ОТ НАСТОЯЩЕГО К БУДУЩЕМУ
Где начало того конца, которым оканчивается начало?
Смена ролей
Вспомним начало существования Вселенной — сверхгорячая плазма, в которой постоянно рождались и аннигилировали все известные и еще не известные частицы. В то время плотность массы этого конгломерата частиц была больше плотности ложного вакуума. Затем, в ходе фридмановского расширения, когда объем Вселенной быстро увеличивался, средняя плотность массы этих частиц стала меньше плотности ложного вакуума. И его внутреннее давление, преодолевая тяготение вещества, заставляет Вселенную расширяться во все ускоряющемся темпе, не менее чем в 1050 раз. При этом исходное вещество, распределившись по этому огромному объему, перестало играть роль в дальнейшей эволюции.
Все детали раннего периода эволюции Вселенной «забылись». Дальнейшая эволюция Вселенной не зависит от начальных условий. Космология окончательно освободилась от ссылок на акт божественного творения.
Ускоряющийся рост объема Вселенной прекратился из-за того, что ложный вакуум потерял устойчивость и распался, порождая массу элементарных частиц, нагретых приблизительно до 1023 К. Теперь все идет совершенно закономерно, в соответствии со стандартным сценарием. Вселенная заполнена фотонами, лептонами, кварками, антилептонами и антикварками.
В ходе дальнейшего охлаждения частицы аннигилировали с античастицами, порождая фотоны. Это продолжалось до тех пор, пока не осталось «небольшого» количества частиц, для которых не нашлось античастиц. И, не имея возможности аннигилировать, они стали тем, из чего сформировалось все вещество современной Вселенной.
Написав «небольшое» количество», мы имели в виду, что одна частица приходилась на миллиард фотонов и миллиард нейтрино.
Здесь начинается различие между предсказанием и реальностью.
Еще недавно считалось, что основную часть плотности массы Вселенной составляет обычное вещество. Подсчеты показывали, что средняя плотность массы обычного вещества составляет примерно 3 10-31 грамма на кубический сантиметр, а плотность массы реликтовых фотонов и нейтрино вместе 10-33 грамма на кубический сантиметр.
Теперь мы знаем, что средняя плотность массы реликтовых нейтрино близка к 10-29 грамма на кубический сантиметр.
Роли вещества и нейтрино в дальнейшей эволюции Вселенной поменялись. Теперь оказалось, что главное определяют нейтрино, а обычное вещество играет подчиненную роль.
Мы знаем, что на рубеже первой секунды при температуре 1010 К средняя плотность массы Вселенной уменьшилась настолько, что нейтрино, двигавшиеся при этой температуре со скоростями, близкими к скорости света, практически перестали взаимодействовать с обычным веществом, свободно перемещаясь в расширяющемся пространстве. При этом средняя плотность массы нейтрино во Вселенной всюду одинакова, так как любое малое сгущение рассасывается за счет ухода из него более быстрых нейтрино.
По мере расширения Вселенной, а в это время оно происходит в соответствии со стандартным сценарием, то есть по Фридману, нейтрино, как и остальное вещество, непрерывно остывают, а скорость их движения соответственно убывает. Расчеты показывают, что вследствие этого в стандартном сценарии возникает новый характерный рубеж. Приблизительно через 300 лет после Большого взрыва скорость нейтрино падает настолько, что они не успевают выравнивать случайные неоднородности своего распределения в пространстве. Это значит, что выравнивание средней плотности нейтрино успело произойти только в областях, размеры которых через 300 лет после начала расширения Вселенной не превышали 300 световых лет.
Теперь, когда уменьшившаяся скорость нейтрино не позволяет им выравнивать случайные отклонения плотности в областях этих размеров, гравитационные силы начинают стягивать эти области к их центру. Астрофизики сумели вычислить, какова суммарная масса всех нейтрино, заключенных в таких областях. Она оказалась огромной, равной приблизительно 1015 солнечных масс.
Еще в середине семидесятых годов Зельдович установил, что процесс сжатия в космосе огромных масс силами тяготения оказывается неустойчивым. Хотя первоначально сила тяжести, действующая на каждую частицу, направлена к центру их масс, частицы, вопреки мнению Ньютона, не соберутся в сферическое тело. Космические структуры, образующиеся в таких условиях, оказываются сильно сплюснутыми. Зельдович назвал их блинами. Такими плоскими дисками предстает перед астрономами подавляющее большинство галактик, в том числе и наша Галактика.
Проводя эти исследования, Зельдович не ограничивался определенными частицами. Его выводы применимы и к нейтрино.
