Силиконовый Рай

Совершенствование телескопов позволило астрономам заглянуть в глубины мирового пространства на миллиарды световых лет. Учёные открыли множество новых звёзд, огромное количество гигантских звёздных систем — галактик, удалённых от нас на невообразимые расстояния. Причём со временем стало ясно, что границы мира — если они вообще существуют — отодвигаются всё дальше и дальше, а пространство, охваченное наблюдениями, — на самом деле лишь небольшая часть Вселенной. Учёные пытаются научно обосновать ответы на вопросы: как устроена Вселенная и всегда ли была такой? Они создают модели Мироздания, в которых все свойства объясняются математическими и физическими законами, а не мифами, традициями и религиозными верованиями. Область астрономии, которая изучает и моделирует Вселенную как целое, называется космологией. Именно космологи определяют и объясняют, что представляет собой Вселенная, изменяется ли она со временем и если да, то каковы были её свойства в прошлом.

В 1916 г. немецкий учёный Альберт Эйнштейн (1879—1955) разработал теорию относительности, которую сразу же начал применять для создания космологической модели Вселенной. Со времён Аристотеля считалось, что наша Вселенная стационарна, т. е. с течением времени она не только не меняется в общих чертах, но в ней не происходит каких-либо крупномасштабных движений. Однако решения, полученные Эйнштейном, неопровержимо свидетельствовали: расстояния между космическими объектами должны неизбежно изменяться — уменьшаться или увеличиваться. Следовательно, Вселенная, согласно теории относительности, отнюдь не стационарна. Она либо расширяется, либо сжимается! Эйнштейн, однако, не решился опровергнуть устоявшееся мнение, поскольку не был до конца уверен в безошибочности своих выводов. Он добавил в уравнения дополнительное слагаемое. В нём не было никакой необходимости — однако в этом случае всё же удавалось описать Вселенную в неизменном, стационарном виде. В варианте Эйнштейна Вселенная получилась конечной и замкнутой — нечто аналогичное поверхности шара. Её пространство искривлено, и луч света, идущий в одном направлении, через определённый промежуток времени должен вернуться в исходную точку, но с противоположной стороны.

Одним из тех, кто иначе взглянул на подобную неизменную модель Мироздания, стал российский метеоролог, математик по образованию, Александр Фридман (1888—1925). Он доказал, что первоначальное решение Эйнштейна не было ошибочным: действительно, Вселенная должна изменяться. Решения могут быть разными — какому же из них соответствует реальный мир, должны определить наблюдения. Фридман в качестве примера рассмотрел две модели Вселенной: расширяющуюся и чередующую периоды сжатия и расширения. Независимо от решений Фридмана Жорж Леметр (1894—1966), бельгийский священник и астроном, в 1927 г. высказал предположение, что Вселенная расширяется, причём возникла она в результате взрыва некоего первичного и ничтожно малого “отца-атома”. Впрочем, все эти рассуждения о якобы расширяющейся Вселенной воспринимались поначалу скептически. Астрономы не соглашались считать подобные теории описанием реального мира до тех пор, пока они не будут подтверждены наблюдениями.

Честь стать первооткрывателем в этой области принадлежит американскому астроному Эдвину Хабблу (1889—1953). На основе многочисленных наблюдений он в 1929 г. установил, что Вселенная в целом расширяется — галактики и их скопления удаляются друг от друга и от нашей Галактики с огромной скоростью. Причём «разбегание» становится тем быстрее, чем больше оказываются расстояния между звёздными «материками». С течением времени размеры Вселенной непрерывно возрастают. Учёные произвели необходимые расчёты и определили, что возраст Вселенной приблизительно равен 15 млрд. лет. Таким образом, Хаббл выбил из-под старой картины мира последнюю опору, “отняв” у неё постоянство. Оказывается, были времена, когда наш мир выглядел совсем иначе, чем сейчас, а через многие миллиарды лет он тоже изменится до неузнаваемости. Открытие Хаббла положило начало новым представлениям о Вселенной — её глобальная эволюция была доказана теоретически и практически.

