Архив рубрики: Бегство от удивлений Г. Анфилова

Бегство не окончено

У Ньютона на свойстве инерции держалась «глав­ная» мировая система отсчета (вспомните наш фантас­тический «аквариум»). Недаром она получила назва­ние инерциальной. Первый закон механики утвердил ее тем, что движение тел, не подверженных действию сил (то есть по инерции), признал прямолинейным (тут неявное узаконение евклидова абсолютного пространства) и равномерным (математическое время).

Эйнштейну единая инерциальная система отсчета не понадобилась. Вместо нее появился моллюск отсчета. Инерция же осталась и в основе моллюска. Правда, стала сложнее. Телу, свободно двигающемуся (а так­же падающему) по какой-то определенной геодезиче­ской линии, благодаря инерции предписывалось следо­вать далее только по этой линии. Так преобразился первый закон механики. Но и обновленный, он лишь признал существование инерции, не вскрыв ее причин.

Между тем физикам очень хочется понять наконец эти причины. Постичь, почему телу, находящемуся вда­ли от тяготеющих масс, в равной мере разрешено по­коиться и двигаться прямо и равномерно. Почему, па­дая, оно может пребывать на любой геодезической ли­нии, но ни на йоту не должно смещаться с нее.

Я уже сообщал вам: в прошлом веке некоторые физи­ки думали, что в свойстве инерции заключена связь любого тела со всем миром, что даже на самое удален­ное тело действует совокупность звезд — и это их совмест­ное влияние есть инерция. Красивая, очень привлека­тельная идея.

Но когда пришел Эйнштейн, и звездам, галактикам была отдана огромная роль в формировании мира (вспомните наши космологические экскурсы), инерция все равно осталась необъясненной. По очень простой причине: согласно общей теории относительности, она остается и в абсолютно пустом пространстве (ибо там не исчезает, а лишь выпрямляется моллюск отсчета).

«Захваты», запрещающие камню ускоряться или оста­навливаться, должны действовать и без звезд. Другими словами, и в идеально «выметенной» Вселенной мы будем чувствовать перегрузки в набирающем скорость звездолете.

Постичь инерцию призвана новая, еще не родившая­ся теория, которая еще глубже проникнет в физическую суть вещей, чем гениальная общая теория относитель­ности Эйнштейна.

Но пока неизбежно следующее резюме. Поскольку инерция, к которой у Эйнштейна сведено тяготение, оста­лась непонятной, от удивления падающему камню мы так-таки не убежали, несмотря на все старания.

Ничего не поделаешь, возле этого простейшего явле­ния пока стоит в недоумении сама наука. И готовится к новому рывку в беге познания. Чтобы потом встали на очередь следующие удивления, следующие рывки...

Долго ли ей бежать?

Я думаю, всегда.

И это, пожалуй, совсем неплохо.

Бегство от удивлений — отличное занятие!

Забытое чудо

Это еще не очень огорчительно, что я не растолко­вал нечто уже описанное и объясненное в других книж­ках. Тревожнее нижеследующее.

Если мне, автору, послушаться голоса своей совести и быть до конца откровенным (что, конечно, необходи­мо при уважительном отношении к читателю), то при­дется объявить вам со смущением:

несмотря на то что мы с вами шумно ликовали, ко­гда разгадали, следуя Эйнштейну, тайну падения жер­новов и пушинок;

несмотря на то что от полноты чувств был даже включен духовой оркестр;

несмотря на то что из своей разгадки мы выудили любопытные известия о Вселенной — и о ее строении, и о ее истории...

Так вот, несмотря на все это, наше объяснение чуда падения тел было, строго говоря, неполным, неоконча­тельным, половинчатым. Бегство от удивления камню, летящему с Пизанской башни, следует поэтому признать незаконченным. Вот в чем тут дело.

Суть разгадки, к которой мы в свое время добра­лись, заключалась в блистательной возможности свести тяготение к инерции. Это и было сделано. Но не было выяснено, что же такое сама инерция.

