Что меня действительно глубоко интсресуе., так это — мог лн Бог создать мир иным?

А Эйнштейн

Природа материального мира, его важнейшие свойства в значитель­ной мере определяются фундаментальными физическими посто­янными. К ним прежде всего относятся: массы важнейших элемен­тарных частиц протона, нейтрона и электрона: т„, те, заряд электрона е и фундаментальные физические консганты: постоян­ная тяготения G, постоянная Планка H (или H = H/2N), скорость света с, постоянная слабого взаимодействия Gw. Значения этих кон­стант зависят от выбранной системы единиц измерения. Наряду с ними используются безразмерные константы четырех физических взаимодействий:

Гравитационного

Слабого

Электромагнитного

Сильного

Значения констант получены из эксперимента. Но почему они именно такие?

В романе «Черное облако» известный английский астрофизик Ф. Хойп описал сообщество высокоразвитых Космических Разумов, которые познали все законы природы. Единственная проблема, которую им остается решить — кто задает фундаментальные посто­янные? Но как только кто-либо из членов сообщества приближает­ся к разгадке этой тайны — он бесследно исчезает. Современные
космологи также отважились взяться за эту проблему. Прежде всего им необходимо было ответить, почему константы имеют те самые значения, которые известны нам из опыта. Подход, который ис­пользовался при решении этой проблемы, вполне соответствовал обычной процедуре, принятой в физике: если нас интересуют зна­чения каких-то параметров, попробуем проварьировать эти значе­ния и посмотрим, как изменятся при этом условия в изучаемой си­стеме. Этот естественный и вполне разумный подход, применитель­но к фундаментальным константам, привел к совершенно неожиданным результатам.

Ну казалось бы, что может произойти, если мы немного изме­ним массу электрона? Соответственнс изменится размер атомов, а значит, и размер окружающих нас тел. Но если изменения массы электрона неьелики, то и размер тел должен измениться незначи­тельно. Во’ вроде и все! Или, что будет, если изменить значение пос тоянной тяготения G? Очевидно, для двух данных тел изменит­ся сила тяготения между ними. От величины тяготения зависит эво­люция Вселенной и эволюция отдельных небесных тел. Значит, из­менятся и эти тела, изменятся, в частности, их размеры. Но опять — таки, кажется, что если изменения постоянной тяготения будут невелики, то и свойства тел изменятся немного. Никаких глубоких качественных изменений во Вселенной при незначительной вариа­ции констант вроде бы не должно произойти. Оказалось, что по­добное заключение совершенно неверно. Незначительные вариа ции физических констант на самом деле ведут не к малым измене­ниям свойств небесных тел, а к радикальным качественным изменениям свойств Вселенной в целом. Причем эти изменения та­ковы, что они исключают возможность существования жизни во Все­ленной. Рассмотрим несколько примерев.

Начнем с «соотношения больших чисел», которое связывает констан­ты макро и микромира. Однс из соотношений такого рода связывает постоянную Хаббла Ни с атомными константами. Обратная величина постоянной Хаббла 1///,, имеет размерность времени, по порядку вели­чины она равна 1018 с. Рассмотрим комбинацию атомных констант, име­ющих ту же размерность: Ft /а^т .с2 . Подставляя значение констаит, можно убе. 1иться, что эта комбинация по порядку величины также равна 1018с. Таким образом, имеем:

(3-1)

"п О. тс1 v ‘

В этом выражении слепа стоит обратная величина постоянной Хаббла, которая характеризует свойства Вселенной в целом; справа — комбина­ция атомных констант. Конечно, это равенство приближенное, оно удов­летворяется только ио порядку величины. И все же даже такое прибли­женное совпадение, учитывая совершенно различный характер входящих в пего констант, — удивительно. Возникает вопрос: что это, чисто слу­чайное совпадение, или его можно предсказать теоретически? Оказывает­ся, для обитаемой Вселенной оно на самом деле должно иметь место.

Действительно, величина 1 /Н0 — это, так называемое, хаббловское время /„, которое определяет современный возраст Вселенной. А величина, стоящая справа в выражении (3.1), как следует из теории внутреннего стро­ения звезд, определяет время /, жизни звезды па главной последовательно­сти[117]. Значит, выражение (3.1) сводится к равенству: tH ~ ts. В обитаемой Вселенной такое соотношение с необходимостью должно выполняться. Дей­ствительно, если /н < T„ то к моменту Tu (современный возраст Вселенной) в недрах звезд не успеют образоваться тяжелые элементы, необходимые для жизни. Если же /н > F то к этому моменту все ядерное горючее уже выго­рит, ядерные реакции в недрах звезд прекратятся, и они перестанут постав — ляп, энергию, необходимую для жизни. Следовательно, условие — г5, а значит, и соотаошение (3.1) является необходимым для жизни.

Итак, это соотношение (как и выше рассмотренное соотношение р = рк|,) связано с современным возрастом Вселенной. Оно накладывает опреде­ленное ограничение на положение человека (наблюдателя) во временной шкале: человек, познающий Вселенную, можег появиться лишь тогда, ког­да созревают необходимые условия, и он существует во Вселенной до тех пор, пока условия в ней допускают его существование. Если изменить зна­чения атомных констант, соотношение (3.1) выполняться не будет и суще­ствование человека в современный момент станет невозможным.

Значения фундаментальных констант накладывает ограничение не только на положение человека во временной шкале, но и на свойства самой Вселенной.

Рассмотрим постоянную тяготения. Если изменить ее значение, это приведет к изменению внутреннего строения звезд. В § 2.1 мы видели, что значительные по толщине слои Солнца, расположенные непосред­ственно иод его поверхностью, охвачены конвективным перемешивани­ем. Подобные конвективные зоны имеются и у других звезд главной по­следовательности с массой близкой к массе Солнца. Более массивные звезды не имеют конвективной зоны. Согласно существующим гипоте­зам образования звезд и планетных систем, последние возникают только у звезд, имеющих конвективную зону. Если несколько увеличить посто­янную тяготения, то тогда все звезды главной последовательности пред­ставляли бы собой горячие голубые гиганты, не имеющие конвективной зоны, и следовательно, у них не могли бы возникнуть планетные систе­мы. Более сильное гравитационное взаимодействие несовместимо с су­ществованием планет, а значит, и с существованием человека. Надо при­знать, что этот вывод основан на некоторых гипотезах, справедливость которых может быть подвергнута сомнению.

Более определенное заключение вытекает из рассмотрения константы сильного взаимодействия. Если бы она была меньше наблюдаемого значе­ния, то ядерные силы оказались бы недостаточными для того, чтобы удер­жать нуклоны в составе атомного ядра. В таком мире ие могли бы суще­ствовать никакие химические элементы, кроме водорода В нем отсут­ствовала бы химическая форма движения материи и не могла бы существовать жизнь известного нам типа.

Обратимся теперь к массам элементарных частиц. Масса электрона, выраженная в энергетических единицах, составляет 0,5 МэВ Масса про­тона и нейтрона порядка 103 М.~В. При этом масса нейтрона па 1,3 МэВ больше массы протона. Эта разница масс Am на 0,8 М.»В превышает мас­су электрона или. иными словами, сумма масс покоя электрона и про­тона на 0,8 М >В меньше массы нейтрона Это очень важное обс тоятель­ство, оно объясняет, почему электрон в атоме водорода пе вступает во взаимодействие с протоном, образуя нейтрон р + ё —> л + V. Для подобной реакции не хватает энергии Ведь необходимо, чтобы суммарная Nicpi ия протона и электрона равнялась суммарной энергии образующихся пейтро на и нейтрино. На ускоритетях, ко*да )лектроп и протон сталкиваются с большими скоростями, эта реакция протекает весьма эффективно. Но в обычных условиях, в атоме во’юрода, поскольку суммарная масса покоя протона и электрона меньше массы нейтрона (не говоря уже об энергии вмделяющс) ося нейтрино), эта реакция идти ие может. Если бы масса электрона была, например, втрое больше, составляя 1,5 МэВ, то реакция могла бь1 идти В этом случае атом водорода пе мог бы существо! ать, он разрушился бы примерно через 30 часов после образования То же самое будет иметь место, если, не меняя массу электрона, изменить массу прото­на или пей фона так, чтобы рамость их — мае.. Am уменьшилась на 0,8 M.JB. Поскольку масса протона и иейхрона порядка 103 Мэ!$, то достаточно ничтожного изменения масс этих частиц, па величину — 0,1 %, для того чтобы реакция стала возможной. Таким обра юм, если изменение посто­янной сильного взаимодействия, как мы видели выше, приводит к тому, что во Вселенной не могут существовать никакие химические элементы, кроме водорода, то при незначительных изменениях массы протопа и ней фона во Вселенной не может существовать и водород А следовательно, и все остальные химические элементы, ибо все они обра |уюгся из водород? Конечно, в такой Вселенной пе могла бы существовать и жизнь.

Итак, /ця существования атома водорода необходимо выполнение ус­ловия Am > п. Если бы нам пришлось конструировать Вселенную, мы должны были бы считаться с этим условием Казалось бы, удовлетворить ему не очень сложно — надо выбрать массу протона и нейтрона так, чтобы их разность (Ai#I=« — тр) была больше массы электрона п*г. Но, с крутой стороны, нельзя допустить, чгобы величина Am была слишком большой, ибо в этом случае мы столкнемся с проблемой дейтерия

Ядро дейтерия (тяжелого водорода) состоит из протопа и нейтрона, которые удерживаются ядерными силами. Энергия связи частиц в ядре дейтерия составляет есп=2,2 МэВ. Ядерные силы препятствуют распаду нейтрона и делают ядро дейтерия стабильным. В свободном состоянии нейтрон легко распадается на протон и электрон с испусканием анти­нейтрино: Ri—)P+E +v. Разность масс нейтрона и протона идет на образо­вание электрона, а оставшаяся масса превращается в энергию Е движе­ния образующихся частиц: Е = Am — те = 0,8 МэВ. Поскольку внутри ядра дейтерия энергия связи превышает энергию движения образующих­ся частиц, то нейтрон не может расласться, и ядро останется стабиль­ным Условие стабильности ядра:

Ecn > Е — ДТ — те, или Am < Ecn + тс.

Если это условие нарушается, то дейтерий не может существовать. Су­щественно ли это для жизни? Хотя дейтерий — очень редкий элемент, его полное отсутствие имело бы катастрофические последствия для Вселен­ной Действительно, образование ядра дейтерия (дейтона) является пер­вым звеном в цепочке ядерных реакций, ведущих от водорода к более тяжелым элементам. Если бы не было дейтерия, не было бы и этих эле — ментог Мы снова пришли к безжизненной чисто водородной Вселенной.

Два последних примера иллюстрируют еще одно важное обстоя­тельство: исключительно «гонкую настройку Вселенной» для жизни. Действительно, для существования водорода необходимо, чтобы вы­полнялось условие Am > тп для стабильности дейтерия необходимо условие Am <eCD + те. Для того чтобы во Вселенной могла существо­вать жизнь, надо, чтобы выполнялись оба эти условия одновремен­но, т. е. Am должно бьггь заключено в очень узких пределах:

Те < Am < eCD + те

Или

0,5 МэВ < Am < 2,7 МэВ.

Разность масс протона и нейтрона удовлет воряет приведенному условию. Но насколько «узки» эти ворота? Протон и нейтрон — две частицы с очень близкими свойствами, они отличаются лишь зарядом и небольшой разностью масс. Существуют и другие семей — ст ва похожих между собой частиц, они получили название изото­пических мультиплетов. Так вот, если взять разность масс Am для частиц, входящих в изотопические мультиплеты, то для всех семейств она существенно больше, чем для протона и нейтрона и, что весьма существенно, больше предельного значения 2,7 МэВ. На это обра­тил внимание И. Л. Розенталь. Для протона и нейтрона величина Am минимальна, это своего рода флуктуация в распределении Am пдя различных мультиплетов. Любопытно, что в Природе осуще­ствилась эта редкая флуктуация! Но если бы этого не произошло, жизнь во Вселенной была бы невозможна.

Еще более впеча тляющий пример связан с массой электрона. Если мы возьмем массы всех элементарных частиц, то окажется, что боль­шинство частиц имеет массу чуть больше массы протона. Имеется некоторое количество частиц с массами в 10 раз больше и в 10 раз меньше массы протона. Электрон — самая легкая из заряженных элементарных частиц, он почти в 2000 раз легче протона. Ближай­шая к электрону по массе частица мюон имеет массу в 200 раз боль ше электрона. Значит, электрон не просто наилегчайшая часгиц, он Существенно легче всех остальных частиц. Это очень редкая флук туация! И опять-таки если бы эта флуктуация не реализовалась в Природе, то нарушилось бы необходимое условие жизни: тс < Am. И. Л. Розенталь приводит и другие примеры[118].

Основной вывод, который следует из этого анализа, состоит в следующем: во Вселенной реализовался очень редкий набор фунда­ментальных констант, представляющий собой редкую флуктуацию их возможных значений. Причем структура Вселенной оказалась крайне чувствительна к числовым значениям этих постоянных: она сохраняется только в очень узких пределах их изменения. Доста­точно значению каких-либо из постоянных выйти за эти пределы, как структура Вселенной претерпевает радикальные изменения, в ней становится невозможным существование одного или несколь ких основных структурных элементов — атомных ядер, самих ато­мов, планет, звезд или галакт ик. Во всех этих случаях во Вселенной не может существовать и жизнь. Это означает, что в любой обитае­мой вселенной (мыслимой или реально существующей) фундамен­тальные физические констант ы не могут иметь иные значения, кро­ме тех, которые известны нам из опыта. Развитие этих идей приве­ло к формулировке космологического антропного принципа.

На первый взгляд кажется, что Вселенная должна быть совершенно безразлична к нашему сущест вованию. Ну какое ей дело до того, что на одной из ее бесчисленных «песчинок» обитает мыслящее суще­ство — человек, пытающийся позна ть се законы? Конечно, раз уж он существует, то условия во Вселенной должны допускам ь ei о существо­вание Но для человека, как мы уже подчеркивали в предыдущем па­раграфе, важны не просто допустимые условия, а условия, нсобходгг мые для его возникновения и его жизни. Связаны ли эти условия с существенными чертами Вселенной (как это имеет место для обитае­мой планеты) или они определяются какими-то второстепенными параметрами, совершенно несущественными для Вселенной в целом’ Кажется, что скорее должно иметь место последнее.

Вновь представим себе пашу оранжерею Предположим, что она рас­положена на острове 230 .тыс. км2. На севере и западе острова преобла­дает горный рельеф, на юго-востоке Paenojiai аются низменные равнины. Довольно густая сеть рек, много озер. Климат умеренный, океаничес­кий, влажный. Средняя температура января от 3 до 7 °С, июля 11-17 °С (читатель узнал, конечно, Великобританию, но это просто пример). Очевидно, условия на острове не препятствуют жизни растений в оран жерее. Но они не являются необходимыми для их жизни Площадь ост­рова может быть больше или меньше, горы могут быть пе на севере, а па юге или их, вообще, может не быть Климат может быть более суровым или более мягким. Внешний мир может быть устроен совершенно иначе, н все это никак Lie скажется па жизни растений. Ьсли бы они могли мыслить и задались бы, подобно нам, вопросом — в какой мере условия в их Мире связаны с их существованием, то вынуждены были бы при­знать, что главные, существенные черты их Мира никак ие связаны с фактом их существования Кажется, что такое же заключение должны сделать и мы с вами по отношению к нашей Вселенной.

"’1 Маркс Г. Цт работа, с 80.

Действительность, однако, оказалась иной. В 1958 г. советский астрофизик Г. М. Идлис, анализируя условия во Вселенной, поста­вил следующий вопрос: «почему наблюдаемая нами чаегь Вселенной представляет собой расширяюн^юся систему галактик, состоящих из звезд с обращающимися вокруг них планетами, на одной из которых обитаем мы? Нельзя ли решить этот вопрос исходя из самого фткта нашего существования?»[113]. На основе проведенного анализа он при­шел к выводу, что основные черты наблюдаемой нами астрономичес­кой Вселенной являются характерными для обитаемой Космической Системы, поскольку они (довольно неожиданный вывод!), оказыва­ется, необходимы для жизни. Иными словами, Космическая Система может стать обитаемой лишь в том случае, если она включает в себя планеты, обращающиеся вокруг звезд, состлвляющих звездные систе­мы с параметрами, соответствующими параметрам типичных галак­тик. Причем эти звездные системы («галактики») должны входить в расширяющуюся систему более высокого ранга («метагалактику»), свойства которой, подобно нашей Метагалактике, описываются ре­лятивистскими космологическими моделями. То есть обитаемая Кос­мическая Система должна обладать структурными и динамическими свойствам] [, присущими нашей Метагалактике.

Это обстоятельство позволяет понять, почему наш мир таков, как он есть, почему наблюдаемая Вселенная обладает отмеченными выше свойствами. Согласно Г" М. Идлису, это объясняется тем, что мы наблюдаем заведомо не произвольную область (вообще говоря, бесконечной) Вселенной, а ту. в которой существует познающий эту Вселенную человек (наблюдатель) и в которой, следовательно, реа­лизовались условия, необходимые для сто жизни. А. Л. Зельманов сформулировал это положение в виде следующего афоризма: «Мы являемся свидетелями процессов определенного типа потому, что процессы другого типа протекают без свидетелей»[114]. В этой связи он указывал, например, на красное смещение как один из факто­ров, благоприятствующих возникновению и развитию жизни; в то время как смена расширения сжатием со временем привела бьг к таким условиям, которые сделали бы жизнь невозможной.

Дальнейшее развитие этих идей позволило установить еще более глубокую связь между фундаментальными свойствами Вселенной в целом и наличием в ней жизни (и человека). Необходимость такой связи ясно осознавал еще К Э. Циолковский. «Тот космос, который мы знаем, — писал он, — не может быть иным», поскольку челове­ческое существование не случайно, а имманентно космосу[115]. В рабо тах Идлиса и Зельманова эта идея была наполнена конкретным аст­рономическим содержанием. Речь шла о наблюдаемых астрономи ческих свойствах Вселенной, и обнаруженная связь относилась к наблюдаемой области Вселенной. В дальнейшем эта связь была рас­пространена как на наблюдаемые, так и на теоретические свойства Вселенной в целом, а не только ее наблюдаемой части. И (что осо­бенно важно!), оказалось, — не только астрономические свойства Вселенной, но и фундаментальные физические параметры мате риального мира тесно связаны с наличием во Вселенной жизни и человека.

Рассмотрим вначале астрономические свойства Вселенной. Одним из важнейших астрономических свойств является средняя плотность вещества во Вселенной. Как мы видели в предыдущей главе, средняя плотность близка к критической, и это находит объяснение в рамках инфляционной модели Вселенной. Любопытно однако то, что в оби­таемой вселенной и не могло быть иначе. Действительно, если сред няя плотность вещества много меньше критической, го тормозящее действие гравитации мало •— Вселенная расширяется очень быстро, и при такой скорости в ней не могут сформироваться гравитационно связанные системы — галактики, звезды, планеты, которые необхо­димы для возникновения жизни. С другой стороны, если средняя плотность много больше критической, то тормозящее действие гра­витации очень велико, расширение быстро сменяется сжатием, и вре мя жизни т акой Вселенной (длительность цикла расширения-сжат ия; оказывается слишком мало, много меньше, чем требуется для возник­новения жизни и тем более эволюции ее до стадии человека. Таким образом, в обитаемой Вселенной средняя плотность вещества дсшж на быть близка к критической. Тогда скорость расширения будет не столь велика, и во Вселенной смогут сформироваться звезды и пла негы. В то же время длительность стадии расширения будет достаточ­на для возникновения и эволюции жизни.

С критической плотностью связана изот ропия Вселенной — важ­нейшее свойство, которое постулировалось в модели Фридмана и которое получило экспериментальное подтверждение в наблюдае­мой изотропии реликтового излучения. Возникает, однако, вопрос: как объяснить это свойство Вселенной? Можно ли, не постулируя, вывести это свойство теоретически? С. Хокинг показал, что наблю даемую изотропию можно объяснить в том случае, если плотность вещества с большой точностью совпадает с критической. Но гак как это условие связано с существованием жизни во Вселенной, то и изотропия также оказывается связана с жизнью. То есть обитаемая Вселенная с необходимост ью должна быт ь изотропной

Перейдем теперь к такой фундаментальной характеристике Все­ленной, как размерность физическою пространства. Почему фи­зическое пространство трехмерно’ Прежде всего человек сам трех­мерное существо, поэтому он не может сущсствовать в пространстве одною или двух измерений. Предположим, существуют какие-то одномерные или двумерные миры. Мы могли бы мысленно изу­чать их свойства, но жить в этих мирах, наблюдать их изнутри мы не можем. Возможно, какие то экзотические (с нашей точки зре­ния) одномерные и двумерные существа могут обитать в этих ми­рах. Но человек обитать в них не может. Наша Вселенная не может быть ни одномерной, пи двумерной. Но ос тается еще Mtioi D других возможностей. Ведь пространство могло бы иметь больше трех из­мерений. Почему же тогда физическое пространство трехмерно, а например, не пятимерно? Чтобы ответить на этот вопрос, посмот­рим, как видоизменяются физические законы с изменением раз­мерности прост ранствл.

В нашем трехмерном. мире сила взаимодействия двух электрических зарядов убывает обратно пропорционально квадрату расстояния между ними (закон Кулона). То же самое относится к силе взаимодействия двух тяготеющих масс (закон всемирного тяготения) Выражение для силы можно записать в виде F, = /л/г; /_>, — коэффициент пропорциональнос­ти, зависящий от произведения взаимодействующих зарядов (или масс), а индекс 3 указывает па то, что формула относится к трехмерному про странсгву. Как связан закон обратных квадратов с размерностью про стране гва’ Напряженность поля, или енла, действующая па пробный за­ряд в данной точке, на расстоянии г от заряда, создающею поле, опреде­ляется плотностью силовых лнннй, т е. числом линий, проходящих через единицу поверхности в точке наблюдения, Очевидно, что эта величина Равна полному потоку силовых линий, исходящему из заряда, деленному на поверхность сферы радиуса г. Идя трехмерного евклидова простран­ства площадь сферы равна 4NR~, поэтому сила пропорциональна г-2. В пространстве N измерений площадь сферы пропорциональна RN~X. Следо­вательно, сила будет пропорциональна 1/ RN~[: FN = BN/RN‘1.