Теория большого взрыва

Величайшим достижением современной космологии стала модель расширяющейся Вселенной, названная теорией Большого взрыва. Согласно этой теории, всё наблюдаемое пространство расширяется. Прокрутив назад воображаемый фильм “Расширение Вселенной”, астрономы обнаружили удивительную вещь. Всё вещество в Космосе в какой-то начальный момент было сдавлено буквально в ничто — спрессовано в одну-единственную точку. Оно имело фантастически огромную плотность — её практически невозможно себе представить, она выражается числом, в котором после единицы стоят 96 нулей, — и столь же невообразимо высокую температуру. Астрономы назвали такое состояние сингулярностью. В силу каких-то причин это удивительное равновесие было внезапно разрушено действием гравитационных сил — трудно даже вообразить, какими они должны были быть при бесконечно огромной плотности “первовещества”! Этому моменту учёные дали название “Большой взрыв”. Вселенная начала расширяться и остывать.

Следует отметить, что вопрос о том, каким же было рождение Вселенной — “горячим” или “холодным”, — не сразу был решён однозначно и занимал умы астрономов долгое время. Интерес к проблеме был далеко не праздным — ведь от физического состояния вещества в начальный момент зависит, например, возраст Вселенной. Кроме того, при высоких температурах могут протекать термоядерные реакции. Следовательно, химический состав “горячей” Вселенной должен отличаться от состава “холодной”. А от этого в свою очередь зависят размеры и темпы развития небесных тел… На протяжении нескольких десятилетий обе версии — “горячего” и “холодного” рождения Вселенной — существовали в космологии на равных, имея и сторонников, и критиков. Дело оставалось “за малым” — следовало подтвердить их наблюдениями.

Реликтовое излучение

Современная астрономия на вопрос о том, существуют ли доказательства гипотезы горячей Вселенной и Большого взрыва, может дать утвердительный ответ. В 1965 г. было сделано открытие, которое, как считают учёные, прямо подтверждает то, что в прошлом вещество Вселенной было очень плотным и горячим. Оказалось, что в космическом пространстве встречаются электромагнитные волны, которые родились в ту далёкую эпоху, когда не было ещё ни звёзд, ни галактик, ни нашей Солнечной системы. Возможность существования такого излучения была предсказана астрономами гораздо раньше. В середине 1940-х гг. американский физик Джордж Гамов (1904—1968) занялся проблемами возникновения Вселенной и происхождения химических элементов. Расчёты, выполненные Гамовым и его учениками, позволили представить, что во Вселенной в первые секунды ее существования была очень высокая температура. Нагретое вещество “светилось” — испускало электромагнитные волны. Гамов предположил, что они должны наблюдаться и в современную эпоху в виде слабеньких радиоволн, и даже предсказал температуру этого излучения — примерно 5-6 К.

В 1965 г. американские учёные-радиоинженеры Арно Пензиас и Роберт Уилсон зарегистрировали космическое излучение, которое нельзя было приписать никакому известному тогда космическому источнику. Астрономы пришли к выводу, что это излучение, имеющее температуру около 3 К, — реликт (от лат. «остаток», отсюда и название излучения — “реликтовое”) тех далёких времён, когда Вселенная была фантастически горяча. Теперь астрономы смогли сделать выбор в пользу “горячего” рождения Вселенной.