Может быть, кто-нибудь помнит, что в самом начале книжки, впервые произнеся слово «инерция», мы с вами согласились, что она — великое чудо природы. Тогда мы ничего в ней не объяснили, сказав только, что она определяется знаменитым первым законом Ньютона как способность тела сохранять состояние покоя или равномерного прямолинейного движения. Потом мы поняли, что измеряется инерция инертной массой, чуть-чуть коснулись сил инерции, а далее увлеклись явлени­ем, которое показалось нам еще более странным,— тя­готением, долго и подробно его разбирали, в конце кон­цов свели его к инерции, позабыв (с моей стороны — умышленно), что и она все еще не объяснена, все еще остается чудом. И вот только теперь снова вспомнили о ней.

Вспомнили только затем, чтобы объявить: причины явления инерции до сих пор неизвестны науке.

Это надо немного пояснить.

О чем пришлось умолчать

Вот так — торопливо, скомканно — я сообщил вам о начале Метагалактики и некоторых сопутствующих идеях. Достоверно, видимо, лишь то, что мир, ныне спо­койный, около десяти — пятнадцати миллиардов лет то­му назад был исполинским, практически мгновенным взрывом. Взрывом не разрушения, а созидания — сози­дания современной природы.

Этим, пожалуй, исчерпывается общепризнанное в создаваемой сейчас истории природы. Остальное — толь­ко предположения.

Метагалактическая космогония пока пробует силы. В арсенале ее еще много условного. Кое-кто из ученых считает ее поэтому спекулятивной, плохо обоснованной. Но фундамент ее надежен. Этот фундамент — космоло­гические выводы теории относительности и физика мик­ромира — поставлен на почву твердых фактов. Поэтому даже ворчуны и скептики из научного мира не отма­хиваются от космогонических идей и серьезно их об­суждают. Поле же для дискуссий тут необозримо.

Многие из идей мне пришлось опустить. Например, не нашлось места рассказу о сверхзвездах — исполин­ских источниках лучистой энергии, которые находятся от нас в миллиардах световых лет. Быть может, некото­рые сверхзвезды — это древнейшие сгустки «дозвездной» материи, «слепившиеся» из вещества, едва остыв­шего после первичного взрыва. Если так, то мы не толь­ко «слышим по радио», но и видим (разумеется, через хороший телескоп) величественную картину раннего дет­ства Метагалактики.

Ни слова не сказано и о проблеме «устройства» пустоты, об античастицах и антимирах, ставших сегодня модной темой салонных разговоров и даже стихов. Оправдываюсь вескими причинами. Во-первых, для более или менее вразумительного рассказа тут понадобился бы тонкий разбор премудростей физики микромира, что за­ставило бы вдвое увеличить объем этой книжки (а ре­дактор и так недоволен, что она вышла слишком тол­стой). Во-вторых, указанные идеи много раз описаны популяризаторами. В-третьих, уж слишком далеко ушли бы мы от исходного удивления падающему камню.

Ну, а теперь критически оглянемся назад.

Вечности и бесконечности

Пожалуй, надо отдельно сказать о старой-престарой проблеме, поныне волнующей любознательных людей. О философской вечности и бесконечности природы. Иногда на эту тему случались бурные споры. Философы и физики говорили как бы на разных языках. Иные фи­лософы наотрез отказывались признать физические идеи о возможной конечности и невечности мира. Ссы­лаясь на авторитеты, приводя множество цитат, они безапелляционно объявляли физиков идеалистами: ведь невечность мира наводила мысль о «творце».

Физики, в свою очередь, ругали философов догма­тиками, ссылались на свою науку, призывали поглуб­же заняться космологией. Что касается идеализма, то он, как напоминали физики, пристегивался в свое время и к бесконечной Вселенной. Тот же Ньютон хотел ото­ждествить божество с абсолютным пространством и ма­тематическим временем.

Но сейчас страсти, кажется, поутихли. Большинство философов-материалистов сумели понять физиков, боль­шинство физиков согласились с вдумчивыми филосо­фами.

