Глава девятая

в которой читатель наконец-то, во-первых, попадает в собственное время, во-вторых, знакомится с результатами практической деятельности астрономов и космологов и, в-третьих… В-третьих, правда по замыслу автора, читатель должен убедиться, что легче ему от всего вышеизложенного не стало

Удивительны науки о вселенной. С одной стороны, их методы позволяют заметить разницу в положении небесных объектов, измеряемую долями угловых секунд. И тут же, рядом, существуют приближения, о которых говорят, что результаты вполне хороши, если не отличаются больше, чем на порядок…

Космология за последнее время из разряда чисто умозрительных наук переходит в разряд наук физических. И как всякая развивающаяся отрасль знания, переживающая период становления, она занята уточнением и переоценкой своих результатов. Поэтому автор хотел бы предупредить читателя, что значения многих величин пока, не окончательны. У разных наблюдателей одни и те же исследования сегодня еще дают разные результаты, которые лишь постепенно приближаются к истине. Нужно помнить, что каждая цифра во внегалактической астрономии дается ценою невероятного напряжения, ценой дьявольских ухищрений как теоретических, так и экспериментальных. А ведь внегалактическая астрономия — это ,один из главных поставщиков фактического материала для космологии. Читателю, проникшемуся идеями расширяющейся вселенной, должно быть уже совершенно ясно, что чем дальше от нас расположен объект наблюдения, тем больше времени требуется свету, чтобы добраться до земных телескопов, а следовательно, тем более «молодым» мы этот объект видим…

Свет и радиоволны, несущие нам основную информацию о небесных объектах, пробегают в космосе примерно 300 тысяч км/сек. Солнце находится в восьми минутах светового хода от нас. Значит, мы каждый раз, взглянув на наше светило, видим его таким, какое оно было восемь минут назад. А если объект наблюдения находится дальше?

Свет от Проксимы центавра добирается до Земли четыре с лишним года. Следовательно, потухни соседка нашего Солнца в одночасье, мы бы узнали об этом лишь через четыре с лишним года.

А если такой объект наблюдения, как, например, галактика туманность Андромеды, отодвинут от нас миллиона на два световых лет? Значит, мы и видим его сейчас таким, каким он был два миллионолетия назад, когда световой поток покидал его звездные просторы. Рассматривая последовательно все более удаленные небесные объекты, мы словно пользуемся «машиной времени» для того, чтобы проникнуть в прошлое нашей вселенной.

«Машиной времени»! Впереди у нас еще увлекательное путешествие при помощи этого фантастического вида транспорта. Впрочем, фантазия никогда не служила науке помехой…

От «радиозвезд» до звездоподобных объектов

В 1932 году молодой инженер Карл Янский открыл радиоизлучение ядра Галактики. Затем в 1946 году в печати появилась публикация трех английских ученых Хея, Парсонса и Дж. Филлипса, обнаруживших мощное радиоизлучение из небольшого участка неба в созвездии Лебедя: был открыт первый дискретный источник радиоизлучения. Скоро за ним последовали находки и других источников. Вначале, пока разрешающая способность радиотелескопов была незначительной, небесные «радиостанции», казалось, занимали очень маленькие участки неба, как звезды. Так их и считали «радиозвездами». Но со временем «зрение» радиотелескопов становилось все острее и острее, и наблюдатели обнаружили, что контуры «радиозвезд» начинают расплываться. Не увязывались «радиозвезды» и с теорией. Все это привело к тому, что от гипотезы «радиозвезд» пришлось отказаться.

Многие радиоисточники вначале были отождествлены с облаками газа. Но вот являются эти «радиооблака» членами Галактики или это внегалактические объекты — было неизвестно. Первый дискретный источник радиоизлучения, отождествленный с оптическим объектом за пределами солнечной системы, оказался расположенным в Крабовидной туманности. В 1949 году австралийские астрономы Болтон и Стэнли определили его точные координаты.

