Вселенная расширяется

В оцта из летних месяцев 1922 года в берлинском физическом журнале появилась небольшая статья никому не известного ленинградского математика Александра Александровича Фридмана (1888–1925).

Статья называлась «О кривизне пространства» и была посвящена анализу уравнений общей теории относительности.

Фридману удалось обнаружить совершенно неожиданный факт: оказалось, что эти уравнения имеют не только статические, но и нестатические решения, то есть такие решения, которым соответствуют нестационарные — расширяющиеся или сжимающиеся однородные изотропные модели Вселенной.

Согласно выводу Фридмана, «непустая», заполненная материей, Вселенная должна либо расширяться, либо сжиматься, а кривизна пространства и плотность вещества при этом соответственно уменьшаться или увеличиваться.

Александр Фридман не был физиком-теоретиком. По терминологии, принятой в наше время, его специальностью была математическая физика — он занимался изучением динамики метеорологических явлений.

Течение атмосферных процессов зависит от множества различных причин, и поэтому системы дифференциальных уравнений, с помощью которых их описывают, чрезвычайно сложны. Занимаясь изучением таких систем, Фридман, увлекшийся динамической метеорологией, еще в бытность студентом физико-математического факультета Санкт-Петербургского университета накопил огромный опыт.

Эти занятия помогли ему выработать и еще одно ценнейшее качество исследователя природы: Фридман не просто производил математические выкладки, он всегда стремился распознать за формулами реальные физические явления.

— Александр Александрович Фридман имел редкие способности к математике, — вспоминает профессор А. Ф. Гаврилов, — однако изучение одного только математического мира чисел, пространства и функциональных соотношений в них его не удовлетворяло. Ему было мало и того мира, который изучался теоретической и математической физикой. Его идеалом было наблюдать реальный мир и создавать математический аппарат, который позволил бы формулировать с должной общностью и глубиной законы физики и затем, уже без наблюдения, предсказывать новые законы.

Счастливое сочетание качеств ученого-исследователя, которое и позволило Фридману сделать чрезвычайно важный шаг в познании картины Вселенной.

Но известность и авторитет в науке тоже играют немаловажную роль. Особенно в тех случаях, когда никому не ведомый молодой исследователь посягает на мнение признанных корифеев. В свое время действие этого фактора испытал на себе и сам Эйнштейн. Теперь же, став известнейшим автором двух великих физических теорий, он, в свою очередь, недооценил результаты, полученные Фридманом.

Трудно сказать, проверял ли Эйнштейн выводы Фридмана с карандашом в руках. Скорее всего, бегло. Должно быть, великий физик положился на интуицию, а она подсказывала, что ничего подобного не может быть: ведь нестационарная Вселенная Фридмана противоречила его собственной стационарной модели.

Но как бы там ни было, Эйнштейн, ознакомившись со статьей Фридмана, поместил в очередном номере «Физического журнала» коротенькое замечание, в котором категорически заявлял, что результаты Фридмана вызывают серьезные сомнения и скорее всего неверны.

Прочитав это, Фридман написал Эйнштейну подробное письмо, в котором обстоятельно излагал существо своей работы. На этот раз великий физик проверил все с особенной тщательностью и к своему удивлению пришел к выводу, что… Фридман совершенно прав.

Возможно, другой на его месте из принципа продолжал бы отстаивать свое первоначальное мнение или, в лучшем случае, просто промолчал. Но Эйнштейну была абсолютно чужда какая бы то ни было амбиция, увы, нередко застилающая глаза маститым ученым. Самой главной целью его жизни было познание реальной природы, и потому он никогда не упорствовал в своих ошибках. Не имело значения, что ошибся он сам, было гораздо важнее, что ошибка исправлена и тем самым внесено что-то новое в наши знания о мире.

И 13 мая 1923 года в редакцию «Физического журнала» поступило письмо Эйнштейна, которое и было вскоре опубликовано под заголовком «Заметка о работе А. Фридмана о кривизне пространства».

«В предыдущей заметке я критиковал названную работу, — писал Эйнштейн. — Однако моя критика, как я убедился из письма Фридмана, основывалась на ошибках в вычислениях.

Я считаю результаты Фридмана правильными и проливающими новый свет. Оказывается, что уравнения поля допускают наряду со статическими также и динамические (т. е. переменные относительно времени) центрально-симметричные решения для структуры пространства».

Любопытно: как выяснилось позднее, и статическая модель Эйнштейна тоже неизбежно переходит в нестационарную. Но это означало, что однородная изотропная Вселенная должна обязательно либо расширяться, либо сжиматься.

