергии вакуума. И лишь квантовый распад ложного вакуума положил предел этому процессу.

0|1|2|3|4|5|6|7|