Еще совсем недавно – в середине 70-х годов – некоторые из описываемых в книге достижений казались немыслимыми. Большинство ученых-космологов считали, что, хотя физика в состоянии объяснить эволюцию Вселенной, раз уж та возникла, но происхождение Вселенной лежит вне компетенции физики.
В частности, казалось необходимым предположить, что Вселенная первоначально находилась в довольно необычном состоянии – в противном случае она не могла бы прийти к тому состоянию, которое мы наблюдаем ныне. Таким образом, все важные физические объекты, все вещество и энергию, а также их крупномасштабную структуру приходилось рассматривать как данные богом; их следовало вводить “самолично” как необъяснимые начальные условия. Благодаря бурному прогрессу в понимании Вселенной, достигнутому в последние годы, все эти особенности оказались естественными следствиями законов физики. Начальные условия – в той мере, в какой это понятие имеет смысл с точки зрения квантовых представлений, – не оказывают влияния на последующее строение Вселенной. Таким образом. Вселенная – в большей мере продукт закономерности, нежели случая.
Тот факт, что наблюдаемая ныне картина Вселенной ведет свое начало от Большого взрыва – а именно это предначертано законами физики, – убедительно свидетельствует о том, что и сами эти законы не случайны или бессистемны, а содержат элемент целесообразности. Несмотря на снижение роли религии, люди продолжают искать высший смысл за пределами бытия. Новая физика и новая космология установили, что наша упорядоченная Вселенная – это нечто гораздо большее, чем последствие гигантского катаклизма. Я убежден, что изучение недавнего революционного переворота в физике и космологии станет источником глубокого вдохновения в поисках смысла жизни.
Как обычно в науке, теории и модели носят пробный характер и могут оказаться ошибочными в свете новых открытий. Многие из вопросов, обсуждаемых в этой книге, находятся на переднем крае исследований, и я не сомневаюсь, что будущие достижения муки в основном подтвердят их значимость. Но некоторые детали, излагаемые ниже, следует воспринимать с осторожностью.' Говоря это, я отнюдь не считаю, что последующее развитие науки доставит под сомнение главную тему нашей книги; более того, я убежден, что впервые за всю историю человечества мы стоим на вороге построения полной научной теории Вселенной в целом –теории, в которой ни один физический объект, ни одна система не выпадут из сферы воздействия небольшого числа фундаментальных научных принципов. Теория Вселенной, которую мы излагаем здесь , возможно, неверна, но теперь мы можем по крайней мере В общих чертах представить, как выглядит законченная теория “всего сущего”. Мы увидим, что такая теория возможна. Мы иожем, наконец, представить себе Вселенную, лишенную чего бы то ни было сверхъестественного, Вселенную, которая целиком и полностью является результатом действия подвластных науке Законов природы, и в то же время обладает единством и гармонией, несущими отпечаток целенаправленного действия.

Наше место в пространстве

Одно из самых ранних воспоминаний моего детства связано с тем, как я спросил отца, где кончается Вселенная. “Как она может где-то кончаться? – ответил отец. – Ведь если бы у пространства была граница, за ней должно было бы находиться еще что-то”. Так я впервые столкнулся с понятием бесконечности и до сих пор помню охватившее меня смешанное чувство озадаченности, благоговейного трепета и восхищения. Оказалось, однако, что этот вопрос решается не столь просто, как пытался меня убедить мой отец.
