3. Мир в мастерских модельеров

Начало нашего столетия в астрономии — период яркий и драматический. Начался он со взрыва серии бомб колоссальной разрушительной силы на страницах мирного теоретического журнала «Анналы физики». Бомбами явились статьи Эйнштейна, посвященные новой физической теории.

Специальная и общая теории относительности заставили людей увидеть мир в новом свете. Эйнштейн выпустил из бутылки джинна. Его работы пробудили к жизни лавину научной деятельности, над которой сам Эйнштейн очень скоро потерял контроль.

В 1916 году, опубликовав основополагающую статью общей теории относительности, Эйнштейн ищет пути экспериментальной проверки своих выводов. Одним из следствий его теории было утверждение о незамкнутости планетных орбит, утверждение, явно покушавшееся на законы Кеплера. Однако астрономические наблюдения за Меркурием скоро подтвердили справедливость теории Эйнштейна. Из-за медленного изменения большой оси орбиты эллипс ее оказывался действительно незамкнутым.

Дальше путь лежал во вселенную. Не является ли общая теория относительности ключом к разгадке строения мира?

Рассматривая I закон Ньютона — «Всякое тело, на которое не действуют никакие силы, движется прямолинейно и равномерно», — Эйнштейн задумался: «Почему всякое и почему прямолинейно? А если бы мы жили в мире, подчиняющемся законам неэвклидовой геометрии, как бы выглядел закон Ньютона?..»

В любом пространстве роль прямых играют геодезические линии. Не значит ли это, что вокруг тяжелых тел искривляется само пространство, а мы, видя, как другие тела перемещаются в таком неэвклидовом пространстве по геодезическим линиям, воспринимаем это как искривление траектории под действием сил тяготения? Эйнштейн получил «мировые уравнения», связывающие воедино материю, пространство и время.

Так догадка физика, может быть даже против его воли, сомкнулась с кардинальным выводом материалистической философии, с которым выступил В. И. Ленин в 1909 году. Именно тогда вышла в свет работа Владимира Ильича «Материализм и эмпириокритицизм», изменившая наши взгляды на связь материи со временем и пространством. Мир стал един.

Однако решить в общем виде систему Эйнштейна, состоящую из десяти дифференциальных уравнений в частных производных, невозможно и сейчас. Сам Эйнштейн, чтобы получить все-таки хоть какой-то частный ответ, шел на упрощения. Так, в качестве основного постулата он выбрал аксиому о неизменности структуры вселенной во времени. Мир был и будет пребывать вечно во веки веков таким, каков он есть. Значит, и решения мировых уравнений не должны зависеть от времени.

Но желаемый результат никак не получался. В нуль упорно обращалась средняя плотность вещества вселенной, чего не могло быть. Тогда Эйнштейн ввел в уравнения поля тяготения произвольную космологическую постоянную, не дающую модели мира лишаться массы. И все как будто встало на места. Но сам автор был неудовлетворен.

Вообще это время было полно неожиданностей. Люди вдруг наталкивались на незначительные необъяснимые факты, которые через некоторое время грозили перевернуть, а то и переворачивали все привычные представления.

В 1912 году американский астроном Весто Мелвин Слайфер исследовал спектры нескольких туманностей, находящихся, по мнению астрономов, в пределах нашей Галактики. Неожиданно он обнаружил, что спектральные линии элементов, входящих в состав туманностей, сильно смещены к красному концу. Получалось, что они должны улетать от нас с большими скоростями. Но куда? И почему вдруг? Десять лет торговались теоретики, не соглашаясь ни с одним из предлагаемых решений.

В 1922 году в немецком «Физическом журнале» появилась крошечная заметка, не только обрушившая основы мироздания на головы теоретикам, но и подвергшая сомнению кардинальный вывод создателя теории относительности. Имя автора статьи — Александр Фридман — ничего не говорило миру. А то, что голос петроградского математика долетел до Европы из неустроенной послереволюционной России, вызывало любопытство.

Но главное содержалось в заметке. Этот Фридман все-таки решил мировые уравнения Эйнштейна, не ограничиваясь требованием неизменности вселенной и без смущающего всех «космологического члена».

Но при этом два решения Фридмана приводили к совершенно новым математическим моделям вселенной.

По первому решению получалось, что когда-то, в момент времени, который можно принять за нуль, все расстояния были во вселенной пренебрежимо малы. Существовало нечто, собранное в единый ком бесконечной плотности. И вот в момент, с которого начинается отсчет времени в нашей вселенной, произошел взрыв. Архивзрыв! Родились материя, пространство, время. Родилась вселенная. Взрыв бросил все ее части в разные стороны, придал им скорость и обрек на вечное «разлетание». Такова, грубо говоря, была динамическая модель «открытой вселенной» Фридмана.

Второе решение при нулевых граничных условиях тоже приводило к сверхплотному ядру протовселенной. И также наступал созидающий взрыв. Разница заключалась в том, что «закрытая вселенная» не могла расширяться вечно. Где-то впереди находился рубеж пространства-времени, после которого все процессы должны пойти в обратном направлении. Вселенная начнет снова сжиматься.

Потрясающая идея!

Мир замер, ожидая слова Самого, чтобы либо превознести до небес нового кумира, либо предать забвению. И слово было произнесено. Эйнштейн очень быстро опубликовал статью с возражениями русскому, теперь уже советскому, математику. Фридман огорчился. Не то чтобы вопросы космологии кровно задевали его. Вечно занятый массой разнообразных дел, человек кипучей натуры, он вместе с тем был дотошным математиком и, бесспорно, более сильным, чем Эйнштейн.