Ввиду того что исходные неоднородности, дающие начало образованию блинов, расположены хаотически, столь же хаотическим оказывается расположение блинов. Соприкасаясь между собой, они образуют незримые гигантские нейтринные соты. Между стенками сотов очень мало нейтрино и обычного вещества.
Процесс образования нейтринных сотов длится миллионы лет. Гравитация, обусловленная нейтрино, увлекает за собой и обычное вещество. Лишь фотоны, для которых Вселенная уже давно (после 3 105 —5 105 лет) прозрачна, продолжают расширяться вместе со Вселенной. Плотность их распределения в пространстве сохраняет однородность. Их температура постепенно уменьшается к ее современному значению 2,7 К. Вместе со Вселенной продолжают разбегаться и центры огромных масс, образующих блины: блины растягиваются, основное количество нейтрино оказывается сосредоточенным там, где соприкасаются два или три блина.
Именно в этих областях под влиянием гравитации, обусловленной нейтрино, возникают скопления обычного вещества, из которого формируются скопления галактик, галактики и звезды.
Мы знаем, что общая масса нейтрино в таком блине равна 1015 солнечных масс. А обычного вещества в нем в 30 раз меньше. Значит, количество обычного вещества, сосредоточенного здесь, составляет 3 1013 солнечных масс.
Эти результаты хорошо согласуются с астрономическими данными о форме и массе больших скоплений галактик. Так астрономические наблюдения еще раз подтвердили обоснованность современного сценария эволюции Вселенной и достоверность экспериментальных данных о массе покоя нейтрино.
Теперь мы готовы к рассказу о дальнейшей судьбе обычного вещества, сосредоточенного в стенках нейтринных сотов. Нейтринные стенки сотов местами утолщаются, образуя ячеисто-сетчатую структуру. В толщу вытянутых «нитевидных» элементов каркаса этой структуры погружена иерархия сверхскоплений, скоплений галактик и галактик. Между «нитями каркаса» находятся дыры — области приблизительно сферической формы, в которых практически нет обычных галактик. Средний диаметр дыр примерно в 5 раз больше толщины «нитей», образующих каркас сот.
Следующими в иерархии структур, образованных обычным веществом, являются протозвездные сгущения. В процессе гравитационного сжатия они образуют звезды. Астрономы называют эти звезды — звездами первого поколения.
Эти звезды имеют мало общего с современными звездами, состоящими из тех же химических элементов, что и Солнце и Земля. Звезды первого поколения состоят из вещества, рожденного на ранних стадиях эволюции Вселенной. А мы знаем, что в ходе стандартного сценария эволюции Вселенной смогли образоваться только самые легкие элементы: водород, гелий и в небольших количествах литий, а также их изотопы.
Итак, звезды первого поколения состояли на 3/4 из водорода и на 1/4 из гелия. Кроме того, было совсем мало тяжелого водорода — дейтерия и легкого изотопа гелия (гелий-3) и еще меньше изотопов лития.
Звезды первого поколения претерпели очень быструю эволюцию, которая для большинства из них завершилась колоссальным взрывом. Перед этим взрывом вещество звезды было сильно сжато и раскалено. В этих условиях развивались быстрые термоядерные реакции. Температура резко возрастала, возрастало и давление, вызывающее на определенном этапе взрыв звезды. Высокая плотность и огромная температура создавали условие для образования неустойчивых ядер, состоящих из восьми ядерных частиц. Сколь ни мало время жизни этих ядер, при огромной плотности к ним успевали присоединиться нейтроны, порождая устойчивые ядра из четырех протонов и пяти нейтронов. Теперь ничто не сдерживало последовательного усложнения ядер, так что в ходе короткой (в космических масштабах) жизни и взрыва звезд первого поколения рождались ядра всех известных нам химических элементов. Энергия взрыва разбрасывала их в космическом пространстве. После того как «продукты взрыва» охлаждались ниже 4000 К, новорожденные ядра присоединяли к себе электроны, образуя нейтральные атомы.
Блуждая в пространстве, эти атомы частично соединялись, образуя молекулы и пылевидные твердые частицы. Так возникали газовые и газопылевые облака.
Но эти облака не могли противостоять силам гравитации. Под воздействием гравитации плотность этих облаков увеличивалась. Сталкиваясь между собой, пылинки, молекулы и атомы разогревались. Так возникали протозвезды второго поколения. Сжимаясь, они превращались в звезды, сияющие на нашем небосводе. Большинство из них входит в состав галактик, а те в свою очередь группируются в скопления, остающиеся в пределах породивших их нейтринных блинов. Все звезды, входящие в галактики, видимые при помощи наиболее крупных телескопов и радиотелескопов, состоят из звезд второго поколения. Звезды первого поколения давно закончили свое существование. Но астрономы и сейчас видят взрывы сверхновых звезд, входящих во второе поколение. Взрывы, создающие условия для возникновения звезд следующих поколений.
