Подбираясь к истокам мироздания

В последнее время ученые добились замечательных успехов в познании окружающего нас мира: получены новые интересные данные о Вселенной [области космического пространства, доступной наблюдению с помощью современной аппаратуры], сделаны важнейшие шаги на пути к разгадке самых сокровенных тайн строения материи. Подобный прогресс в значительной степени достигнут благодаря бурному развитию электроники, радиофизики, кибернетики, астрономии и других дисциплин, но в его основе лежат теоретические разработки, в первую очередь работы Альберта Эйнштейна — этого, как назвал его В. И. Ленин, одного из «великих преобразователей естествознания», 100-летие со дня рождения которого широко отмечается во всём мире.

Они построили аппараты, которые исследуют далёкие планеты и со страшной силой сталкивают ядерные частицы. Они нацеливают телескопы на самые далёкие галактики и вглядываются через электронные микроскопы в невообразимо крошечный мир атомов. Они борются с пространством, которое искривляется, с частицами, которые превращаются в волны, с чёрными дырами, которые нельзя увидеть.



В последние годы ученые добились таких поразительных успехов, что сейчас даже замахнулись на познание самого акта возникновения Вселенной. Многие космологи совершенно уверены, что знают, с чего она началась, и теперь выясняют, чем она «кончит».

Физики достаточно глубоко проникли в самое «сердце» материи, чтобы обнаружить частицы, которые, по всей вероятности, являются основными строительными «блоками», составляющими все сущее в мире. Теоретики, работающие с вычислительными машинами, находятся на полпути к обетованной земле, физики — созданию системы уравнений, которая связала все фундаментальные силы природы в единую картину.

ОТЧЕГО ИСКРИВЛЯЕТСЯ ПРОСТРАНСТВО?

Все эти успехи по времени совпали со знаменательным моментом в истории науки — сотой годовщиной со дня рождения Альберта Эйнштейна. Этому событию посвящены книги, симпозиумы, телевизионные передачи и почтовые марки. Строгий профессор был бы напуган этой всемирной суетой, так же как его пугали попытки создать ему ореол ещё при жизни. И всё же именно Эйнштейн указал дорогу к новой эре открытий.

Из всех теорий великого учёного ни одна не поразила научный мир так сильно, как общая теория относительности, которая, по существу, заставила совершенно по-иному взглянуть на гравитацию (тяготение).

С тех пор как он сформулировал свои положения в 1916 году, физики проверяли их снова и снова, и общая теория относительности выдержала все проверки, лежа сегодня в основе ряда интересных работ в астрономии.

До Эйнштейна наши представления о гравитации основывались на законах Исаака Ньютона. Закон всемирного тяготения, сформулированный Ньютоном в 1687 году, описывал гравитацию как силу, притягивающую любые два объекта друг к другу. Ньютон утверждал, что эта сила действует везде — гравитация связывает Землю и удаленные звезды так же, как Землю и падающее на нее яблоко.

Эйнштейн решил, что Ньютон не совсем прав. Гравитация, по его мнению, на самом деле является полем, таким же, как магнитное поле. Гравитационным эквивалентом магнита (вокруг которого образуется магнитное поле) является само вещество, которое создает гравитационное поле, искривляя вокруг себя пространство.

Эффект подобен тому, который производит бильярдный шар, лежащий на листе тонкой резины. Если представить себе муху, которая захотела бы проползти мимо такого шара по кратчайшему пути, то она двигалась бы не по прямой линии, а по некоей кривой, огибающей образовавшееся под тяжестью шара углубление в листе. Конкретно путь мухи зависел бы от количества вещества, создающего углубление. Если бы муха ползла мимо горошины, то её путь был бы искривлён меньше (поскольку углубление в листе было бы меньше).



29 мая 1919 года группа английских астрономов сфотографировала звёзды во время солнечного затмения над Собралом в Бразилии и над западноафриканским островом Принсипи. Когда они сообщили, что лучи света действительно изогнулись, было обеспечено всеобщее признание.
 
И тем не менее учёные никогда не переставали проверять теорию Эйнштейна. Например, в 1964 году Ирвин Шапиро из Массачусетского технологического института указал на одно следствие из общей теории относительности: гравитационное поле должно не только искривлять траекторию распространения световых и радиоволн, но и увеличивать время их распространения.