Физикам и астрономам стало ясно, что уравнения Эйнштейна имеют решения, описывающие мир, геометрия которого меняется с течением времени. При расширении средняя плотность вещества постепенно убывает, а следовательно, меняется и кривизна пространства.

Приверженность А. Эйнштейна к модели стационарной Вселенной, мешавшая ему разглядеть столь важное свойство выведенных им же самим уравнений, имела свои объективные причины. Идея стационарности была в то время чем-то само собой разумеющимся. С одной стороны, она опиралась на представления о так называемых «неподвижных» звездах[12], а с другой — на все еще существовавшую веру человечества в стабильность мирового порядка.

Таким образом, заслуга Фридмана состояла не только в том, что ему удалось преодолеть предвзятую точку зрения создателя теории относительности, но прежде всего в том, что он сумел отказаться от традиционного взгляда на мир.

Независимо от теоретических исследований Фридмана, американский астроном Слайфер обнаружил в спектрах галактик «красное смещение». Подобное явление, известное в физике под названием эффекта Доплера, наблюдается в тех случаях, когда расстояние между источником света и приемником увеличивается.

Вообще эффект Доплера сопутствует любому волновому процессу, в частности, распространению звуковых колебаний. Вероятно, каждый не раз отмечал, что звук свистка приближающегося электровоза резко понижается, как только, промчавшись мимо, он начинает быстро удаляться.

В оптических спектрах эффект Доплера вызывает смещение спектральных линий. При сближении с источником воспринимаемая частота колебаний возрастает и линии смещаются к фиолетовому концу спектра. Когда же расстояние до источника растет, частота уменьшается и происходит сдвиг линий в сторону более низких частот — к красному концу спектра. Это и есть «красное смещение». Его величина пропорциональна скорости удаления.

Через несколько лет после открытия Слайфера другой американский астроном Хаблл выяснил, что чем дальше расположена от нас галактика, тем сильнее сдвиг линий в ее спектре. Мало того, обнаружилась почти пропорциональная зависимость между расстояниями и величиной красного смещения.

С точки зрения принципа Доплера это означает, что все галактики удаляются и чем дальше расположена та или иная галактика, тем быстрее она движется.

На основании картины движения галактик, полученной в результате объяснения красного смещения с помощью эффекта Доплера, физики и астрофизики разработали теорию «расширяющейся Вселенной», согласно которой несколько миллиардов лет назад материя Вселенной была сосредоточена в сравнительно небольшом объеме, где она находилась в состоянии сверхчудовищной, может быть, бесконечно большой плотности. Затем по неизвестной причине началось расширение этого объема, своеобразный космический взрыв, в результате которого в конечном итоге образовались космические объекты — звезды, галактики, планетные системы. Расширение продолжается и по сей день. В каждый данный момент Вселенная обладает конечным объемом, радиус которого все время возрастает.

Что же касается кривизны пространства, то в случае расширяющейся Вселенной она оказывается непосредственно связанной со значением средней плотности материи и так называемой постоянной Хаббла, показывающей зависимость скорости разбегания галактик от расстояния.

Кроме того, средняя плотность материи в однородной Вселенной Фридмана определяет не только ее геометрию, но и ее будущее.

Подсчеты показывают: при средней плотности вещества, превосходящей 610^-29 граммов на кубический сантиметр, что соответствует 10 атомам водорода в каждом кубическом метре, пространство замкнуто и конечно. А расширение замкнутого сферического неэвклидового трехмерного мира должно быть рано или поздно остановлено тяготением и перейти в сжатие.

Если средняя плотность в точности равна критической — этот случай был подробно рассмотрен в 1932 году Эйнштейном и де Ситтером, — расширение Вселенной происходит неограниченно, а ее пространство является эвклидовым и бесконечным.

Наконец, при плотности, меньше критической, пространство тоже бесконечно, но является уже не эвклидовым, а пространством Лобачевского.

Однако это лишь различные теоретические возможности. А как определить среднюю плотность всех существующих форм материи: звезд, межзвездного водорода, электромагнитного излучения, потоков «неуловимых» частиц нейтрино, межгалактического газа, который главным образом состоит из водорода и гелия, и так далее…

Задача весьма непростая, если учесть, что за этим «и так далее» скрываются такие виды материи, которые трудно наблюдаемы, а кроме того, могут в принципе существовать и такие ее формы, о которых мы вообще не имеем пока ни малейшего представления. А это значит, что по крайней мере при современном уровне знаний о Вселенной, у нас нет достаточных оснований для того, чтобы отдать предпочтение одной из существующих возможностей. Чтобы сделать такой выбор, необходимо располагать гораздо более точными оценками средней плотности материи в космических масштабах.