Анализ движения тел под действием такой силы был выполнен П. Эренфесгом в 1917 г. Он показал, что при N> 4 в задаче двух тел не существуют замкнутые устойчивые орбиты’73. Если мы рассмот­рим, например, планету и Солнце в 4 мерном пространстве (а также в пространстве бо шшего числа измерений), то планета в таком про­странстве не будет вращаться вокру1 Солнца по устойчивой круговой (или эллиптической) орбите она либо упадет на Солнце, либо уйдет в бесконечность Значит, в таких мирах не существует аналогов пла­нетных систем и атомов[116]. А следовательно, в них не может суще­ствовать жизнь, построенная па молекулярном уровне. Какие-то ги­потетические «полевые» формы жизни могли бы существовать в та­ком мире, но человек «из плоти и крови», человек в его физическом теле, сос оящем из сложных органических молекул, не может суще­ствовать в пространстве более чем трех измерений. Казалось бы, увс личение размерности пространства должно от крыть новые возмож­ности для построения все более сложных структурных образований атомной природы. Но выяснилось, что это не так.

С другой стороны, при N-1,2 сила взаимодействия падает с расстоянием слишком медленно Поэтому какую бы скорость ни придать заряду, он не сможет уйти из поля притяжения центрально­го тела, он как бы находится в глубокой ^бесконечно глубокой) потенциальной яме, и чтобы извлечь его оттуда, надо затратить бес­конечно большую энергию. Следовательно, в таком пространстве не существовало бьт свободного движения тяготеющих масс, и в его («одномерных» или «двумерных») атомах не могли бьт происхо­дить процессы ионизации. В таком мире не существовали бы про­цессы возникновения и распада, процессьт обмена, характерные для жизни. Только в трехмерном мире возможно возникновение слож­ных молекулярных структур, обладающих способностью к обмену, изменчивости, эволюции.

Понятно теперь, почему мы живем в трехмерном мире: в другом мире мы просто не могли бы существовать. Это относится не толь­ко к человеку, но и к любому разумному существу с телом, представ­ляющим собой сложную структуру, построенную из атомов.

Следующий шаг в исследовании отношения «человек-Вселенная» связан с фундаментальными физическими константами.

Вероятно, можно сказать, что условия на Земле достаточно благо­приятны для появления человека. Однако термин «благоприятны» не очень точен. Когда мы анализируем условия в какой-то системе, с точки зрения возможности существования в ней жизни, нам при­ходится сталкиваться с тремя типами условий: допустимые, необхо­димые и достаточные. Между этими типами условий не всегда про — в< |дится четкая грань, что приводит к определенным недоразумени­ям. Чтобы избежать этого, поясним, в каком смысле в дальнейшем будут употребляться эти понятия.

Допустимыми условиями мы будем называть те условия, которые не препятствуют сущесгьованию жизни в данной системе. (Условия, которые препятствуют существованию жизни, исключают возмож­ность ее существования, будем называть запрещающими.) Очевидно, в обитаемой системе все условия являются допустимыми.

Определим теперь необходимые условия. Условие будем считать необходимым для жизни, если при наличии этого условия жизнь в данной системе может существовать, а при его отсутствии она стано­вится невозможной. (О тсутствие необходимого условия есть усло­вие запрещающее.) Всякое необходимое условие является допусти­мым, но не всякое допуст имое условие будет необходимым. Допус­тимые условия могут меняться, мы можем заменить одно допустимое условие другим — жизнь в системе при этом будет сохраняться. Но если мы выйдем за пределы необходимых условий — жизнь в систе­ме станет невозможной. Следовательно, необходимые условия яв­ляются предельно допустимыми.

Поясним это на примере. Рассмотрим оранжерею с растениями. Пу сть оптимальная температура для данного вида растений составляет 20 °С. Предположим далее, что растения нормально развиваются при тем­пературе от 10 °С до 30 °С и 1 ибнут при температуре ниже 0 °С и выше 50 °С. Установим в оранжерее температурный режим 20 °С ± 1 °С. Эти условия будут, конечно, допустимыми. Более того, они весьма благопри­ятны для развития растений. Но они не являются необходимыми. Мы можем изменить эти условия, немного расширив диапазон температур­ных изменений, — условия станут менее благоприятными, но вполне до­пустимыми. Меняя температурный режим, мы можем выйти за границ)’ благоприятных условий (10 °С 30 °С); условия станут неблагоприят­ными, но они еще будут допустимыми. Так будет до тех пор, пока мы не подойдем к предельным значениям 0 °С и 50 °С. Как только мы выйдем за эти пределы, жизнь растений станет невозможной и они погибнут. Условия 0 °С < Т < 50 °С являются необходимыми для данного вида рас­тений.

Мы рассмотрели условия, связанные с таким жизненно-важным па­раметром, как температура окружающей среды. Помимо этого, суще­ствует множество «нейтральных» параметров, которые никак не влияют иа жизнедеятельность организмов. Условия, связанные с этими парамет­рами, также являются допустимыми. Мы можем менять их сколько угод­но, и это никак не скажется на жизни в системе. В качестве примера возьмем ту же оранжерею. Одним из условий существования и нормаль­ного развития растений является наличие солнечного света. Для этого необходимо обеспечить прозрачное покрытие оранжереи. С этой целью можно использовать либо стекло, либо прозрачную пленку (с близкой характеристикой спектральной прозрачности). Реализация того или иного варианта приведет к изменению условий внутри оранжереи, но это, прак тически, не скажется на развитии растений. Поэтому оба вариант мож­но считать допустимыми Еще меньшее влияние оказывает материал кар­каса. его можно сделать из дерева или из металла, металлический каркас можно сделать сварной или закрепить на болтах — все это существенно не повлияет на условия в оранжерее. В любой системе существует мно жество таких параметров, несущественных для жизни, и соответствен­но, множество совершенно несущественных допустимых условий, кото­рые, конечно, не являются необходимыми для жизни.

Обычно существует целый комплекс необходимых условий. Если, по крайней мере, одно из них не выполняется, жизнь в данной си­стеме невозможна. Поэтому если выполняется только часть из пол­ного набора необходимых условий, то этого недостаточно для су­ществования жизни. Жизнь в системе может существовать в том и только в том случае, когда в ней реализуется весь набор необходи­мых условий. Этот набор образует комплекс необходимых и доста­точных условий. Ни одно условие в такой системе не является зап­рещающим, все условия —допустимые, хотя не все из них относят­ся к классу необходимых и достаточных условий.

После этих предварительных замечаний вернемся вновь к нашей Земле Напомним, что мы рассматриваем вопрос о месте человека во Вселенной. Человек есть продукт биологической эволюции. По своему генезису и условиям существования он тесно связан с расти — гельным и животным царством. Поэтому условия существования человека на Земле (а значит, и во Вселенной) определяются услови­ями существования жизни. Причем в оаннон случае речь вдет о совершенно определенном типе — водно-углеродной жизни, к ко­торой принадлежит человек. В последующих главах мы обсудим воз­можность существования иных форм жизни, но здесь, поскольку мы анализируем место человека во Вселенной, го, говоря о жизни, будем подразумевать (если не сделано специальных оговорок) именно тот тип жизни, к которому принадлежим мы сами.

Исходя из того, что было сказано выше, можно утверждать, что все условия на Земле являются допустимыми, хотя не все из них необходимы для жизни. (Например, наличие железных дорог не препятствует существованию жизни на Земле в целом, но это усло­вие не является, конечно, необходимым для жизни.) Какие же усло­вия на Земле необходимы для жизни, чтобы она могла нормально развиваться, эволюционировать и, в конце концов, привести к по­явлению высших форм жизни человека?

Прежде Bcei о необходим ноток солнечной энергии, поток тепла и света. Величина потока должна быть такой, чтобы обеспечить необходимый температурный режим на Земле Для этот планета должна обращаться на определенном расстоянии от Солнца, не слишком близко и не слишком далеко, в пределах так называемой «зоны жизни» (или экосферы) Для Солнечной системы экосфера простирается примерно от 0,7 а. е до 1,3 а. е. Далее, для жизни необходима атмосфера. Из атмосферы поступает углекислый таз, который является источником питания зеленых растений, и кисло­род, которым дышат живые ортанизмы Кроме того, атмосфера надежно защищает поверхность Земли от потока тубительных для жизни ультрафиолетовых лучей. Чтобы удержать достаточно мощ­ную атмосферу, масса планеты не должна быть слишком мала, веро­ятно, не меньше 0,4 массы Земли. С другой стороны, при слишком большой массе сохраняется неблагоприятная для жизни водород — но-гелиевая атмосфера, да и планета из-за большого ускорения силы тяжест и становится непригодной для человека Считается, что пре­дельная масса планеты, на которой может жить человек, составляет1 2,4 массы Земли (ускорение силы тяжести 1,5 р). Имеет значение также скорость вращения планеты, наклон оси к плоскост и орбиты и друг ие факторы Мы не будем останавливаться на этой проблеме. Она подробно обсуждалась рядом авторов[111]. Важно подчеркнуть, что условия, необходимые для жизни, связаны не с какими-то вто­ростепенными параметрами, а с главными свойствами, которые ха­рактеризуют планету как небесное тело

Можно поставить вопрос каким O6PajoM получи. юсо так, что на Земле реализовался комплекс необходимых и достаточных условий для возникновения жизни? Почему, например, на Земле имеют мес­то необходимые температурные условия’ Пытаясь ответить на после­дний вопрос, можно рассуждать таким образом (это рассуждение понадобится нам при анализе антропного принципа): в Солнечной системе имеется несколько планет; они расположены на различном расстоянии от Солнца, одна из них попадае. в пределы экосферы, на этой планете и создаются необходимые условия для возникновения жизни. Если бы Земля находилась вне экосЛсры, жизнь на ней была бы невозможна. С таким рассуждением можно со1ласиться, но тогда возникает следующий вопрос: в «зоне жизни», вообще говоря, мог­ли образоваться планеты разной массы, почему же получилось так, что планета, попавшая в «зону жизни», имеет как раз подходящую массу? Ответ на этот вопрос можег быть двоякий Можно предполо­жить, что имело место случайное совпадение благоприятных обсто ятельств, и даже вычислить вероятность такого совпадения. Так мно­гие и поступают. Но можно рассуждал иначе Мы пока плохо пред­ставляем себе процесс формирования планет Не исключено, что, в силу закономерностей этого процесса, на заданном расстоянии от Солнца (в пределах экосферы) формируются планеты с массой, удов­летворяющей условиям, необходимым для жизни. Ведь существует определенная зависимость между массой планеты и ее расстоянием от Солнцг.’66. Если это гак, то возникновение на Земле необходимых условий представляется вполне естественным и понятным. Однако по мере того, как мы более детально знакомимся с условиями на Зем ле, выявляются поразительные обстоятельства.

Рассмотрим, например, термические условия в земной атмосфе­ре. Тепловое состояние атмосферы определяется сочетанием трех основных факторов: поток солнечного излучения, отражательная способность (альбедо) Земли и пропускание земной атмосферы. При определенном сочетании этих факторов достшаегся терми­ческая стабильность атмосферы: усредненная по всей поверхности Земли среднегодовая температура атмосферы остается постоянной. Само по себе это не должно нас удивлять. В живой и неживой при­роде мы постоянно сталкиваемся с саморегулирующимися система­ми, в которых те или иные параметры поддерживаются в заданных пределах.

""’ Для планетных систем других звезд эта зависимость может не выполняться Обнаруженные п носиедпис тоды штнетные системы у цругих звезд обладают харак терне гиками, резко отличными от Солнечной системы. В связи с этим сейчас пере­сматриваются представ [синя о формиропанин планетных систем По видимому, су шествуют два разных процесса, которые привод»! к формированию двух разных ти­пов планетных систем.

В п. 2.1.3 мы видели, гак в недрах звезд главной последовательности осуществляется управляемый термоядерный синтез, благодаря чему звез­да в течение миллиардов лет остается стабильной; такие ее характерис­тики, как светимость, температура поверхности, рэциус остаются посто янными. Прекрасным примером саморегулирующейся системы является живая клетка. В системе рыночной экономики регулировка осуществля ется посредством закона стоимости и т. д. Принцип действия подобных систем понятен на примере работы домашнего холодильника: когда тем­пература в камере опускается ннже заданного предела, специальное уст­ройство отключает ток, и холодильная машина перестает работать; под действием более теплого наружного воздуха температура в камере начи­нает медленно подниматься, но как только она превышает заданный пре­дел, то же регулирующее устройство включает ток, и холодильная маши­на вновь начинает работать. В механике широко используются центро­бежные регуляторы для регулировки скорости вращения вала. Когда скорость вращения возрастает, шары регулятора расходятся и включают тормозное устройство, когда скорость падает до установленного уровня, шары отпадают, и тормозное устройство выключается Электронный эк­спонометр фотоаппарата определяет освещенность объекта и автомати­чески и устанавливает нужную диафрагму; в результате световой поток, падающий на фотоэмульсию, остается в заданных пределах, несмотря на изменение наружной освещенности Природа изобрела прибор, в кото­ром осуществляется подобная регулировка — это человеческий глаз. При увеличении освещенности зрачок глаза сокращается, при уменьшении расширяется. В результате световой поток, падающий на сетчатку, оста­ется в заданных пределах.

Во всех этих примерах (число которых можно было бы много­кратно умножить) саморегулирование осуществляется благодаря так называемой отрицательной обратной связи: изменение регулируе­мого параметра приводит к тому, что внутри системы включаются регулирующие механизмы, которые возвращают регулируемый па­раметр к прежнему значению, поддерживая стабильное состояние системы. Но все дело в том, что земная атмосфера не является сис­темой с отрицательной обратной связью. На это обращает внима­ние венгерский физик теоретик Г. Маркс[112]. Температура поверх­ности Земли, как уже отмечалось, определяется тремя факторами: потоком солнечной энергии, отражательной способностью (альбе­до) Земли и пропусканием земной атмосферы. Малейшее пониже­ние среднегодовой температуры ведет к увеличению снежного по­крова и, как следствие, к повышению альбедо. А это, в свою оче­редь, приводит к понижению температуры и т. д. Следовательно, раз начавшись, процесс похолодания будет нарастать. Аналогично, повышение температуры, согласно Марксу, приводит к увеличению содержания углекислого газа и водяного пара в атмосфере, а это ведет к увеличению парникового эффекта и, следовательно, к даль нейшему повышению температуры. Подобные системы называют­ся системами с положительной обратной связью. Равновесие их крайне неустойчиво, оно не может поддерживаться за счет внутрен­них регулирующих механизмов. Применительно к земной атмос­фере проблема, как подчеркивает Маркс, усугубляется тем, что все гри фактора, от которых зависит температура, меняются со време­нем и притом различным образом. Тем не менее на протяжении почти 4 миллиардов лет на Земле сохраняется постоянство темпе­ратуры с точностью до 10%. В условиях положительной обратной связи это требует очень эффективного механизма внешней регули­ровки.

Какой фактор может осуществить такую регулировку? Термичес­кий баланс в значительной мере определяется пропусканием зем­ной атмосферы, а пропускание зависит от ее химического состава. Следователг но, pei улируя химический состав в атмосфере, можно, в принципе, стабилизировать температуру. Но при этом состав ат­мосферы не может изменяться произвольно, ибо для поддержания жизни необходим определенный химический состав. В современ­ной атмосфере Земли химический баланс поддерживается очень точно. Маркс (со ссылкой на Дж. Лавлока) приводит следующий пример, связанный с содержанием кислорода в атмосфере и ее влаж­ностью. Современная концентрация кислорода составляет 21%. Если бы она была ниже 10%, то горение было бы невозможно, даже при использовании в качестве топлива сухой древесины. (Между тем, мы знаем, какое важное значение для человека имеют процессы горе­ния на Земле.) С другой стороны, если бы концентрация кислоро­да превысила 25%, то горели бы даже сырая грава и лес под дождем. При современной концентрации зеленая трава и лес не горят, если влажность превышает 15%. Вновь проблема состоит не столько в том, как установилось подобное сочетание парамефов (хотя и это очень важно), сколько в том — как оно поддерживается. Ведь кис­лород постоянно воспроизводится в земной атмосфере в процессе фотосинтеза и выводится из нее вследствие процессов горения, ды­хания, выветривания и т. д. В результате каждые 1000 лет атмос­ферный кислород полностью обновляется. Каким образом при этих условиях сохраняется его концентрация? Маркс замечает в связи с этим, что «термическая и химическая стабильность земной атмос­феры скорее похожа на чудо, чем на необходимость»,68.

В наших рассуждениях, говоря о положительной обратной свя зи, мы не принимали во внимание фактор жизни. По мысли Map I улиса и Лавлока, именно жизнь выполняет роль регулирующего механизма Она сама регулирует химический состав и температуру нижней атмосферы. Ибо рост организмов, с одной стороны, зави­сит от химического состава и температуры, а с другой стороны, влияет на химические процессы в окружающей среце с участием тех 1азов, которые необходимы для продолжения жизнедеятельности, в том числе с участием 1азов, регулирующих температуру Земли. Напри мер, потепление климата ведет к увеличению биомассы организ­мов, которые в процессе своей жизнедеятельности используют фо тосинтез. Благодаря этому количество углекислоты в атмосфере сокращается, что ведет к похолоданию. В результате восстанавлива­ется прежнее значение температуры и (благодаря уменьшению био­массы) прежнее количество углекислого газа. Таким образом, если не рассматривать атмосферу изолированно, а в соответствии с кон цепцией Э. Зюсса и В. И Вернадского, включить ее вместе с соот­ветствующими слоями гидросферы и литосферы, заполненными «живым веществом» в единую систему биосферы Земли, то в такой Системе будет действовать регулирующая отрицательная обратная связь. Лавлок и Маргулис назвали эту систему Геей, по имени древ — нетрсческой Бог ини Земли.

Гея включает в себя полную систему жизни на Земле, т. е. все орга­низмы, а также производимые и потребляемые ими газы, жидкости и твердые вещества. Лавлок рассматривает Гею, как гигантский жи вой организм, возникший в результате 4 млрд лет эволюции на Зем ле. Подобно любому живому организму, Гея стремится сохранить детальное равновесие, которое обеспечивает оптимальные условия для сохранения и воспроизведения жизни, т. е. для ее собственной жиз недеятельности. Все живые организмы на Земле, включая человека, являются част ью этой сложной живой системы. Гея обеспечивает нас пищей, воздухом для дыханич и создает благоприятный для нас кли­мат. Но каким образом мог возникнут ь этот Сверхорганизм? Маркс считает, что, поскольку Гея существует в единственном экземгишре, она не можег быть продуктом эволюции типа биологической, кою рая имеет дело не с отдельными организмами, а с их популяциями. «Поэтому, если она существус т на самом деле, — заключат! Маркс, —

",й Маркс Г. Ци г работа, с.

Она не может быть спон танно возникшим объектом, но вполне может быть разумным артефактом, перенесенным на Землю извне»’69. То есть говоря более определенно, мы можем допустить, что система Гея была спроектирована и осуществлена высокоразвитыми Внезем­ными Цивилизациями — Строи гелями Космоса. Ъсли это так, то человек занимает на Земле то место, которое отведено ему этим Про­ектом. А каково место человека во Вселенной?

Теперь, когда мы познакомились с тем, как устроена Вселенная, ес­тественно возникает вопрос какое место занимает человек в этом мире? Мельчайшая из известных нам материальных структур — нук­лон, элементарная частица, входящая в сосгав атомных ядер, имеет размер порядка 10 13 см. А размер человеческого тела порядка 102 см. Представим себе масштабную лестницу, каждая ступень ко­торой отличае гея по размеру от предыдущей в 10 раз (в логариф­мическом масштабе все ступени будут одинаковы). Если взять чело­века за центр отсчета, то увидим, чго 15 ступеней ведут от него в глубь микромира, до самых мельчайших частиц материи. Пройдя столько же ступеней в направлении увеличения масшт аба, мы дос­тигнем внешних границ Солнечной системы и приблизимся к бли­жайшим звездам. Следующие б ступеней приведут нас к границам Галактики. А чтобы достичь пределов наблюдаемой области Все­ленной, придется пройти еще 5 ступеней. Таким образом, на «мас­штабно-структурной лестнице» Вселенной человек не занимает сред­него положения: 15 ступеней ведут от него «вниз» — в глубины материи, и 26 ступеней ведут «вверх» — в просторы Вселенной Вследствие подобной «асимметрии» космические масштабы гораз до больше отличаются от масштаба привычных нам вещей, чем объекты микромира. Впрочем, если в качестве наименьшего масш­таба принять планковскую длину 10~33 см, то асимметрия масшта бов изменит знак[110].

Посмотрим теперь, в каких временных рамках разворачивае тся «Вселенская Драма». Как мы видели, с момента Большого взрыва прошло приблизительно 10 млрд лет. Примем этот промежуток времени за некоторый условный Космический Год Тогда в этой воеменной шкале 1 Месяц будет соответствовать 830 миллионам земных лет, Сутки — 28 млн лет, Час — 1,2 млн лет, Минута — 20 тысяч лет и Секунда — примерно 300 лет.