Заинтересовавшись и решив систему Эйнштейна только потому, что она была похожа на уравнения динамической метеорологии, которой он занимался всю жизнь, Фридман не допускал мысли о том, что мог ошибиться. Он еще раз проверил свое решение и, не обнаружив ошибки, написал письмо Эйнштейну.

Вряд ли можно предположить, что, натолкнувшись, по указанию Фридмана, на целый класс новых решений, пропущенный им самим, Эйнштейн пришел в восторг. Но он был настоящим ученым. И через некоторое время в редакцию того же журнала «Анналы физики» пришла еще одна его «Заметка о работе А. Фридмана „О кривизне пространства“». Эйнштейн тщательно разобрал работу советского математика и признал: «…Я считаю результаты господина Фридмана правильными и исчерпывающими».

А еще через два года Хаббл огорошил мир новым сообщением: крошечные пятнышки туманностей, разбегающиеся, согласно Слайферу, в разные стороны, на самом деле не что иное, как звездные архипелаги типа нашей Галактики. И они действительно улетают от нас, подчиняясь странному на первый взгляд закону: чем дальше такая галактика находится, тем больше ее скорость убегания. Какое удивительно своевременное подтверждение взглядов русского ученого!

Рассказывают, что сам Фридман не очень-то верил физическому толкованию своих выводов, относился к ним скорее как к математическому курьезу. Даже занимаясь таким определенно практическим делом, как наука о погоде, Александр Александрович любил повторять, что его дело — решать уравнения. Разбираться же в физическом смысле решений должны физики.

Впрочем, обвинять Фридмана в кабинетном теоретизировании мог только… сам Фридман. Сформулировав между делом в 1924 году новую космологическую теорию, в 1925-м неугомонный профессор вовсю готовится к полету на воздушном шаре. Ему до смерти хотелось самому увидеть, «пощупать» атмосферу, процессами которой он так много занимался.

25 июля команда красноармейцев с веселыми прибаутками выволокла из эллинга Ленинградской военно-воздухоплавательной школы пыльную и старую оболочку аэростата. Проверили. Не обнаружив течи, наполнили газом и привязали корзину. В нее забрались двое — пилот П. Ф. Федосеенко и наблюдатель А. А. Фридман.

Как мог проходить полет на этом почтенном сооружении, каждый может себе представить сам. Однако через десять с половиной часов аэронавты, побив всесоюзный рекорд высоты — 7400 метров, — благополучно приземлились. А два месяца спустя, заболев брюшным тифом, Фридман умер.

Сейчас, в 1968 году, когда пишутся эти строки, исполняется ровно восемьдесят лет со дня рождения Александра Александровича Фридмана. И автор хотел бы заключить свой рассказ о нем словами академика П. Л. Капицы из вступительной речи, произнесенной на сессии Отделения физико-математических наук Академии наук СССР, посвященной памяти А. А. Фридмана.

«…Александр Фридман — один из лучших наших ученых. Если бы не смерть от брюшного тифа в возрасте тридцати семи лет, он и сейчас был бы с нами. Безусловно, он сделал бы еще много в физике и математике и достиг бы высших академических званий…

Даже если Фридман не был уверен в том, что расширение вселенной, вытекающее из его математических выкладок, существует в природе, это никаким образом не умаляет его научной заслуги. Вспомним, например, теоретическое предсказание Дираком позитрона. Дирак тоже не верил в реальное существование позитрона и относился к своим расчетам как к чисто математическому достижению, удобному для описания некоторых процессов. Но позитрон был открыт, и Дирак, сам того не предполагая, оказался пророком…

Фридман не дожил до подтверждения своих расчетов прямым наблюдением. Но мы теперь знаем, что он был прав. И мы обязаны дать справедливую оценку замечательному результату этого ученого…»

Последствия открытия Фридманом удивительного явления в масштабе вселенной огромны. Так, Хаббл, развивая идею разбегающихся галактик, вычислил, что галактики, находящиеся от нас примерно в 13 миллиардах световых лет, должны удаляться со скоростью света. А это значит, что никакие сигналы от них никогда не достигнут Земли.

Тринадцать миллиардов световых лет — естественная граница «наблюдаемой вселенной».

Правда, был случай, когда те же выводы прогрессивной теории Эйнштейна — Фридмана — Хаббла чуть не помогли вернуть былое могущество господу богу… Коль вселенная разлетается — значит, тем самым доказано, что некогда она была в виде сверхплотного ядра. Была… пока не произошел архивзрыв. А что послужило причиной? Кто дал первый толчок?

Бельгийский астроном, епископ Жорж Эдуард Леметр, объясняя физику расширяющейся вселенной, почувствовал явную необходимость в боге, высидевшем «первичное яйцо» вселенной. Кстати, о том же вопияла и вторая специальность Леметра. Но если опустить эту «маленькую слабость» епископа, астрономические работы Леметра лили воду на колесо прогресса.

Теория «большого взрыва» не едина. С нею до самого последнего времени успешно конкурировала теория постепенного расширения системы галактик и непрерывного «творения» материи на месте разбегающихся звездных островов.

Со взглядами ее авторов — Хойла, Бонди и Голда — любознательный читатель легко может познакомиться в следующем разделе этой главы.