Чтобы составить некоторое представление о границах Вселенной, необходимо прежде всего знать наше местоположение в ней. Планета Земля вместе с восемью другими планетами, обращающимися вокруг Солнца, образуют Солнечную систему. Солнце представляет собой типичную звезду, и остальные звезды, которые мы видим на ночном небе, – почти те же солнца (быть может, только несколько больше и ярче его), возможно, также имеющие планетные системы. В пространстве звезды, распределены не случайным образом, а собраны в гигантские структуры, по виду напоминающие колесо, которые называются галактиками. Широкая светлая полоса на небе, известная под названием Млечный Путь, при наблюдении в телескоп оказывается гигантским скоплением звезд, газа и пыли; это наиболее яркая часть нашей Галактики. Млечный Путь кажется светлой полосой, поскольку наша Галактика напоминает по форме диск. Наибольшее количество звезд в ней сосредоточено в плоскости диска. Солнце расположено от центра диска на расстоянии примерно в две третьих его радиуса. Галактика не имеет резкого края; вся эта структура окружена далеко простирающимся гало из звезд, удаленных на огромные расстояния друг от друга.
Посмотрев за пределы нашей Галактики, мы можем увидеть другие галактики, по форме напоминающие нашу; они разбросаны вокруг нас, образуя скопление. Типичной галактикой является Туманность Андромеды, видимая невооруженным глазом как расплывчатое светлое пятно. Эта локальная группа в свою очередь входит в более крупное галактическое скопление и т.д. Современные телескопы позволили обнаружить, что Вселенная заполнена скоплениями галактик, миллионы которых равномерно распределены в пространстве. Из галактик и построена Вселенная.
Расстояния, с которыми имеет дело астрономия, поистине ужасающи. Если выражать их в километрах, то быстро запутаешься в нулях. Более привычной единицей измерения расстояний здесь является световой год – расстояние, которое свет (его скорость распространения наиболее высокая) проходит за один год. Световой год равен примерно 9,5 млн. км (clue 9.5*10^9, см ниже!!!), но более наглядное представление о его величине мы получим, вспомнив, что свет преодолевает расстояние от Солнца до Земли (150 млн.км)(clue 1.5*10^11) всего лишь за 8,5 мин. (Clue 1 с.год=9.45*10^15м, см. выше, Земля-Солнце 1.53*10^11м). Луна находится от Земли на расстоянии около одной световой секунды. В этих единицах поперечник Солнечной системы составляет несколько световых часов, а ближайшая звезда находится от нас на расстоянии чуть больше 4 лет. Радиус нашей Галактики составляет примерно 100 тыс. св. лет, и в этом необъятном пространстве сосредоточено не менее 100 млрд. звезд. Расстояния до других галактик измеряются миллионами световых лет. “Соседняя” галактика, Андромеда, расположена на расстоянии около 2,5 млн. св. лет от нас, а самые мощные телескопы позволяют обнаруживать галактики, удаленные на расстояния порядка 10 млрд. св. лет.
Такая картина Вселенной построена сравнительно недавно. У всех древних цивилизаций существовало убеждение, что Земля находится в центре мироздания. И хотя астрономия во многих древних обществах была довольно развита, подлинное понимание природы звезд и структуры Вселенной пришло только с развитием современной науки.
В древней Европе космологические идеи, как правило, заимствовались у древнегреческих философов. В VI в. до н.э. Пифагор разработал представление о сферической Земле, находящейся в центре сферической Вселенной. Небесные тела считались божественным творением, и представления об их круговых вращательных движениях диктовались соображениями геометрического совершенства. На протяжении столетий греки развивали эту основополагающую концепцию. Наивысшим достижением древнегреческой астрономии явилась сложная модель мира, созданная Клавдием Птолемеем во II в. Вселенная Птолемея представляла собой набор взаимопересекающихся вращающихся сфер, призванных воспроизвести сложные движения Луны и планет.
В этих первых моделях Вселенная обычно имела конечные размеры, но проблема “границы мира” вызывала немалую озабоченность у мыслителей того времени. Римский поэт Лукреций привлек внимание к ней, задавшись вопросом, что произойдет, если кто-нибудь, дойдя до “края света”, метнет копье. Наткнется ли оно на преграду? Одни модели давали положительный ответ на вопрос Лукреция, так как в них Вселенная считалась ограниченной своего рода стеной или непроницаемой поверхностью. Эта странная идея просуществовала до времен Кеплера, т.е. до XVI в.