Но все обстоит еще сложнее.

Как мы уже говорили, теория относительности рассматривает пространство и время как единое образование, так называемое пространство-время, в котором временная координата играет столь же существенную роль, что и пространственные. Таким образом, в самом общем случае мы с точки зрения теории относительности можем говорить лишь о конечности или бесконечности именно этого объединенного пространства-времени. Но тогда мы вступаем в так называемый четырехмерный мир, обладающий совершенно особыми геометрическими свойствами, самым существенным образом отличающимися от геометрических свойств того трехмерного мира, в котором мы живем.

И бесконечность или конечность четырехмерного пространства-времени еще ничего или почти ничего не говорит об интересующей нас пространственной бесконечности Вселенной. Еще А. Фридман показал, что в рамках теории относительности раздельная постановка вопроса о пространственной и временной бесконечности Вселенной возможна не всегда, а только при определенных условиях. Этими условиями являются однородность и изотропность. Только в случае однородности и изотропности единое пространство-время расщепляется на «однородное пространство» и универсальное «мировое время».

Но вернемся к развитию Метагалактики во времени. Каково бы ни было с точки зрения теории расширяющейся Вселенной ее будущее, в отдаленном прошлом материя в нашей области пространства должна была находиться в качественно ином состоянии, чем в настоящее время. Что же оно собой представляло?

Одну из первых попыток дать ответ на этот бесспорно волнующий вопрос предпринял в 1931 году профессор Лувенского университета в Бельгии Жорж Леметр. Еще в 20-е годы он изучал астрофизику в Кембридже и Массачусэтском технологическом институте, а затем сам стал преподавать астрономию. Леметр был бесспорно выдающимся ученым, отлично владеющим математикой, он опубликовал свыше 70 научных работ.

Но вместе с тем Леметр носил сан католического аббата, а в последние годы своей жизни занимал весьма почетный в церковной иерархии пост президента Ватиканской академии наук.

Основываясь на фридмановской модели расширяющейся Вселенной, Леметр выдвинул идею «большого взрыва» первичного сгустка материи, сосредоточенной в нуль-пункте пространства и времени.

Трудно сказать, в какой степени сказались при разработке этой теории религиозные воззрения Леметра. Если судить по его собственным словам, за своим письменным столом он был только естествоиспытателем.

— Моя теория, насколько я могу судить, полностью оставляет в стороне любой религиозный вопрос, — не раз говорил Леметр, — она является чисто физической и не апеллирует ни к каким силам, которые не были бы нам известны.

И добавлял:

— Для верующего снимается любая попытка сблизиться с господом.

Но, должно быть, духовный сан Леметра вдохновил некоторых других теологов и богословов. Во всяком случае многие из них, ухватившись за внешнюю сторону его теории, пытались сделать из нее религиозные выводы.

Этого прямо требовало и верховное руководство католической церкви.

«Итак, сотворение мира во времени — и потому есть творец, следовательно, есть бог; вот те сведения, которых мы требуем от науки», — эти слова принадлежат главе католической церкви папе Пию XII и были произнесены в ноябре 1951 года.

И теоретики религии стараются выполнить указание своего духовного главы: они пытаются связать взрыв, который привел к образованию Метагалактики, с актом божественного творения Вселенной.

«Космос… имеет историю, которую можно проследить вплоть до самого начала, — утверждает западногерманский католический теолог Марсель Рединг, — начала, совпадающего с возникновением „пространства-времени“».

И хотя слово «бог» здесь явно не произносится, цель подобных рассуждений — подвести к выводу о божественном творении. Об этом прямо заявляет другой католический теолог П. Тиволье. Комментируя теорию расширяющейся Вселенной, он без всяких обиняков делает заключение: «Вселенную создал бог…»

Другие богословы, пытаясь использовать в своих интересах теорию расширяющейся Вселенной, действуют несколько более тонко. Вот так, например, делает это современный французский католический теолог Клод Тремонтан.

То обстоятельство, что Вселенная находится в состоянии непрерывной эволюции, утверждает он, что в ней непрестанно возникают новые структуры, неоспоримо и неопровержимо свидетельствует о продолжающемся творении, о том, что все в мире находится в состоянии непрерывного изобретения высшей сверхъестественной силой — богом.

А в действительности? Дают ли современная астрономия и астрофизика хотя бы какие-либо основания для подобных выводов?

Одной из наиболее характерных особенностей современной астрофизики является ее эволюционный характер. Если раньше эта область науки о Вселенной в основном ограничивалась изучением физических свойств различных космических объектов, характеризующих главным образом их современное состояние, то сейчас на передний план выдвинулось изучение их истории, в первую очередь различных качественных превращений, при которых совершаются переходы материи из одних видов в другие.

