Занимательная астрофизика - Виктор Комаров

Однако повторяющая себя Вселенная в духе Гёделя пока что остается всего лишь неопределенной идеей, возможностью, которая и не подтверждена и не опровергнута. Более детально разработаны другие варианты циклических моделей. В этих моделях Вселенная пульсирует, то сжимаясь, то расширяясь и периодически проходя при этом через стадию чудовищно плотной горячей плазмы.

Одна из таких моделей сконструирована английским астрономом Т. Голдом. В ее основу положен тот уже известный нам факт, что все современные физические теории в принципе допускают обращение направления времени. Если в уравнениях этих теорий изменить направление течения времени на противоположное, то не возникает никаких противоречий, только все события потекут в обратном порядке.

Правда, в реальном мире мы ничего подобного не наблюдаем. И тому, видимо, есть свои причины, хотя нам они пока неизвестны. А вот в модели Голда время всякий раз поворачивает вспять при каждом переходе от эпохи сжатия к эпохе расширения.

Вдохновившись «конструкторской» деятельностью Голда, другой английский астроном Девис решил «построить» свою Вселенную, в известной мере противоположную Голдовской. В этой Вселенной направление времени в каждом цикле также меняется на противоположное, но в промежутках между соседними циклами в период наибольшего сжатия время вообще не имеет направления, Что это значит физически, сказать трудно, поскольку (мы это не раз обсуждали) в современной физике и астрофизике вопросы, связанные с поведением материи в экстремальных условиях, в частности, при очень больших плотностях, по существу, еще не разработаны. Но любопытно, что конструкция Девиса допускает проникновение через область наибольшего сжатия некоторых физических процессов из одного цикла в другой, разумеется, с соответствующей «переработкой». В частности, с этой точки зрения Девис пытается истолковать реликтовое излучение.

Как мы уже говорили, астрофизики рассматривают его как весьма веское доказательство начального взрыва и вообще справедливости всей теоретической концепции горячей расширяющейся Вселенной.

Однако в модели Девиса реликтовое излучение приобретает совсем иной, прямо скажем, совершенно неожиданный смысл. Это уже не посланец из прошлого, а отголосок… будущего. Именно отголосок, а не предвестник. Своеобразная «радиозаря» того цикла в эволюции Вселенной, который еще только должен наступить в будущем.

Таким образом, во Вселенной Девиса нарушается один из фундаментальнейших принципов современного естествознания, согласно которому следствия не могут опережать свои причины. Тем не менее не исключено, что модель Девиса, несмотря на всю свою экстравагантность, все же отражает какие-то вполне реальные, и, быть может, весьма существенные черты мироздания.

Весьма необычна и циклическая модель, разработанная одним из учеников Эйнштейна Уилером. И в этой модели Вселенная пульсирует, то сжимаясь, то раздуваясь, но всякий раз она возрождается из сверхплотного «сгустка» в ином виде, с иными характерными параметрами, даже с иным набором элементарных частиц. Любопытно, что во Вселенной Уилера вообще нет времени в обычном понимании этого слова — нет настоящего и будущего. Поэтому в такой Вселенной возможны любые парадоксы — они здесь в порядке вещей.

Никто, разумеется, не станет утверждать, что одна из перечисленных выше моделей — это и есть точное описание нашей Вселенной. Да на это они, пожалуй, и не претендуют. Идет поиск. Нащупываются новые направления, оцениваются и переоцениваются различные идеи, осмысливаются новые факты и тем самым выявляются новые грани окружающего нас мира. Многое в циклических моделях в той или иной мере условно. За исключением одного вопроса, который имеет самое непосредственное отношение к свойствам нашей реальной Вселенной, — вопроса о том, сменится ли ее расширение сжатием? Для того чтобы это произошло, общая масса во Вселенной должна быть достаточно велика — тогда ее притяжение будет тормозить разбегание галактик и, в конце концов, должно остановить их разлет и повернуть эти звездные системы вспять. Со временем такой «обратный» процесс опять приведет к созданию сверхплотной сингулярности. С подобным вариантом мы уже встречались в циклических моделях.

Какой же вариант соответствует действительности, в какой Вселенной — открытой или замкнутой — мы живем?