В течение первых 10 Минут нашего Космического Года во Все ленной завершился процесс образования первичного вещества — нейтрального водородно-гелиевого газа, из которого возникаю! все последующие структуры. В середине Января начинается процесс фор мировани" галакт ик. Наша Галактика образуется, вероятно, в начале Февраля. В течение нескольких Месяцев в Галактике протекает про­цесс формирования звезд первого и второго поколений, при вспыш­ках сверхновых межзвездная среда обогащается тяжелыми элемента­ми; из этой обогащенной среды возникают звезцы третьего поколе­ния, к которому принадлежит наше Солнце Образование Солнечной туманности начинается, вероятно, в конце Июня. К середине Июля заканчивает ся формирование Земли как самостоятельного космичес­кого тела. Почти сразу же, в конце Июля, на Земле возникают про­стейшие формы жизни, начинае тся процесс биологической эволю ции В первые месяцы после происхождения жизни атмосфера со­храняет еще первичный состав. В океане бурно разрастаются водоросли, в результате их жизнедеятельности формируется богатая кислородом вторичная атмосфера Земли. Этот процесс завершается к концу Октября. В Ноябре растения и животные выходят на сушу, жизнь начинает завое1 ывать континенты. В последней декаде ДскаЗ ря появляи пся млекопитающие. А 31 Декабря Космического Года на Земле появляется человек Вся известная нам (письменная) история человечества, на протяжении которой возникали, возвышались и гибли великие цивилизации, занимает последние полминуты Космическо­го Года. А современная техническая эра нашей цивилизации длится не более одной Космической Сею нды.

Аковы пространственно-временные рамки Теперь нам предсто­ит выяснить, насколько условия во Вселенной соответствуют появ­лению в ней человека. Начнем с Земли.

Космос бе" пределен и бьег, как огненная струя, раз­брасывающая свои искры на зарождение жизни ] о всем пространстве. Единая струя и многочисленны искры Един Космос и беспредельны формы.

«Беспредельность», 71

Завершая наш рассказ о Вселенной, полезно оценить пределы на­ших знаний и попытаться заглянуть «за завесу». Все известное нам многообразие физических явлений, объектов и процессов описы­вается с помощью основных (фундаментальных) физических тео­рий. В процессе развития науки неоднократно происходила смена представлс ний, отдельные физические теории оказывались ошибоч­ными и полностью отбрасывались. Но к фундаментальным теори­ям это не относится. Фундаментальные теории, составляющие ядро физической парадигмы, не отбрасываются в процессе развития — уточняется лишь область их применимости, а вне этой области дей­ствуют другие, более общие теории, имеющие более широкую об­ласть применимости. Благодаря этому в развитии науки имеет мес то преемственность. И хотя в процессе развития науки мы посто­янно сталкиваемся со сменой представлений, сменой физических картин мира, но это не означает, что происходит просто замена одного знания другим — происходит расширение знания, ибо ядро
старой парадигмы включается в новую парадигму, в новое знание (а все ошибочные представления и теории при этом отбрасываются

В настоящее время известны шесть основных физических тео­рий: ньютонова механика (НМ); ньютонова теория тяготения (НТТ); специальная теория относительности (СТО1′; общая теория относительности (ОТО), или эйнштейновская теория тяготения (ЭТТ); квантовая механика (КМ); рслят ивистская квантовая меха­ника (РКМ). В каком соотношении между собой они находятся5 При рассмотрении этого вопроса мы будем опираться на идеи Аб­рама Леонидовича Зельманова, изложенные в его работах158-|Г9. При этом предст шляется более удобным (конечно, это дело вкуса) изме­нить геометрический образ взаи­мосвязей и вместо «куба Зельмано­ва» представить совокупность фи­зических теорий в виде «пирамиды знания»1®0.

На рис. 2.3.1 изображена четы­рехгранная пирамида (тетраэдр). Каждое ребро этой пирамиды изображает определенную фунда­ментальную физическую теорию. В основании пирамиды лежат три основные теории: ньютонова тео­рия тяготения, специальная теория относительности и квантовая меха ника. Все они характеризуются од­ной фуг цаментальной физической постоянной (мировой констан­той). Для ньютоновой теории тяютения это постоянная тяготения G, для специальной теории относительности это фундаментальная скорость распространения физического взаимодействия с (совпа­дающая численно со скоростью света в пустом пространстве) и для квантовой механики — постоянная Планка H.

Истоком всех этих георий является ньютонова механика (не со­держащая никакой фундамент ллытой постоянной). Как известно, ме­ханика Ньютона справедлива при описании движения тел со скорос­тями, малыми по сравнению со скорос ью свет а. Она не распростра няется на травит ационные явления и не включает в себя закон всемирного тяготения. Ныотснову теорию тяготения можно рассмат­ривать, как расширение ньютоновой механики, обобщение ее на об ласть гравитационных явлений. При отсутствии гравитации уравне­ния НТТ сводятся к уравнениям ньютоновой механики. При скоро­стях, близких к скорости света, ньютонова механика не применима. Это область специальной теории относительности. Она также не ол ватывает гравитационных явлений. Можно сказать, что специальная теория относительности есть обобщение ньютоновой механики на случай, когда скорость движения тел близка к скорости света При условии V « с (скорость много меньше скорости света) уравнения СТО переходят в уравнения механики Ньютона. Это позволяет рас­сматривать ньютонову механику как частный случай СТО, а после­днюю, как более общую теорию, включающую в себя НМ. Ньюто­нова теория тяготения и специальная теория относительности спра­ведливы при описании движения макроскопических тел. В области микромира они не применимы. Здесь действую, законы квантовой механики. Они справедливы, когда произве, гение энергии движущихся частиц на время (или количества движения на пройденный путь) со­поставимо с квантом действия H. Если эти величнньг много больше /г, действуют законы ньютоновой механики. Таким образом, квантовая механика есть обобщение. НМ на область микромира. При И—>0 (т. е. когда квантом действия H можно пренебречь) уравнения кван го вой механики переходят в уравнения механики Ныотона.

В нашем юграэдре ребра основания пересекаются в точках А, В и С. Каждая из этих точек служит истоком более общей теории, каж дая из них характеризуется двумя мировыми константами. Так, точка А, в которой пересекаются НТТ и СТО, служит истоком общей тео­рии относительности. Она является обобщением ньютоновой тео­рии тяготения на область сильных гравитационных полей и быст­рых движений (со скоростями, близкими к скорости света). В то же время она является распространением, обобщением СТО на область 1 равит-щионных явлений. Соответственно, общая теория относитель­ности характеризуется двумя фундаментальными постоянными G и С. При отсутствии гравитации уравнения ОТО переходят в уравнения специальной теории относительности. А при медленных скоростях движения V « с) уравнения ОТО переходят в уравнения ньютоно­вой теории тяготения. Таким образом, обе теории — НТТ и С ГО — можно рассма гривать как частные проявления более общей теории — ОТО. Последняя справедлива для макроскопических тел и не рас­пространяется на явления микромира. Точка В, где пересекаются СТО и КМ, является истоком релятивистской квантовой механики. Она является обобщением квантовой механики на случай движения час­тиц с релятивистскими (т. е. близкими к с) скоростями и в то же вре­мя — обобщением СТО на область микромира. Соответственно, РКМ характеризуется двумя мировыми коне/антами с’ и И. Наконец, точка С, где пересекаются НТТ и КМ, м^жег быть истоком теории, которую Тельманов наззал (нере. ытивистской> квант овой гравитаци­онной теорией (KIT). Он.. характеризуется двумя постоянными G и И и является обобщением НТТ и КМ. Подобной теории пока не < ущесгвуе г. И возможность ее по-лроенкя вызывает сомнение, так как кванты гравитационного поля (гравитоны) должны перемещаться со скоростью света и, следовательно, квантовая теория гравитации не­избежно должна быть релятивистской. Тем не менее З^льманов фор­мулирует условия, при которых KIT может существовать как само­стоятельная теория. Получается, в целом, довольно симметричное ] юстроение. Грань тетраз дра АОВ обрг ювана релятивистскими тео­риями, грань БОС — квантовыми теориями и грань АОС — грави­тационными теориями.

В этой схеме не нашлось места для ньютоновой механики НМ, кото рая служит истоком всех остальных теорий. Можно изобразить ее в цен­тре основания и, проведя стрелки на ребра АВ, АС и ВС, указать тем самым, что соответствующие теории исходят из НМ. Другой вариант, п} едложенный В. Г. Сурдиным, — пристроить к основанию еще одну пирамиду вершиной вниз и поместить в эту вершину НМ.

Что касается таких физических дисциплин, как статистическая фи­зика, термо инамика и электродинамика, то первоначально они были «.формулированы в рамках ньютоновых представлений, но впосле тсгвии, юлжным образом обобщенные, они вошли в рамки тех представлений, которые вытекают из более общих теорий: СТО, ОТО и КМ. Основ­ные физические взаимодействия также охватываются этой схемой. Тео­рия электромагнитного взаимодействия входит в СТО, а теория слабого и сильного взаимодействия — в РКМ. Гравитационное взаимодействие описывается гравитационными теориями.

Все физические теории в нашей схеме сходятся к вершине пира­миды, которая изображает наиболее общую теорию, являющуюся Синтезом всех существующих. Зельманов назвал ее Единой физичес­кой теорией (ЕФТ). Она характеризуется тремя мировыми констан­тами G, И и с. Эта теория, объединяющая все ввды физических взаи­модействий, находится сейчас в стадии становления. Мы уже упоми­нали об объединении электромагнитного и слабого взаимодействий и создании теории электрослабого взаимодействия, а также о Вели­ком объединении трех физических взаимодействий: электромагнит­ного, слабого и сильного. Чтобы завершить этот процесс синтеза физических теорий, необходимо включить в объединенную теорию и гравитационное взаимоцейсгвие. Такая формирующаяся сейчас те­ория по.1учила название Суперобъединения.

Тенденция к синтезу, интеграции основных понятий и теорий характерна для развития физических наук. Специальная теория от­носительности объединила столь различные категории, как простран­ство и время, в единую сущность — четырехмерный пространствен­но-временной континуум. Оказалось, что лишь при скоростях, ма­лых по сравнению со скоростью света, эта единая сущность разделяется на две независимые составляющие — пространство и время, никак не связанные друг с другом. Но при скоростях, близких к скорости све­та, пространство и время уже не являются независимыми: при движе­нии тел с такими скоростями совместно меняются и геоме трические свойства пространства, и темп течения времени. Мы уже упоминали о том, как сце до создания теории относительности произошло объе­динение теорий электричества и магнетизма в единую теорию элект­ромагнитного поля. Это стало возможным потому, что электричес­кие и магнитные силы, как выяснилось, являются проявлением од­ного электромагнитного взаимодействия. Впоследствии произошло объединение этого взаимодействия со слабым и сильным. Все они оказались проявлением одной универсальной силы Великого объе­динения. Создатель теории относительности А. Эйнштейн мечтал о построении теории, в кот эрой были бы объединены все силы при­роды. Много лет после создания теории относительности, практи­чески всю вторую половину жизни он напряженно работал над со­зданием такой теории. Современная теория суперобъединения (еще до конца не завершенная) является воплощением этой мечты Эйн­штейна[107] .

Единое универсальное взаимодействие, объединяющее все силы природы, все ввды физических взаимодействий, проявляется как синтетическое начало только при очень БольШих энергиях частиц, порядка планковской энергии U л = — JcFti/G = 1019ГэВ

Она на шпь порядков больше энергии Великого объединения. При меньшей энергии происходит расщепление Единого взаимо­действия, сначала отщепляется гравитационное взаимодействие, за­тем сильное и, наконец, происходит разделение электрослабого вза­имодействия на слабое и электромагнитное. В условиях, с которы­ми мы обычно имеем дело, все эти взаимодействия выступают как совершенно различные силы, хотя и являются проявлением одной Универсальной Силы Природы.

В рамках теории Суперобъединения исчезае1 различие между ча­стицами физической материи фермионами и частицами перенос­чиками взаимодействий — бозонами. При Е ~ 1019 ГэВ они могут свободно переходить друг в друга.

Другой важнейшей чертей Суперобъ щинения является дальней­шее обобщение понятия пространства — введение многомерных пространств и, соответственно, дополнительных пространо венных измерений. Мы привыкли к тому, что наше физическое простран­ство трехмерно, и не допускаем того, что мир может быть устроен более сложно. Но математики давно работают с многомерными пространствами, однако до последнего времени считалось, что это — лишь теоретические конструкции В физике многомерные фазовые пространства широко используются в качестве удобных теоретичес­ких моделей, но не более. Мир предполагается трехмерным и счи­тается, что дополнительные пространственные измерения не могут иметь никакого отношения к действительнос ти. Это превратилось в своего рода философскую догму.

Однако уже первая попытка объединить теорию гравитации с электромагнетизмом, предпринятая в 1920-е годы Т. Калуцой и О Клейном, привела к неожиданному результату. Оказалось, что это возможно только в том случае, если ввести дополнительное чет­вертое пространственное измерение, т. е. рассматривать пятимер­ный пространственно-временной мир. Работа Т. Калуцы и О. Клейна была первым шагом. Они пытались объединить гравитацию непос­редственно с электромагнетизмом. Сегодня мы знаем, что синтез возможен только через Великое объединение (сначала электромаг­нетизм объединяется со слабым взаимодействием, потом с сильным и только после этого возможно ооъединение с гравитацией). Одна­ко возникшая в их теории необходимость введения дополнитель­ных пространственных измерений оказалась не случайной. Совре­менные теории показывают, что невозможно добит ься Суперобъе динения в рамках трехмерного пространства. Наименьшее число пространственных измерений, для которых удается построить тео­рию суперобъединения, равно 9. То есть мы имеем 9-мерное про­странств^ или 10-мерный пространственно-временной мир. Воз­можно, полное число пространственных измерений больше 10.

Конечно, все эти дополнительные пространственные измерения не могут быть пустыми, поскольку пространство не существует вне материи. Автор полагает, что дополнительные пространственные измерения имеют определенный не равный нулю объем, в отличие от тех теоретических построений, которые приводят к нулевому объему. Несомненно, они заполнены какой то материей. Но какой? Скорее всего, это материя неизвестного нам вида, которую мы пока не научились обнаруживать посредством физического эксперимен­та. Может быть, это та материя, которая лежит «за пределом* фи­зического вакуума. Вероятно, в этих неизвестных нам пространствен­ных мирах действуют и какие то другие, неизвестные нам законо­мерности. Например, в нашем т рехмерном мире каждая физическая величина выражается определенным действительным числом Раз­витый в мат ематике аппарат мнимых чисел остается невостребован — ным[108]. Может быть, в других пространственных измерениях какие — то характеристики материи измеряются мнимыми числами? Может бьггь… Космос, несомненно, таит в себе еще много неизведанного.

В свете этих представлений философская идея о неисчерпаемос­ти форм материи приобретает более реальные очертания. Вместе с тем качественно новое значение приобретает понятие «беспредель­ности». Если ранее оно трак говалось как беспредельность простран­ственного протяжения Вселенной, то теперь мы должны включить в это понятие все беспредельное многообразие миров и форм ма терии вечно меняющегося, эволюционирующего Космоса.

Вернемся к «пирамиде физических теорий». Симметрия и за­вершенность этой конструкции могут навести на мысль, что с объе — днненнем всех фундаментальных физических теорий в одну Еди­ную физическую теорию (теорию Суперобъединения) завершается развитие физического знания[109]. Так ли это? Несомненно, создание ЕФТ будет означать окончание очень важного этапа в развитии на­ших знаний о физическом мире. Но, конечно, это не финал позна­ния. Я думаю, что Единая физическая теория явится не только за­вершением, но и мощным истоком новых теоретических представ­лений, новых теорий, новых знаний, опирающихся на новые экспериментальные открытия. Более того, завершенность «пирамиды знания» указывает, на мой взгляд, на то, что дальнейшее развитие будет связано в принципиальными качественными изменениями. Вероятно, оно будет включать изучение новых пространственных измерений и новых форм движения материи.

Несмотря на волнующие воображение достижения науки в изуче­нии безграничных пространств иiлубин Вселенной, не следует слиш­ком обольщаться этими успехами. Мы познали (и притом не полно­стью!) лишь один срез, один слой окружающего Мира. Сегодня мы стоим на пороге революционного изменения всей научной картины мира. Многие процессы, которые сейчас происходят в физике, био­логии, психологии, являются предвестниками того, что ожидает нас за этим порогом — там, где сияет Беспредельный Космос.

Не было ни дня, ии ночн, пи неба, ни земли, ни п>мы, ни света, ничего дру| ого, за исключс-‘исм Одного, непостижимого разумом, что есть Бра­ман н Пуме (Дух) и Прадхапа (Изначальна): Ма­терия).

«Тайная Доктрина»

Кто знает, воистину, и кто может сказать, когда ото родилось, и когда свершился этот акт творе­ния? Богн появились юраздо |.озже сотворения этого мира. Кто же тогда знает, когда появился мир?

Ригведы «Песнь Творения»

В первые мгновения после сингулярности, в те ничтожные доли секунды, которые cooi летсгвуют адронной эре, Вселенная была очень горяча, давление излучения было невообразимо велико. На первый взгляд, может показаться, что именно это чудовищное давление и является причиной расширения подобно тому, как это имеет место при взрыве какого-либо заряда, кот да большое давление, возника­ющее в центре взрыва, разбрасывает окружающее вещество. Но на самом деле это не так. Для того чтобы произошел взрыв, важно не давление само по себе, а перепад давления. При взрыве бомбы этот перепад определяется разчостыо между высоким давлением горя­чего газа внутри быстро сгорающего взрывчатого вещества и низ­ким давлением окружающего воздуха. Именно этот перепад и со­здает силу взрыва. Но ведь Вселенная однородна и изотропна, дав­ление в каждой ее точке одинаково, перепад (или, как говорят физики, градиент) давления отсут :твует. Следовательно, давление не может быть причиной Большого взрыва. Более того, согласно общей теории относительности, давление создает пополнительное поле тяготения и, следовательно, только усиливает тормозящее дей­ствие гравитационных сил. Но все это относится к обычной мате­рии, состоящей из частиц вещества и различных физических полей. Однако на самом раннем этапе эволюции Вселенной, в эпоху близ­кую к планковскому времени Twl = 3-10"44 с (т. е в момент, отстоя­щий от теоретической фридмановской сингулярност и T = 0 на вели­чину 3 • Ю-44 с) материя, по-видимому, находилась в так называемом вакуумно-подобном состоянии. В свойствах этого состояния и надо искать причину Взрыва, причину расширения Вселенной Что та­кое вакуумно-подобное состояние? Здесь нам приде гея сделать еще одно отступление и познакомп гься с физическим вакуумом.

Физический вакуум опреде^шют как низшее состояние кванто­вых полей, при котором энергия поля минимальна, а все квантовые числа, характеризующие эти поля (электрический заряд, импульс и др.), равны нулю. Ьолее просто, хотя, может быть, несколько гру­бо, можно определить его так: физический вакуум это то, что оста­ется в некоторой области пространства, если убрать оттуда все час­тицы и все кванты любых физических полей. Но что же останется в таком случае в рассматриваемой области пространства? На первый взгляд, ничего не останется — будет абсолютная пустота. Но ока­зывается в этой «пустоте» постоянно рождаюiся и аннигилируют так называемые виртуальные частицы. От реальных частиц они от­личаются тем, что живут очень короткое время, столь малое, что их принципиально невозможно обнаружить за это время — не пото­му, что точность измерения времени мала, а потому что длитель­ность их жизни лежит за пределом обнаружения, допускаемого со­отношением неопределенностей квантовой механики. Виртуальные частицы рождаются парами: частица-античастица и, по истечении времени At аннигилируют’40. На образование частиц необходимо затратить определенную энергию, которая берется из «ничего», но по истечении времени At частицы аннигилируют и выделяющаяся при этом энергия возвращается в «ничто». Закон сохранения энер­гии выполняется А т ак как весь этот процесс рождения-аннигиля­ции часгиц остается вне наблюдения, то вроде бы ничего и не про­исходит; виртуальные частицы существуют и как бы не сущестзую] Зачем же тогда говорить о них? Дело в том, что хотя виртуальные част ицы невозможно зарегистрировать непосредственно, косвенно они проявляются: за короткое время своей жизни виртуальные час­тицы успевают прореагировать с реальными частицами и результа­ты этих взаимодействий обнаруживаются в физическом эксперимен те. Следовательно, физический вакуум это не пустота, а особое со­стояние материн. Оно характеризуется постоянным рождением и аннигиляцией частиц и античастиц, которое образно называют «ки­пением» вакуума.

Как и всякая физическая материя, вакуум обладает определен­ной плотностью энергии ек11. и соответствующей плотностью мас — сы 9«ж = гтУс1- 1еоретические оценки показывают, что вблизи планковского времени плотность вакуума могла составлять

1411 Время жизни виртуальных частиц Д/ — Л/тс2, где т — масса частицы Для Т = /и1 (масса электрона) время ^сизнн At ~ 10 21 с

Р.™ ~ Ю74+ 1094 г/см3. Так что эта «пустота» была необычайно плот­ной!

Важной особенностью физического вакуума является его урав­нение состояния. Уравнение состояния связывает плогноегь и дав­ление. Для обычной материи давление с ростом плотности моно­тонно возрастает. Значит, если увеличивать число частиц в каком-то объеме, то давление в этом объеме возрастает и оно стремится вы­толкнуть частицы из занимаемого объема. В вакууме все происхо­дит наоборот. Уравнение состояния вакуума имеет вид

PiUk = — £пак = ~ Ри.1кС •

То есть в отличие от обычной материи, давление вакуума отрица­тельно!

Посмотрим теперь, каковы гравитационные свойства вакуума. Если положительное давление обычной материи создает дополни­тельное поле тяготения, то можно ожидать, что отрицательное дав­ление вакуума уменьшает поле тяготения. В действит ельности, про­исходит более радикальное преобразование: сила притяжения транс­формируется в силу с ггалкивания.