Стало ясно, что физики, постигая структуру и исто­рию мира, оперировали сугубо физическим пониманием пространства и времени, неразрывно связанным с системами отсчета механического движения. Потому-то выводы физиков относились лишь к одной «комнате» Вселенной — Метагалактике. А она, как выяснилось, вправе быть и конечной и бесконечной, в зависимости от средней плотности вещества.

Причем, как доказал советский космолог А. Л. Зельманов, и бесконечный Мегамир совсем не обязательно покрывает всю Вселенную. Он может быть лишь частью мира другой системы отсчета. В этом смысле бесконеч­ное вправе оказаться частичкой даже конечного. (Хочет­ся вспомнить чеховскую шутку о бесконечном мире в дупле чьего-то зуба!)

Нам с вами известен пример явления, которому раз­решено сразу быть вечным и мгновенным: уже говори­лось, что сверхгигантское тяготение способно для уда­ленного наблюдателя растянуть секунду в вечность. Камень, падающий в таком тяготении, для удаленного наблюдателя сначала ускорялся бы, а потом вечно замед­лялся (так как попадал бы в области все более замед­ленного времени). А для самого камня продолжалось бы ускоренное падение. Наша вечность соответствовала бы его мгновению!

Для кого-то моментально вспыхнувшая пылинка, для кого-то бесконечно долгий и безмерно огромный мир! Кое-кто даже допускает, что элементарные частицы — вроде «входов» в безграничные миры. Вот вам еще один вывод науки, который, пожалуй, фантастичнее профес­сиональной фантастики!..

Четкое понимание роли систем отсчета в оценке ми­роздания — это, видимо, главное, что помирило спор­щиков.

Теперь философы признали за физиками право из­мерять и оценивать любые физические времена и про­странства, от бесконечно малых до бесконечно больших. И судить о том, каковы длительности и размеры любых объектов — от электрона до Вселенной. Физики же, проникая в дали природы, согласились, что нет резона навязывать философии чисто физическое понимание си­стем отсчета. Идея неисчерпаемости мироздания ныне не оспаривается никем. Даже если наша Метагалактика окажется конечной, это отнюдь не подорвет утверждения о вечности, бесконечности, неисчерпаемости и безмерной сложности всей природы в целом. В обобщенном фило­софском понимании этих слов.

До прошлого

Остается еще один существенный вопрос, обычно за­даваемый начинающими любителями космологии:

— А что было за секунду до первичного мирового взрыва? За год? За сто миллиардов лет?

До взрыва было, вероятно, очередное сжатие, до него—расширение, еще раньше, быть может,—опять-таки взрыв и т. д. Такой ответ допустим. Но в нем мол­чаливо признается возможность отсчета времени в ка­кой-то внешней, не принадлежащей нашему миру, системе отсчета.

«Не выходя» же из нашей Метагалактики, подобный отсчет выполнить, строго говоря, невозможно.

Согласно решению Фридмана, время до начала рас­ширения мира находилось, если воспользоваться терми­нами алгебры, под квадратным корнем и имело отрица­тельный знак. Оно было мнимым. Другими словами, его физически не существовало. Во всяком случае, в том понимании, которое использует на­ша физика.

Тут нет никакой мистики, ни­какой непознаваемости. Структура общей теории относительности та­кова, что ей доступны причинные связи только той формы физической природы, какая есть. Пока мир хотя бы похож на совре­менный, теория действует и может сказать очень многое. Но в качественно ином мире (а таким и было, конечно, это самое «прамироздание») действовали другие причин­но-следственные связи, недоступные теории Эйнштейна, как и всей физике, привычной нам и выведенной из доступных нам явлений.

Ну, а откуда-то извне, из иного пространственно-вре­менного мира, подобно нашему (и, разумеется, вполне материального), отсчитывать в том времени наши собы­тия, конечно, не возбраняется. Теоретически это можем делать и мы.

Прогноз на будущее

Подавляющее большинство новичков, усвоив выше­изложенное, незамедлительно стреляют залпом вопро­сов. Первый из них всегда такой:

— Что ждет нашу Вселенную в будущем?

Прогнозы составлены.

Если мир незамкнут, он будет вечно расширяться, только и всего.