Нейтрино, образующие блин, постепенно, под действием гравитации, все больше сосредоточиваются вокруг галактик. Поэтому галактики окружены незримым облаком нейтрино, масса которых приблизительно в 30 раз превышает массу обычного вещества в этой галактике. Астрофизики называют эти облака «нейтринным гало», уподобляя их видным в морозные ночи ореолам вокруг Луны.
Здесь нет места для рассказа о дальнейшей эволюции звезд второго поколения, о новых и сверхновых, нейтронных звездах — пульсарах, о квазарах, остающихся еще полными тайн. О них мы уже кое-что сказали раньше, и все сказанное там осталось неизменным, подобно тому как стандартный сценарий эволюции Вселенной не претерпел изменения в результате продвижения ученых в глубь интервала времени, лежащего между 10-3 и 10-43.
Для того чтобы наш рассказ не остался неполным, познакомимся с тем, что узнали ученые о будущем Вселенной.
Вероятное будущее
Сейчас невозможно точно сказать, будет ли Вселенная расширяться вечно или ее расширение прекратится Точность определения средней плотности массы Вселенной еще недостаточна для выбора одной из этих возможностей.
Если Вселенная будет расширяться неограниченно, то все звезды погаснут из-за истощения запасов ядерной энергии. В зависимости от массы звезды ее судьба может быть различной. Звезды аналогичные Солнцу через несколько миллиардов лет станут белыми карликами и будут постепенно остывать. Звезды второго поколения, более массивные, чем Солнце, превратятся в нейтронные звезды, если их масса вдвое больше массы Солнца, или в черные дыры, если их исходная масса превосходит массу Солнца более чем втрое.
Дольше других проживут самые малые звезды второго поколения, с массой меньшей, чем у Солнца. Они медленно остынут, постепенно охлаждаясь и, минуя состояние белых карликов, станут холодными черными карликами. Так, за время около 1014 лет закончится эволюция звезд.
Теперь посмотрим, что станет за это время с галактиками. Галактики содержат сотни миллиардов звезд, а в центре их, вероятно, находятся сверхмассивные черные дыры. За время в 1014лет в таких галактиках постоянно протекают процессы, аналогичные тем, что происходят в газах.
В результате многочисленных хаотических взаимодействий (это гравитационные взаимодействия, самые слабые в атомных масштабах, но приобретающие преобладающее значение в будущем космических систем), при которых звезды обмениваются своей кинетической энергией, они разделятся на две категории. Примерно 10 % из них потеряют свою скорость и будут затянуты в сверхмассивную центральную черную дыру. Перед этим огромные гравитационные силы черной дыры разрушат их, превратят их в пыль. Некоторые звезды, обращаясь все быстрее вокруг черной дыры, будут перед падением сталкиваться между собой и превращаться в газ. Эта газопылевая смесь будет засосана в черную дыру.
Остальные звезды, примерно 90 % из входящих в каждую галактику, покинут ее, чтобы затеряться в межгалактическом пространстве.
Разделение звезд, входящих в галактики, на те, что попадают в центральную черную дыру, и на межгалактических странниц, потребует 10' лет, когда все звезды давно погаснут и станут «холодным пеплом эволюции».
Что же дальше?
Дальше начнут играть роль процессы распада протонов, предсказываемые теорией Великого объединения. Освобождающиеся при этом нейтроны распадаются очень быстро. Среднее время жизни протонов оценивается в 1032 лет. За это или за несколько большее время все ядерные частицы в остывших звездах распадутся, порождая в конечном итоге фотоны, нейтрино и электронно-позитронную плазму.
В результате все угасшие звезды превратятся в свободные фотоны и нейтрино. Они будут сосуществовать с очень разреженной плазмой из электронов и позитронов, оставшихся от распада ядерных частиц. При этом вероятность встречи электрона и позитрона, оканчивающейся их аннигиляцией и рождением фотонов, будет постепенно уменьшаться. В ходе продолжающегося расширения средняя плотность фотонов и нейтрино и их масса будет уменьшаться. Будет уменьшаться и плотность электронно-позитронной плазмы. Поэтому через 1033 лет на первый план выдвинутся остальные 10 % массы, сосредоточенной в черных дырах. Еще в начале семидесятых годов ученые думали, что черные дыры вечны, потому что ничто не может вырваться из их гигантского гравитационного поля.