Регистрируя время распространения радиосигналов и лучей радаров, когда они по пути к планетам или космическим кораблям проходят вблизи Солнца, сотрудники Шапиро и другие исследователи подтвердили предсказания общей теории относительности с точностью до 2 процентов. А недавно радиоастрономы Ричард Шрамек и Эдвард Фомалок довели точность проверки общей теории относительности до 1 процента.

«ПЫЛЕСОСЫ», В КОТОРЫХ ИСЧЕЗАЕТ ВЕЩЕСТВО

Сегодня астрономы изучают одно из необычных следствий теории относительности — чёрные дыры. Эти объекты представляют собой бездонные ямы в пространстве. Согласно существующему предположению, они возникают, когда умирающая звезда коллапсирует (сжимается) до такого плотного состояния, что её размеры оказываются ничтожными, а гравитационное притяжение столь мощным, что ничто, даже свет, не может его преодолеть. Чёрные дыры действуют как космические «пылесосы», в пределах досягаемости захватывая и аннигилируя всё вещество и энергию.



Но некоторые из них, по-видимому, полагаясь больше на воображение, чем на доказательства, выдвинули гипотезу, что сингулярности представляют собой тоннели, через которые энергия и вещество, втягиваемые в чёрные дыры, могут проникать в другую вселенную. Другой конец тоннеля они, конечно, назвали «белой дырой».

Белые дыры и другие вселенные зарегистрировать невозможно. Чёрные дыры просто невидимы. Но астрономы полагают, что они зарегистрировали существование таких объектов с помощью косвенных методов. Звезда, втягиваемая в чёрную дыру, перед тем как исчезнуть навсегда, должна испускать характерное рентгеновское излучение. В 1967 году группа исследователей, возглавляемая Риккардо Джаккони из Гарвард-Смитсониевской обсерватории, зарегистрировала этот специфический тип излучения близ невидимой звезды в созвездии Лебедя. С тех пор на небе были найдены ещё три места, возможно, представляющих собой чёрные дыры. Ни один из этих фактов ещё не доказывает существования чёрных дыр, но, поскольку они согласуются с теорией Эйнштейна, физики сегодня считают существование подобных экзотических объектов вполне вероятным.

БОЛЬШОЙ ВЗРЫВ

Вначале был Большой взрыв. Огненный шар «чистой энергии» увеличивался в размерах и постепенно остывал. Через сотую долю секунды после взрыва температура Вселенной составляла 100 миллиардов градусов Цельсия, а её плотность почти в 4 миллиарда раз превышала плотность воды. Появились частицы, которые то превращались в энергию, то снова становились веществом.

Через 3 минуты и 46 секунд частицы уже удерживались одна около другой достаточно долго, чтобы образовать ядра водорода и гелия. Спустя полчаса четверть водорода превратилась в гелий, навсегда тем самым предопределив химический состав космоса.

Затем образование Вселенной замедлилось. Прошло ещё 700 тысяч лет, за которые непрерывно расширяющаяся Вселенная остыла до 4 тысяч градусов, так что вещество заменило излучение в качестве основного компонента космоса. Ядра и электроны объединялись и образовывали стабильные газы — водород и гелий. Вскоре облака газа сконденсировались в звёзды и галактики.

Сегодня, спустя 15–20 миллиардов лет, «потомки» этих первоначальных объектов — 100 миллиардов галактик, каждая из которых содержит около 100 миллиардов звёзд, — заполняют ночное небо, продолжая удаляться друг от друга, поскольку Вселенная продолжает расширяться.

Эта упрощённая картина возникновения Вселенной появилась в последние 15 лет из потока совершенно неожиданных астрономических наблюдений, сопровождавшихся соответствующими теоретическими разработками. Сегодня мало кто из космологов сомневается в справедливости сценария с Большим взрывом. Многие астрономы всё ещё ищут решения загадки о том, как возникли галактики. Другие предпочитают смотреть в будущее. Они хотят ответить на самый главный вопрос: что ожидает Вселенную?



Космологи могут лишь фантазировать о том, что произойдёт. Возможно, Вселенная, сжимаясь, просто «захлопнется». Или же расширится снова, достигнув либо своей нынешней формы, либо чего-то совершенно другого.

Каким из путей последует Вселенная остаётся неясным, несмотря на десятилетия сложнейших исследований. «Одной из самых удивительных вещей является то, что Вселенная, по-видимому, находится сейчас на самом водоразделе между сжатием и расширением», — говорит космолог Хокинг из Кембриджского университета.