Если мир замкнут, через многие миллиарды лет его расширение сменится сжатием. Галактики двинутся на­встречу друг к другу, кривизна моллюска отсчета ста­нет расти. Вероятнее всего, сжатие продлится до ка­кого-то предела, до не очень тесного сближения галак­тик, а потом снова начнется расширение. (Этот вариант исследован в работах наших ученых Е. М. Лифшица, И. М. Халатникова, В. В. Судакова.)

Менее достоверен другой вариант, согласно которо­му начавшееся сжатие не остановится, пока не стянет Мегамир опять в точку. Как свидетельствует расчет, такое может случиться, лишь если мир обладает иде­альной сферической симметрией. Это условие едва ли отвечает реальности. Все же некоторые ученые допу­скают впереди катастрофическое «захлопывание» мира.

Разумеется, столь бурный эпизод в истории мирозда­ния не будет означать «конца света». Совершится лишь переход материи в иное состояние.

Более, того, сохраняя верность оптимизму, можно, я думаю, не опасаться за судьбы разумных существ, ко­торые доживут до тех далеких пор и овладеют высшим знанием и могуществом. Какие-нибудь высокоразвитые цивилизации будущего сумеют, быть может, пред­отвратить надвигающееся «миротрясение» — хотя бы тем, что заранее нарушат симметрию сжимающейся Метага­лактики (вот вам идея для умопомрачительного ультрафантастического романа).

Последний абзац уместен, конечно, лишь в сугубо несерьезной книжке — такой, как эта. Однако мне вспо­минается кулуарный разговор двух молодых и темпе­раментных ученых между заседаниями одной космоло­гической конференции. Оба выражали недовольство тем, что в нынешних гипотезах игнорируется роль воз­можного разумного вмешательства в судьбу Вселен­ной... Разумеется, вполне материального вмешатель­ства, отнюдь не мистического.

Горячий или холодный?

На бумаге сперва все выглядело благополучно. Но подробный разбор гипотезы внес сомнения. В описан­ной картине «вселенской кухни» не вышло современ­ного соотношения элементов. Даже основных. Избыток изначальных нейтронов и нехватка новорожденных про­тонов привели бы к острому недостатку в мировой ма­терии водорода (ведь атомные ядра водорода — это просто протоны, которые, по Гамову, отсутствовали в первичной материи). Гелия же, наоборот, должно было «свариться» больше, чем есть на самом деле (потому что мириады нераспавшихся нейтронов жадно соединялись бы с только что возникшими протонами). А из гелия во­дород самопроизвольно выделиться не мог — по той же примерно причине, по которой из золы не может само собой воскреснуть березовое полено.

К тому же гамовский мир в «только что приготовлен­ном виде» был очень горячим. Температура там достига­ла миллиарда градусов. Гигантская энергия в виде све­та, гамма- и рентгеновых лучей обязана была затопить новорожденное пространство лучистыми потоками. А по­тому и сегодня в космосе должно присутствовать много света — гораздо больше, чем, казалось бы, есть на са­мом деле.

Эти соображения заставили ученых усомниться в идее Гамова. Были выдвинуты другие гипотезы. В частно­сти, наш академик Я. Б. Зельдович опубликовал вариант «холодного» формирования вещества. У Зельдови­ча в качестве сырья вместо света и нейтронов предла­гались протоны, электроны и нейтрино, а нейтроны воз­никали в начале расширения из-за «уменьшения тесно­ты». Когда стало посвободнее, электроны «впрыгнули» в протоны (куда прежде, пока было «тесно», их «не пу­скали» нейтрино). Вот и получились нейтроны.

Против этого варианта трудно было спорить, тем бо­лее что он дал более точное соблюдение процентного состава синтезировавшихся элементов.

И все же идея «горячего мира» сейчас признается более правдоподобной. Дело решилось совсем недав­но — после открытия уже упоминавшегося «фотонного фона», или, иначе, «реликтового света» (какой, кстати, красивый термин!). Именно он, то есть вездесущие кван­ты сантиметровых радиоволн, разгуливающие по нашей Вселенной, и являет собой реликт, остаток, ослабленный след грандиозной лучистой вспышки первичного миро­вого взрыва.