В 1950 году англичане Хенбери Браун и Хазард обнаружили слабое радиоизлучение уже от галактики Андромеды. Но «радиозвезды» еще не окончательно сдали свои позиции. Полный переворот произошел, когда Вальтеру Бааде удалось отождествить самый первый источник Лебедь — А с оптическим объектом, удаленным на полмиллиарда световых лет. Этот объект по очертаниям похож на восьмерку, каждая половинка которой — галактика. В связи с этим родилась гипотеза, будто космическое радиоизлучение есть результат столкновения далеких галактик. Но какой механизм мог вызвать такое мощное излучение энергии? Здесь было много предположений. Наиболее плодотворной оказалась теория советских ученых В. Л. Гинзбурга и И. С. Шкловского о том, что излучение возникает в результате движения электронов очень высоких энергий в магнитном поле. Эта гипотеза в дальнейшем получила название «синхротронного излучения» и сейчас широко применяется для объяснения космического излучения.

В конце пятидесятых годов физики-теоретики задумались над тем, какие процессы могут создавать электроны таких высоких энергий. В результате расчетов выяснилось, что почти все сто процентов энергии столкновения двух галактик должны превратиться в энергию электронов. Столкновения же, изученные в лабораторных условиях на самых лучших ускорителях, давали переход всего одного процента энергии столкновения в энергию излучения. А ведь в лаборатории процессы строго направлялись экспериментаторами и не были столь хаотичными, как в пространстве… Нет, тут явно что-то было не в порядке с самой гипотезой столкновения. Академик В. А. Амбарцумян, развивая теорию взрывов в ядрах галактик как закономерной фазы развития последних, подверг решительной критике гипотезу сталкивающихся галактик.

  От «радиозвезд» до звездоподобных объектов

И наконец, последний удар гипотезе столкновения галактик был нанесен в I960 году. Астрономы Мэтьюз и Шмидт из Калифорнийского технологического института отождествляли большинство источников радиоизлучения с одиночными галактиками. К этому времени и относится начало работ на английской обсерватории Джорделя Бэнк по программе измерений угловых размеров небесных радиоисточников. Англичане исследовали добрых три сотни радиообъектов. Радиотелескоп с высокой разрешающей способностью позволил выяснить, что существуют источники чрезвычайно малых угловых размеров, до одной секунды дуги и даже еще меньше.

Это открытие возвращало к похороненной идее «радиозвезд», и до конца 1962 года так и считали, что открыты не что иное, как звездоподобные объекты, населяющие нашу Галактику. Но вот один из странных звездоподобных объектов, зарегистрированных в третьем кембриджском каталоге как ЗС48, показал удивительный, ни на что не похожий спектр. Ни одна линия его не совпадала с твердо установленными положениями линий атомных спектров. Мало того, его световое излучение оказалось переменным. Последнее обстоятельство окончательно указывало на то, что объект ЗС48 должен быть небольшим, компактным, короче, он должен быть типа звезды. Это, пожалуй, нуждается в объяснении.

Когда мы для звездоподобных объектов применяем эпитеты «большой» или «небольшой, компактный», то понимать их следует в звездном масштабе. «Большой» — значит от края объекта и до края свет путешествует годы… А как вы думаете, может такой гигант столь согласованно подмигивать? Пожалуй, нет! Представить себе механизм, заставляющий объект протяженностью во много световых лет одновременно менять яркость, это означало бы отказаться от принципа, согласно которому скорость света максимальна; тогда нужно допустить «мгновенное распространение сигналов». А это уж слишком явный шаг назад.

Нет, нет, единственное разумное объяснение заключалось в признании компактности вновь открытых небесных объектов. Ну, а почему они так светятся?

И. С. Шкловский предположил, что наблюдается одновременная вспышка нескольких сверхновых звезд, сопровождающаяся мощным радиоизлучением. Бербидж выдвинул гипотезу о наличии цепной реакции взрывов многих звезд. Фаулер и Хойл, по словам последнего, «пришли к мысли собрать все звезды вместе в одно сверхтело, по массе превышающее Солнце в миллионы раз». Но решиться на такое предположение было довольно трудно, потому что среди астрономов существовало твердое убеждение, что звезд с массой больше 50 масс Солнца существовать не может. Сверхзвезда Хойла и Фаулера должна была светить ярче целой галактики. Между тем ЗС48 представлял собой крошечную искорку, еле различимую в большой телескоп.