Но специалисты надеются выяснить окончательную судьбу Вселенной к концу этого столетия, а может быть, и раньше.

Однако измерения могут только помочь решить космические загадки. Учёным придётся прибегать к интерпретациям, а это никогда не было точной наукой. «Требуется большая смелость, чтобы утверждать, что вся Вселенная выглядит так же, как та часть, которую мы видим», — говорит астрофизик из Калифорнийского технологического института Джеймс Ган. Но все важные измерения во времена Эйнштейна и после него свидетельствовали, что Вселенная действительно однородна.

Именно Эйнштейн проложил дорогу к теории Большого взрыва. Спустя год после публикации общей теории относительности он понял, что в ней подразумевается динамическая Вселенная, и был настолько расстроен этим обстоятельством, что ввёл в свои расчёты дополнительный параметр, сохраняющий для Вселенной возможность быть устойчивой и неизменной. Спустя 50 лет Эдвин Хаббл из Хейлской обсерватории в Калифорнии показал, что в действительности все галактики разбегаются друг от друга, и первоначальная теория Эйнштейна была реабилитирована.

Но расширяющаяся Вселенная отнюдь не обязательно должна была начаться с Большого взрыва; она могла расширяться всегда, постоянно пополняясь вновь поступающей материей. Эта теория «постоянного творения» в течение длительного времени разделялась многими космологами. Но однажды в результате одного из тех случайных открытий, которые часто способствуют решающему прогрессу наших знаний, два исследователя — Арно Пензиас и Роберт Уилсон — решили эту проблему.

Эти учёные никак не могли справиться с простой на первый взгляд задачей: устранить весь шум из радиоантенны. Сколько они ни чистили и ни переделывали инструмент, слабый равномерный свист сохранялся.

В конце концов физики решили, что звук вызывается излучением, которое возникло при образовании Вселенной и существует с тех пор, равномерно распределяясь в пространстве. Такие условия могли быть созданы только в результате взрыва, с «которого всё началось». Это открытие, сделанное в 1965 году, принесло в прошлом году Пензиасу и Уилсону Нобелевскую премию.

КАКОВА ФОРМА КОСМОСА? 

Ещё одна загадка мучает учёных: какова форма космоса? Существуют две возможности. Одна состоит в том, что Вселенную можно уподобить поверхности раздуваемого воздушного шара. У такой поверхности нет ни краёв, ни центра, но её размеры ограничены. Космический путешественник, двигаясь в одном направлении, мог бы преодолеть её всю и оказаться в исходной точке.

Согласно другой модели, Вселенную можно сравнить с поверхностью седла, которая бесконечно простирается во все стороны. У неё тоже нет ни краев, ни центра, но путешественник, задавшийся целью облететь всю Вселенную, никогда бы не вернулся из такого путешествия.

Эта проблема формы Вселенной глубоко связана с вопросом о её конечной судьбе: можно сказать, что геометрия правит судьбой Вселенной. Если Вселенная открыта, как седло, она будет расширяться бесконечно. Но если конечна — замкнута, — то в конце концов она прекратит раздуваться и начнёт сжиматься.

Специалисты изучают сейчас три параметра, которые предопределяют судьбу Вселенной: замедление, плотность и количество дейтерия. Если они смогут определить точную величину замедления, то есть того, как быстро убывает скорость расширения, то можно будет сказать, прекратится ли в конце концов это расширение или нет. Если удастся надёжно измерить плотность космоса (количество материи в нём), то можно будет определить, достаточно ли во Вселенной вещества, чтобы с помощью гравитации удержать её гравитационное стягивание.



Обзор относительно близких галактик, выполненный в прошлом году в Хэйлской обсерватории Аленом Сэндэйжем, Густавом Тамманном и Амосом Яхилом, показывает, что замедление слишком мало, чтобы замкнуть Вселенную. Однако их заключение опирается на допущение, которое невозможно проверить, а именно, что распределение галактик во Вселенной точно такое же, как в рассмотренной ничтожнейшей части космоса.

Измерение плотности Вселенной также ненадёжно. Астрономы могут рассчитать массу известных объектов в космосе — галактик и связанных с ними облаков газа — просто измеряя их гравитационное воздействие друг на друга.