Представлению о четкой границе Аристотель предпочел картину плавного, постепенного перехода физического мира в мир духов и эфирных субстанций. И в паши дни эта идея находит отклик у некоторых людей, убежденных в существовании за видимым небосводом “царствия небесного”, и многие наши суеверия и религиозная символика основаны на аналогичных представлениях. Слово “небесный” до сих пор имеет смысл не только астрономический, но и возвышенно духовный. Еще одно космологическое предание связано с “пустотой”. В cooтветствующей модели материальная Вселенная считалась конечной, но ее внешние границы отнюдь не означали предела “всего сущего”. За границами Вселенной до бесконечности простиралось пустое пространство. Но какова бы ни была природа “края света”, неизменно считалось, что Земля находится в центре мира.
Эти идеи потерпели крах в средние века, когда Николай Коперник провозгласил, что в центре мироздания находится Солнце, а не Земля и что планеты обращаются вокруг этого центра. В модели Коперника Вселенная все еще имела конечные размеры и внешнюю границу – сферу неподвижных звезд. Вскоре Томас Диггс предложил отказаться от внешней границы Коперника, противопоставив ей модель, где звезды были рассеяны по безграничному пространству. Идею бесконечной Вселенной тысячелетием ранее проповедовали Лукреций и представители так называемой школы атомистов, но мистические и религиозные аспекты бесконечного нередко выступали на первый план, затуманивая суть вопроса. Так, Джордано Бруно был сожжен по приказу церкви за проповедь идеи бесконечной множественности миров.
Развитие научной астрономии, в особенности создание больших телескопов и изобретение спектроскопа, резко изменило представление человечества о мироздании. Наблюдения показали, что Млечный Путь представляет собой “островную Вселенную”, состоящую из разрозненных частей. Даже в начале прошлого века продолжались споры о том, является ли Млечный Путь галактикой, находящейся в бесконечной пустоте, или за пределами нашей Галактики существуют другие “островные миры”. Некоторые астрономы полагали, что, отправившись достаточно далеко в космическое пространство, можно взглянуть оттуда на все сущее и увидеть все звезды мира, сконцентрированные в одной области, и безграничную пустоту за ее пределами.
Истинную природу Вселенной не удавалось выяснить вплоть до 20-х годов нашего столетия, пока не появились работы американских астрономов Харлоу Шепли и Эдвина Хаббла. Они раз и навсегда установили, что так называемые туманности, давно знакомые астрономам расплывчатые светлые пятна, в действительности представляют собой другие галактики, расположенные далеко от нашей. Нет никаких данных, свидетельствующих об уменьшении плотности галактик и о наличии у них границы или предела. Космологи полагают, что галактики не имеют внешней границы и что они существуют повсюду в пространстве. Тем не менее многие люди (включая и некоторых ученых) склонны считать, что Вселенная представляет собой скопление галактик, окруженное безграничной пустотой. В популярных статьях нередко говорится о “крае Вселенной”, т.е. некой внешней ее границе, за которой простирается пустота. Однако строго научная точка зрения заключается в том, что Вселенная не имеет ни края, ни центра. Вселенную нельзя считать скоплением галактик, распределенных в пространстве, – скорее Вселенная сама содержит пространство.
Как это ни парадоксально, но отсюда отнюдь не обязательно следует, что безграничная Вселенная должна иметь бесконечный объем и содержать бесконечное множество галактик. Один из курьезов современной космологии состоит в том, что Вселенная может быть конечной, не имея при этом границ. Тем, кто усматривает в этом противоречие, надлежит вспомнить о свойствах окружности. В определенном смысле у окружности “нет ни начала, ни конца”. Она не имеет ни границы (края), ни центра (который был бы расположен на окружности). Тем не менее окружность конечна. Можно сказать, что окружность – это линия, которая искривляясь замыкается сама на себя. Обобщив эту идею на трехмерное пространство, можно представить и Вселенную, которая искривляясь замыкается на себя, образуя конечное пространство, не имеющее границы. Многие люди испытывают трудности, пытаясь представить себе замкнутую и конечную Вселенную: им всегда хочется понять, что же лежит за ее пределами. Тем не менее это представление логически непротиворечиво и допускает надлежащее математическое описание. Однако по поводу того, действительно ли наша Вселенная имеет указанные особенности, мнения космологов расходятся.
