Следствием решения уравнений Фридмана могут быть три варианта. В первом варианте средняя плотность материи равна некоторой критической величине; Вселенная, которая поначалу была точкой, постоянно расширяется. Пространство в этой модели плоское, его можно описать геометрией Евклида (элементарной геометрией), и бесконечное. Расширение Вселенной будет вечным, но в бесконечном удалении его скорость будет приближаться к нулю.
Во второй модели плотность и излучение Вселенной меньше критических. Пространство в этом случае также будет бесконечно расширяться, это расширение никогда не закончится и не уменьшится; скорости удаления галактик не будут стремиться к нулю. Пространство в этой модели обладает кривизной и описывается геометрией Лобачевского: параллельные прямые в этом варианте Вселенной могут пересекаться.
Третье решение уравнений Фридмана приводит к модели Вселенной, где средняя плотность вещества больше критической. В этом случае расширение Вселенной, имеющее место в настоящий момент, когда-нибудь закончится и сменится сжатием, что в конечном итоге закончится сингулярной точкой (точкой с бесконечной плотностью и температурой). Это состояние, в противоположность Большому взрыву, называют Большим хрустом. Пространство третьей модели Вселенной, конечно, обладает положительной кривизной и по форме близко к трехмерной гиперсфере. Его закономерности описывает сферическая геометрия Римана: параллельные прямые в этом пространстве невозможны.
На сегодняшний день большая часть ученых считает наиболее вероятной первую модель Вселенной, так как средняя плотность вещества, по последним данным, меньше критической. Но вполне вероятно, что при исследованиях были учтены не все виды материи, и данные о плотности могут со временем измениться.
Для описания зарождения развития Вселенной была создана теория Большого взрыва. Согласно этой теории, Вселенная возникла из состояния космологической сингулярности: она была сжата в точку с бесконечной плотностью, ее размеры равнялись нулю. Что было до этого и почему произошел «взрыв» – неизвестно, математический аппарат теории Большого взрыва не позволяет рассмотреть состояние, предшествовавшее сингулярности.
Большой взрыв – это стремительное, практически мгновенное расширение пространства до бесконечности.
С первых мгновений своего существования Вселенная начала остывать и расширяться, этот процесс продолжается до сих пор. Концентрированная энергия постепенно преобразовалась в вещество, которое под действием закона тяготения и других сил сформировало все объекты Вселенной. По приблизительным расчетам астрономов, возраст нашей Вселенной составляет около 13 миллиардов лет.
Наибольшее распространение получила модель Вселенной, где теория Большого взрыва объединена с теорией горячей Вселенной. То есть температура в момент мгновенного расширения была очень высокой. Но существует и другая модель – холодного Большого взрыва. Согласно ее постулатам, расширение происходило при абсолютном нуле температуры.
Несмотря на то что теория Большого взрыва считается общепринятой, в ней имеется множество нерешенных вопросов и проблем. Для ответов на некоторые из них была создана инфляционная модель Вселенной. Она рассматривает очень короткий промежуток времени сразу после Большого взрыва, когда Вселенная расширялась гораздо быстрее, чем впоследствии. Согласно этой теории, на очень ранних стадиях своего существования Вселенная обладала полями, создающими инфляционное расширение.
В результате развития инфляционной модели появились так называемые «теории всего», или единые теории поля, – попытки объединить физику и математику и в нескольких формулах описать все мироздание. В первую очередь, должны быть описаны фундаментальные взаимодействия: гравитационное, электромагнитное, сильное ядерное (удерживающее элементарные частицы внутри атома) и слабое ядерное (проявляющееся в реакциях радиоактивного распада). Кроме того, в рамках «теории всего» необходимо объяснить существование всех элементарных частиц и построить теорию квантовой гравитации, объединяющую общую теорию относительности и квантовую механику.
На звание единой теории есть несколько претендентов, и первый из них – теория струн. Главный объект изучения этой теории находится глубоко внутри атома. Ядро каждого атома состоит из нейтрально заряженных нейтронов и положительно заряженных протонов. Они, в свою очередь, состоят из мельчайших частиц, кварков, имеющих множество разновидностей. Теория струн предполагает, что микроскопические элементарные частицы представляют собой струны, находящиеся в состоянии постоянного колебания. Таким образом, то, что в традиционной физике считается траекторией движения частиц, сторонники теории струн считают траекторией колебания струны.
Математические расчеты показали, что теория струн работает только в том случае, если предположить, что вместо привычных трех или четырех измерений существует десять: девять пространственных и одно временное. «Лишние» измерения существуют лишь на квантовом уровне, в свернутом в микроскопических масштабах виде. Астрономы и математики пытаются применить теорию струн к моменту зарождения Вселенной, и это приводит к неожиданным результатам. Получается, что в момент Большого взрыва Вселенная должна была иметь какой-то минимальный размер (в стандартной модели он был нулевым). Кроме того, большое количество пространственно-временных измерений меняет картину эволюции Вселенной, и это требует объяснений. Более современная модификация теории струн называется теорией суперструн, она имеет пять вариантов, отличающихся видами суперсимметрии, связывающей элементарные частицы.