В ньютоновской теории тяготения сила тяготения пропорциональна плот мос ти вещества р Ull. В релятивистской теории тяготения (общей те­ории относительности) для любого вида физической материи сила тяго­тения пропорциональна величине р.,ф = р + 3Р/с2, где р — плотность материи, а р — давление В обычных условиях, I которыми мы сталкива­емся в физике и астрофизике, второе слагаемое очень мало по сравне­нию с первым. Так например, даже в цектре Солнца, где давление очень высоко, второе слагаемое составляет 10 5 от первого. Если взять Вселен­ную в целом, то для нее в современную эпоху можно с большой степенью точности положить р = 0, р = р = р|,сш. т Тяготение определяется плотно­стью вещества. В дорекомбинационную .J Ioxy (эра излучения) р = 0, Р. Ф = Зр/с здесь р — давление излучения. Уравнение состояния для из­учения имеет вид р = (1/3) е,11Л= (1/3) р,„, с2. Следовательно, P:K|, = P„,., Тяготение определяется и лет иостыо излучения. Но для вакуума р = — р^ с2, следовательно, р ф = — 2р11|к. Эффективная плотность оказывается отрица тельной’ Это означает, что сила тяготения паку} ма, по сравнению с обыч ной материей,’ меняет знак.

Если для обычной материи мы имеем гравитационное пригяжс ние, то в вакууме возникают силы гравитационного отталкивания. Это и есть те самые космологические силы отталкивания, которые

Такая материя называется пылевидной.

Эйнштейн ввел в свои уравнения с помощью Л-члена (см. п 2.2.1). Оказывается, он не зря это сделал! Для того чтобы силы гравитаци­онного отталкивания существенно превышали силы притяжения, необходимо выполнение условия рмк» р, 1де р — плотность обыч­ной материи. Состояние материи, для которого выполняется это условие, называется вакуумно-подобным.

Теперь мы можем вернуться к нашей Вселенной. В очень ранней Вселенной, в момент близкий к планковскому времени twl = 3 • 1О"44 с, при температуре Т= Тш = 1032 К и плотности равной р11Л = 10»4 г/см3 матеоия находилась в вакуумно-подобном состоянии. В этом состоя­нии сила гравитационного отталкивания вакуума намного превы­шала силу притяжения обычной материи. Она-то и послужила при­чиной Взрыва, создала тот Начальный Импульс, под дейст вием ко­торого Вселенная начала расширяться. Когда этот импульс исчерпался, расширение продолжалось по инерции.

В фридмановской космологии, которая справедлива для обыч­ной материи, плотность при расширении уменьшается. Это вполне естественно и понятно. Поразительное свойство вакуума состоит в том, чте его плотность остается постоянной[97]. Соответственно, не меняется со временем при расширении и сила отталкивания, дей­ствующая на фиксированном расстоянии. В этих условиях любые две частицы движутся друг относительно друга с нарастающей ско­ростью, и расстояние между ними изменяется по экспоненциально­му закону[98]:

/-(О = >У"; Ш

Такой закон расширения соответствует модели де Ситтера. Раз­мер Вселенной увеличивается очень быстро. Этот процесс получил Название раздувание (или инфляция), а модель, описывающая рас­ширение Вселенной под действием гравитационных сил вакуума, получила название инфляционной. Инфляционная модель, по су­ществу, является моделью де Ситтера. Только длится эта craj, ия не до современного момента и дольше, как полагал Ситтер, а заканчи — ьается значительно раньше.

Раздувание Вселенной началось при T = Tm = 3 • Ю-44 с из области размером порядка планковской длины г = 10 33 см и длилось в тече­ние времени At. Величина At в разных моделях инфляции различ­на. Coi ласно одной из первых моделей (см. Новиков И. Д. Как взор­валась Вселенная. — М.: Наука, 1988. С. 117-118), At = 109/,,,,, т. е. инфляция длилась примерно до T = 3 • 10 35 с. К концу этого пери­ода размер Вселенной увеличился в 104 1 раз, температура упала практически до абсолютного нуття (Т = 10 4 ,()" К). Плотность обыч­ной материи (не вакуума!), которая, как и в теории горячей Вселен­ной, убывает пропорционально г 4, уменьшилась в 1010′ раз и стала равной 10s4: 10’°’= 10lu г/см3. При такой плотности одна частица материи отстоит от другой на расстояние 10′ "’* св. лет, т. е. на рас­стояние в невообразимое число раз превышающее современный раз­мер Ме тагалактики! В это время Вселенная была практически пус­той для обычной физической материи Единственное, что оста­лось к концу стадии раздувания, это переохлажденное вакуумно-подобное состояние материи Но такое сос гояние явля­ется неустойчивым. При T = 3 • 10"35 происходит фазовый переход, связанный с распадом вакуумно подобного сос. ояния. Вакуум пе­реходит в состояние с очень малой плотностью. За счет освобо­дившейся энергии рождаются частицы и античастицы обычной ма­терии. Температура повышается до температуры великого объеди нения Т = 10 27 К, и Вселенная (после непродолжительной переходной стадии) начинает развиваться по законам горячей мо­дели. Частицы и античастицы, заполняющие Вселенную в — vry эпо­ху, возникают при распаде вакуумно подобного состояния. И если эта горячая плазма является первичной субстанцией нашей Все­ленной, то вакуум, из которого она возникает, можно назвать пра — материей физического мира.

Как точно происходит инфляция — в настоящее время неизве стно. Существуют разные модели, которые отличаются длительно стыо инфляционной фазы и другими параметрами. Но общие чер­ты нарисованного сценария сохраняются. Раздувание происходит из вакуумно-подобного состояния за счет сил гравитационного отталкивания вакуума. Расширение иде т по экспоненциальному за кону. При этом плотность обычной материи быстро падает, а плот­ность вакуумно-подобного состояния практически не меняется. По окончании инфляционной стадии происходит фазовый переход, вакуумно-подобное состояние распадается, образуется горячая плаз­ма из обшчной материи, и Вселенная начинает расширяться по сте пенному закону (как в горячей модели). Силы гравитационного притяжения, которые теперь превосходят силы от1алкивания вакуу­ма, начинают тормозить расширение. Такое замедленное расшире ние будет продолжаться вплоть до тех пор, пока плотность обыч­ного вещества не станет меньше плотности «вакуумной материи», ос­тавшейся после распада вакуумно-подобного состояния. После этого Вселенная начнет расширяйся ускоренно. В самое последнее время (как уже упоминалось) появились данные о том, что Вселенная в со­временную эпоху расширяется ускоренно. Возможно, это связано с описанным процессом, а та «вакуумная материя», под действием ко­торой происходит ускоренное расширение и которая сост авляет пре обладающую долю «скрытой массы», и есть то, что осталось при рас­паде вакуумно подобного состояния в конце инфляции.

Итак, Большой взрыв представляет собой экспоненциальное рас ширение (раздувание) Вселенной под действием гравитационных сил вакуума — сил отталкивания, которые и являются причиной Перво­толчка. Наличие инфляционной стадии в эволюции Вселенной по­зволяет избежать неприятностей, связанных с обращением в нуль масштабного фактора при T = 0 (во фридмановской модели). При экспоненциальном расширении масштабный фактор обращается в нуль при Т=— йй. В любой конечный момент времени он отличен от нуля, соответственно, и плотность никоща не обр пцае гея в бесконечность. Означает ли это, что в инфляционной модели исчезает понятие син­гулярности? Hei, не исчезает, но претерпевает качественное измене­ние. Сингулярным сос тоянием современные космологи называют состояние, которое имеет место при T = Tn L. Как мы видели, в этом состоянии плотность материи очень высока, но не бесконечна Син­гулярность связана не с бесконечно большой плотностью, а с тем, что в этом состоянии перестают действовать все известные физичес­кие законы и, главное, понятия времени и пространства из за квап говых эффектов теряют смысл. По существу, сингулярное состояние является переходным к новым состояниям материн, которые еще не вошли в сферу изучения современной физики.

Помимо сингулярности, инфляционная стадия позволяет решить и другие важнейшие космологические проблемы. Одна из них проблема горизонта. В п 2.2.1 мы говорили о горизонте Вселенной или гори­зонте событий. По существу, он ограничивает размер причинно свя­занной области. В современную эпоху радиус горизонта по порядку ве­личины совпадает с радиусом Метагалактики. Но радиус горизонта из­меняется со временем пропорционально F, а радиус Метагалактики пропорционально /2/3 Поэтом) если мы будем двигаться назад в про­шлое, то радиус горизонта будет убывать быстрее, чем радиус Метага лактики, и горизонт событий будет охватывать все меньшую часть Ме­тагалактики. Так, при t = 10 ■I4 с (время Великого объединения) радиус Метагалактики составлял 30 см, I радиус горизонта 3 ■ 10 24 см. Следо­вательно, Метагалактика состояла примерно из 107|) отдельных причин­но не связанных областей. Между этими областями невозможно ника кое взаимодействие. Возникает вопрос — как же в этих условиях при отсутствии всякого обмена установилось однородное изотропное рас­пределение материи во Вселенной? В рамках фридмановской модели это невозможно объяснить и прихэдится принимать просто как посту лат, подтверждаемый наблюдениями реликтового излучения. В де сит — теровской модели проблема горизонта, вообще, не возникает, так как расширение Вселенной происходит значительно быстрее, чем рост го­ризонта. Это относится и к инфляционной модели. Более того, в ней раздувание происходит из причинно-связанной области размером 10~3′ см, которую, естественно, считать однородной и изотропной. Это свойство сохраняется и в процессе раздувания В конце инфляционной стадии невообразимо раздувшийся «вакуумный пузырь» распадается, пре­вращаясь в обычную материю При этом область, из которой возникла наша Метагалактика, составляет лишь ничтожную часть «лопнувшего пузыря». Поэтому нет ничего удивительного в том, что эта область оказывается однородной и изотропной В образовавшейся горячей Все­ленной расширение идет медленнее, чем рост горизонта, но это уже не может повлиять на однородность и изотропию той исходной области, с которой стартует модель горячей Вселенной.

Вторая проблема связана с критической плотностью. Мы уже отме­чали, что в современную эпоху средняя плотность материи во Вселенной по порядку величины близка к критической; она может отличаться от нее не более чем в тридцать раз, а с учетом скрытой массы — существен­но меньше Это в современную эпоху А что было раньше? Принимая во внимание характер изменения плотности со временем[99], нетрудно полу­чить, что в эпоху Великого объединения (t = 10 14 с) отичие плот ности от критической (рК[, — р)/р = 10 5U. Это поразительное совпадение! Ведь кри­тическая плотность определяется постоянной Хаббла и, следовательно, зависит от скорости расширения Вселенной в рассматриваемый момент времени Скорость определяется силой Большого взрыва. Почему же силу взрыва Природа подобрала таким образом, что критическая плот пость на ранней стадии расширения с величайшей точностью совпала с реальной плотностью материи в этот момент? В рамках космологии Фрид мана эта загадка остается неразрешимой. Инфляционная модель снимает проблему. Дело в том, что плотность вакуумо подобного состояния в точности равна критической. Когда в конце стадии раздувания вакуум­но-подобное состояние распадается и превращается в обычную мате­рию, плотность рик этого состояния переходит в плотность обычной ма Терии. Понятно поэтому, что последняя с величайшей точностью совпа­дает с критической плотностью в момент перехода.

Инфляционная модель успешно решает и другие космологичес­кие проблемы: проблему магнитных монополей, начальных флу;- туаций плотности Все это можно рассматривать как косвенное под­тверждение ее справедливости. А нет ли прямых эксперименталь­ных доказательств справедливости этой модели? В теории горячей Вселенной такими экспериментальными подтверждениями являют­ся: реликтовое излучение, относительное обилие водорода и гелия, наблюдаемое отношение числа фотонов к числу частиц вещества (пфог/^нукл = Юу). А как обстоит цело ь инфляционной теории? В планковскую эпоху, согласно теории, в сверхсильных гравитацион­ных полях должны интенсивно рождаться кванты гравитационно­го поля — гравитоны. Рожденные на заре возникновения Вселен­ной они в дальнейшем не взаимодействуют с другими частицами и должны сохранить информацию об эпохе своего рождения. В со­временной Вселенной эти реликтовые ■ равитоны должны образо­вать фон гравитационного излучения подобно позднее возникше­му фону реликтовых нейтрино и фотонов. К сожалению, регистра ция реликтового гравитационного излучения находится пока за пределами экспериментальных возможностей.

Итак, согласно инфляционной модели, наша Вселенная возник­ла в момент /М1, раздуваясь из одной-единственной причинно-свя­занной области размером гт = 10~33 см Означает ли это, что все пространство физического мира в этот момент времени сводилось к столь ничтожной области? С точки зрения фридмановской кос­мологии, в рамках закрытой модели дело обстояло бы именно так. Современная космология исходит из других представлений.

Согласно этим представлениям, извечно существует бесконечное (вообще говоря, мноюмерное) пространство, заполненное физи­ческим вакуумом. В этой вечно-кипящей субстанции (вакуумной пене) непрерывно происходят квантовые флуктуации, в результате кото­рых могут рождаться трехмерные’45 планковские миры размером гт = КГ33 см с плот чостыо рпл = 10У4 г/см3. Большая часть их из-за квантовых флукгуаций тут же (за время порядка хО"44 с) возвращает­ся в состояние пены. Но небольшая доля, в результате длинной цепочки случайных флуктуаций, приобретает плотность заметно

,’15 Образование I рехмерного мнра га многомерного пространства, т. е. уменьше­ние размерности, происходит благодаря процессу компактификации. Современная теоретическая физика рассмафнваеттакнс процессы.

Отличающуюся от р„, (причем меньшую, чем рмл). Такие «пузырьки» уже не могут вернут [>ся в состояние исходной вакуумной пены Они то и составляют зародыши будущих вселенных. Материя в них на­ходится в вакуумно-подобном состоянии (рпак» р). Под действием сил гравитационного отталкивания они начинают раздаваться и после распада вакуумно-подобного состояния превращаются в го ря1’ие фридмановские вселенные. В одной из таких вселенных жи­вем мы. Эту вселенную, в отличие от других, мы и называем нашей вселенной, или Вселенной с большой буквы (подобно тому, как это имеет место для галактик), а часть нашей Вселенной, охваченную ас грономическими наблюдениями, мы по прежнему, будем назы­вать Метагалактикой.

Каждый из возникающих миров развивается из своей собствен­ной причинно-связанной области. Между собой они никак не вза­имодействуют, и это оправдывает название — вселенные. А как же тогда назвать совокупность всех этих вселенных и тот бесконечный в пространстве и времени Мир, из которою они возникают? Иног­да этот Mhd также называют Вселенной (с большой буквы), но тогла возникает путаница с нашей Вселенной. Философы используют понятие «Универсум», а физики пользуются термином «Большая Вселенная» в отличие от мини-вселенных, к которым принадлежит и наша. Можно также называть этот Мир Физическим Миром, или, используя древнее название, — Физическим Космосом.

Подавляющая часть его находится в состоянии сверхплотного ^ки­пящего» вакуума. Из него изредка отпочковываются «пузырм», кото­рые развиваются в самостоятельные вселенные. Если визникающие таким образом вселенные являются замкнут ыми, го по окончании стадии расширения они переходят в стадию ежа гия и в конце ее, сжав­шись до планковской плотности, возв| >ащаются вновь в состояние ва­куумной пены (сингулярное состояние), из которого рождаются но­вые вселенные. В этом смысле история каждой отдельной вселенной напоминает историк) водяной капли, испарившейся с поверхности Океана. После долгих «странствий» капля-вселенная возвращается в Океан, где она покоится в слитом состоянии, в неразрывном Един­стве с другими капля! Ih, до тех пор пока не придет срок нового путе­шествия, и она вновь не по’синет порог родного Дома. «У такого мира в целом нет начала и не будет конца Он вечен и юн одновре менно. Это картина взрывающейся Вечност и»[100].

Так современная космология вернулась к представлению о вечном и бесконечном Космосе. Когда было открыто расширение Метагалактики и построены первые космологические модели, показавшие, что расшире­нию подвержено все теоретическое пространство Вселенной, которое может намного превосходить объем Метагалактики и быть даже бесконеч ным (ь случае открытой модели) — возникло представление о конечной во времени Вселенной, расширяющейся из сингулярности. Причем в случае закрытой модели такая Вселенная (единственная в своем роде, тождествен­ная всему существ; ющему) оказывалась также конечной и в пространстве (хотя и беспредельной). Дальнейшее изучение эволюции ранней Вселен­ной и причин ее расширения привело к описанной выше картине Космо­са, в которой наша Вселенная является одной из многих, других вселен­ных, возникающих из вакуумной пены. Этот Космос не сводится ни к открытой, ни к закрытой модели, хотя содержит черты к той, и другой. Подобно открытой Вселенной, он пространственно бесконечен, но рождап рщиеся в нем вселенные могут бьпт> пространственно конечны. Этот Космос существует вечно, а вселенные могут иметь свою конечную исто рию[101].

В какой мере нарисованная картина соответствует действитель­ности? Поскольку мы приблизились к переднему краю науки, мно­гие вопросы здесь остаются пока неразработанными, многие про­блемы не решенными. Но общий контур картины представляется верным. По словам И. Л. Розенталя, этот контур предстает перед нами, «как абрис стройного здания, освещенного полыхающими отблесками далеких ночных зарниц»14".

Позволим себе небольшое философское отступление. Одной из не вполне ясных проблем является природа физического вак) ума, из которого возникает Вселенная. Вспомним, что вакуум представ­ляет собой состояние материи, в котором постоянно рождаю тся и аннигилируют виртуальные частицы. Но откуда берутся эти части­цы? Физики говорят, что — из «ничего». Поэтому они считают, что Вселенная также возникает из «ничего». Крупнейший советский физик и космолог академик Я. Б. Зельдович одну из своих после­дних статей так и назвал «Рождение Вселенной из "ничего"»’49. Зель­дович подчеркивает, что рождение замкнутого мира из «ничего» не противоречит закону сохранения энергии, поскольку масса веще — ггва такого мира и связанная с нею положительная энергия полно­стью компенсируется отрицательной гравитационной энергией связи этой массы. Конечно, математически ноль всегда можно предста­вить как сумму положительного и отрицательного количеств. Но физически очень трудно представить себе возникновение чего-либо из ничего. Касаясь этой проблемы, А. М. Мостепаненко замечает, что, когда говорят о возникновении Вселенной из ничего, то, «по сути дела, имеют в зиду либо вакуум современной квантовой теории поля, либо еще более глубокий вакуум, природа которого еще не стала предметом изучения современной теории»[102].

Вернемся к виртуальным частицам. На их образование необхо­димо затратить определенную энергию. Считается, что она берется из «ничего». Физиков это не смущает, поскольку виртуальные час­тицы честно возвращают заимствованную ими энергию обратно в «ничто». Более того, физический «контролер» не успевает и прин­ципиально не может успеть зафиксировать этот акт займе гвования — отдачи энергии. Поэтому исходя из положения «не пойманный — не вор», он считает, что никаких «нарушений» не происходит. Но раз мы знаем о заимствовании энергии, мы должны поинтересо­ваться, от куда она берется. I [евозможно получить что-то из ничего. Поэтому «за пределами» вакуума должно бьпь НЕЧТО, рождаю­щее виртуальные частицы, НЕЧТО, откуда берется энергия, необ­ходимая на их рождение, и куда она затем возвращается. Это НЕ­ЧТО лежит вне пределов физической реальности, т. е. представляет собой состояние материи, не описываемое современными физичес­кими теориями. Значит, вакуум можно определить как пограничное состояние материи, отделяющее физическую реальность от того мира, который лежит за ее пределами. Так как этот мир — вне физи­ческой реальности, то, с точки зрения физики (но только с этой точки зрения!), он, действительно, представляет собою ничто (физическое ничто), хотя и является вполне материальным. Возможность существо­вания иных миров, сложенных из неизвестных нам видов материи, должна приниматься во внимание при обсуждении проблемы внезем­ного разума, ибо нельзя исключит^ того, что какие-то формы разум­ной жизни могут быть связаны с такими видами материи.

Теперь, познакомившись с представлениями о том, как рожда­ются и начинают расширяться вселенные, мы можем вернуться к нашей Вселенной, которую мы оставили в предыдущем пункте в предверии образования в ней сложной структуры.

2.2.4. Образование структуры Вселенной,, Согласно древним мифам, наш Мир произошел из Хаоса, т. е. из совершенно беспо­рядочной, бесформенной материи. Таково, в действительности, было вещество Вселенной, образовавшееся после ядерных реакций и рекомбинаций. Может ли бесструктурная материя сама из себя Выделить определенные структуры? Современная наука о самоорга­низации — синергетика отвечает на этот вопрос положительно. Самоорганизация это и есть появление макроскопически упорядо­ченных crpv ктур в первоначально бесструктурной среде. В резуль­тате самоорганизации система переходит из однородного бесструк­турного состояния в неоднородное, обладающее определенной структурой («структурированное») состояние. Иными словами, она переходит от Беспорядка к Порядку, от Хаоса к Плану. Начальное и конечное состояния системы — устойчивые, а сам процесс пере­хода, процесс самоорганизации — существенно неравновесный. Он осуществляется б iaro деря тому, что в системе возникают микроско­пические взаимодействия между частицами, в результате чего их дви­жение становится взаимосогласованным. Таким образом, самоор­ганизация проявляется как согласованный коллективный процесс.

Классическим примером самоорганизации является образование яче­истой структуры в ситиконовом масле. Если сосуд с маслом подогревать снизу, то в плоском горизонтальном слое масла возникают беспорядоч­ные неоднородности плотности. Развитие этих начальных неоднородно — стей приводит к тому, что, независимо от фирмы и размера сосуда, об­разуется вполне упорядоченная структура в виде шестигранных ячеек. Жидкость поднимается в центре каждой ячейки и опускается вблизи ее граней. Исхолное состояние системы — однородная бесструктурная жид­кость, конечное состояние — шестигранная струк гура. Существенным моментом в этом процессе является то, что для образования структуры необходим приток тепла снизу.