Чрезвычайно интересный путь исследования «непонятных» небесных радиообъектов выбрали австралийцы. В их распоряжении был хороший 70-метровый параболический радиотелескоп, расположенный вблизи Сиднея. Чтобы еще повысить его «зоркость», они решили воспользоваться Луной в качестве естественного экрана, закрывающего радиоисточники. Так как положение Луны в любой момент времени точно известно, то можно столь же точно указать момент экранирования и появления источников. Конечно, для этого высокой чувствительности приемник нужно было постараться оградить от любых возможных радиопомех местного происхождения.

Австралийские наблюдатели выбрали источник ЗС273. И вот как Ф. Хойл описывает этот эксперимент. «При наблюдениях они предприняли невероятные меры предосторожности… С телескопа было снято несколько тонн металла, чтобы сделать возможным наблюдения при меньших углах возвышения, чем обычный рабочий диапазон. За несколько часов до момента покрытия источника Луной все местные широковещательные радиостанции повторяли призыв: никто не должен включать радиопередатчиков во время наблюдений. Все дороги, проходящие вблизи телескопа, были перекрыты и патрулировались, чтобы быть уверенными, что по соседству нет движущихся автомобилей. И последний штрих: после наблюдений Хазард и Болтон отвезли два дубликата записей в Сидней на отдельных самолетах».

Сложный эксперимент увенчался успехом: ЗС273 оказался двойным источником, с двумя очень маленькими компонентами, удаленными друг от друга примерно на 20 угловых секунд. Столь точное положение источника позволило американскому астроному М. Шмидту на обсерватории Маунт Вилсон отождествить радиоисточник с едва заметным оптическим следом. Получалось, что радиоволны излучала звезда?..

Квазары, или что делает практика с теорией

После отождествления непонятного радиоисточника с оптической звездой предстояло получить его спектр.

Получение спектров слабых объектов — невероятно долгая и утомительная работа. Она требует от исследователя терпения, аккуратности и внимания.

Маартену Шмидту повезло. Четыре линии спектра из шести, несомненно, принадлежали либо водороду, либо атомам другого элемента, «ободранным» до последнего электрона. Но они находились совсем не на тех местах, где положено, и, как предполагает Шмидт, смещены к красному концу спектра на 16 процентов.

И сразу все четыре линии совпали с линиями излучения водорода.

Казалось бы, можно торжествовать победу. Но не тут-то было!.. Если допустить, что обнаруженное красное смещение спектра имеет космологический характер, то объект ЗС273 должен находиться на расстоянии примерно двух с половиной миллиардов световых лет и улетать от нас со скоростью порядка 45 тысяч километров в секунду! Если из такой невероятной дали он все-таки виден нам, то он вообще не звезда! Чтобы светить на таком расстоянии, он должен быть ярче целой галактики!

Можно, правда, предположить, что красное смещение спектра вызвано воздействием мощного поля тяготения на проносящиеся в нем кванты (фотоны). Тогда загадочный объект может быть расположен недалеко от нас и представлять собой ком плотной раскаленной материи. Однако вид спектра объекта характерен для облака раскаленного газа, а не для плотного тела.

Астрономы кинулись к фототекам. На крупных обсерваториях в специальных помещениях хранятся тысячи и тысячи пластинок, полученные за много лет. Оказалось, что странный объект фотографировался множество раз. В фототеке гарвардского «небесного патруля» обнаружились снимки, сделанные еще в конце прошлого столетия. На них уже были видны объекты, привлекшие внимание. Но до самого последнего времени они считались просто слабыми звездами, принадлежащими нашей Галактике; звездами, единственная особенность которых, как считалось, заключалась в том, что они испускали слишком много ультрафиолетовых лучей. Потому их и называли голубыми звездами.

  Квазары, или что делает практика с теорией

Пользуясь старыми негативами, наблюдатели выяснили, что блеск ЗС273 за несколько лет изменился примерно на 50 процентов. Это означало, что звездоподобный объект по размерам не мог быть особенно большим. Иначе он бы не мог «подмигивать» с таким коротким периодом. Стало быть, это не галактика, это не облако, это… вообще неизвестно что такое. Квазизвезды — как будто звезды, — стали их называть наблюдатели; затем соединили первый и последний слоги первого слова английского названия «quasistellar object»; получилось привившееся сегодня название — «квазар».