Такие измерения дают плотность, втрое меньшую той, которая необходима, чтобы замкнуть Вселенную. Но материя может существовать в скрытых формах, таких как неизлучающие звёзды, неуловимые частицы, называемые нейтрино, и сверхплотные чёрные дыры.

Измерение количества дейтерия, по-видимому, даёт более определённые результаты. Современные ядерные теории утверждают, что количество дейтерия, регистрируемого в космосе, могло возникнуть только в открытой Вселенной.

Однако сторонники замкнутой Вселенной полагают, что большая часть этого дейтерия образовалась после начала формирования Вселенной, возможно, в центрах звёзд, которые представляют собой «топки», ответственные за создание всех элементов тяжелее водорода и гелия. Если подобное предположение справедливо, это говорит в пользу гипотезы замкнутой Вселенной. Однако недавние измерения Арно Пензиаса подвергают сильным сомнениям эту идею. Результаты показывают, что дейтерий в действительности уничтожается, а не возникает в недрах звёзд.

Таким образом, факты до сих пор больше свидетельствуют в пользу открытой Вселенной, расширяющейся до бесконечности. Но космологи всё ещё не готовы окончательно остановиться на этой теории. Доказательства пока недостаточно весомы.

Кроме того, астрономы знают, что каждое значительное продвижение в науке со времён Коперника всегда «снижало центральную роль человека». Сначала было показано, что Земля не лежит в центре Солнечной системы, затем Солнце оказалось самой обычной звездой на краю рядовой галактики.

Почему мы должны считать себя частью единственной Вселенной, которая всегда существовала и всегда будет существовать? Правда, само представление о другой Вселенной, лежащей за пределами нашей собственной, так же, как размышления о начале времени или крае пространства, уводят человеческий разум в фантастические сферы метафизики. Но именно эти аспекты и придают космологии её бесконечную прелесть и дразнящую загадочность.

ЧЕТЫРЕ СИЛЫ, КОТОРЫЕ «ПРАВЯТ МИРОМ»

Что лежит в основе Вселенной? Греческий философ Фалес считал воду основным строительным блоком, из которого сложена вся материя. Его современник Пифагор полагал, что космос может быть «сведён» к нескольким фундаментальным числам.

Поиски фундаментальных элементов во Вселенной вдохновляли учёных в течение двух с половиной тысяч лет, однако сегодня частицы материи интересуют их уже не так сильно, как четыре силы природы: гравитация, электромагнетизм, слабые и сильные ядерные взаимодействия. Поскольку многие физики полагают, что эти силы проистекают из одних и тех же фундаментальных принципов, они надеются разработать так называемую единую теорию поля.

Правда, никто не выражает чрезмерного оптимизма, ведь Эйнштейн сражался с этой проблемой в течение 30 лет и потерпел поражение. Сложность задачи ошеломляет; она напоминает попытку найти общие правила для футбола, хоккея, тенниса, бейсбола и шахмат. В этих играх площадки, команды, снаряжение и многие другие элементы совершенно различны. И всё же кое в чём все они похожи друг на друга: каждая представляет собой соревнование.



Трудно предположить, что именно является общим в упомянутых выше силах. Сильные ядерные взаимодействия, которые скрепляют ядра, вызывают мощные реакции, обеспечивающие энергией звёзды и водородные бомбы.

Эти силы в тысячу триллионов триллионов триллионов раз превосходят гравитацию, хотя и действуют между частицами на расстоянии в триллионную долю дюйма (дюйм = 2,54 см). Слабые ядерные взаимодействия уступают сильным в сто тысяч раз; они несут ответственность, по крайней мере частично, за радиоактивность отходов атомного производства и энергию звёзд.

Две другие силы нам более знакомы. Так, электромагнитные силы, которые действуют только на электрически заряженные частицы, заставляют светиться электрические лампочки и позволяют магниту привлекать булавки.

Тяготение, с которым мы чаще всего встречаемся в повседневной жизни, во многих отношениях представляет для учёных наибольшую загадку. Являясь самой слабой из четырёх сил, оно в то же время действует на неограниченные расстояния. В отличие от трёх других оно воздействует на все виды материи, причём всегда притягивает и никогда не отталкивает.

В 1961 году Мюррей Гелл-Манн из Калифорнийского технологического института предположил существование субатомных частиц, которые он назвал кварками. Он рассматривал их как строительные блоки, из которых сложены протоны и нейтроны в атомных ядрах.