Но в 1974 году С. Хокинг установил, что в поле тяготения черных дыр происходит рождение частиц. Черная дыра «испаряется», постепенно превращаясь в фотоны, нейтрино и гравитоны — кванты поля гравитации. Малые черные дыры испаряются сравнительно быстро (быстро в космических масштабах). Черная дыра с массой в 10 солнечных масс испарится за 1069 лет, а массивная черная дыра, выросшая в центре галактики, испарится только за 1096 лет.
Во Вселенной вновь наступит эра с преобладанием излучения. Но при дальнейшем расширении масса фотонов будет продолжать уменьшаться. И когда возраст Вселенной достигнет 10100 лет, средняя плотность массы, эквивалентной энергии фотонов, станет исчезающе малой. Во Вселенной останутся только электроны, позитроны и нейтрино. Но плотность образованной ими плазмы тоже станет ничтожной. Одна частица будет приходиться в среднем на объем 10185 объемов современной Вселенной.
Читатель вправе снова спросить: что же потом?
Ученые не дают на это определенного ответа. Но они говорят: ведь, кроме чрезвычайно редких электронов, позитронов и нейтрино, останется вакуум. А вакуум, как мы знаем, не пуст. В нем постоянно рождаются и исчезают пары виртуальных частиц. Значит, в этом вакууме заключена определенная энергия. Теория допускает, что этот вакуум в далеком будущем испытает фазовый переход, в ходе которого из виртуальных частиц и античастиц возникнут реальные частицы и античастицы. Их будет много больше, чем реликтовых электронов, и позитронов, и нейтрино. Этот переход, это рождение реальных частиц и античастиц может остановить расширение Вселенной и вызвать ее сжатие.
И после все ускоряющегося сжатия, в ходе которого температура превзойдет 1032 К, а плотность превзойдет 10 граммов на кубический сантиметр, сжатие сменится новым расширением. Начиная с 10-34 с новой фазы расширения повторится все то, о чем нам уже сообщили ученые.
Но есть и иная возможность.
Если новые опыты не опровергнут наличия массы покоя нейтрино, то сценарий будущего может сильно отличаться от изложенного выше.
Пусть масса нейтрино очень мала, пусть она в сотни тысяч раз меньше массы электрона, тогда присутствие нейтрино не скажется вплоть до эпохи черных дыр, но может уменьшить время до того момента, когда расширение сменится сжатием.
Если же масса нейтрино не очень мала, если она «всего» в пять стотысячных раз меньше массы электрона, то общая масса реликтовых нейтрино превысит значение критической массы и гравитационные силы этих нейтрино остановят расширение Вселенной задолго до того, как погаснут звезды. Затем Вселенная начнет сжиматься, коллапсируя в свое исходное состояние. А дальше новый цикл расширения, но не через 10100лет, как получилось в предыдущем варианте, а «всего» через 1010 —1011 лет. Примерно через столько, сколько прошло от самого раннего момента, о котором мы знаем (10-34 с), до наших дней.
Будет ли все это повторяться вечно?
Ответа на этот вопрос еще нет. Классическая термодинамика говорит, что длительность цикла, состоящего из расширения и сжатия, будет раз за разом увеличиваться.
Но учет квантовых процессов может внести поправки и в этот ответ.
Антропный принцип
Наименование принципа, взятого в качестве заглавия этого раздела, происходит от греческого слова «антропос» — человек. Это название утвердилось в науке и вошло в наш научный язык. Его точным переводом было бы «человеческий принцип». Он встречается сейчас во многих научных статьях. Зачастую становится предметом обсуждения, когда ученый попадает в компанию людей, интересующихся проблемами науки, но не занимающихся ею профессионально. Впрочем, иногда речь об антропном принципе возникает и тогда, когда астрофизик попадает в тупик. Астрофизики, встречающиеся с вопросом, ответа на который они не знают, иногда ссылаются на антропный принцип. Суть такого ответа может быть выражена словами: «Я не знаю ответа на этот вопрос, я не могу объяснить того, почему природа ведет себя так, а не иначе. Но если бы она вела себя иначе, не могли бы возникнуть жизнь и человек, задающий этот вопрос».
Корни антропного принципа уходят в далекое прошлое. Древнегреческий философ и математик Пифагор, родившийся в 582 году до нашей эры, обнаружил целый ряд закономерностей, связывающих между собой некоторые числа. Он установил, что особые сочетания или отношения чисел связаны с формой геометрических фигур (например, теорема Пифагора) и с некоторыми физическими процессами (например, связь тонов, испускаемых струнами, с длиной этих струн). Пифагор считал, что число есть сущность всех вещей и что Вселенная представляет собой гармоническую систему чисел и их соотношений. Обдумывая это, он пришел к выводу, что числа, а не боги управляют миром.