В общем случае процесс самоорганизации в открытых системах мож­но представить следующим образом. Поток энергии через первоначаль­но однородную среду выводит ее из равновесного состояния. В системе начинают развиваться неустойчивости, т. е. возникают случайные (сто­хастические) движения частиц. Благодаря взаимодействию частиц их движения, по крайней мере частично, становятся согласованными. Та­кое состояние называется динамическим хаосом. От истинного хаоса оно отличается наличием коллективного эффекта — согласованным движе­нием частиц. В случае истинного хаоса дчижения частиц полностью ие — Зависимы. Другое отличие динамического хаоса от истинного состоит в том, что его свойства зависят от времени Если время наблюдения мень­ше некоторого характерного времени, называемого временем переме­шивания, то движения отдельных частиц коррелированы (согласованы) между собой — в системе наблюдается определенная структура То есть динамический хаос состоим из струю ур, которые постоянно сменяют друг друга по истечении времени перемешивания. В качестве аналогии можно представить себе узоры, возникающие в калейдоскопе при его вращении Рели сфотографировать эти узоры с экспозицией, значитель­но превышающей время изменения узоров (время перемешивания), то на фотографии получим чисто хаотическую картину. Но каждый момен­тальный снимок даст опредетенную структуру, которая будет меняться от снимка к снимку. (Для истинного хаоса нобой снимок с самой корот­кой экспозицией даст полностью бесструктурную картину.)

Таким обра:,ом, если развитие неустойчивостей в системе приводит к возникновению хаоса с очень большим временем перемешивания, много большим времени наблюдения (как еслн бы мы на некоторое время оста новили вращение своего калейдоскопа), то будет наблюдаться опреде­ленная структура С этой точки зрения, процесс самоорк анизации мож­но рассматривать как рождение определенной структуры из хаоса воз­можных структур.

Очень заманчиво применить эти нден в астрономии для интерпрета ции различных космических структур. Астросипергетнка делает пока только первые шаги, но она уже добилась определенных успехов[103].

Нас интересует образование структуры Вселенной из первона­чально бесструктурной материи ^Космического хаоса). Решающую ноль в этом процессе играло тяготение. В однородном веществе всегда существуют хотя бы небольшие ф. [уктуации плотности При определенных условиях они под действием тяготения начинают уплотняться (мы касались этого вопроса в пункте, посвященном об­разованию звезд), в результате однородное вещество распадается на отдельные сгустки. Этот процесс называется ггавитационной неус­тойчивостью. Именно гравитационная неустойчивость и ответствен­на за образование структуры Вселенной.

Во Вселенной первичные флуктуации плотности образовались с самого начала, еще при распаде вакуумно-подобного состояния. Они н явились теми семенами, из коюрых позднее образовались скоп­ления галактик и отдельные 1алактики. В процессе эволюции Все­ленной до эпохи рекомбинации все неоднородности с малой мае сой затухают, и в нейтральном веществе, оказавшемся после реком­бинации, остаются только массивные неоднородности. Из них-то и образуются галактики и скопления галактик. Надо отметить, что величина отклонения плотности от среднего значения в этих флук — гуациях Ар/р в момент рекомбинации очень мала (это следует из наблюдений реликтового излучения), так что вещество практичес­ки является однородным. Но под влиянием гравитации неодно­родности начинают уплотняться — развивается гравитационная не устойчивость. Из теории, развитой Л. Б. Зельдовичем и его сотруд­никами, следует, что в результате сжатия образуются тонкие плоские образования, которые авторы назвали «блинами». Масса «блинов» порядка массы скоплений галактик. Вероятно, они представляю"- собой протоскопления. Линии пересечения «блинов» образуют плотные волокна, а пересечение волокон — плотные узлы. Из них обра |уются сверхскопления и самые богатые скопления галактик. Эволюция «блина» приводит к тому, что в его центральных частях вещество распадается на сгустки порядка массы галактик, а во вне­шних частях остается нагретый газ, который входит в состаь фор­мирующегося скопления.

Разумеется, это очень грубая картина. Существуют и другие ва рианты теории. Процесс формирования структуры Вселенной до конца не ясен. Но каковы бы ни были детали этого процесса, ясно, что в основе его лежит гравитационная неустойчивость.

Мы видели, что в процессе самоорганизации в открытых системах неустойчивость, развитие которой приводит — к образованию определен­ной структуры, возникает за счет притока энергии извне. Вселенная не является открытой системой, поэтому в ней развитие неустойчивостей может происходить только за счет внутренней энергии. Конечно, такой энергией служит энергия гравитационного пола Следует отметить одно важное обстоятельство. По мере развития гравитационной неустойчиво­сти и образования все новых и новых структур энтропия Вселенной воз растает При этом рост чнтропии сопровождается появлением все новых и новых структур, и процессы не замирают, как можно было бы ожп дать, а развиваются. За счет чего это происходит? Счастливое для Все ленной (и для нас с вами) обстоятельство состоит в том, что гравитаци­онная энергия отрицательна В процессе уплотнения сгущений потенци альная гравитационная энергия уменьшается (модуль ее растет, а сама энергия, будучи отрицательной, уменьшается). А так как полная энергия системы, равная сумме потенциальной и кинетической, сохраняется, то уменьшение потенциальной энергии сопровождается ростом кинетичес кой. Положительная кинетическая энергия (не даром ее назвали «живая сила») может переходить в другие виды энергии и, следовательно, слу­жить источником самых разнообразных процессов. Поэтому рост энт­ропии, сопровождающий развитие гравитационной неустойчивости, не приводит к замиранию процессов во Вселенной.

Развитие гравитационной неустойчивост и во Вселенной означа­ет, что в ней развивается динамический хаос. «Бели Вселенная нахо­дится в состоянии динамического хаоса, — отмечает И. К. Роз — гачева, — то ей с) ждена эволюция с бесконечной сменой структур, которые могут оказаться более совершенными, чем наблюдаемые нами галактики, звезды и живые существа. Встав на эту точку зре­ния, можно не согласиться с замечанием С. Вайнберга, что "чем постижимей представляется Вселенная, тем более она кажется бес смысленной". Конечно же в имеальном хаосе нет ни смысла, ни гар­монии. В космическом же хаосе есть "законы, охраняющие сокро­вища жизнн, коюрыми украшает себя Вселенная" (Гете)»[104].

2.2.5. Будущее Вселенной. Как бы интересна ни была история Вселенной — она уже состоялась, и мир, в котором мы живем, су­ществует. А какова дальнейшая суцьба этого мира и населяющих его разумных существ, каково будущее Вселенной? В отличие от про­шлого, которое оставило свои следы, помогающие воссоздать исто­рию Вселенной, будущее не имеет следов в нашем мире Изучение ето может основываться только на экстраполяции протекающих се­годня процессов. Зная законы механики, мы можем на много лет вперед нредвычислять положение планет, предсказывать солнечные затмения и т. д. Точно так же, зная законы развития Вселенной, можно предсказать ее будущее. Чем точнее мы знаем законы эволю ции, и чем ближе по времени рассматриваемый момент к современ­ной эпохе — тем точнее будут наши предсказания. Не исключено, что в будущем (в реальной Вселенной, а не в нашей идеальной моде­ли!) возникнут такие условия, при которых проявятся неизвестные нам законы природы. Тогда наши предсказания, основанные на известных сегодня законах, окажутся неточными, а для далекого будущего — неверными. Все это надо иметь в виду при изучении будущего Вселенной. С учетом этих оюворок рассмотрим, какова картина будущего, вытекающая из установленных на сегодня фун­даментальных законов физики, какова судьба окружающего нас физического мира.

Мы видели, что будущее развитие Вселенной зависит от плотно­сти материи. Если средняя плотность физической материи меньше или равна критической, Вселенная будс1 расширяться неограничен­но; если она больше критической — расширение сменяется сжати­ем. Рассмотрим оба сценария в отдельности. Начнем с открытой модели.

В своей увлекательной книге «Как взорвалась Вселенная» И. Д. Новиков приводит слова одного из создателей современной космологии бельгийского астронома Ж. Лемсгра: ^Эволюцию мира можно сравнить со зрелищем фейерверка, который мы зас­тали в момент, кслда он уже кончается: несколько красных уголь­ков, пепел и дым. Стоя на ос. ывшем пепле, мы видим медленно угасающие солнца и пытаемся воскресить исчезнувшее великоле­пие начала миров»’53. Похоже, что аббат Леметр несколько сместил акценты. Наша Вселенная, скорее всего, находится в самом рас­цвете своего развития. Но несомненно, что в будущем, когда ис­черпаются запасы ядерного горючего в звездах, они перестанут светить, превратившись в холодные черные карлики (см. п. 2.1.3). Это произойдет через 1014 лет. Любопытно, что длительность (вез — дной стадии эволюции Вселенной по порядку величины совпадает с Махакальпой (см. стр. 258).

По окончании звездной стадии галактики будут состоять из ос­тывших звезд и черных дыр, образовавшихся при вспышках сверх новых. Сами галактики также постепенно разрушаются. Это проис­ходит из-за того, что отдельные звезды в результате гравитационно­го взаимодействия с другими звездами (очень редко, но все же1 приобретают большую скорость, при которой они покидают га­лактику. Этот процесс аналогичен медленному испарению воды при комнатной "температуре. В результате тако. о «испарения» зве. тды будут постепенно уходить из галактики, а ее центральная часть бу­дет понемногу сжима п»ся. В конце концов, около 90 % всех звезд рассеются в npoci ранстис, а оставшиеся в центральной части галак­тики поглотятся черной дырой, нгходящейся в галактическом ядре. Процесс завершится через 10’v лег. К концу этого периода Вселен­ная будет состоять из рассеянных в пространстве остывших звезд, планет и черных дыр с массой от нескольких масс Солнца до 10’° М@. Останется также крайне разреженный межзвездный газ, масса

Is.? Цитируется по книге: Новиков И Д. Как пяорналлсь BcfridMto —М.: Наука, 1988. С. 162-1.63.

Которого составляет около 1 % от всей массы Вселенной. Этой, ка­залось бы, незначительной составляющей в дальнейшем суждено сыграть важнейшую роль в эволюции Вселенной.

Что же произойдет дальше? Во Вселенной идет очень медлен­ный, но неуклонный процесс разрушения самого вещества, связан­ный с распадом протона. Время жизни прогона порядка 1032 лет. Оно невообразимо велико по сравнению с современным возрастом Вселенной, поэтому протон считается очень стабильной частицей. Но все же оно не бесконечно! Через 1032 лет все вещество звезд и планет полностью распадется. Образующиеся в процессе распада позитроны аннигилируют с элекгронами, в результате остаются толь­ко фотоны и нейтрино. Что касается межзвездного газа, то при его распаде из-за крайней разреженности вещества вероятность столк­новения электрона и позитрона очень мала, поэ тому анниг иляция не происходит, и, наряду с фотонами и нейтрино, образуется очень разреженная электрон-позитронная плазма.

Остаются еще черные дыры, но основная масса Вселенной пос­ле распада вещества будет сосредоточена в излучении (фотонах и нейтрино"54). В теории горячей Вселенной мы видели, что плот­ность излучения убывает быстрее, чем плотность вещества. Поэто­му через 1033 лет плотность материи будет определяться массою ве­щества, а не излучения. Вещество в это время будет состоять из элек- трон-позитронной плазмы и черных дыр, в которых и будет сосредоточена основная масса Вселенной. Но и это еще не конец. Оказывается, черные дыры тоже не вечны. Около черных дыр про­исходит рождение квантов излучения. Это приводит к уменьшению массы черной дыры — черная дыра «испаряется», превращаясь в фотоны, нейтрино и гравитоны. Процесс этот чрезвычайно мед­ленный, но тоже не бесконечный. Черная дыра с массой 10 М@ «испарится» за 1064 лет, а сверхмассивная черная дыра с массой 10"’ Ме — за 1096 лет. По истечении этого времени все черные дыры превратятся в излучение, и оно вновь станет доминирующим по массе. Однако вследствие расширения Вселенной, так как плотность излу­чения, как уже неоднократно отмечалось, падает быстрее плотнос­ти вещества, то уже через 10")() лет плотность излучения станет нич­тожно малой по сравнению с плотностью электрон-позитронной плазмы.

Начиная с этого момента дальнейшая трансформация материи во Вселенной прекрати. ся. Вселенная будет состоять из электронов и позитронов, концентрация которыч будет уменьшаться с расширени­ем Вселенной. При T = 10,uo лет плотность электрон-позитронной плазмы будет соответствовать одной частице на обьем, равный ]0’85 объемам наблюдаемой сеюдня Вселснной (!), и эта плотность будет еще убывать со временем Воображение теряется перед такими вели­чинами! И все же означает ли это, что в той невообразимо далекой Вселенной невозможны никакие формы жизни и разума?

«Конечно, с нашей сегодняшней точки зрения, — пишет И. Д. Новиков, — все процессы в будущем будут чрезвычайно за­медлены. Но это с нашей точки зрения! Ведь и пространственные масштабы тода буд)т несравненно грандиознее современных. На­помним, что в самом начале расширения «пашей» Вселенной, кода температуры были, например, 1027 К и происходили процессы рож­дения вещества, текли бурные реакции, продолжительность кого рых исчислялась КГ34 с, а масштабы 10 24 см С точки зрения тех процессов, сегодняшние события в «нашей» Вселенной, в том чис­ле наша жизнь, это нечто невероят но протяженное в пространстве и очень медленное. Вселенная ие считается с нашими вкусами. В будущем жизнь «нашей» Вселенной будет продолжаться, хотя и в весьма своеобразных формах»’55. Это очень поучительное рассуж­дение, приучающее нас к осознанию относительности наших при­вычных представлений, когда речь идет о категориях Космоса.

Но не все космологи согласны с таким рассуждением. Они дума­ют, что если жизнь и возможна в таких условиях, то это будет жизнь в темном и очень скучном мире. Поэтому они называют эту эпоху темной, и то1да наша эпоха — эпоха сущест вования биоло! ической жизни — предел авляется как очень тонкий во времени переходный слой от Инфляции и Большою взрыва к Темному времени[105].

Будет ли «темное время» длиться бесконечно? Если бы А-член был равен нулю, то так бы оно и было — расширение Вселенной в открытой модели с А = 0 замедляется под действием фавитации, но длится бесконечно (см. рис. 2 2.3). Но, как мы уже отмечали, наблюдения свидетельствуют, что в нашей Вселенной А член не ра­вен нулю — в ней присутствует «вакуумная материя» (вероятно, ос­тавшаяся от фазы инфляции), которая приво [ит к тому, что Все­ленная в современную эпоху расширяется ускоренно. Что же будет с ней дальше? Под влиянием ускоренного расширения плотность обычной материи будет быстро убывать, а плотность «вакуумной материи» (ее еще называют «квинтэссенцией») будет оставаться по­стоянной. И вот в этих условиях возможна ситуация, когда вновь начнется инфляция, которая приведет к рождению новой мини — вселенной. Начнется новый круг эволюции. Образовавшаяся в кон це инфляции плазма будет развиваться по законам горячей модели. Эра излучения сменится эрой вещества, образу ются ] алактики, звез­ды. возникнет жизнь и разум. Затем все повторится вновь. Если это так — история Вселенной будет сосюять из периодов существова­ния биологической (или иной?) жизни, разделенных эпохами «тем­ного» времени. Это очень напоминает представления древнеиндий­ской космологии о чередовании манвантар (периодов активного существования Вселенной, когда она проявляется из непроявленно — го состояния) и пралай (когда все процессы на доступном нам пла­не Бытия замирают).

Рассмотрим сценарий развития для замкнутой Вселенной После того как будет достигнуто максимальное значение радиу са, Вселен­ная начне! сжиматься. Полное время ;ущес] вования замкнутой Все­ленной (период расширения-сжатия от сингулярности до сингуляр­ности) меньше длительности звездной стадии Вселенной. Из-за это­го звезды не успевают спокойно закончить свой век. Они будут разрушены в результате бурных процессов, сопровождающих сжа­тие Вселенной на последних этапах. Примерно за миллион лет до новой сингу. шрности начнут разрушаться звезды главной после­довательности. За 100 с до сингулярности разрушатся белые карли­ки, за 10"4 с — нейтронные звезды. Когда до новой сингулярности останется меньше чем 10"35 с, вероятно, должны произойти фазовые лереходы в вакууме, приводящие к возникновению сверхплотного ва­куумно-подобного состояния. Сдновременно степенной (фридма — новский) закон сжа(ия Вселенной должен смениться на экспоненци — гльный, соответствующий де-ситтеровской модели. То есть конец Все­ленной является как бы зеркальным отражением ее начала. В конечном итоге, замкнутая Вселенная, возникающая из вакуумной пены, вновь возвращасгся в нее. И из этой «пены» рождаются новые вселенные. Мы уже отмечали, что история каждой отдельной вселенной напо­минает историю водяной капли, испарившейся с поверхности Океа­на и после долгих «странствий» вновь возвратившейся в него. В этом вечно бурлящем Космосе постоянно рождают^ новые вселенные и поэтому в нем, как подчеркивает И. Д. Новиков, всегда будут суще­ствовать достаточно большие области (подобные нашей Вселенной), способные поддерживать жизнь известного нам типа.

Насколько достоверны рассмотренные нами сценарии? И. Л. Ро — зенталь замечает в этой связи, что любой сценарий весьма далек от отснятого фильма. «Все же, — пишет он, — представляется, что мы достаточно продвинулись в понимании качественной картины… однако наших знаний недостаточно, чтобы количественно оценить детали этой картины»[106]. Это — задача будущей науки. И хотя она пока не создана, некоторые черты ее предугадываются, просматри­ваются уже в настоящее время.

Была Тьма: скрытое сперва во ^ьмс все это было бесформенным Хаосом. Все, что существовало тогда, было пустым и бесформенным, Великой силой тепла рождено было это Единое.

Ригведы «Песнь Творения»

На ранней стадии эволюции Вселенной, в первые минуты после начала расширения, плотность вещества была очень велика. При такой плотности должны были протекать ядерные реакции. Харак тер их существенным образом зависит от температуры. Была ли Вселенная в это время холодной или горячей?

Исторически первой еще в 1930 е г оды была рассмотрена мо­дель холодной Вселенной. Предполагалось, что все вещество суще­ствовало в виде холодных нейтронов. Однако, как выяснилось по­зднее, в такой Вселенной в результате цепочки ядерных реакций (с образованием протона, дейтерия и т. д.) все вещество, в конце кон­цов, преврагилось бы в гелий. Это противоречит наблюдениям, по­скольку подавляющая часть вещества Вселенной состоит из водоро­да. Другой вариант теории холодной Вселенной был предложен Я. Б. Зельдовичем в начале 60-х годов. Он предполагал, что перво­начально холодное вещество Вселенной состояло из смеси прого­нов, электронов и нейтрино. При расширении Вселенной такая смесь должна была превратиться в чисто водородную плазму. Что касается гелия и дру1 их химических элементов, то, согласно этой гипотезе, они синтезировались много позднее, после тою, как образовались звезды. В отношении всех элементов, кроме гелия, это справедливо. Но обилие гелия (30 % от всего вещества Вселенной по массе) невоз­можно объяс нить ядерными реакциями в звездах.

Модель горячей Вселенной была предложена рогсийско- амери­канским физиком Г. Гамовым в 1948 г. Гамов стремился объяснить происхождение всех химических элементов ядерными реакциями, которые про екали в торячем веществе ранней Вселенной при се расширении. Это была неверная посылка, ибо, как мы теперь зна­ем, элементы тяжелее гелия образуются в звездах. Однако сама идея о горячей Вселенной оказалась правильной.

Один из выводов, кот эрый вытекал из теории Гамова, состоял в том, что в настоящее время во Вселенной, помимо излучения звезд (и других источников), должно существовать электромагнитное из­лучение, образовавшееся в ту далекую :чюху, когда никаких звезд еще не было, а Вселенная представляла собой однородную торя — чую плазма В этой плазме, состоящей, в основном, из электронов и протонов, все частицы, тесно взаимодейст вуя, находились в равно­весии между собой и с излучением. При взаимодействии протонов и электронов образовывались нейтральные атомы, но они тут же разрушались под дейс твием кван гов элекгромаг нитного излучения Процессы ионизации уравновешивались рекомбинациями, и вся эта плазма вместе с иг лучением, участвуя в общем космолот ическом рас­ширении Вселенной, постепенно охлаждалась. Когда температура ее упала до 4000 К, энергия квантов стала уже недостаточной, что­бы ионизовать вещество. Равновесие нарушилось, процессы реком­бинации стали преобладать над ионизацией — в результате реком­бинации образовалось нейтральное вещество. С этого момента Все­ленная стала прозрачна для излучения. Излучение практически перестало взаимодействовать с веществом, оно как бы отделилось от него и стало эволюционировать независимо. Эволюция вещества привела к образованию того сложного, многообразного Мира, в котором мы живем. А излучение продолжало равномерно запол­нять все пространство, только плотность его с расширением Все­ленной уменьшалась, и температура тоже палата. В настоящее время температура этого реликтового излучения-37, согласно расчетам Га — мова и его сотрудников, должна составлять несколько Кельвинов. Ьсли бы мы могли наблюдать это излучение, мы бы получили ин­формацию о далекой, дозвсздной стадии эволюции Вселенной, Koi да в результате рекомбинации образовалось нейтральное вещество.