Альтернативой теории струн и суперструн является теория бран, или М-теория. Брана – это многомерная мембрана, базовая составляющая теории. Согласно данной теории, пространство-время пятимерно, оно состоит из четырех пространственных измерений и одного временного. Область четырехмерного пространства ограничена двумя три-бранами – стенами трехмерных пространств. Одна из таких стен и есть наше привычное мироздание. Между двумя стационарными стенами есть одна блуждающая, в тот момент, когда она столкнулась с нашей стеной, и произошел Большой взрыв.
Среди современных космологических теорий стоит отметить циклические, которые гласят, что Большой взрыв – это не рождение Вселенной из небытия, а одна из стадий ее существования. Вселенная расширяется до определенного предела, потом начинается сжатие, доходит до точки сингулярности, после чего снова следует Большой взрыв.
Часть II. Победа над силой тяготения: человек в космосе
2.1. Мечты о космосе: летательная машина Николая Кибальчича и «ракетные поезда» Константина Циолковского
С тех пор как люди поняли, что звезды и планеты – это не светящиеся точки, перемещающиеся по сферическому небосводу, а огромные космические тела, они стали мечтать о путешествиях за пределы Земли. Поначалу эти идеи относились к области фантастики, но уже в XIX–XX вв. появились разработки, близкие к тем, которые позволили осуществить запуск космических аппаратов.
Еще Иоганн Кеплер, первооткрыватель законов движения планет, мечтал о полете на Луну. Своей мечте астроном посвятил книгу «Сон». Об этом же писал французский поэт Сирано де Бержерак. Для запуска на спутник Земли он предлагал использовать ящик с пороховыми ракетами – так сочинитель XVII в. предвосхитил будущие открытия покорителей космоса. Первое правдоподобное описание внеземного путешествия предложил Жюль Берн в своих романах «С Земли на Луну» и «Вокруг Луны». Писатель был знаком с основами физики и небесной механикой Ньютона, поэтому читатели сразу поверили, что полет на Луну возможен.
Приблизительно в то же время, когда Жюль Берн писал свои фантастические книги, инженеры и изобретатели придумывали реальные способы подняться в космос. Российский военный инженер Третский, служивший на Кавказе, в 1849 г. представил в армейский комитет рукопись с описанием трех разных видов аэростатов, управляемых сжатым воздухом, газом и пороховыми ракетами. Его расчеты были убедительными, но эксперты их отвергли, посчитав саму идею фантастической.
Еще один военный, адмирал русского флота Николай Соковнин, в 1860-х гг. придумал реактивный дирижабль. В своей книге «Воздушный корабль» он писал: «Воздушный корабль должен летать способом, подобным тому, как летит ракета». Роль реактивной струи в двигателе, придуманном Соковниным, выполнял воздух, который засасывался из атмосферы и сжимался при помощи дополнительно установленного двигателя. Эта схема очень близка к современному турбореактивному двигателю, применяемому в авиации.
Совсем другой подход к вопросу полетов был у артиллерийского офицера Николая Телешова. Это изобретение позже назвали «ракетоплан», а сам он называл его «система воздухоплавания». В то время, когда самолетов и понятия о них не существовало в принципе, Телешов разработал прообраз современного по форме и внутреннему наполнению летательного аппарата с воздушно-реактивным двигателем. Российская Академия наук и Военное министерство отклонили проект Телешова, и он запатентовал свое изобретение во Франции и Великобритании.
Сергей Неждановский был еще одним российским инженером, чьи изобретения опередили свое время и не были поняты современниками. Он предлагал использовать для полетов взрывчатое вещество. «Продукты его горения извергаются через прибор вроде инжектора, – писал Неждановский. – Раструб, выпуская воздух с наивыгоднейшей скоростью, достигает экономии в горючем материале и увеличивает время полета». В другом проекте Неждановский обращался к весьма прогрессивной идее жидкостного реактивного двигателя – подобная схема применяется в современных ракетах.
Изобретателем первого ракетного летательного аппарата считают Николая Кибальчича.
Кибальчич не приспосабливал ракету к уже существующим воздушным средствам передвижения, как это делало большинство его предшественников, а создал оригинальный, полностью ракетный корабль. Свой проект Кибальчич писал в тюрьме, в 1881 г., за несколько дней до казни. Он был революционером и состоял в террористической группировке организации «Земля и воля». Знания, полученные во время учебы в Институте инженеров путей сообщения и в результате самостоятельного обучения, Кибальчич использовал для изготовления взрывчатых веществ.