Модель большого взрыва и хронология вселенной

          Наблюдения Хаббла говорили о  том, что было время - так  называемый большой взрыв, когда  Вселенная была бесконечно малой  и бесконечно плотной. При таких  условиях все законы науки  теряют смысл и не позволяют  предсказывать будущее. Если в  еще более ранние времена и  происходили какие-либо события,  они все равно никак не смогли  бы повлиять на то, что происходит  сейчас. Из-за отсутствия же наблюдаемых  следствий ими можно просто  пренебречь. Большой взрыв можно  считать началом отсчета времени  в том смысле, что более ранние  времена были бы просто не  определены. Подчеркнем, что такое  начало отсчета времени очень  сильно отличается от всего  того, что предлагалось до Хаббла. Начало времени в неизменяющейся  Вселенной есть нечто, что должно  определяться чем-то, существующим  вне Вселенной; для начала Вселенной  нет физической необходимости.  Сотворение Богом Вселенной можно  в своем представлении относить  к любому моменту времени в  прошлом. Если же Вселенная  расширяется, то могут существовать  физические причины для того, чтобы она имела начало. Можно  по-прежнему представлять себе, что  именно Бог создал Вселенную  - в момент большого взрыва  или даже позднее (но так,  как если бы произошел большой  взрыв). Однако было бы абсурдно  утверждать, что Вселенная возникла  раньше большого взрыва. Представление  о расширяющейся Вселенной не  исключает создателя, но налагает  ограничения на возможную дату  его трудов!  

         Поскольку уже существующих частных теорий вполне достаточно, чтобы делать точные предсказания во всех ситуациях, кроме самых экстремальных, поиск окончательной теории Вселенной не отвечает требованиям практической целесообразности. (Заметим, однако, что аналогичные возражения можно было бы выдвинуть против теории относительности и квантовой механики, а ведь именно эти теории произвели революцию в ядерной физике и в микроэлектронике!) Таким образом, открытие полной единой теории, может быть, не будет способствовать выживанию и даже никак не повлияет на течение нашей жизни. Но уже на заре цивилизации людям не нравились необъяснимые и не связанные между собой события, и они страстно желали понять тот порядок, который лежит в основе нашего мира. По сей день мы мечтаем узнать, почему мы здесь оказались и откуда взялись. Стремление человечества к знанию является для нас достаточным оправданием, чтобы продолжать поиск. А наша конечная цель - никак не меньше, чем полное описание Вселенной, в которой мы обитаем.

1.2. Расширяющаяся Вселенная

         Если в ясную безлунную ночь  посмотреть на небо, то, скорее  всего, самыми яркими объектами,  которые вы увидите, будут планеты  Венера, Марс, Юпитер и Сатурн. Кроме  того, вы увидите огромное количество  звезд, похожих на наше Солнце, но находящихся гораздо дальше  от нас. При вращении Земли  вокруг Солнца некоторые из  этих "неподвижных" звезд чуть-чуть  меняют свое положение относительно  друг друга, т. е. на самом  деле они вовсе не неподвижны! Дело в том, что они несколько  ближе к нам, чем другие. Поскольку  же Земля вращается вокруг  Солнца, близкие звезды видны  все время в разных точках  фона более удаленных звезд.  Благодаря этому можно непосредственно  измерить расстояние от нас  до этих звезд: чем они ближе,  тем сильнее заметно их перемещение.  Самая близкая звезда, называемая  Проксимой Центавра, находится от нас на расстоянии приблизительно четырех световых лет (т. е. свет от нее идет до Земли около четырех лет), или около 37 миллионов километров. Большинство звезд, видимых невооруженным глазом, удалены от нас на несколько сотен световых лет. Сравните это с расстоянием до нашего Солнца, составляющим всего восемь световых минут! Видимые звезды рассыпаны но всему ночному небу, но особенно густо в той полосе, которую мы называем Млечным Путем. Еще в 1750 г. некоторые астрономы высказывали мысль, что существование Млечного Пути объясняется тем, что большая часть видимых звезд образует одну дискообразную конфигурацию - пример того, что сейчас называется спиральной галактикой. Лишь через несколько десятилетий астроном Уильям Гершель подтвердил это предположение, выполнив колоссальную работу но составлению каталога положений огромного количества звезд и расстояний до них. Но даже после этого представление о спиральных галактиках было принято всеми лишь в начале нашего века.