Вслед за объектом ЗС273 были исследованы и другие квазары. К сегодняшнему дню получены спектры более сотни этих удивительных объектов, вопрос о природе которых еще далеко не решен. Астрономы ухитрились получить спектр такого удаленного квазара, линии излучения которого оказались сдвинутыми на 288 процентов к красному концу спектра. Двести восемьдесят восемь процентов означают, что принимаемая длина волны почти в четыре раза больше истинной. Расстояния до таких квазаров, если считать вселенную построенной в виде модели Фридмана, должно быть около восьми миллиардов световых лет.

В 1965 году видный астрофизик Дж. Гринстейн писал: «В качестве конкретной модели (заведомо не объясняющей вариации блеска) можно представить себе квазар как возбужденное газовое облако диаметром 600 световых лет с массой 109 солнечных масс. В настоящее время кажется весьма вероятным, что источником энергии сверхзвезды могут быть грандиозные взрывы, высвобождающие либо ядерную, либо гравитационную энергию».

Поистине прав физик У. Корлисс, когда говорит: «Время от времени госпожа Природа подкрадывается к ученым и дает им хорошего пинка… С тех пор как квазары в начале 1960-х годов появились на астрономической сцене, с лиц астрономов и космологов не сходит выражение недоумения. Никто не знает, что такое квазары…»

Впрочем, квазары не ограничились безобидной ролью новой разновидности небесных объектов с неизвестной родословной. Они претендовали на большее.

Путешествие по оси t

Буквой «t» обычно обозначают время. Скептику в пору усмехнуться: начинаются, дескать, фантазии, Кому сейчас не известно, что только в лихих фантастических повестях герои путешествуют в завтра и вчера, как будто это соседние троллейбусные остановки.

Используют прием перемещения по времени и авторы научно-популярных книжек. Правда, для этого им приходится привлекать на помощь добрую волю и развитое воображение читателей. Отличительным признаком начала такой апелляции к читателю бывают обычно слова: «представим себе, что…»

В астрономии со временем дела обстоят иначе. Автор уже говорил, что астроному достаточно направить телескоп на небесный объект, отстоящий от Земли, скажем, на тысячу световых лет, чтобы увидеть его таким, каким он был тысячу лет назад. Свет, донесший информацию к нам на Землю сегодня, родился и начал свое путешествие во времена княжения на Руси Святослава и его войны с Византией, за два года до рождения Абу-Рейхана-Мухаммеда ибн-Ахмеда ал-Бируни — выдающегося хорезмского энциклопедиста и самого знаменитого астронома X века.

Но вот в окуляре инструмента иной объект. Красное смещение линий его спектра позволяет определить расстояние в миллион световых лет. Значит, мы видим его сейчас таким, каким он был в те далекие времена, когда наши уважаемые предки еще не очень твердо стояли на двух ногах. Углубляясь дальше в пространство, мы тем самым проникаем и в глубины времени. Внегалактическая астрономия вывела нас за пределы ста тысяч световых лет (это примерный диаметр нашей Галактики) и познакомила с небесными телами, находящимися в том состоянии, в каком их сотворила природа миллиарды лет назад…

Открытие и исследование спектров квазаров дали возможность астрономам заглянуть еще дальше по времени, примерно на 8 миллиардов лет назад. В самые последние годы получены спектры с таким красным смещением, при котором длины принимаемых волн увеличиваются даже больше, чем в три раза.

В мае 1965 года М. Шмидт обнаружил, что квазар ЗС9 имеет красное смещение, которое соответствует скорости, равной 80 процентам скорости света. Это уже 9 миллиардов световых лет. В 1967 году был опубликован список, содержащий 103 квазара. Самое большое красное смещение спектра оказалось у квазара PKS 0237-23, открытого австралийскими радиоастрономами. Скорость удаления этого объекта относительно Земли равна 247 тысяч км/сек, а расстояние, получаемое по закону Хаббла при Н=(100-75) км/сек на мегапарсек, равно 8-10 миллиардам световых лет. А есть ли возможность еще приблизиться к «началу», к тому самому таинственному и жуткому моменту, когда время и радиус вселенной (мы имеем в виду фридмановскую модель) находились в «нуль-пункте»? Квазары в этом нам не помощники. Есть подозрение, что раньше, чем 8-10 миллиардов лет назад, ни звезд, ни галактик, ни квазаров не существовало. Нужно искать какой-то иной источник более ранней информации…

И вот в 1965, урожайном на открытия году лаборатория телефонной компании «Белл» в Нью-Джерси испытывала радиотелескоп высокой чувствительности. Одну за другой убирали техники помехи, налаживая систему. Наконец остался только небольшой шумовой фон, не меняющийся ни от направления, ни от времени работы.