Если у Вселенной нет внешней границы, то вопрос о нашем местоположении в значительной степени теряет смысл. Само пространство не содержит никаких вех, и инфраструктура Вселенной даже в самых удаленных ее уголках мало чем отличается от нашего ближайшего галактического окружения. В малых масштабах вопрос “Где находимся мы?” не лишен смысла, поскольку мы в состоянии измерить свое положение относительно какого-нибудь заметного ближнего объекта, например Солнца или центра Галактики. Но в пределах Вселенной как целого не существует выделенного места, относительно которого можно было бы отсчитывать положение объектов. Мы как бы находимся на бесконечно протяженной шахматной доске: имеет смысл утверждать, на каком расстоянии мы находимся от ближайшего угла нашего квадрата, но говорить что-либо о нашем положении на доске в целом бессмысленно.

Наше место во времени

Хотя вопросу о нашем месте в пространстве невозможно придать сколько-нибудь общий смысл, космологи часто рассуждают о возрасте Вселенной. Вопрос “Когда?” во многом перекликается с вопросом “Где?” применительно к пространству, и споры и неразбериха по нему также имеют долгую историю. Платон учил, что мир как творение Бога совершенен и потому неизменен в своих основных чертах. И хотя ото дня ко дню мы замечаем какие-то изменения, на протяжении больших отрезков времени – эонов – вещи остаются неизменными. Если бы Платон был прав, то мир не мог возникнуть в какой-то момент времени, а существовал бы вечно. Вопрос о нашем месте во времени утратил бы смысл, ибо время не имело бы начала.
Другая традиционная точка зрения основана на идее о сотворенном мире, который имеет конечный возраст и непрестанно претерпевает необратимые изменения. И если в “момент творения” мир, возможно, был совершенен, то он не остается таковым, хотя вполне мог бы начать эволюционировать (или стремиться) в сторону совершенства.
Мифы о сотворении мира бесчисленны и обычно весьма фантастичны. Научная версия происхождения мира была детально разработана совсем недавно. Она восходит к работам Хаббла по внегалактическим объектам, выполненным в 20-е годы нашего столетия. Тщательно исследовав спектры далеких галактик, Хаббл совершил неожиданное открытие, которое легло в основу современной научной космологии. По изменению спектра излучения галактик–так называемому красному смещению – Хаббл установил, что они удаляются от нас с огромной скоростью. Систематическое исследование характера движения и его зависимости от расстояния показало, что галактики кроме того “разбегаются” друг относительно друга. По существу вся Вселенная в каждой точке находится в состоянии расширения.
Расширение Вселенной порождает определенные трудности при попытке наглядно представить себе этот процесс, что еще более запутывает поиск ответа на вопрос “Где?” Трудно удержаться от искушения мысленно рассматривать процесс расширения как взрыв сгустка материн, осколки которого разлетаются в беспредельном изначально существовавшем вакууме. Если исходить из такого ошибочного представления, то размеры Вселенной должны непрерывно увеличиваться по мере того, как внешние осколки все далее улетают в пустоту. Но, как мы уже знаем, подобная картина Вселенной неудовлетворительна, поскольку предполагает существование “края света”. В более последовательной и корректной модели расширяется пространство между галактиками. В качестве аналогии удобно рассмотреть медленно раздувающийся воздушный шар. Представим себе, что поверхность шара покрыта точками, изображающими галактики. Когда шар раздувается, его резиновая оболочка растягивается, и точки на ее поверхности все дальше отходят друг от друга (рис.
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39