          Современная картина Вселенной  возникла только в 1924 г., когда  американский астроном Эдвин  Хаббл показал, что наша Галактика  не единственная. На самом деле  существует много других галактик, разделенных огромными областями  пустого пространства. Для доказательства  Хабблу требовалось определить  расстояния до этих галактик, которые настолько велики, что,  в отличие от положений близких  звезд, видимые положения галактик  действительно не меняются. Поэтому  для измерения расстояний Хаббл  был вынужден прибегнуть к  косвенным методам. Видимая яркость  звезды зависит от двух факторов: от того, какое количество света  излучает звезда (се светимости), и от того, гдe она находится. Яркость близких звезд и расстояние до них мы можем измерить; следовательно, мы можем вычислить и их светимость. И наоборот, зная светимость звезд в других галактиках, мы могли бы вычислить расстояние до них, измерив их видимую яркость. Хаббл заметил, что светимость некоторых типов звезд всегда одна и та же, когда они находятся достаточно близко для того, чтобы можно было производить измерения. Следовательно, рассуждал Хаббл, если такие звезды обнаружатся в другой галактике, то, предположив у них такую же светимость, мы сумеем вычислить расстояние до этой галактики. Если подобные расчеты для нескольких звезд одной и той же галактики дадут один и тот же результат, то полученную оценку расстояния можно считать надежной.

          Таким путем Хаббл рассчитал  расстояния до девяти разных  галактик. Теперь известно, что наша  Галактика - одна из нескольких  сотен тысяч миллионов галактик, которые можно наблюдать в  современные телескопы, а каждая  из этих галактик в свою  очередь содержит сотни тысяч  миллионов звезд. На рис. 3.1 показано, какой увидел бы нашу Галактику наблюдатель, живущий в какой-нибудь другой галактике. Наша Галактика имеет около ста тысяч световых лет в поперечнике. Она медленно вращается, а звезды в ее спиральных рукавах каждые несколько сотен миллионов лет делают примерно один оборот вокруг ее центра. Наше Солнце представляет собой обычную желтую звезду средней величины, расположенную на внутренней стороне одного из спиральных рукавов. Какой же огромный путь мы прошли от Аристотеля и Птолемея, когда Земля считалась центром Вселенной!

  в  ее атмосфере. 

          В 20-х годах, когда астрономы  начали исследование спектров  звезд других галактик, обнаружилось  нечто еще более странное: в  нашей собственной Галактике  оказались те же самые характерные  наборы отсутствующих цветов, что  и у звезд, но все они были  сдвинуты на одну и ту же  величину к красному концу  спектра. Чтобы понять смысл  сказанного, следует сначала разобраться  с эффектом Доплера. Как мы  уже знаем, видимый свет - это  колебания, или волны электромагнитного  поля. Частота (число волн в  одну секунду) световых колебаний  чрезвычайно высока - от четырехсот  до семисот миллионов волн  в секунду. Человеческий глаз воспринимает свет разных частот как разные цвета, причем самые низкие частоты соответствуют красному концу спектра, а самые высокие - фиолетовому. Представим себе источник света, расположенный на фиксированном расстоянии от нас (например, звезду), излучающий с постоянной частотой световые волны. Очевидно, что частота приходящих волн будет такой же, как та, с которой они излучаются (пусть гравитационное поле галактики невелико и его влияние несущественно). Предположим теперь, что источник начинает двигаться в нашу сторону. При испускании следующей волны источник окажется ближе к нам, а потому время, за которое гребень этой волны до нас дойдет, будет меньше, чем в случае неподвижной звезды. Стало быть, время между гребнями двух пришедших волн будет меньше, а число волн, принимаемых нами за одну секунду (т. е. частота), будет больше, чем когда звезда была неподвижна. При удалении же источника частота приходящих волн будет меньше. Это означает, что спектры удаляющихся звезд будут сдвинуты к красному концу (красное смещение), а спектры приближающихся звезд должны испытывать фиолетовое смещение. Такое соотношение между скоростью и частотой называется эффектом Доплера, и этот эффект обычен даже в нашей повседневной жизни. Прислушайтесь к тому, как идет по шоссе машина: когда она приближается, звук двигателя выше (т. е. выше частота испускаемых им звуковых волн), а когда, проехав мимо, машина начинает удаляться, звук становится ниже. Световые волны и радиоволны ведут себя аналогичным образом. Эффектом Доплера пользуется полиция, определяя издалека скорость движения автомашин по частоте радиосигналов, отражающихся от них. Доказав, что существуют другие галактики, Хаббл все последующие годы посвятил составлению каталогов расстояний до этих галактик и наблюдению их спектров. В то время большинство ученых считали, что движение галактик происходит случайным образом и поэтому спектров, смещенных в красную сторону, должно наблюдаться столько же, сколько и смещенных в фиолетовую. Каково же было удивление, когда у большей части галактик обнаружилось красное смещение спектров, т. е. оказалось, что почти все галактики удаляются от нас! Еще более удивительным было открытие, опубликованное Хабблом в 1929 г.: Хаббл обнаружил, что даже величина красного смещения не случайна, а прямо пропорциональна расстоянию от нас до галактики. Иными словами, чем дальше находится галактика, тем быстрее она удаляется! А это означало, что Вселенная не может быть статической, как думали раньше, что на самом деле она непрерывно расширяется и расстояния между галактиками все время растут.