Как было обнаружено реликтовое излучение

Вначале 60-х гг. в США была сконструирована антенна для приёма отражённых радиосигналов от спутника связи «Эхо», чтобы транслировать телепередачи из Америки в Европу. К 1965 г. необходимость в подобной работе отпала, и сотрудники американской компании “Белл” Арно Пензиас и Роберт Уилсон решили использовать эту антенну для астрономических наблюдений, и в первую очередь — для измерения радиоизлучения межзвёздной среды нашей Галактики. Они не собирались искать реликтовое излучение, впрочем, и теория горячей Вселенной была им не знакома. Чтобы точность наблюдений была высока, Пензиасу и Уилсону следовало учесть все возможные помехи — в антенне, приёмниках, электрических цепях. Кроме того, возникновение радиоволн в атмосфере также может мешать измерениям. Следовало помнить, что радиоизлучает и поверхность нашей планеты… Настроив антенну телескопа и устранив несколько источников шумов, Пензиас и Уилсон, наконец, приступили к заключительным испытаниям. Сначала всё шло хорошо. Однако вскоре оказалось, что радиотелескоп почему-то регистрирует непонятный посторонний сигнал — шумовой фон постоянной интенсивности на волне 7,3 см, соответствующий излучению с температурой около 3,5 К. Предположив, что причина этого в какой-то технической оплошности, учёные разобрали антенну и обнаружили внутри… двух голубей, которые свили гнездо. Пензиас и Уилсон устранили “помеху” и опять провели испытания. К их удивлению, таинственный сигнал не исчез, только теперь он соответствовал излучению с температурой 3 К (видимо, 0,5 К приходилось на голубей вместе с гнездом).

Мало того, постепенно выяснилась ещё одна удивительная вещь — интенсивность загадочного радиошума не зависела ни от того, в какую область неба была направлена антенна, ни от времени суток и года! В результате случайных разговоров сведения о загадочном сигнале, принимаемом антенной Пензиаса и Уилсона, дошли до американского астронома Джеймса Пиблза, который независимо от других учёных предсказал существование “древнего” излучения с температурой около 10 К. Учёный встретился с Пензиасом и Уилсоном. После тщательного анализа и многочисленных расчётов исследователи пришли к выводу, что обнаруженное радиоизлучение невозможно отождествить ни с одним известным космическим источником. Скорее всего, это излучение — посланец тех далёких времён, когда Вселенная была очень горячей. Летом 1965 г. Пензиас и Уилсон опубликовали статью о своём открытии. Теперь астрономы точно установили, что излучение, приходящее из любой области неба и соответствующее температуре 3 К, — реликтовое. Оно осталось от эпохи разделения вещества и излучения и доказывало, что в начале расширения Вселенная была горяча. В 1978 г. Пензиас и Уилсон были удостоены за своё открытие Нобелевской премии.

Все ли загадки разгаданы

Теория Большого взрыва позволила астрономам во многом разобраться, представить постепенное развитие Вселенной, Но по-прежнему оставалось множество загадок. Некоторое время до начала наблюдаемого ныне расширения Вселенная находилась в каком-то первичном состоянии. Но что послужило “первоначальным толчком” к образованию Вселенной? Или, как говорили древние греки, “кто толкнул небо и звёзды”? Другая загадка заключается в том факте, что в момент рождения Вселенной как бы “ниоткуда” появились пространство, время, материя. И вообще, “куда” или “во что” она расширяется? Ведь если считать, что Вселенная — это всё, что существует, то вне её нет, и не может быть ни пустоты, ни пространства, ни времени, “в которые” она может расширяться. А извечный вопрос, который задают себе все люди, — что же было до начала Большого взрыва — не имеет ответа не только потому, что наука не знает этого. Неизвестно, как ответить, что же было “до”, если времени вообще не существовало… Можно долго спорить, отыскивая единственно правильный ответ на вопрос о возникновении Вселенной, но вряд ли решение окажется однозначным. Недаром астроном Стивен Хокинг в одном из интервью сказал: “Могут быть окончательные ответы, но если они есть, мне было бы очень жаль, если бы мы их нашли… это открытие не оставит ничего для тех, кто будет искать уже после меня… Мы нуждаемся в поиске”. В книге “Краткая история времени” Хокинг говорит об окончательной теории Большого взрыва как о постижении замысла самого Бога, что противоречит идее нескончаемого поиска этого знания. Возможно, прав был английский философ Бертран Рассел, сказавший: “Вселенная существует, вот и всё!”. Придётся пока повторять вслед за ним эту фразу и астрономам — по крайней мере, до тех пор, пока хотя бы часть загадок не будет разгадана…