Несмотря на столь фундаментальный вывод, вытекающий из те­ории Гамова, никто не пытался его проверить. Видимо, все эти те­оретические построения представлялись экспериментаторам слиш­ком отвлеченными, далекими от действительности. (Игра ума тео­ретиков! Разве можем мы знать, что происходило во Вселенной в такую отдаленную эпоху?!) Надо сказать, что сам Гамов не надеялся на обнаружение реликтового излучения, так как полагал, что оно полностью маскируется излучением звезд, возникших на более по­здней стадии эволюции Вселенной В 19 64 г. советские астрофизи­ки А. Г. Дорошкевич и И. Д. Новиков показали, что хотя общее количество энерши реликтовот излучения сравнимо с излучением I алакт ик, но в сантиметровом и миллиме тровом диапазонах радио­волн оно значительно превышает излучение всех остальных радио­источников и, следовательно, его можно обнаружить. Эта работа еще не была в полной мере осознана, когда в 1965 г. реликтовое излучение было открыто чисто случайно американскими физика­ми Р. Вилсоном и А. Пензиасом с номощыо 7-метровой рупорной антенны, предназначенной лля наблюдения искусст венного спут­ника Земли «Эхо». Таким образом, теория горячей Вселенной по лучила экспериментальное подтверждение, а Пензиас и Вилсон за открытие реликтового излучения были удостоены Нобелевской премии.

Максимум энергии реликтового излучения приходится на длину волны около 1 мм, а распределение энергии по спектру соответствует чернотельному излучению с температурой около 3 К. Как уже отме­чалось, реликтовое излучение равномерно заполняет все простран­ство. В современную эпоху плотность энер1ии реликтового излуче­ния составляет приблизительно 5 • 10~13 эрг/см3, энергия одного фо­тона около Ю-‘5 эрг, следовательно, в одном кубическом сантиметре содержится 500 фотонов реликтового излучения. Это очень боль шая величина. Для сравнения напомним, что концентрация атомов водорода — самого распространенного элемента, в котором сосре­доточена практически вся «вещественная» масса Вселенной, состав­ляет 3 • 10~7 см "3 (один атом водорода илн один протон на несколько кубических метров). Следовательно, отношение числа фотонов к числу частиц вещества порядка 109, т. е. на каждый атом вещества приходит­ся миллиард реликтовых фотонов. Согласно соотношению Эйнш­тейна эквивалентности массы и энергии (Е = тс1), плотности энер­гии реликтового излучения е1ш = 5 • 1013 эрг/см-3 соответствует плот­ность массы р = 5-10"34 г/см3, что приблизительно в 1000 раз меньше, чем плотность массы обычно) о вещества рл щ = 3 • 10~3|г/см3. Таким образом, хотя по числу частиц реликтовых фотонов в. милли­ард раз больше, чем частиц вешества, они дают вклад в плотность Вселенной в 1000 раз меньший. Это относится к современной эпохе. Но так было не всегда Дело в том, что при расширении Вселенной концентрация частиц и плотность вещества убывае т пропорциональ­но а’г (напомним, что а — масштабный фактор); концен. рация фо­тонов также убывает пропорционально я 3, но, помимо этого, из-за красного смещения частота излучения и, следовательно, энергия (Е = Av) каждого фотона убывает как а’1. Значит, плотность излуче­ния убывает пропорционально а 4, т. е. быстрее, чем для вещества. Отношение f» (/р1Ш A{T). В современную эпоху оно равно 103, но с течением времени, по мере возрастания масштабного фактора из-за расширения Вселенной, эта величина будет расти. Напротив, в про­шлом отношение р11сЩ /рнм было меньше, чем сейчас. В эпоху, когда масштабный фактор (а значит, и размер Метагалактики) был в 1000 раз меньше современного значения, плотность вещества равнялась плотности излучения. Это о ютветствует эпохе, когда с начала расши­рения Вселенной прошло около 300 000 лет. При T > 3-105лет PnLiu>Pnxn плотность Вселенной определяется веществом; этот период развития Вселенной, в который живем и мы с вами, называется эрой вещества. При T < 3 ■ 105лет р11И>рпС11„ плотность Вселенной опреде­ляется излучением; coo Irc IСт вующая эра в развитии Вселенной назы­вается эрой излучения.

Выше речь шла о плотности вещества и излучения. Что касается отношения числа фотонов к числу частиц вещества, то, поскольку концентрация и тех и других с расширением Вселенной падает как я"3, отношение |фОТ/и11укл со временем не меняется и равно 10" Воз­никает вопрос — почему это отношение столь велико? Ведь, если в горячей Вселенной на раннем этапе все частицы находились в рав­новесии, то число частиц разного гипа должно было быть пример­но равным. Но как только мы задумываемся над этим вопросом, возникает другой, гораздо более важный вопрос — а почему, вооб­ще, существует вещество в нашей Вселенной? Ведь если когда-то все частицы находились в равновесии, то число частиц должно было равняться числу античастиц. Почему же тогда образовалось только вещество, куда делось антивещество? Конечно, для нас это обстоя­тельство весьма благоприятно, ибо если бы во Вселенной существо­вало в равных количествах вещество и антивещество, го в какой-то момент оно должно было аннигилировать, и тогда весь Мир состо­ял бы только из излучения. Разгадка этих проблем, как оказалось, кроется в самых ранних этапах эволюции Вселенной, когда после сингулярности прошли ничтожные доли секунды.

[Сак близко можно подойти к сингулярност и, двигаясь назад во времени, и как определить условия в ранней Вселенной? Теория го рячей Вселенной дает простые соотношения для масштабного фак тора, плотности и температуры в любой момент времени для ран­ней Вселенной:

A(T) ос /1/2; р(/) ос а"4 ос г2; Т°с ос г|/2

Или:

,. 510s. , т 10,оК , ч, ЧЗК

Р(/) = —— г/см3; T = —jj— a(t) = a(t0)—

Здесь T — время в секундах, отсчитываемое от сингулярности, T0 — Современный момент времени.

В своей замечательной книге «Первые три минуты»’38, изданной в 1977 г., С. Вайнберг начинает историю Вселенной с момента T = 0.01 с, когда температура составля [а 10" К (в 10 тыс. раз выше, чем в недрах Солнца). Современные космологи идут гораздо даль­ше, они начинают с момента / = 3 • Ю-44 с. Эт о так называемое нлан — ковское время. Дальше к синг улярности дви1 аться уже невозможно, ибо здесь начинают сказываться квантовые эффекты, и привычное нам понятие времени теряет смысл. Мы начнем описание истории горячей Вселенной с момента T = 10 34 с; более ранний период будет рассмотрен в следующем пункте.

,3Ч Вайнберг С Первые трн минуты. Современный взгляд на происхождение Вселенной —М 1 Энергонздат, 1981.

При T = Ю-34 с температура состаьляла 1027 К, радиус Метагалак­тики равнялся 30 см (!), а плотность составляла Ю7* г/см3. Темпе­ратуру Т = 1027 К называют температурой великого объединения, ибо при этой температуре crapaei ся различие межд> гремя видами физических взаимодействий — электромагнитным, сильным и сла­бым. Существует Единое физическое взаимодействие, проявлением которого при меньшей температуре является электрослабое и силь­ное взаимодействие. Но здесь нам придется сделать небольшой экс­курс в физику элементарных частиц.

Все многообразие физических сил и взаимодействий, существу­ющих в природе, сводится к четь. рем основным взаимодействиям: гравитационному, электромагнитному, слабому и сильному. Грави­тационное взаимодействие — сила всемирного тяготения дейст вует на все тела и частицы. По сравнению с дру1 ими взаимодействиями. оно очень слабо и в мире элементарных частиц практически не ска — 31 твается. Тяготение становится заметным на больших расстояниях и для тел достаточно большой массы. Электрома1 яитные силы опре­деляют взаимодействие между заряженными частицами. Было время, когда электрические и магнитные явления, известные с незапамятных времен, рассматривались как совершенно независимые. Но затем была установлена тесная взаимосвязь межд»’ ними: движение электричес­ки} зарядов порождает магнитное поле, а изменение магнитного поля создает электрический ток. В теории Максвелла электрические и маг­нитные явления были объединены в единое электромагнитное взаи­модействие. Слабые взаимодействия характеризуют все типы про­цессов с элементарными частицами, в которых принимают участие нейтрино. Они, в час гности, ответст венны за распад нейтрона и, сле­довательно, за процессы радиоактивною распада. В отличие от гра­витационного и электромагнитного взаимодействий, которые изме­няют только внешнее состояние движения частиц, слабое взаимодей­ствие меняет вну треннюю природу самих частиц (например, нейтрон превращается в протон, электрон и нейтрино). В обычных условиях слабое взаимодействие слабее электромагнитного и тем более силь­ного (отсюда и его название), но оно значительно сильнее гравита­ционного взаимодействия. Наконец, сильное взаимодействие харак­теризует ядерные силы, которые удерживают протоны и нейтроны в атомных ядрах. Важной особенностью сильных и слабых взаимо­действий является то, что они действуют только на очень малых рас­стояниях. Радиус действия ядерных сил порядка 10~13 см, а радиус действия «слабых» сил порядка 10"’6 см. Поэтому в обычных масш­табах эти силы не оказываются, здесь действуют только гравитацион­ные и элект рома] нитные силы.

В соотвс тствии с типами взаимодействий, все элементарные час­тицы делятся на два больших класса, сильно взаимодействующие частицы, или адроны, и частицы, не участвующие в сильных взаи­модействиях, — лептоны. К последним относятся: электрон, мюон, тау-лептон и три вида нейтрино — электронное, мюонное и тау — нейтрино (а также соответствующие античастицы). Что касается адронов, то в последние десятилетия было установлено, что они, строго говоря, не являются элементарными част ицами: адроны со­стоят из фундаментальных частиц — кварков. В обычных условиях (т. е. в тех условиях, которые имеют место во Вселенной в совре­менную эпоху) кварки в свободном виде не встречаются, они суще­ствуют только в составе адронов. Силы, которые удерживают квар­ки в составе адронов, также относятся к сильному взаимодействию. Адроны, в свою очередь, подразделяются на два типа частиц: мезо­ны и барионы. Каждый мезон состоит из кварка и антикварка, а барион — из грех кварков. К барионам относятся протоны, нейт­роны и нестабильные частицы — i ипероны. Полное число имею­щихся в системе барионов минус число антибарионов определяет барионный заряд. Если число барионов равно числ) антибарио­нов, то барионный заряд равен нулю.

Физические взаимодействия осущесть^шются с помощью особых частиц-переносчиков. Переносчиками гравитационного взаимодей­ствия являются кванты гравитационного поля — гравитоны, пере­носчиками электромагнитного взаимодействия — фотоны, а пере­носчиками сильного взаимодействия — глюоны. В отличие от час­тиц материи — ферминов, к которым относятся и адроны, и лег. гоны, частицы-переносчики называются бозонами. К ним относятся фо­тоны, гравитоны, глюоны и другие виды бозонов. Так, переносчи­ками слабого взаимодействия являются три вида частиц: W’, W и Z°-6030Hbi. Эти частицы обладают большой массой и для их обра — зозания надо затрат ить очень большую энергию. При температуре Т > 10|5К, когда энергия частиц превышает 100 ГэВ, WT, W" и Z°-6030Hbi рождаются столь же легко, как и у-кванты. При этих ус­ловиях исчезает различие между слабым и электромагнитным взаи­модействиями, и они объединяются в единое электрослабое взаи­модействие. При еще более высокой температуре Т = 1027 К, когда энергия част иц состав шет 1014 ГэВ. исчезает различие между силь­ным и эл^ктрослабым взаимодействием, и они объединяются в еди­ное универсальное взаимодействие (взаимодействие великого обье динения). Переносчиками этого взаимодействия являются сверхтя­желые частицы X и Y бозоны. С их помощью кварки могут iпревра­щаться в лептоны и антикварки, т. е. стирается грань между основными типами элементарных частиц.

Теперь мы можем вернуться к ранней Вселенной в момент, когда от начала расширения прошло 10"34 секунды. При T < 10~34 с темпе­ратура Т> 1027К, т. е. больше температуры великого объединения. При такой температуре адроны распадаются на кварки, значит, силь­но взаимодействующие частицы существуют только в виде свобод­ных кварков. Вселенная состоит из кварков, лептонов и фотонов. Все частицы находятся в равновесии, кварки свободно переходят в лептоны и наоборот, частицы переходят в античастицы. Число ча­стиц равно числу античастиц, в том числе число кварков равно чис­лу антикварков. Полный электрический заряд и барионный заряд равны нулю. Эта чудовищно горячая динамичная смесь взаимопрев- ращающихся частиц и есть та Первичная «Огненная» Субстанция Физического Мира, из которой, в конце концов, возникает извест­ная нам Вселенная со всем многообразием существующих в ней форм материи. Рассмотрим главные этапы эволюции горячей Вселенной.

При T > 10"34 с температура падает ниже 1027 К. При такой тем­пературе тяжелые Х-бозоны не образуются, а существующие начи­нают распадаться. Теперь уже кварки не могут превращаться в леп­тоны, происходит разделение великого взаимодействия на сильное и Злектрослабое. Одновременно, благодаря несимметрии в свой­ствах частиц и античастиц, при распаде Х-бозонов нарушается рав­новесие между кварками и антикварками. Возникает избыточный барионный заряд, равный 10~9 на одну частицу. Это значит, что число барионов на одну миллиардную часть превосходит число ан — гибарионов. Но именно эта ничтожная разница в числе барионов и антибарионов приводит впоследствии к возникновению мира из ве­щества. Как это происходит?

Прежде всего при температуре порядка 3 • 1012 К кварки объеди­няются в ядерные частицы — образуются протоны и нейтроны. При этом барионный заряд сохраняется, т. е. число нуклонов[96] на одну миллиардную превышает число антинуклонов. Так как пол­ный электрический заряд остается равным нулю, то имеется также небольшой избыток электронов над позитронами порядка 10 9, от­рицательный электрический заряд которых компенсирует положи­тельный заряд избыточных протонов. Этот избыток электронов возник одновременно с возникновением избыточного барионного заряда. Почти сразу же после образования ядерных частиц при Т~ 1012 К (/ = Ю"4 с) происходит аннигиляция нуклонов н антинук­лонов. При этом остаются только избыточные нуклоны, для кото­рых не хватило соответствующих античастиц. Эти избыточные нук­лоны и образуют основу современного вещества Вселенной. Если бы не было этого небольшого числа избыточных нуклонов, мир бы сей­час был практически «пустым» (т. е. лишенным вещества). Так как основная масса нуклонов аннигилировала, образовав кванты элект­ромагнитного излучения, то отношение числа оставшихся частиц к фотонам «,1ук.,/ИфОТ = 10~’J. Это как раз та величина, которая наблюда­ется в современной Вселенной, что является свидетельством правиль­ности нарисованной картины.

В течение всего периода до аннигиляции нуклонов основная мас­са Вселенной была сосредоточена в адронах. Поэтому этот период получил название адронная эра. Она длилась примерно от 3 • 10-35 с до 10"4 с. Аннигиляция нуклонов знаменует конец адронной эры. Поскольку почти все адроны аннигилировали, оставив лишь ничтож­ный избыток = 10"9, то основная масса Вселенной после аннигиля­ции сосредоточилась уже не в адронах, а в лептонах. Соответствую­щий период в истории Вселенной получил название лептонная эра. Она длилась от 10"4 до 100 секунд. Вселенная в этот период состоит из лептонов (т. е. электронов, позитронов, нейтрино и антинейтри­но), а также из фотонов и остаточного числа нуклонов, образовав­шихся после аннигиляции. В начале лептонной эры, когда температу­ра была еще очень высока, все частицы находились в термодинами­ческом равновесии, тесно взаимодействуя друг с другом. В середине лептонной эры, при t = 0,2 с, когда температура упала до 2 • 1010 К, происходит важное событие в жизни Вселенной: нейтрино переста­ют взаимодействовать с электронно-позитронной плазмой, так как их энергии уже недостаточно для образования пары электрон-по­зитрон. Начиная с этого момента, они отделяются от вещества и не­зависимо от него (не взаимодействуя с веществом) участвуют в общем расширении Вселенной. Эти реликтовые нейт рино должны существо­вать и в настоящее время, их температура (упавшая из-за расширения Вселенной) в современную эпоху составляет 2 К, а концентрация рав­на 450 частиц в куб. см (всех видов нейтрино). Если бы нам удалось зарегистрировать эти нейтрино, мы могли бы «зактянуть» в эпоху, отстоящую от сингулярности всего на 0,2 с (!), т. е. значигельно бли­же, чем с помощью реликтовых фотонов. К сожалению, обнаруже­ние реликтовых нейтрино находится пока за пределами эксперимен­тальных возможностей.

Спустя примерно 10 с после начала расширения Вселенной, когда температура упала до 3 — 10У К, началась аннигиляция эл :ктроноь и позитронов. Этот процесс закончился приблизительно через 3 ми­нуты (при Т~ 109 К). В результате электроны и позитроны превра­тились в кванты электромагнитного излучения, остался лишь не­большой избыток электронов, отрицательный электрический заряд которых в точности компенсирует положительный электрический заряд избыточных протонов. Выделившаяся при аннигиляции энер­гия пошла на увеличение температуры фотонного газа. Температу­ра нейтринного газа осталась без изменения, так как нейтрино не взаимодействуют ни с веществом, ни с излучением. Благодаря этому современная температура реликтовых фот >нов (3 К) на 1 К выше температуры реликтовых нейтрино. Поскольку большая часть леп — тонов проаннигилировала, основная масса Вселенной сосредото­чилась теперь в фотонах. Наступила эра излучения, о которой мы упоминали выше. Эта эра длилась несколько тысяч лет.

В самом начале эры излучения, приблизительно через 5 минут после начала расширения, когда температура упала ниже 109 К, на­чался процесс нуклеосинтеза — образование ядер гелия в резуль­тате цепочки ядерных реакций (с участием дейтерия). Этому пред­шествовал процесс распада нейтронов — превращения их в прото­ны. К моменту начала ядерных реакций (длившихся всего несколько секунд) доля нейтронов ненамного превышала 10 %, все они в ре­зультате реакций оказались связаны в ядра гелия. Таким образом, масса нуклонов (протонов и нейтронов), сосредоточенных в яд­рах 4Не, составила 25 % от общей массы нуклонов. Оставшиеся 75 % пришлись на долю прогонов, которые в конце эры излуче­ния, после рекомбинации, вошли в состав атомов водорода. Сле­довательно, первичное вещество Вселенной должно было на 75 % состоять из водорода и на 25 % из гелия. Это соответствует на­блюдаемому химическому составу. Правда, в современную эпоху гелия несколько больше — около 30 %, но ведь часть гелия образу­ется в звездах. Объяснение наблюдаемого обилия водорода и ге­лия, как н предсказание реликтового излучения, является важ­Ным достижением горячей модели и всей фридмаиовской кос­мологии

После периода ядерных реакций ионизированный водород и ге­лий еще долго находятся в равновесии с излучением, и только через 200 ООО лет, когда температура водородно-гелиевой плазмы упала до 4000 К, произошла рекомбинация и вещество отделилось от излуче­ния. Спустя еще около 100 тыс. лет, при температуре меньше 3000 К, плотность образовавшегося нейтрального вещества превысила плот­ность да лучения. Началась эра вещества. В это время Вселенная была в 1000 раз меньше, чем сейчас. С переходом к эре вещества изменил­ся и закон расширения Вселенной: до этого масштабный фактор уве­личивался со временем пропорционально /1/2, а с переходом к эре вещества этот закон сменился законом A(T) «* T2/3.

Некоторые параметры Вселенной в различные периоды ее эво­люции приведены в таблице 2 2.1.

После рекомбинации Вселенная представляла собой однородное первичное вещество — нейтральный водородно-гелиевый газ, погру­женный в океан фотонов и нейтрино. Эти три составляющие, не вза­имодействуя, взаимопроникали друг друга, участвуя в общем расши рении Вселенной. Теперь ее дальнейшая судьба связана с эволюцией вещества. Лишенное какой бы то ни было структуры первичное веще­ство Все ленной в потенции должно было содержать в себе весь шт 6oi атый, многообразный мир форм, который окружает нас сегод­ня В течение сотен миллионов лет в первичном веществе постепенно созревали условия дли образования галактик. Как это произошло, мы рассмотрим позднее. А сейчас нам надо вернуться к самому нача­лу, чтобы понять, как началось расширение Вселенной.

При начале периода деятельности, говорит Гайная Доктрина, в силу повиновения вечному и непре­ложному закону, совершается распространение этой Божественной Сущности… и феноменаль­ный или видимый мир является конечным резуль­татом длинной цепи космических сил, последова­тельно приведенных в движение. Так же, ко» да на­ступает возвращение к пассивному состоянию, происходит сокращение Божественной Сущност и, н предыдущее созидание постепенно н последова­тельно растворяется. Видимый мир разлагается, его материя рассеиваете,,, и единая «Тьма», еще раз оди­нокая, лежи! над лнком «Бездны»

Е. П. Блаватская

Расширение Вселенной было открыто Э. Хабб. юм в 1929 г. по на­блюдениям с 2,5-метровым телескопом обсерватории Маунт Вил-
сон. Это открытие основано на результатах измерения лучевых ско­ростей га 1актик. Лучевой скоростью называется состав гяющая пол­ной скорости, направленная вдоль луча зрения наблюдателя. Она определяется по доплеровскому смещению спектральных линий. Если галактика удаляется от нас, все линии в ее спектре смещены в сторону красного конца, т. е. длины волн их возрастают; если га­лактика приближается к нам, линии смещаются " фиолетовому кон­цу, длины волн их убывают. Величина смещения ДА, зависит от луче­вой скорост и галактики Vr. Если эта скорость много меньше скоро­сти све та, то

(2.1)

Здесь с — скорость света, Апабл— наблюдаемая длина волны, А — лабораторная длина волны, т. е. длина волны линии в случае непод­вижного источника. Зная из наблюдений величину ДА., можно оп­ределить лучевую скорос гь Vr.