Решили, что это шум, свойственный аппаратуре. Радиотелескоп демонтировали, еще и еще раз испытали его «начинку». Самолюбие инженеров было задето, и потому проверка шла до последней детали, до последней пайки. Устранили, кажется, все! Собрали снова — шум возобновился. После долгих раздумий теоретики пришли к выводу, что это излучение не могло быть ничем иным, как постоянным фоном космического радиоизлучения, заполняющего вселенную ровным потоком. Астрофизики рассчитали, что шум соответствует температуре, равной примерно 3 градусам Кельвина, и «прослушивается» на различных частотах. Но откуда может взяться во вселенной такой странный поток энергии?

Тут автор просит читателя предаться воспоминаниям. Помните «горячую» модель вселенной Георгия Гамова?.. Спустя примерно 300 тысяч лет после «на* чала» динамическое равновесие в расширяющемся илеме нарушилось. Плотность горячей плазмы уменьшилась настолько, что излучение получило возможность оторваться от среды. С тех пор эти неприкаянные радиоволны, путешествуя, подобно Агасферу, по расширяющейся вселенной, должны были «остыть» как раз до 3-4 градусов Кельвина… Так не есть ли излучения, открытые инженерами компании «Белл», следы тех самых «реликтовых волн», оторвавшихся от «адского варева» на трехсоттысячной годовщине его «кипения»?

  Путешествие по оси t

Можно себе представить, как возрадовались сторонники «горячей» модели, когда пришло это сообщение. «Реликтовое излучение» — именно такое название получили «постаревшие и охладившиеся» кванты репортажа о состоянии вселенной, дошедшего до нас через десяток миллиардов лет. Это открытие не только укрепило позиции «горячей» модели. Реликтовое излучение позволило со ступеньки времени квазаров (8-10 миллиардов лет) опуститься на ступеньку, соответствующую 300 тысячам лет от самого «начала». Одновременно подтверждалась мысль, что некогда вселенная имела плотность в миллиард раз более высокую, чем сейчас…

Подойдем еще ближе к «нуль-пункту», следуя принципу, что аппетит приходит во время еды… Тут мы опять оказываемся перед проблемой носителя информации. Электромагнитные волны «доводят» нас только до 300 тысяч лет от начала координат. В более ранний период они были связаны с бушующей плазмой и поглощались. Да и что вообще в состоянии выжить в бурно кипящем «котле» вселенной?

И все-таки академик В. Л. Гинзбург, описывая путешествие к «началу», следующей ступенькой времени для «горячей» модели называет… сотую секунду после взрыва. В этот момент плотность вещества вселенной лишь в сто раз больше плотности воды, а температура должна равняться примерно миллиарду градусов. В такой обстановке, как мы помним, протоны соединяются с нейтронами, образуя ядра гелия и других легких элементов. Расчеты показывают, что для «горячих» фридмановских моделей гелия должно образовываться довольно много: примерно на 90 ядер водорода 7-8 ядер гелия и одно ядро какого-нибудь другого легкого элемента. Значит, если бы удалось определить количество гелия во вселенной, то тем самым мы уложили бы еще один «кирпич» в фундамент «горячей» модели. На сегодня найдено примерное содержание гелия в обозримой вселенной — оно колеблется в пределах 5-10 процентов. Физики считают, что такой химический состав вселенной подтверждает «горячую» модель.

Но продолжим обсуждение. Читатель, конечно, понимает, что ни один космолог не угомонится, зная обстановку на сотой секунде «творческой работы большого взрыва». Он захочет знать ее и на десятой и на первой секунде. Правда, возможные носители информации вроде бы исчерпаны. Хотя мы забыли о самых модных во второй половине XX столетия частицах: о нейтрино и антинейтрино…

Если бы удалось поймать и подсчитать нейтрино, те самые, что образовались в самом-самом начале «начала», то со ступеньки времени 100 секунд мы перейдем на уровень 0,3 секунды существования «горячей» модели. Почему именно 0,3 секунды? Потому что как раз в этот момент плотность взорвавшегося илема должна была достигнуть величины примерно 10 миллионов граммов на кубический сантиметр. Это как раз та плотность, которая является границей для нейтрино. При большей плотности эти неуловимые частицы, «придуманные» некогда чисто умозрительно Вольфгангом Паули, а рассчитанные и названные Энрико Ферми, не способны пробиться через вещество. Зато при меньшей плотности вещества они практически им не поглощаются и должны были бы «дожить» до нашей эпохи.