За миллиарды лет очень энергичные кванты потеряли энергию и частоту — ведь они много раз поглощались и излучались, место их рождения стремительно удалялось от всех точек нашего «взрывающегося» мира. Вместе с частотой благодаря расширению Мегамира уменьши­лась и плотность излучения первичной вспышки. Значит, снизилась его температура. Сейчас в расширившейся Метагалактике от былого миллиарда градусов осталось всего около трех (выше абсолютного нуля).

Поразительнейший факт! Сегодня мы «принимаем по радио» первовспышку своего мира! Фигурально выра­жаясь, чувствуем отблеск совсем юной Метагалактики, находившейся в «младенческом» возрасте — вскоре после ее бурного рождения! Правда, это «вскоре» составляет сотни тысячелетий — лишь через такой срок взорвавший­ся бурлящий мир обрел прозрачность.

Для полной реабилитации гипотезы «горячего взры­ва» надо, правда, исправить гамовскую ошибку в оценке процентного состава синтезировавшихся атомов. Но это, как считают, дело поправимое. Возможно, в первичной «взрывчатке», кроме нейтронов и света, были и какие-то другие частицы, что несколько изменило программу синтеза вещества. А может быть, астрономы, присталь­нее изучив мировую материю, найдут-таки в ней неви­димый сейчас, как-то «спрятавшийся» гелий. Подобное отнюдь не исключено — ведь очень долго и весьма успешно «прятался» от проницательного взгляда ученых тот же реликтовый свет.

Во всяком случае, главное теперь общепризнано: наш мир некогда взорвался как бомба, это был «горя­чий, горячий, горячий мир». Потом он расширялся и остывал.

Кухня вещества

Как явствует из одной фантастически-шутливой теле­визионной пьесы Станислава Лема, в Галактике дей­ствует некий «Лик», занимающийся «размешиванием» мировой материи (чтобы она «не подгорела»). Так вот, хоть «Лик» нашему миру, разумеется, не нужен (так же как «вседержитель Атлас» и прочие небесные деяте­ли, шуточные и нешуточные), однако его работа осуще­ствляется. Сама собой. Потому что «мировой кисель» не только отлично сварен, но и тщательно размешан. Всю­ду состав вещества неизменен. В любом уголке мира — одинаковое соотношение атомов разных сортов. Астроно­мы в этом убедились после многолетних наблюдений звездных и других спектров.

Больше всего в мире водорода, заметно меньше, но тоже много, гелия, а затем идут в определенной после­довательности остальные элементы периодической си­стемы Менделеева.

Эта четкая дозировка (известная пока, правда, до­вольно приблизительно) служит ключом к расшифровке начала начал мироздания. Проблема формулируется так: понять, каков мог быть исходный, лишенный совре­менного простора, сверхсжатый мир, чтобы его расши­рение вызвало к жизни нынешние формы материи в их современном процентном отношении. Другими словами, надо угадать, из какого «сырья» и как некогда синте­зировалось вещество Вселенной.

С первой гипотезой выступил в 1949 году американ­ский физик Георгий Гамов. Его идея: сырье было жид­костью, спрессованной из нейтронов и света.

Основание для гипотезы такое. Материя нашего мира в целом электрически нейтральна, а потому резонно предположить, что первичное сырье для нее было составлено из самых распространенных нейтральных ча­стиц — нейтронов и фотонов. К тому же в свободном состоянии нейтрон нестабилен — за 1000 секунд половина таких частиц распадается, обращаясь в протоны и электроны (да еще антинейтрино). А из протонов, ней­тронов и электронов построены все атомы.

Вот гамовский вариант «варки вещества».

В «дозвездном» состоянии мира сжатые нейтроны были несвободны и не могли распадаться (при этом Метагалактика умещалась в объеме нескольких кубиче­ских сантиметров). Как только началось расширение, нейтроны получили свободу и стали распадаться. Рож­дались протоны и электроны. Новорожденные протоны соединялись с еще не распавшимися нейтронами. Так возникли атомные ядра. Они захватывали электроны — творились атомы. Разные — в зависимости от числа про­тонов и нейтронов, образовавших атомные ядра, в ос­новном водорода и гелия. За несколько минут сформи­ровалось все «легкое» вещество нашего мира.