Первые измерения лучевых скоростей галактик были выполнены В. Слайфером на Ловелловской обсерватории в самом начале XX века. Уже эти измерения показали, что галактики обладают колоссальными скоростями в несколько сотен километров в секунду, во много раз пре­восходящими скорости звезд. Причем подавляющая часть галактик имеет положительные лучевые скорости Это могло означать, что Солнце дви жется относительно наблюдаемой системы галактик со скоростью в не­сколько сотен км/с, или рой галактик удаляется от Солнца с той же, но противоположно направленной скоростью. Так как каждая галактика роя имеет еще свою собственную скорость, то наблюдаемая скорость галактики складывается из скорости удаления всего роя н скорости дви­жения каждой галактики внутри роя Чтобы разобраться в картине дви жения, надо было иметь лучевые скорости для большого числа галак­тик. Слайферу, с его 60 сантиметр» Ibmm телескопом, эта задача была непосильна, он мог измерять лучевые скорости только самых близких галактик.

В конце 1920-х годов в измерение лучевых скоростей галактик включилась Маунт Вилсоновская обсерватория. Спектры галакт ик на 2,5-метровом телескопе получал М Хьюмасон, а расстояния до них по наблюдениям на том же телескопе определял Хаббл. В 1929 i., накопив достаточный наблюдательный материал, Хаббл сопоставил данные о лучевых скоростях галактик с расстояниями до этих га­лактик Оказалось, что скорость удаления галактик пропорциональна
расстояниям до них (рис. 2.2.1). Чем дальше расположена галакти­ка, тем с большей скоростью она удаляется от Солнца:

Vr = H-r. (2.2)

Эту зависимость, в честь ее первооткрывателя, стали называть зако­ном Хаббла, а коэффициент пропорциональности — постоянной Хаббла (Hubble), которую стали обозначать буквой Н. Это одна из

«.1000 2 и:

I500 §-

Б о

Расстояние, Мпк

Рис. 2.2.1. Зависимость между лучевой скоростью галактик и расстоянием до иих, полученная Э Хабблом

Рис. 2.2.2. Зависимость между красным смещением и видимой звездной величи­ной галактик (закон Хаббла).

По данным Сендиджа и Таммана, 1981 г. черный прямоугольник в ле­вом нижнем углу соответствует области данных, доступных Хабблу в 1929 г.

Фундаментальных космологических постоянных. В настоящее вре­мя закон ХабЬла проверен по огромному числу удаленных галактик и квазаров (рис. 2.2.2). Справедливости его подтверждается наблю дениями в разных диапазонах волн от радиодиапазона до рентге­новского.

Закон Хаббта означает, что вся наблюдаемая система галактик расширяется. На первый взгляд, может показаться, что, поскольку все галакти. ш удаляют ся от Солнца, — наша Галактика, вместе с Сол­нцем, расположена в центре этого расширяющегося роя. Но на са­мом деле это не так. Если две галактики удаляются от третьей со скоростями, пропорциональными расстояниям до этой галактики, то и скооость их взаимного удаления также пропорциональна рас­стоянию между ними[87]. Поэтому наблюдатель, в какой бы га гакти-
ке он ни находился, будет видеть, что другие галактики разбе1 аются от него со скоростями, пропорциональными расстояниям до этих j алактик. Вся система галактик напоминает разлетающийся из улья пчелиный рой, или расширяющееся облако газа. В одной популяр­ной книге я прочел сравнение с пирогом, нашпигованным изю­мом: когда пирог печется, он поднимается, расстояние между изю­минками зозрасгает. Можно преде / акт ь ссбс также резиновый шар с металлическими заклепками, укрепленными на его поверхности; если надувать шар, поверхность его расширяется и расстояние меж­ду заклепками увеличивае тся.

Расширение Вселенной характеризуется величиной красного смещения:

Z=K:,(,~K„, _ (2.3)

Rut

При малых Z — ко1да скорость расширения мала по сравнению со скоростью света, справедливо соотношение V = Cz, совпадающее с формулой (2.1). В этом случае, в соответствии с законом Хаббла, имеется линейная зависимость между г и г. На больших расстояни­ях, когда скорость расширения становится сравнимой со скоростыо света, соотношение V = сх не выполняется и, соответственно, зави­симость между красным смещением и расстоянием отклоняется от линейной. В этом случае надо пользоваться формулами теории от­носительности124, из которых следует, что при V = с Z = Таким об разом, Z может принимать любые значения от 0 до Макси­мальное значение z, которое исполгзолал Хаббл в 1929 г., сосгавля ло 0,004, в настоящее время наблюдакпея квазары, для которых г > 5. Чем больше z, тем дальше от нас находится наблюдаемый объект, тем дальше в прошлое отстоит момент излучения наблюдае­мого нами света. Таким образом, красное смещение характеризует как распределение объектов в пространстве в заданный момент вре­мени, так и распределение их во времени, т. е. позволяет просле­дить историю Вселенной.

Несмотря на необычность результата, полученного Хабблом, он не был полностью неожиданным: предсказание о расширении Все­ленной вытекало из космологических моделей, построенных на основе общей теории относительности А. Эйнштейна.

12,1 При не очень сильных полях тяготения можно пользоваться формулой снеци-

, Iе+ у

Альнои теории относительности г +1 = Л————— — .

Первую космологическую модель, опирающуюся на ОТО, построил сам Эйнштейн в I917R. Исходя из господствовавших в то время пред­ставлений о неизменности Вселенной, Эйнштейн искал стационарное решение, в котором расстояние между любыми двумя точками в про­странстве и другие параметры Вселенной не меняются со временем. Од­нако уравнения общей теории относительности не давали такого реше ния Чтобы избежатт этой «неприятности», Эйнштейн ввел в свои урав­нения дополнительную величину А-член (лямбда-член), который описывает действ} ющие во Вселенной гипотетические силы отталкива­ния Подобно силам гравитации, эти космологические силы отталкива­ния носят универсальный характер, т. е. они ие зависят от свойств гел, а зависят только от их взаимного расстояния. Но в отличие от сил гравита­ции они не убывают, а, напротив, возрастают с расстоянием, увеличива­ясь пропорционально г. В обычных масштабах, с которыми мы имеем дело, и даже в астрономических масштабах вплоть до размеров Галакти­ки, эти силы совершенно ничтожны по сравнению с силами гравитации, и их можно не учитывать. Но на космологических расстояниях силы от­талкивания становятся сравнимыми с силами тяготения. Взаимодействие этих двух противоборствующих сил и определяет динамику Вселенной. При определенных условиях, при определенном расстоянии г, обе силы уравновешивают друг друга, и Вселенная остается стационарной. Именно такую модель Вселенной и построты Эйнштейн.

Мир Эйнштейна оказался стационарным, но при этом он обладал не­обычными геометрическими свойствами. Будучи бе граничным (мы могли бы двигаться в этом мире в любом направлении сколь угодно долго и никогда не вышли бы за его предел), он имеет конечный объем. Геомет­рия Евклида в этом мире неприменима, здесь действует геометрия Рима — па. Это замкнутый мир — мир постоянной положительной кривизны. Аналогом такого трехмерного мира среди двумерных многообразий мо жет служить поверхность сферы. Она замкнута и безгранична; двшаясь вдоль се поверхности, двумерное существо никогда не выйдет за ее пре­делы Между тем поверхность сферы конечна, она равна 4л/?2. Радиус сферы R определяет постоянную положительную кривизну (к = 1 /R2) в каждой ее точке. Геометрия на сфере (сферическая геометрия), как из­вестно, отличается от евклидовой геометрии, действующей на плоской поверхности. Подобно тому как на сфере, двигаясь по большом}’ кругу, можно обойти сферу и прийти в исходную гочку — так же и в трехмер­ном замкнутом мире, двигаясь по геодезической линии125, мы, в конце концов, обойдем этот мир и вернемся к точке старта.

Принципиальным недостатком модели Эйнштейна, как было обнару жено позже, является ее неустойчивость — малейшее изменение парамет ров приводит к тому, что Вселенная выходит из равновесия и больше не возвращается в это состояние Подобные системы не могут реализовать ся в Природе. В дальнейшем Эйнштейн сам отказался от своей модели и даже считал ее самой большой ошибкой в своей жизни. Но введенные

125 Геодезическая линия есть обобщение понятия прямой на случай неевклидовой 1 еометрии, она играет ту же роль, что н прямая в евклидовом пространстве В частно­сти, дуга гсо (езнческой линии, подобно отрезку прямой, определяет кратчайшее рас­стояние между двумя точками им космологические силы отталкивания сыграли очень ьажную роль в космологии, хотя значение их не сразу было оценено.

Силы отталкивания не зависят от плотности вещества во Вселенной. Они будут действовать н при отсутствии вещества — в вакууме. Поэтому нх назчвают еще силами гравитационного отталкивания вакуума Мо­дель Вселенной, в которой, плотность вещества ничтожно мала — гак называемая щустая» модель была рассмотрена голландским астрономом В де Ситгером сразу после появления модели Эйнштейна, в том же 1917 г. В «пустой» Вселенной действуют только силы отталкивания >’си лами тяготения вещества можно пренебречь), поэтому такая Вселенная будет расширяться. Причем поскольку силы отталкивания пропорцио­нальны расстоянию, то и скорость взаимною удаления частиц вещества в «пустой» Вселенной (а под такими частицами можно подразумевать целые галактики) будет пропорциональна расстоянию Это и есть закон Хаббла Модель де Ситтера, в силу’ присущих ей «экзотических» свойств (на кото­рых мы пока останавливаться не будем) практически не использовалась в космологии И только спустя много десятилетий выяснилось, что с ее по­мощью можно описать самые раиние этапы развития Вселенной

Задача об эволюции Вселенной в общем виде — без априорных предположений о ее стационарности или об отсутст зии вещества — была решена советским математиком А. А. Фридманом в 1922 г. Единственное условие, которое Фридман положил в основу своей теории, это предположение об однородности и изотропии Вселен­ной. Однородность означает равномерное распределение вещества во Вселенной в больших масштабах. Как мы видели в предыдущем параграфе, это предположение подтверждается астрономическими наблюдениями. Изотропия утверждает равноценность всех напрар."сний в пространстве. Оба предположения кажу тся вполне естествен­ными (самыми простыми) и в дальнейшем они полностью подтвер­дились. Основной вывод, который вытекает из полученного Фрид маном решения космологичесглх уравнений, состоит в следующем: материя во Вселенной в больших масштабах не может находиться в покое. Вселенная в целом яв-ьяется нестационарной, она может либо расширяться, либо сжиматься[88].

Пабота Фридмана имела выдающееся значение. Эйнштейн не сразу согласится с Фридманом, но загем дал высокую оценку его работе, отметиЕ фундаментальную важность теоретического вывода о нестаци­онарности Вселенной[89]. А. А. Фрчдман умер в 1925 г., не дожив все­го несколько лет до триумфа своей теории. Несмотря на признание и высокую оиенку Эйнштейна, его работа на многие годы выпала из поля зрения не только астрономов, но и физию >в теоретиков.

В 1927 г. аббат Ж. Леметр, бельгийский астроном (ученик Эд — цингтона), независимо от Фридмана получил решение космолот и — ческих уравнений и подтверди;! вывод о нестационарности Вселен ной. Таким образом, к концу 1920 х годов в космологии были по­лучены очень важные результаты, касающиеся эволюции Вселенной. Тем не менее они не привлекли внимание астрономов. Анализируя это обстоятельство, А. С. Шаров и И Д. Новиков отмечают, что одна из причин состояла в сложности теории и разобщенности меж ду теоретиками л наблюдателями. Другал причина, по их мнению, — «психологическая, вероятно, состояла в необычности выводов тео­рии, утверждавшей, например, возможность замкнутости простран­ства или существование начала эволюции нашею мира в прошлом. Астрономам-практикам, с помощью новых телескопов проникав­шим все дальше и дальше в глубины пространства, психологически было трудно поверить в реальность таких утверждений, в корне ме­нявших их представление о Вселенной»[90]. Вот почему такое боль­шое значение имеет работа X 1ббла, экспериментально подтвердив­шая факт расширения Вселенной. Это открытие, несомненно, яв­ляется крупнейшим достижением сстсствознаниг XX века.

Необходимо отметить, что расширение Вселенной никак не вли­яет на отдельные тела: расстояние между галактиками увеличивает­ся, но размеры самих i «тактик (а тем более звезд и планет) остают ­ся без изменения — подобно тому, как не меняются размеры пчел в разлетающемся рое или размеры молекул в расширяющемся облаке газа. То есть гравитаг ионно связанные тела в расширяющейся Все­ленной не подвержены космологическому расширению.

Каждая галактика участвует в общем космологическом расширеиии и имеет, кроме того, свое собственное движение. Полная относительная скорость двух галактик складывается из скорости нх космологического удаления и относительной скорости собственного движения галактик Для далеких галактик космологическая скорость намного превышает собственную скорость галактик (которой в этом случае можно пренеб­речь), поэтому из наблюдений далеких галактик мы получаем скорость их космологического расширения. Для близких галактик их собстзенная скорость сравнима со скоростью космологического расширения н мо­жет даже превышать ее. Поэтому полная скорость может сильно отли­чаться от космологической и может быгь даже отрицательной. Так, на пример, Туманность Андромеды имеет отрицательную скорость, т. е. она не удаляется от нашей Галактики, а приближается к ней.

Поскольку в настоящее время Вселенная расширяется, расстоя­ние между галакжиками увеличивается, то ясно, что в прошлом они были расположены ближе друг к другу и размер наблюдаемой Все­ленной (Метагалактики) был меньше. Следовательно, средняя плот ­ность вещества была выше, т. е. условия во Вселенной в прошлом отличались от тех, которые имею г место в настоящее время. Но насколько велико это различие? Закон Хаббла сам по себе не дает OTBeia на ггот вопрос. Здесь необходима помощь теории Мы дол­жны обратиться к космологическим моделям и выбрать ту из них, которая лучше соответствует наблюдениям.

Простейшей и, как казалось, наилучшим образом соответствую­щей наблюдениям является модель Фридмана однородной изотроп­ной Вселенной с Л-членом, равным нулю. В этой модели действуют только силы гравитации[91]. Если в некоторый момент остановить расширение Вселенной, то в следующий момент под действием гра­витации она начнет сжиматься. Поскольку в настоящее время Все­ленная расширяется, значит, когда-то в прошлом, в какой-то началь­ный момент времени, по причине, о которой мы пока ничего не знаем, частицы вещества приобрели скорость разлета, подобно об­лаку газа, образовавшемуся при взрыве. В дальнейшем Вселенная расширялась по инерции, а силы тяготения тормозили расшире­ние. Динамика Вселенной зависит от соотношения между началь ной скоростью и силами тяготения, которые определяются сред­ней плотностью вещества во Вселенной. Если плотность не превы­шает некоторого критического значения (р < рК(1), то силы тяготения
не в состоянии остановить расширение, и Вселенная будет расши­ряться неограниченно. Если р > рК|„ то силы тяготения останавли­вают расширение; в некоторый момент постоянно уменьшающаяся скорость расширения обращается в нуль, после чего Вселенная на­чинает сжиматься.

На рис. 2.2.3 показано, как изменяется с течением времени мас­штабный фактор a{t) в рассматриваемой модели Поскольку рас­стояние между любыми точками в расширяющейся Вселенной про­порционально масштабному сЬактору (R{T) = I0Ci(T)), то анало­гичным образом будет менять­ся расстояние между дзумя лю­быми далекими галактиками, радиус Метагалактики и, вооб ще, радиус любой достаточно большой сферы, выделенной во Вселенной.

Такой характер изменения мас­штабного фактора можно попять, исходя из следую. цих соображений. Выделим мысленно в однородной Вселенной некую сферу пронз вольного, но достаточно большого радиуса, так, чтобы в пей содср жалось большое число галактик. Рассмотрим «частицу» вещества (галактику), находящуюся на гра ннце сферы[92]"’. Она обладает он ределепной скоростью, с которой удаляется от центра сферы, и со­ответствующей кинетической энер гией. Как будет двигаться такая галактика по отношению к центру сфе­ры? В однородной Вселенной на галактику действует только тяготение вещества, расположенного внутри сферы; тяготение наружных слоев вза­имно уравновешивается Следовательно, задача аналогична задаче о дви­жении тела, например ракеты, находящейся на поверхности планеты, ко­торой сообщили вертикальную скорость. Полная энергия Е выбранной нами галактики складывается из кинетической н потенциальной, после­дняя определяется силами тяготения. В процессе расширения Вселенной
кинетическая н потенциалььая энергии изменяются, а лолная энергия Е остается без изменения (закон сохранения энергии) Напомним, что по­тенциальная энергия отрицательна, а кинетическая энергия — положи­тельна Полная энергия зависит от плотности. При р < рк[1 полная энергия Е > 0; это соответствует случаю, когда ракета приобретает скорость, превышающую вторую космическую. Как известно, в этом случае она будет двигаться по гиперболической орбите, неограниченно удаляясь от планеты, причем скорость на бесконечности будет стремиться к пре­дельному значению Rf > 0. Так же будет вести себя и рассматриваемая нами «пробная» галактика. А поскольку мы выбрали эту галактику со­вершенно произвольно на поверхности выделенной сферы — так будет вести себя любая другая галактики, зиачит, вся сфера будет неограни­ченно расширяться. И так как сфера, в свою очередь, выбрана произ­вольно, то это относится к любой выделенной сфере во Вселенной, т. е. вся Вселенная будет неограниченно расширяться. При р = ркр Е = 0; это соответствует случаю, когда ракета приобретает параболическую ско­рость Вселенная будет также неограниченно расширяться, только ско­рость на бесконечности будет стремиться к нулю. Наконец, при р > р полная энергия Е < 0, это соответствует случаю, когда ракета приобр! — тает скорость меньше параболической. В этом случае она удаляется от планеты на определенное расстояние, а затем падает на нее. Подобно это­му наша сфера (и любая другая сфера во Вселенной) расширяется до оп­ределенного предела, а затем начнет сжиматюг Эта аналогия позволяет понять, почему космологические уравнения без введения дополнительных сил отталкивания не дают статического решения Ведь и ракета не может неподвижно висеть над Землей, она или улетает от нее, или падает на по­верхность. Чтобы удержать ракету неподвижно, нужны дополнительные силы.

Критическая плотность, от которой зависит характер расшире­ния Вселенной, определяет также геометрию Мира. При р > ркр мы имеем, как и в модели Эйнштейна, замкнутый мир постоянной по­ложительной кривизны, в котором выполняется геометрия Римана. При р = рК[, Вселенная пространстзеннс бесконечна, кривизна про­странства равна нулю, следовательно, в этом случае справедлива евк­лидова геометрия. Наконец, при р < ркр Вселенная тоже открыта: она бесконечно простирается во все стороны, кривизна ее постоян­на и отрицательна; это мир, в котором выполняется геометрия Ло­бачевского. Таким образом, открытая Вселенная расширяется нео­граниченно, а в замкнутой Вселенной расширение сменяется сжа­тием; в момент остановки, ко1да скорость расширения становится равной нулю, радиус кривизны (и объс м) Вселенной достигает мак­симального значения, а затем начинает уменьшаться.

Какой же сценарий имеет место в действительности? Это зависит от отношения р/ркр. В современную эпоху р =10 29 г/см3. Средняя плотность светящегося (наблюдаемого) вещества, как мы видели, составляет 3 • 10~31 г/см". Эта величина приблизительно в 30 раз мень­ше критической. Если бы во Вселенной никакого другого вещества не было, мы бы имели вариант открытого бесконечно расширяю­щегося мира, для которого на больших масштабах справедлива гео­метрия Лобачевского.

Однако помимо этой наблюдаемой материи во Вселенной суще­ствует материя, которая непосредственно не наблюдается, а прояв­ляет себя только • равитационным воздействием. Часть ее может быть обусловлена обычным веществом, сосредоточенном в «коричневых» карликах (о которых мы упоминали в п 2.1.3), но доля его невели­ка. Считается, что обычное вещество, как наблюдаемое, гак и не­наблюдаемое, составляет не более 5% массы Вселенной (или даже еще меньше), остальные 95% прихс штся на долю так называемой Темной материи или скрытой массы.

Значение этого обстоятельства не всегда оценивается в должной мере. Вдумаемся — все, что мы знаем о Вселенной, основано на изучении не более 5% ее массы! А остальное для нас пока полиос­тью сокпыто. Чтобы яснее осознагь. что это значит, представим себе, что мы занимаемся реставрацией большого полотна, полнос­тью закрытого позднейшими наслоениями. И вот нам удалось от — рест шрировать 5% картины. Уже проептюют ясно какие-то черты пейзажа. Мы видим деревья на скалистом берегу моря, видим обла­ка на небе, еще какие-то детали. Но мы не можем пока сказать, что представ-тяет собою картина в целом: пейзаж, портрет с пейзажем на заднем или переднем плане, батальная эпопея или бытовая сце­на. Примерно в таком же положении оказались астрономы. Дело не в том, чго нам известны не все звезды или не все галактики. Для того чтобы понять строение и эволюцию Вселенной, в этом нет никакой необходимости. Дело в том, что 95% материи — это не I алакгики и не звезды, это не межзвездная пыль и не i аз, это не плазма, состоящая из обычных частиц, из которых строятся атомы вещества. Это нечто, нам пока неизвестное и неизученное. Сказан­ное не означает, что наши знания о Вселенной не достоверны — нет, го, чго установила наука, достаточно надежно. Но это значит, что наша картина Вселенной на сегодня еще весьма ограничена.

С учетом скрытой массы средняя плотность материи во Вселен­ной весьма близка к критической Зго означает, что кривизна про­странства близка к нулю, мы живем в евклидовом (почти евклидо­вом) мире.