          Открытие расширяющейся Вселенной  было одним из великих интеллектуальных  переворотов двадцатого века. Задним  числом мы можем лишь удивляться  тому, что эта идея не пришла  никому в голову раньше. Ньютон  и другие ученые должны были  бы сообразить, что статическая  Вселенная вскоре обязательно начала бы сжиматься под действием гравитации. Но предположим, что Вселенная, наоборот, расширяется. Если бы расширение происходило достаточно медленно, то под действием гравитационной силы оно в конце концов прекратилось бы и перешло в сжатие. Однако если бы скорость расширения превышала некоторое критическое значение, то гравитационного взаимодействия не хватило бы, чтобы остановить расширение, и оно продолжалось бы вечно. Все это немного напоминает ситуацию, возникающую, когда с поверхности Земли запускают вверх ракету. Если скорость ракеты не очень велика, то из-за гравитации она в конце концов остановится и начнет падать обратно. Если же скорость ракеты больше некоторой критической (около одиннадцати километров в секунду), то гравитационная сила не сможет ее вернуть, и ракета будет вечно продолжать свое движение от Земли. Расширение Вселенной могло быть предсказано на основе ньютоновской теории тяготения в XIX, XVIII и даже в конце XVII века. Однако вера в статическую Вселенную была столь велика, что жила в умах еще в начале нашего века. Даже Эйнштейн, разрабатывая в 1915 г. общую теорию относительности, был уверен в статичности Вселенной. Чтобы не вступать в противоречие со статичностью, Эйнштейн модифицировал свою теорию, введя в уравнения так называемую космологическую постоянную. Он ввел новую "антигравитационную" силу, которая в отличие от других сил не порождалась каким-либо источником, а была заложена в саму структуру пространства-времени. Эйнштейн утверждал, что пространство-время само по себе всегда расширяется и этим расширением точно уравновешивается притяжение всей остальной материи во Вселенной, так что в результате Вселенная оказывается статической. По-видимому, лишь один человек полностью поверил в общую теорию относительности: пока Эйнштейн и другие физики думали над тем, как обойти не статичность Вселенной, предсказываемую этой теорией, русский физик и математик А. А. Фридман, наоборот, занялся ее объяснением.

          Фридман сделал два очень простых  исходных предположения: во-первых, Вселенная выглядит одинаково,  в каком бы направлении мы  ее ни наблюдали, и во-вторых, это утверждение должно оставаться справедливым и в том случае, если бы мы производили наблюдения из какого-нибудь другого места. Не прибегая ни к каким другим предположениям, Фридман показал, что Вселенная не должна быть статической. В 1922 г., за несколько лет до открытия Хаббла, Фридман в точности предсказал его результат!

          Предположение об одинаковости  Вселенной во всех направлениях  на самом деле, конечно, не выполняется.  Как мы, например, уже знаем, другие  звезды в нашей Галактике образуют  четко выделяющуюся светлую полосу, которая идет пo всему небу ночью - Млечный Путь. Нo если говорить о далеких галактиках, то их число во всех направлениях примерно одинаково. Следовательно, Вселенная действительно "примерно" одинакова во всех направлениях - при наблюдении в масштабе, большом по сравнению с расстоянием между галактиками, когда отбрасываются мелкомасштабные различия.

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

          Сам Фридман рассматривал только  одну модель, но можно указать  три разные модели, для которых  выполняются оба фундаментальных  предположения Фридмана. В модели  первого типа (открытой самим  Фридманом) Вселенная расширяется  достаточно медленно для того, чтобы в силу гравитационного  притяжения между различными  галактиками расширение Вселенной  замедлялось и в конце концов прекращалось. После этого галактики начинают приближаться друг к другу, и Вселенная начинает сжиматься. На рис. 3.2 показано, как меняется со временем расстояние между двумя соседними галактиками. Оно возрастает от нуля до некоего максимума, а потом опять падает до нуля. В модели второго типа расширение Вселенной происходит так быстро, что гравитационное притяжение хоть и замедляет расширение, не может его остановить. На рис. 3.3 показано, как изменяется в этой модели расстояние между галактиками. Кривая выходит из нуля, а в конце концов галактики удаляются друг от друга с постоянной скоростыо. Есть, наконец, и модель третьего типа, в которой скорость расширения Вселенной только-только достаточна для того, чтобы избежать сжатия до нуля (коллапса). В этом случае расстояние между галактиками тоже сначала равно нулю (рис. 3.4), а потом все время возрастает. Правда, галактики "разбегаются" все с меньшей и меньшей скоростью, но она никогда не падает до нуля.