Сколько лет Мегамиру?

«Вопреки обычному мнению, предсказывать в науке будущее несравненно легче, чем восстанавливать исто­рию»,—сказал однажды профессор Я. А. Смородинский, ободрив тем самым историков вообще, и историков при­роды в частности.

Но труднее — значит, любопытнее. Вероятно, поэтому о прошлом Вселенной высказано несколько оригиналь­ных гипотез. Эта ветвь научного значения — самая, по­жалуй, дерзкая, самая близкая к философии, самая антимистическая. Сейчас вы с ней немножко познакомитесь.

Многие ученые твердо убеждены в том, что если ныне Метагалактика расширяется, то когда-то она была еще не расширившейся — катастрофически сжатой, с ка­чественно иным состоянием пространства — времени и материи. Как давно это было, судить можно. По совре­менному темпу разбегания галактик, расстояниям до них, при внесении кое-каких поправок и допущений воз­раст наблюдаемого нами состояния Вселенной оцени­вается примерно в 10—15 миллиардов лет.

Это не так уж много, если вспомнить, что, по сло­вам геологов, возраст Земли составляет 5—6 миллиар­дов лет, и Солнце, по мнению астрофизиков, живет те же 5—6 миллиардов лет.

Так что же представляла собой наша «комната» ми­роздания в начале ее бытия?

Какие процессы там разворачивались? Можно ли вос­становить их сегодня?

Уходящие галактики

Ну, а расширяется мир или сжимается?

Здесь ответ однозначен. Расширяется. Основание — знаменитое «красное смещение» линий спектра далеких галактик. Именно это открытие, которого, к сожалению, не дождался Фридман (оно было сделано через четыре года после его смерти американским астрономом Хэбблом), подняло исследование советского ученого от уровня более или менее вероятной гипотезы на почет­ный пьедестал достоверной космологической теории.

Хэббл установил знаменательный факт: спектраль­ные линии света далеких галактик сдвинуты к красному концу спектра, и смещение тем значительнее, чем дальше галактика от нас. Тут-то и отыскалось прямое доказа­тельство разбегания галактик, что легче всего было объяснить расширением самого мира, моллюска отсчета. Причем тем более быстрого расширения, чем оно даль­ше от наблюдателя, точно в соответствии с теоретиче­ским предвидением Фридмана.

Ведь от удаляющегося источника к неподвижному наблюдателю световые волны приходят как бы растя­нутыми, их колебания — замедленными (вспомните опыт Паунда и Ребки). Уменьшается частота — значит, ме­няется цвет излучения, линии спектра сдвигаются к низкочастотному — красному — его краю. Словно по­езда с фонариками на хвостовых вагонах, уходят от нас звездные города, влекомые расширяющимся ми­ром. И сигнализируют об этом красным смещением своих спектральных линий. Темп расширения установ­лен. Галактики, находящиеся от нас за три миллиона световых лет, убегают, по современным данным, со скоростью 75 километров в секунду, вдвое более да­лекие — вдвое быстрее и т. д.

С этой точки зрения наводит, наконец, естественное и очень простое объяснение ночная тьма. Из парадокса она превращается в закономерную необходимость, присущую даже бесконечному миру с бесконечным числом галактик, расположенных как угодно. Лишь бы было расширение. Потому что от далеких галактик, несущих­ся прочь от наблюдателя с колоссальными скоростями, вместо света должны приходить невидимые излучения малой частоты — инфракрасные лучи, радиоволны, то есть темнота. Может быть, «чуть тепленькая» темнота и еле слышный «контрабасовый» радиошум. От самых же далеких — бесконечно длинные волны, бесконечно медленные колебания и, значит, полное отсутствие энергии — холодная тьма, мертвая тишина.

Таков в общих чертах современный взгляд науки на современное состояние Вселенной. Интересен также взгляд в прошлое мироздания.