Однако поймать «реликтовые» нейтрино — это задача, которую решить пока не удается. Эти частицы настолько слабо взаимодействуют с веществом, что проходят, как сквозь пустое пространство, через планеты и звезды, ни с чем не реагируя, ничем не отклоняясь и не рассеиваясь.

Чтобы уловить «реликтовые» нейтрино, нужно почти в миллион раз повысить чувствительность предельных в наши дни измерений. Это задача чрезвычайной трудности. Она настолько трудна, что даже перспективы ее решения сегодня еще весьма туманны.

Правда, три года назад проблема регистрации нейтрино, излучаемых Солнцем, тоже казалась удручающе сложной. Между тем сейчас уже почти ни у кого нет сомнений, что именно нейтринной астрономии принадлежит будущее в исследовании Солнца, и притом будущее, не столь отдаленное. В «окуляре» нейтринного телескопа мы увидим недра нашей звезды. (Нейтринный телескоп вряд ли вообще можно назвать телескопом в обычном смысле, настолько он не похож по внешнему виду на традиционный астрономический инструмент. Но коль скоро название сохранилось, то почему не назвать счетчики «окуляром»?) Если удастся уловить «холодные» реликтовые нейтрино, это будет едва ли не главным доказательством в пользу «горячей» модели.

И наконец последний, хотя и вполне «законный», вопрос. Ну хорошо, предположим, что мы научились вылавливать и фиксировать «холодные» нейтрино и подошли на 0,3 секунды к «большому взрыву», а нельзя ли еще ближе?.. После 0,3 секунды жизни плотность «первичного кома» материи больше, как мы говорили, 10 миллионов г/см3. Даже нейтрино (!) не в состоянии вырваться из такого «теста». Как же быть?

Здесь мы приблизились к последнему реальному, хотя пока и не в практическом смысле, информационному агенту: гравитационным волнам. Они — голубая мечта физики завтрашнего дня. Да, в наши дни время от времени в печати появляются одиночные сообщения об экспериментах по приему гравитационного излучения, но все эти сообщения пока еще недостаточно убедительны, чтобы им можно было надежно поверить.

Гравитационные волны должны обладать еще большей проникающей способностью, чем нейтрино, и должны доходить до нас из областей, плотность которых описывается числом граммов на кубический сантиметр, содержащим девяносто три нуля после значащей цифры (4 • 1093 г/см3)! Конечно, цифра эта может и не пробудить в нас особых эмоций. Но автору становится не по себе. При таких плотностях мы настолько близко подбираемся к вожделенному «нуль-пункту», что остатком времени можно пренебречь. Есть предположение, что при плотностях больше 1093 г/см3 законы нашей физики перестают годиться. Нарушаются фундаментальнейшие принципы, даже такие, например, как принцип причинности. Впрочем, чтобы не удариться в чистую фантастику, автор предпочитает ограничиться сказанными не раскрывать перед читателем горизонты сверхплотного мира.

Некогда Гамов говорил, что с физической точки зрения мы должны полностью забыть о существовании периода до взрыва и о моменте взрыва. Несмотря на то что его «пять актов» охватывают, казалось бы, все время от «нуль-пункта», Гамов считал, что мы можем проследить развитие вселенной, основанное на достоверных фактах, лишь от нашего времени до одного миллиарда лет от «начала». Так было четверть века назад. Затем «реликтовое излучение» приблизило нас на ступеньку 300 тысяч лет от начала. Не исключено, что пройдет несколько лет, и крайним сроком «начала» вселенной, о котором у нас будут надежные факты, станут 0,3 секунды. Поживем, увидим…

Вселенная, год 1971-й

Критерием истинности любой теории является опыт. (Высказанная истина настолько тривиальна, что автору даже неудобно начинать с нее заключительный параграф об итогах развития классической общерелятивистской космологии за пролетевшие пятьдесят четыре года.) Для космологии это тоже закон. Во-первых, такая наука, бывшая безраздельно умозрительной, стала опираться на данные опыта, на данные наблюдений — факт сам по себе замечательнейший. Во-вторых, сочетание слов «классической, общерелятивистской космологии»… разве не говорит о ее признании? Сегодня мы смело можем сказать, что все имеющиеся в нашем распоряжении факты подтверждают космологию вселенной, построенную на фундаменте общей теории относительности.