Согласно существующим представлениям, кварки «управляются» сильными ядерными взаимодействиями. Сама сила переносится столь же загадочными частицами, названными глюонами. Глюоны связывают кварки столь прочно, что они, по-видимому, не могут быть изолированы.

Конечно, кварки, может быть, никогда не удастся обнаружить, однако физики уверены, что они существуют. Так, бомбардируя протоны другими частицами, удалось показать, что протоны состоят из каких-то компонентов, подходящих под теоретическое описание кварков, скреплённых глюонами.

Этот успех в попытках обнаружить единство сил природы чрезвычайно важен для учёных. Но он также свидетельствует о том, что вся материя в конце концов является нестабильной. Ведь даже протон, который долго рассматривался в качестве символа неизменности во Вселенной, как теперь выяснилось, в конце концов может распасться — примерно за миллиард триллионов триллионов лет, в то время как возраст Вселенной составляет «всего каких-нибудь» 15–20 миллиардов лет.

ЗАГАДКИ МАТЕРИИ

Тяготение до сих пор остаётся загадочной силой, однако исследователи прилагают большие усилия, пытаясь объединить его с тремя остальными силами. Их основным орудием является теория «супергравитации».

Она опирается на предположение о том, что гравитационное притяжение, подобно трём другим силам, передаётся специфическими частицами. Эти частицы были названы гравитонами, и, хотя никому ещё не удалось их обнаружить, большинство физиков верит в их существование.

Сторонники супергравитации пытаются вписать гравитоны в хорошо скомпонованное семейство других элементарных частиц. Однако это сделать чрезвычайно трудно, поскольку они отличаются от всех других известных частиц в одном критическом пункте. Физики называют эту характеристику «спином», и относится она к вращению частиц при их движении. Гравитоны вращаются не так, как остальные члены «зоопарка» элементарных частиц.

Трудностей здесь очень много. Математикам нелегко устранить бесконечные значения некоторых величин из уравнений супергравитации. Кроме того, трудно подобрать достаточное количество частиц, хотя бы отдалённо напоминающих по своим свойствам гравитоны, чтобы их можно было включить в объединённую систему.


Но сегодня учёные не впадают в заблуждения их предшественников из XIX века, которые полагали, что уже поняли основные законы Вселенной и в картину мира осталось вписать лишь некоторые несущественные детали. Сегодняшние физики, вдохновлённые двенадцатилетним прогрессом в поисках объединенной теории поля, знают, что предстоящий путь ещё очень долог.

Наука традиционно была могучей силой детерминизма (детерминизм — учение о причинной обусловленности всех явлений). Достаточно взять законы природы, подставить в них все данные, и вы сможете предсказывать, как будут разворачиваться события.

Это совпадает с мнением Эйнштейна, который посвятил себя науке, потому что хотелось «променять прихотливость людей на определённость атомов». Но величайшая ирония судьбы состоит в том, что его работы дали науке совершенно новый взгляд на Вселенную, в которой сложный механизм причинности открывает дорогу к космической игре случайностей.

Это началось ещё в 1905 году, когда Эйнштейн показал, что свет отнюдь не всегда проявляется как волна, но иногда представляет собой частицу. Физики назвали этот дуализм «дополнительным». Волновой и корпускулярный аспекты света дополняют друг друга, как две стороны монеты.

Задавать вопрос, чем является свет «на самом деле» — волной или частицей, — абсолютно бессмысленно. В зависимости от поставленного опыта, — то есть от того, какой стороной повернулась монета, — учёные могут видеть либо световые волны, либо световые частицы.

Уже на этом примере видно, что эйнштейновская определённость атомов дала трещину. Вскоре после того, как учёные обнаружили эту глубокую странность явления, которое предстает то в виде волны, то в виде частицы, они сделали ещё один шаг в сторону от проторенных дорог детерминизма.


«Квантовая механика» нарисовала и новую картину атома. Вместо маленького подобия Солнечной системы с электронами, вращающимися вокруг ядер, как планеты вокруг светила, атом теперь представляется в виде ядра, окружённого волнами вероятности, которые указывают, где может находиться электрон.

Вероятность и случайность встречаются и в других областях современной физики. Такое состояние дел приводит многих ученых в глубокое замешательство.

---

«Ньюс Уик», Нью-Йорк
Иллюстрация: использованы изображения из архива и NASA Hubble Space Telescope