Что же касается тех принципиально новых представлений о космических процессах, которые сложились в последние годы, то они представляют собой важный шаг к более глубокому пониманию сущности происходящих во Вселенной явлений.

И во всех этих новейших астрономических данных нет абсолютно ничего такого, что прямо или косвенно указывало бы на существование и деятельность сверхъестественных сил.

Вопрос, по существу, сводится к следующему: если действительно происходит творение, как об этом говорят богословы, то, следовательно, космические объекты возникают из ничего или, по крайней мере, сверхъестественным образом, то есть вопреки естественным законам природы.

Однако современная астрофизика не дает никаких поводов для подобных заключений. В процессе исследования эволюции различных космических объектов удается прослеживать последовательные стадии их развития. И в тех случаях, когда переход к повой стадии происходит плавно, и в тех, когда он совершается скачкообразно. И всегда это превращение одного вида материи в другой. Превращение, которое подчиняется вполне естественным закономерностям.

В духе материализма решается современной астрофизикой и «вопрос вопросов» — об «изначальном» материале Метагалактики. Что было в самом начале расширения и до него? Откуда взялось «то», что затем стало расширяться, те элементарные частицы, которые входили в состав первоначального сверхплотного плазменного сгустка?

Физика и астрофизика не допускают на этот счет никаких кривотолков в духе вмешательства «высшего разума» и «высшей воли». Хотя нельзя еще точно сказать, какая именно материальная форма предшествовала исходному сверхплотному сгустку, однако уже имеющихся в распоряжении науки данных вполне достаточно для принципиального вывода о том, что это была именно материальная форма. Более того, существуют и конкретные предположения на этот счет. Так, некоторые физики и астрофизики считают, что такой «изначальной формой» мог быть физический вакуум. Во всяком случае уже известно, что вакуум представляет собой особую форму материи, способную рождать частицы в полном соответствии с законом сохранения материи и движения.

Таким образом, современная астрофизика не только «нащупывает» все более ранние и скрытые формы материи, не только выявляет новые возможности их взаимопревращения, не только вскрывает все более глубокие естественные взаимосвязи между различными явлениями и сторонами материального мира, но и дает нам убедительные свидетельства его единства, отсутствия каких бы то ни было сверхъестественных сил, стоящих над материей.

Вернемся, однако, к истории развития «теории расширения». Ее популярность быстро росла. В известной степени способствовали этому общедоступные книги о расширении Вселенной, написанные сперва английским ученым Артуром Эдингтоном, а затем американским физиком Георгом Гамовым.

Гамов не просто популярно изложил известные вещи. Пытаясь решить проблему происхождения химических элементов, он в 1948 году построил свою собственную концепцию «горячей Вселенной». По его мысли, первичный сгусток вещества — илем — представлял собой массу водорода, сжатого до такой степени, что электроны были вдавлены в протоны, а образовавшиеся в результате нейтроны оказались спрессованными до предела при очень высокой температуре. Распад и последующее расширение илема, которое Гамов попытался проследить стадия за стадией, и привели к образованию Метагалактики. Отличительной особенностью гипотезы Гамова является предположение о том, что на начальном этапе расширения плотность излучения во много раз превосходила плотность вещества. Вообще говоря, эта идея высказывалась и раньше, но только Гамов и его ученик Альфер осуществили серьезное физическое исследование подобной ситуации.

Согласно теории «горячей Вселенной», на одном из ранних этапов расширения должно было возникнуть коротковолновое электромагнитное излучение, постепенно заполнившее все мировое пространство.

Это излучение, названное реликтовым, было обнаружено американскими физиками А. Пенциасом и Р. Вилсоном в 1965 году. Открытие реликтового излучения стало очень важным экспериментальным подтверждением расширения Метагалактики.

Ко всему сказанному следует добавить: из общей теории относительности следует также, что геометрия пространства может меняться со временем еще и в результате распространения так называемых гравитационных волн, источниками которых могут служить колебания масс, космические взрывы и другие явления, происходящие в глубинах Вселенной.

Сейчас многие физики и астрофизики заняты поисками гравитационного излучения. Есть и сообщения о первых успехах. Но они еще нуждаются в тщательной и всесторонней проверке. И только после этого можно будет делать какие-либо определенные выводы.

Правда, гравитационные волны, если даже они и в самом деле существуют, несут с собой ничтожную энергию. Но доказательство самого факта их существования бесспорно имело бы принципиальное значение.