  Вселенная, год 1971-й

Конечно, пока модели вселенной, построенные на основе теории Эйнштейна — Фридмана, лишь первые попытки математического описания наблюдаемого разбегания галактик; самые первые попытки и, конечно, чрезвычайно упрощенные. Мы еще слишком мало знаем наверняка, слишком мало имеем конкретных фактов о вселенной, чтобы построить адекватную модель. Но мы на правильном пути: факты, теория и снова факты.

Конечно, в космологии немало затруднений. И первое из них, о котором говорит выдающийся советский космолог А. Л. Зельманов, заключается в множественности моделей. При любом значении космологической постоянной уравнения Эйнштейна допускают множество решений, а следовательно, и множество моделей разных типов.

«Множественность моделей естественна, если их применяют лишь к ограниченным областям вселенной, — пишет А. Л. Зельманов. — Но модель вселенной, как целого, если такая модель вообще принципиально возможна (что далеко не очевидно), должна быть единственна, как единственна и сама вселенная». «Единственна ли?» — сомневаются другие ученые.

Велики затруднения и с объяснением сингулярности, то есть наличия «особого состояния» в начале расширения фридмановских моделей. Действительно, как представить себе вселенную, стянутую в точку с чудовищной плотностью вещества?.. Мы уже знаем, что на сем затруднении усиленно пытались погреть руки теологи, но и без них это обстоятельство явилось камнем преткновения для многих теоретиков. За пятьдесят с лишним лет существования релятивистской космологии были предприняты неисчислимые попытки обойти «нуль-пункт» расширяющейся или пульсирующей модели и найти такое решение, которое, с одной стороны, не противоречило бы наблюдаемым данным, с другой — укладывалось в рамки современной физики и общей теории относительности.

Было высказано предположение, что при последующем после расширения сжатии «особая точка» достигаться не будет и вместо исчезновения вселенная будет совершать бесконечные колебания — осциллировать. Такая модель не имеет ни конца, ни начала. Она лишь пульсирует с определенным периодом. Конечно, в моменты сжатия и достижения максимальной плотности все галактики, все звезды, не говоря уже о планетах, должны разрушаться. В эти моменты, в условиях, напоминающих первые секунды «большого взрыва», происходит обновление мира. Все вещество галактик и звезд превращается в раскаленное облако плазмы, состоящей снова из смеси почти равного количества протонов и нейтронов. Затем должно начаться расширение, и весь цикл образования вещества, звезд и галактик повторится сначала.

Однако последние работы как советских физиков Я. Б. Зельдовича и И. Д. Новикова, так и американцев Р. Пенроуза и С. Хоукинга настойчиво требуют признания неизбежности существования «особых точек» в космологических решениях общерелятивистских уравнений.

При этом сущность «особой точки» (сущность особого — сингулярного — состояния материи в момент наибольшего сжатия) до сих пор остается неизвестной. Некоторые специалисты считают ее математическим символом какого-то физического состояния, пока еще неизвестного и недоступного анализу.

В 1969 году советские физики В. А. Белинский, Е. М. Лифшиц и И. М. Халатников, а также американец Ч. Мизнер считали существование сингулярности результатом исходных упрощений теории. Решая уравнения общей теории относительности, они нашли новый класс космологических моделей, в которых вселенная, приближаясь к «нуль-пункту», из-за своей неоднородности начинает осциллировать во времени. Тем самым предотвращается наступление сингулярного состояния. В работах советских физиков по-новому ставится вопрос о физическом смысле времени вблизи «нуль-пункта». На конечном интервале времени число осцилляции оказывается бесконечным. А следовательно, если измерять время числом циклов, то оно само окажется бесконечным. В этом смысле у теории пульсирующей вселенной есть свои достоинства. Некоторые ее предсказания получили поразительно точное подтверждение. Но есть у нее и серьезные затруднения, все еще не преодоленные ни с помощью наблюдений, ни теорией.