Какова природа скрытой массы’1 Это тоже до конца неизвестно. Вна­чале, когда проблема впервые остро встала перед космологией, предпо­лагалось, что скрытая масса может быть обусловлена нейтрино. Долгое время после открытия нейтрино считалось, чго их масса равна нулю. Однако в 1980-х годах экспериментально было обнаружено, что хотя масса нейтрино действительно очень мала, она все же отлична от нуля Первые оценки массы нейтрино давали величину порядка 5-10~зг г, за­тем они были снижены до Ю-32 г, это в 100 тысяч раз меньше массы электрона, но вполне достаточно, чтобы объяснить всю или почти всю скрытую массу. Действительно, в 1 см4 пространства в современную эпоху содержится около 500 нейтрино всех видов, их общая масса порядка 10"29 г. Однако по современным данным масса нейтрино значительно меньше, и их вклад в массу темной материи невелик. Считается, что подавляющая доля скрытой массы, до 70 %, падает на долю особой «ва­куумной материи», равномерно заполняющей всс пространство Вселен­ной. Эта материя обладает отрицательной гравитацией и является источ­ником тех самых сил отталкивания, связанных с А-членом, которые были введены в модели Эйнштейна (дополнительно см. п. 2 2.3). В отличие от обычной материи, «вакуумная материя» не тормозит расширение Все­ленной, а, напротив, ускоряет его. Поэте >му хотя доля этой материи ве­лика, она не может привести к образованию замкнутой Вселенной. Ос­тается еще 30 % скрытой массы. Предпола1 ается, что она может быть обусловлена такими гипотетическими частицами, как аксионы, нейтра — лнно н другие суперснмметричные частицы, которые «с необходимостью» возникают в теории, но экспериментально пока не обнаружены. Иногда в этой связи указывают и на такие тоже гипотетические объекты, как «монополи», «струны», «мембраны», первичные черные дыры и даже горловины «кротовых нор», о которых мы упоминали в § 1.15. Посколь­ку вклад всех этих объектов точно не известен, рассматривается еще одна возможность — «зеркальное вещество».

Современная физика элементарных частиц принимает в качестве фундаментального постулата симметрию между правым и левым. От­сюда следует, что каждая частица нашего мнра должна иметь свой зер­кальный аналог. Из них могут быть образованы зеркальные атомы, мо­лекулы, звезды, галактики и… внеземные цивилизации. При этом час тицы нашего мнра могут взаимодействовать с частицами зеркального мнра только гравитационно. По образному выражению одного нз фи­зиков, через комнату, в которой вы сейчас сидите, может проходить поезд нз зеркальной материи, и никто этого не заметит, если только не будут поставлены тончайшие гравитационные эксперименты. Но по — сколику зеркальное вещество подвержено тяготению, оно вносит свой вклад в скрытую массу нашего мнра (как и наша материя вносит свой вклад в скрытую массу их мира) Если доля обычного вещества (бари — оииая составляющая) в зеркальном мире такая же, как и у нас, зеркаль­ная материя вносит 5% в скрьггую массу нашего мнра. Если барноиная ^оставляющая в зеркальном мире выше, то соответственно повышается и обусловленная зеркальным веществом доля скрытой массы нашего мира. По мнению Н. С Кардашева, доля зеркального вещества может доходить до 25 % ш.

Читателя не должна смущать неопределенность приводимых здесь данных. Обсуждая проблему скрытой массы, мы не только подо­шли к передовому краю развития науки, но коснулись таких облас­тей, где перед физикой встали фундаментальные проблемы, кото­рые, возможно, существенно изменят чаши представления о мире. Развитие здесь происходит очень быстро, и когда читатель будет пробегать глазами эти строки, многое, наверное, уже изменится.

Важно подчеркнуть, чго хотя мы не знаем точно, какова плот­ность материи во Вселенной — больше критической или меньше, но она заведомо близка к критической. (Именно потому, что плот­ность близка к критической, трудно выбрать между двумя альтерна­тивными вариантам!:) Таике надо иметь в виду, что описанный выше характер расширения Вселенной справедлив для модели с Л-чле — ном, равным нулю. Наличие «вакуумной материи» означает, что А-член не равен нулю. Если это так, то истинный характер расши­рения должен отличат ься от описанного выше.

Каков бы ни был характер расширения Вселенной, в началь­ный момент (T = 0) масштабный фактор A{T) обращается в нуль (см. рис. 2.2.3). Для замкнутой Вселенной это означает, что ее объем в начальный момент был равен нулю, и значит, она начала расши­ряться из точки (!). Что касается бесконечной Вселенной, го она всегда остается бесконечной, но любая ее конечная область (в том числе наша Метагалактика) в начальный момент тоже имела нуле­вой объем. Плотность вещества в этот момент была бесконечной, а скорость расширения стремилась к скорости света. Это состоя­ние бесконечной плотности получило название «сингулярного со­стояния». Таким образом, в начальный момент Вселенная расши­ряется из сингулярного состояния с предельно большой скорос­тью Процесс «возникновения» Вселенной из сингулярности Леметр назвал Большим взрывом.

Какова природа сингу. тярного состояния, реализуется ли оно в действительности? Как близко можно подойти к этому состоянию, изучая историю Вселенной? Что означает «возникновение» Вселен­ной при T = 0? Что было до этою момента? Эти фундаментальные

ШКардашеь Н. С Кос; юлогпя и цивилизации / Древняя астрономш небо и че­ловек — М., 1998. С. 158-168. Он же. Скрытая масса н поиск внеземных цивилиза­ций / Препринт ФИАН № 65 — М., 1919 Проблемы космологии не получили пока окончательного решения. Однако за пределами сингулярности теория хорошо согласуется с наблюдениями.

Возникает вопрос — как давно произошел Большой взрыв? Ока­зывается, можно определю I. этот момент, зная значение постоян­ной Хаббла"[93]. Если Вселенная расширяется с постоянной скорос­тью, равной ее современному значению, то время расширения от момента T = 0 до современного момента T0 равно = L/Hv (HL — значение постоянной Хабблт в современную эпоху)133. Это время называется хаббловским временем Фактически время расширения бу­дет отличаться от хаббловского. Для модели с Л-членом, равным нулю, в случае р = рч„ что, как мы видели, близко к действитечьностл:

‘о4—= ||н — (2.4)

0 3 Н0 3 "

Если постоянную Хабб ia Н0 выражать, как это принято в наблю­дательной астрономии, в единицах (км/с)/Мпк, а время TH — в го­дах, то /н = 1012///0. Точное значение Н0 не известно, но из наблю­дений следует, что //„заведомо не превышает 100 (км/с)/Мпк, и не меньше, чем 50 (км/с)/ Мпк. Более точная оценка //„: в пределах от 65 до 80 (км/с)/Мпк. Отсюда /„ = 10 + 20 млрд лет, или более точно 12 + 15 млрд лет, а /0= 8 + 10 млрд лет. Здесь опять-таки следует иметь в виду, что и эти оценки справедливы при условии А — 0. В последнее воемя появляется все больше свидетельств того, что А-член не равен нулю и, более того, связанные с ним силы от­талкивания приводят к тому, что Вселенная в современную эпоху расширяется Ycnopei но. Если это так, то возраст Вселенной (время от момента T0 до современного момента) должен быть больше хаб­бловского.

Наличие сингулярности приводит к существованию горизонта Вселенной. Чем дальше от нас находится наблюдаемый обьект, тем ближе к началу расширения Вселенной относится момент времени, когда был испущен свет, достигающий сейчас наблюдателя. Точки в пространстве, от которых до нас доходит свет, испущенный в мо­мент начала расширения (T = 0), и образуют горизонт Вселенной. Горизонт охватывает лишь часть Вселенной, а в случае открытой Вселенной за его пределами находится бесконечное пространство. И тем не менее, ни один объект за горизонтом не может наблюдать­ся даже с помощью самого совершенного телескопа, ибо за все вре­мя существования Вселенной свет, испущенный любым из этих объектов, еще не успел достичь наблюдателя. Эти объекты станут доступными для наблюдения в будущем, когда свет от них дойдет до наблюдателя. Следовательно, горизонт со временем расширяется. В современную эпоху радиус горизонта R = с///,,; в зависимости от значения постоянной Хаббла он составляет 10 • 20 млрд св. лет. На горизонте красное смещение становится бесконечным, а ско­рость расширения равна скорости света.

Сколь близко астрономы подошли к горизонту Вселенной? Если в начале XX века область Метагалактики, для которой были определены расстояния, составляла менее I % от радиуса горизонта, го сейчас она превысила 50 %. Расстояние до далеких объектов (с — > 1) выражается формулой F ч

1—

(2.5)

VT+I,

При к —» оо R(Z) —» Rnlp. Наиболее далекие из обнаруженных к насто­ящему времени объектов имеют Z порядка 5 + 6. При Z = 6 отношение R(Z)/Rtof = 0,62. Свет, который мы сейчас наблюдаем от этого объекта, был испущен, когда Вселенная была в 18,5 раза моложе и в 7 раз компакт­нее, чем сейчас. (Здесь мы использовали соотношения: гтГп/Rtlil= I + Z; ‘Mth/’Ifu, = С + *) > справедливые для модели Фрилмаиа при р = р на достаточно поздних стадиях расширения, когда давлением излучения мож но пренебречь.)

Вбли зи горизонта незначительному приращению расстояния соответ ствует большое изменение Z и, следовательно, существенное продвиже­ние в прошлое Вселенной. При этом возможна ситуация, когда из двух объектов более удаленный сейчас в момент излучения находился ближе к нам, чем более близкий (в момент его излучения). Действительно, свет от более удаленного объекта был излучеи давно, когда Вселенная была сильно сжата, и все расстояния в ней, в том числе расстояние от объекта до наблюдателя, были существенно меньше Свет же от более близкого объекта был излучен не так давно, Вселенная была тогда не столь сжата,
и его расстояние от наблюдателя не сильно отличается от современного, поэтому он в момент излучения был дальше от наблюдателя, чем более удаленный объект в момент его излучения. Так в расширяющейся Все ленной проявляется относительность понятий «близкое» и «далекое»: близкое становится далеким и далекое близким.

Проиллюстрируем сказанное следупщим примером. Рассмотрим две галактики с красными смещениями Z, = 2 и Z2 = 5. Используя формулу (2 5), получим ив1 = 1,40. В момент излучения первая галактика

Была в 3 раза ближе к нам. чем сейчас, а вторая — 6 раз ближе Следо­вательно, расстояние этич галактик в момент излучения было R2Im/Rlnjjl = = 1,40:6×3 = 0,70.

Как долго дчится сингулярное состояние? Длится ли оно беско­нечно долго от T = до / = 0, когда Вселенная «вдруг» начинает расширяться, или это короткий, неизмеримо короткий миг? Тео­рия Фридмана не дает ответа на этот вопрос. Более того, теоретики утверждают, что вопрос не имеет смысла, ибо в сингулярности не только не действуют все известные нам физические законы, но и само понятие времени из за квантовых эффектов становится нео­пределенным. Пусть гак. 11о как бы гам ни было, она как бы возни­кает из Небытия, проявляется из какого-то непостижимого для нас сингулярного состояния. Этот факт рождения Вселенной при T — 0 и, следовательно, се конечность во времени представляет серьезную проблему в плане философского осмысления Мира.

Если до! 1уст ить, что сингуллрностг дли тся конечное время (с точки зрения «несингулярного» наблюдателя), то, опускал вопрос о том, что творится в самой сиш улярности, правомерно спросить — а что было до сингулярного состояния* Возможно, что ко1да-то, в бес­конечно далеком прошлом, Вселенная сжималась из крайне разре­женного состояния, плотность ее со временем увеличивалась до тех пор, пока постоянно уменьшающийся масштабный фактор при 1 = 0 Ни обратился в нуль — Вселенная перешла в сингулярное состоя­ние, после чего начала расширяться. Мы живем на стадии расшире­ния, которая в случае открытой модели будет продолжаться беско­нечно долго. Этот сценарий снимает трудность с возникновением Вселенной — Вселенная существует вечно (от «минус бесконечнос­ти» до «плюс бесконечности»). При этом она один раз проходит через сингулярное сост ояние.

Что происходит в момент, когда Вселенная проходит через син­гулярность? А. Д. Сахаров, исходя из законов симметрии, предпо­ложил, что ири прохождении через сишулярность все частицы за­меняются иа античастицы, все пространственные конфиграции

Точной зеркальной копией гел и явлений после этого момента с за­меной частиц на античастицы и с заменой направления течения про­цессов. С нашей точки зрения, Мир до сингулярности (Ан гимир) существовал в далеком прошлом, когда Вселенная еще сжималась. Но с точки зрения обитателей Антимира (не хочется называть их аити — людьми, хотя они состоят из антивещества и имеют сердце с правой стороны) — это наш Мир существует в их далеком прошлом, причем наш Мир, следуя направлению их времени, сжимается, а их Мир — расширяется. «Фактически ОНИ—это МЫ (или МЫ — это ОНИ), так как с точностью до условного определения знака времени, услов­ного отличия правого от левого и условного отличия вещества от аигивещества, отраженный мир не отличается от нашего»[94]®.

В случае замкнутой Вселенной расширение, как мы видели, сме­няется сжатием. В конце ст адии сжатия Вселеннтя приходит в син­гулярное состояние, такое же, из которого она начала расширяться.

Следовательно, те же силы и те же причины, которые привели к расширению Вселенной в начальный момент времени, теперь снова заставлт ее начать расширяться. В конце нового цикла картина вновь повторится и т. д. Мы получим, таким образом, вечно существую­щую пульсирующую Вселенную, в которой периоды расширения — сжатия разделены сингулярностями. Если каждый раз в сингуляр­ности происходит замена Мира на Ашимир (как описано выше), то эволюция Вселенной во времени будет представлять собой череду­ющуюся вереницу миров и антимиров, между которыми Вселенная пребывает в сиш-улярном состоянии. Возможность существования пульсирующей модели Вселенной была ясна еще Фридману. В..вязи с этим он вспоминал сказания индусской мифологии о периодах жизни. Действительно, в индусской мифологии и в древнеиндийс­кой философии существует представление о периодическом про­цессе проявления (манифес :ации) Вселенной, в котором активные процессы — Манвантары чередуются с пассивными периодами — Пралайями, образуя циклы различного масштаба длительности136. Самый крупный цикл — Махакалыта составляет 311 040 ООО ООО ООО = 3- 10[95] нет. Махакалыта — это Век Брамы, он состоит из 100 Годов Брамы. Каждый Год делится на 360 су. о к (360 Дней и 360 Ночей Брамы). Одни Сутки Брамы равны 8 640 000 00С лет, а одна секунда в этом масштабе времени состав­ляет 100 000 земных лет. Обращает внимание, что Сутки Брамы по порядку величины близки к дли тельности расширения во Фридма — новской Вселенной (8 + 10 млрд. лет). Если принять, что длитель­ность расширения /„ в точности равна Суткам Брамы, то получим постоянную Хаббла Н0 = 77 (км/с)/Мпк, что попадает как раз внутрь интервала неопределенности для Н0: 65 + 80 (км/с)/Мпк.

Привлекательной чертой пульсирующей модели является то, что она позволяет избежать проблемы Генезиса Вселенной. Однако некоторые космологи указывают, что это не так Дело в том, что в каждом цикле Вселенной как в период расширения, так н в период сжатия происходит рост ипропии (которая в конечном итоге определяется числом фото­нов, приходящихся на один нуклон). Ьсли накопленная в данном цикле энтропия сохраняется при переходе через сиигуляторность, то в каждом следующем цикле энтропия будет выше, а следовательно, максимальный радиус кривизны (связанный с энтропией) и период пульсации будут боль­ше, чем в предыдущем (рис.2 2 5). То есть будет происходить «раскач­ка» Вселенной. Необходимая для раскачки положительная энергия бе­рется за счет отрицательной энергии гравитационного поля, а полная энергия, равная сумме положительной и отрицательной энергии, не ме­няется, т. е. закон сохранения энергии при переходе от цикла к циклу

Рис. 2.2.5. Изменение масштабного фактора в осцилирующей модели Вселенной а) без увеличения лпропии; б) с увеличением штропии

Выполняется. Если бы пульсирующая Вселенная существовала бесконеч­но долю в прошлом, то за бесконечное число пульсаций должна была накопиться бесконечная энтропия Но этого нет Следовательно, с мо­мента возникновения Мира прошло конечное число пульсаций, т. е мы снопа возвращаемся к проблеме Начала, только отодвигаем его во вре­мени. Следует отметить, что эти рассуждения справедливы, если энтро­пия при прохождении через сингулярность сохраняется. Предположение — далеко не очевидное, если учесть, какие глубокие преобразования про­исходят в сит улярностг.

Мы рассмотрели механическую картину эволюции Вселенной, не касаясь физики процессов. Теперь нам следует обратиться к физике

Выдыхание «Непознаваемой Сущности» рожда ет мнр, а вдыхание зас •авдяст его исчезнуть. Этот процесс продолжается извечно, и наша Вселенная есть лишь одна и.-, бесконечных серий, не имею щих ни начала, ни конца.

«Тайная Доктрина»

Одна из важнейших (может быть, самая важная!) особенность аст­рономии XX века состоит в том, что она стала «насквозь» эволюци­онной. В течение веков в европейской культуре господствовало представление о стабильности Вселенной. В отличие от изменчиво­го мира земной природы, Небеса представлялись эталоном неиз­меняемости, царством непреходящего порядка, существующего от Вечности. Начиная с Канта, эволюционные идеи проникают в аст­рономию но они касаются происхождения и эволюции отдельных Небесных i >бъектов: происхождение Солнечной системы, эволюция звезд и т. д. Что же касается Вселенной в целом, то она остается неизменной и «безразличной» по отношению к любым локальным изменениям, происходящим в отдельных ее частях — подобно кри­сталлу, на неизменности и совершенстве которого не сказываются внутренние молекулярные движения. Во второй четверти XX века эти представления подверглись глубочайшему изменению. «XIX век покончил с метафизической традицией в истории и биологии. На долю XX века выпало обосновать эволюционную точку зрения для мира как целого»[85]. Решающую роль здесь сыграло открыт ие фун­даментального факта расширения Вселенной и появление космоло­гических теорий эволюции Вселенной как целого. Наряду с воз­никшей позже, уже во ыорой половине века, теорией самооргани­зации материи[86], которая вводит эволюционные представления в физику, косм< логия расширяющейся Вселенной открыла путь к ста­новлению идеи глобального эволюционализма.

Итак, знакомясь с окружающей нас Все­ленной, мы прошли путь от планеты Земля до Метагалактики. Что­бы лучше представить себе размер этого пути и соотношение раз­личных ст рукгурных образований во Вселенной, воспользуемся масштабом Шкловского. Уменьшим мысленно земную орбиту до размеров первой боровской орбиты атома водорода (0,5 • 10"8 см).

В этом масштабе 1 пк соответствует 10"3 см. Следовательно, рас­стояние до бли^сайших звезд будет составлять сотые доли милли­метра. Расс гояние до центра Галактик] i составит 10 см, размер на­шей Галактики — 30 см. Расстояние до Туманности Андромеды со­ставить около 7 м, до скопления в Деве — 200 м. Размер среднего скопления галактик будет соответствовать неско [ьким десяткам мет­ров, толщина волокон ячеистой структу ры Метагалактики — 100 м, а линейный размер ячейки — порядка 1 км. Границы наблюдае мой области Вселенной в этом масштабе теряются где-то около 10 км. Таким образом, объем Метагалактики в сотни раз пре­вышает объем ячейки крупномас­штабной структуры.

По мере совершенствования астрономических наблюдений с применением все более крупных телескопов границы наблюдае­мой Вселенной непрерывно раз­двигаются. Может ли этот про­цесс продолжаться бесконечно? Наблюдая далекие галактики, мы видим их такими, какими они были миллиарды лет тому назад Мы не можем видеть, как они выг­лядят в настоящее время (ибо для этого мы должны перенестись на несколько миллиардов лет в будущее), потому мы способны из) чать только их прошлое. Таким оЬразом, проникая все дальше и дальше в просторы Вселенной, мы noi ружаемся все глубже и гаубкш в пучи­ну времени, Двигаясь к границам Me гагалактики, мы как бы полу­чаем развертку событий во времени. Это обе гоятельство, как мы увидим ниже, кладет практический предел нашему проникновению в пространство, устанавливает своего рода горизонт, за пределы ко­торого мы проникнуть не можем. Это связано с расширением Все­ленной, о котором мы расскажем в с юдующем параграфе.

Рассмотрим распределение вещества в Метагалап ике. В малых объемах (малых по сравнению с размером Метагалактики) вещество распределено крайне неравномерно. Действительно, подавляющая часть вещества сосредоточена в звездах, звезды группируются в скоп­ления, образуют различные составляющие (тоскую, сферическую), межзвездное вещество в галактиках также распределено неравномер­
но. Сами галактики образуют группы, скопления и сверхскопления. Иное дело в больших масштабах; при осреднении по большим объе­мам (больше характерного размера ячеистой структуры) средняя плотность вещества остается постоянной[84]. Можно провести следу ющую аналогию. Представим себе некое сложное химическое со­единение, молекулы которого равномерно распределены в простран стве. Очевидно, если мы выделим какой либо объем, содержащий достаточное количество молекул, средняя плотность вещества в та ком объеме будет постоянной, независимо от его расположения. Но если мы проникнем внутрь этой молекулы, ситуация изменится коренным образом. В одном из выделенных объемов будут нахо­диться одни атомы (более тяжелые), а в другом — более легкие. Далее, в самих атомах масса распределена крайне неравномерно: подавляющее часть ее сосредоточена в атомном ядре, занимающем ничтожную долю объема атома. Похожая картина наблюдается и для распределения вещества в Метагалактике, где роль «молекул» играют элементы ячеистой структуры.

Однородность Вселенной в больших масштабах — это ее важ­нейшее свойство, с однородностью связано расширение Вселен­ной — факт, имеющий ключевое значение для понимания истории ее развития. С расширением Вселенной мы и познакомимся в сле­дующем параграфе.