Подсчеты, основанные на общей теории относительности, дают на этот счет вполне определенный численный критерий. Мысленно соберем всю массу Вселенной и равномерно «размажем» ее по всему пространству. Если после этой операции средняя плотность окажется меньше, чем 3·10-29 г/см3, то силы тяготения недостаточны для того, чтобы остановить разбегание галактик, и Вселенная расширяется неограниченно. Если же средняя плотность превысит этот предел (критическое значение), то расширение Вселенной со временем сменится сжатием.

Какими данными располагает современная астрофизика относительно фактической величины средней плотности во Вселенной? Если учесть «светящееся», т. е. видимое, вещество, то его средняя плотность равна 10-31 г/см3. Попытки учесть и другие формы существования материи в зависимости от подхода к решению задачи приводят к значениям средней плотности, несколько отличающимся друг от друга. Все они, в общем, ниже критического значения., но некоторые из них к нему довольно близки.

Важнейшее значение для определения средней плотности будет иметь решение вопроса о наличии конечной массы у нейтрино.

От настоящего к прошлому

Одной из важнейших и, прямо скажем, увлекательнейших задач современной науки является изучение самых ранних этапов эволюции нашей Вселенной, в значительной мере предопределивших ее дальнейшее развитие. Но если вспомнить, что эти этапы отделены от нас весьма внушительным промежутком времени, составляющим по современным оценкам 15–20 млрд. лет, то станет понятно, сколь сложна подобная задача.

Тем не менее современная астрофизика располагает по крайней мере двумя путями к ее решению. Один из них путь прямых наблюдений. Да, да, как ни покажется странной такая возможность — возможность непосредственного наблюдения событий, происходивших миллиарды лет назад, — в астрофизике она существует. Кстати, ничего подобного нет, пожалуй, ни в одной другой области естествознания. Правда, геологи могут непосредственно изучать отложения далеких эпох, палеонтологи — остатки давно исчезнувших животных, а археологи — предметы древних культур. Но хотя все эти объекты и имеют древнее происхождение, наблюдать и изучать их удается уже в нашем времени.

Иное дело в астрофизике, Благодаря конечной скорости распространения электромагнитных волн, чем дальше находится от нас тот или иной космический объект, тем в белее отдаленном прошлом мы его наблюдаем. Радиогалактика в созвездии Лебедя предстает перед нами такой, какой она была около 700 млн. лет назад, а некоторые радиоисточники мы наблюдаем с опозданием, по-видимому, на 10 и более млрд. лет.

Таким образом, регистрируя различные электромагнитные излучения, приходящие на Землю из глубин космоса, мы в принципе можем получать непосредственную информацию о ранних стадиях эволюции Вселенной.

Есть, однако, еще один путь проникновения в прошлое. Дело в том, что минувшее не исчезает совершенно бесследно. В той или иной степени оно отражено в настоящем.

В природе мы встречаемся с закономерностями, которые можно разделить на две группы. Первую составляют общие законы природы, которые действуют всегда, когда для этого складываются определенные условия. К числу подобных законов относятся, например, закон всемирного тяготения, законы движения Ньютона, законы Кеплера и т. п. Вторая группа — закономерности, действующие в данной конкретной материальной системе, сложившиеся в процессе ее эволюции. Эти закономерности в наибольшей степени связывают современное состояние данной системы с ее предшествующими состояниями, настоящее с прошлым. Поэтому выявление и изучение подобных закономерностей может дать наиболее ценную информацию об истории той или иной материальной системы.

Применительно ко Вселенной это означает, что ключ к познанию ее прошлого — в изучении современного состояния космических объектов. Не всякое прошлое, не всякая предыстория могла привести Вселенную к тому состоянию, которое мы наблюдаем сегодня, в современную эпоху.

Можно сказать, что в первоначальной сверхплотной плазме, в результате расширения которой образовалась наша Вселенная, были как бы запрограммированы ее основные свойства. Это не была, разумеется, железная предопределенность классической механики — в дальнейшей эволюции немалую роль играли случайные процессы, но все же «основной сценарий» развития Вселенной содержался в ее начальном состоянии. Иными словами, далеко не всякое начальное состояние могло в дальнейшем породить именно ту структуру Вселенной и те ее свойства, которые мы наблюдаем в настоящую эпоху.