Скорее всего сингулярность указывает предел, до которого теория тяготения Эйнштейна пригодна. А дальше?..

При больших плотностях, по-видимому, нужна другая теория.

Единое «начало» вселенной порождает и трудность, связанную со шкалой времени. Помните, по старой шкале метагалактических расстояний, существовавшей до 1952 года, продолжительность эпохи расширения равнялась T = 1/H = 1/540 = 1,8 миллиарда лет. Этот срок находился в вопиющем противоречии даже с возрастом земной коры. Сейчас принято считать Т = 10 — 13 миллиардов лет. Это, конечно, лучше, но не намного. Космогонисты предполагают, что возраст наиболее старых звезд примерно… 25 миллиардов лет. Но звезды не могли образоваться до «рождения вселенной».

Вообще надо сказать, что многие специалисты в области космогонии настроены по отношению к космологии довольно решительным образом. Вот, например, что говорил Виктор Амазаспович Амбарцумян, основатель и глава широко известной во всем мире школы космогонии.

«…Некоторые теоретики, основываясь на законе Хаббла и на ряде других очень грубых и произвольных предположений, построили гипотетические модели вселенной, которые, по-видимому, отражают некоторые свойства реальной вселенной. Но характер этих моделей настолько зависит от сделанных упрощающих предложений, что эти модели следует считать очень далекими от реальности. Что касается меня лично, то я думаю, что на современном этапе этих теоретических работ даже не имеет смысла подробно сравнивать эти модели с наблюдениями».

Академик В. А. Амбарцумян не строит заранее теоретической модели, которая лишь затем подвергается эмпирической проверке. Его космогонические гипотезы, касающиеся вопросов возникновения звезд и звездных скоплений, галактик и их взаимодействия, возникают как обобщение результатов наблюдений.

Внегалактическая астрономия — главный эмпирический фундамент космологии — еще очень молода. А трудности, с которыми ей приходится сталкиваться, поистине фантастические. Многие результаты наблюдений лежат не только на пределе возможности уникальных приборов, но даже за этими пределами. Это обстоятельство допускает возможность различного толкования некоторых эмпирических данных. Читатель, наверное, помнит, что все наши рассуждения исходили из признания либо совершенного космологического принципа, либо его ограниченного варианта. Последний предполагает, что вселенная одинакова в разных точках и по разным направлениям. Совершенный же космологический принцип требует еще и того, чтобы так было всегда в разные моменты времени. Однако на любом этапе познания наука всегда имеет дело с некоторой ограниченной частью вселенной, так что выводы о ее однородности и изотропности всегда остаются предположительными.

Последнее время многие космологи стали отходить от космологического постулата, считая требования однородности и изотропности вселенной слишком жесткими, слишком сильно снижающими степень реальности такой модели. В свою очередь, отказ от космологического постулата требует сразу пересмотра некоторых важных выводов. Так, если согласиться с тем, что более близкое описание реальной пространственно-временной структуры вселенной дается ее анизотропной и неоднородной моделью, то зависимость конечности или бесконечности пространства от знака его кривизны становится неоднозначной. Впрочем, по поводу анизотропной и неоднородной вселенной среди специалистов споры только разгораются. Многие считают, что вселенная может быть неоднородна лишь «в малом»; в достаточно же больших объемах она однородна.

Наконец, следует вспомнить и о том, что данных внегалактической астрономии все еще недостаточно, чтобы определить среднюю плотность вещества во вселенной. А это значит, что не может быть решен вопрос и о кривизне пространства. Мы не можем пока на основании эмпирических данных решить вопрос о замкнутости или незамкнутости нашего мира.

Да, трудностей много. Но тем интереснее, тем перспективнее наука. Очень интересное сравнение привел академик Гинзбург: «Космология и физика элементарных частиц — это как бы два антипода. Вместе с тем, как говорят, противоположности сходятся. И действительно, у космологии и физики элементарных частиц есть одна и та же черта, определяющая их значение в науке. Именно в этих областях — соответственно, астрономии и физике — сейчас проходит граница между областью, освещенной значением, пусть неполным, и кромешной тьмой неведомого».

Хорошо сказано, правда?..