Союз, созданный Пифагором в г. Кротоне в Южной Италии, был одновременно философской школой и политической партией. Он работал в условиях секретности. Желавший вступить в него подвергался испытанию пятилетним молчанием.
Замкнутость пифагорейского союза привела к тому, что достоверных сведений о жизни и деятельности Пифагора, а также письменных прижизненных изложений его учения не сохранилось.
Позднейшие пифагорейцы придали учению Пифагора чисто мистический смысл и построили на этой основе идеалистическое учение.
При изучении природы люди часто встречались со странными и непонятными закономерностями, связывающими числа, возникающие в ходе таких исследований. Например, Кеплер, изучая теорию Коперника, обнаружил, что радиусы планетных орбит относятся между собой как числа 8:15:20:30:115:195. (В его время были известны только шесть планет: Меркурий, Венера, Земля, Марс, Юпитер, Сатурн.) Кеплер писал: «Я размышлял над этим со всей энергией, на которую способен мой ум».
Кеплер приступил к кропотливым построениям и вычислениям. Внезапно он вспомнил: греческие математики доказали, что среди пространственных фигур — многогранников могут существовать лишь пять правильных фигур, все грани и углы которых одинаковы. Пять многогранников. При их помощи можно построить шесть сфер. Шесть сфер — шесть планет!
Проделав огромную работу, Кеплер показал, как можно построить пять таких многогранников, чтобы радиусы связанных с ними сфер находились в тех отношениях, которые он получил для планетных орбит.
Теперь мы знаем, что результат, полученный Кеплером, — лишь случайное совпадение.
По поводу подобных чудесных совпадений Эйнштейн писал: «Целью всей деятельности интеллекта является превращение некоторого «чуда» в нечто постигаемое».
В тридцатых годах нашего века один из крупнейших астрофизиков — А. Эддингтон и один из создателей современной квантовой физики — П. Дирак обратили внимание на странное совпадение ряда чисел, возникающих при исследовании микромира и макромира. Такое совпадение обнаруживается при сравнении между собой некоторых величин, полученных при независимом изучении этих столь далеких одна от другой областей. Удивительным было и то, что отношения многих величин, кажущихся совершенно несвязанными между собой, приводят (точно или с небольшими погрешностями) к одному и тому же колоссальному числу 1040 или к небольшим степеням этого числа.
Мы уже приводили некоторые величины, за пределами которых теряют силу известные нам физические законы. Напомним их. Это планковская длина 10— 33 см и планковское время 10-43 с. Современная наука не может гарантировать, остаются ли пространство и время непрерывными там, где существенную роль приобретают еще более малые интервалы длины и времени. Заметим, что планковское время равно времени, которое затратит свет на прохождение планковской длины.
Первое странное совпадение, которое имели в виду Эддингтон и Дирак, возникает, если сравнить возраст Вселенной (около 1010 лет, то есть около 3 1017 с) с временем, нужным свету для того, чтобы пересечь ядро атома (10-2 4 с). Его называют «ядерным временем». Их отношение приблизительно равно 1040. В свою очередь отношение «ядерного времени» (10-24 с) к планковскому времени равно приблизительно 1020, то есть корню квадратному из «магического» числа 1040.
Это число можно назвать магическим потому, что оно появляется во многих других случаях, но никто не знает, почему оно возникает. Например, отношение возраста Вселенной к планковскому времени близко к (1040)3/2– Число ядерных частиц внутри современного горизонта равно (1040)2. Время жизни типичной звезды в 1040 раз больше «ядерного времени», а сила гравитации в атоме водорода в 1040 раз слабее электромагнитных сил, действующих внутри этого атома.
Во все процессы, включающие взаимодействие вещества и электромагнитного поля, входит численный коэффициент, получивший название коэффициента тонкой структуры.
Эта величина была впервые обнаружена при подробном исследовании структуры оптических спектров атомов, что и объясняет ее наименование. Она равна почти точно 1/137. Аналогичная величина для силы гравитации равна приблизительно 10-40.
Имея в виду странное совпадение многих величин, характеризуемых одним и тем же колоссальным числом 1040, Дирак в 1938 году написал: «Можно предположить, что такое совпадение является следствием некоторой глубокой связи в природе между космологией и атомной теорией».
Хочется подчеркнуть, что Дирак, принадлежащий к крупнейшим ученым современности, проявил в этой фразе глубокую уверенность в познаваемости природы. Верным оказалось и его предвидение. Свойства космоса и элементарных частиц, как мы видели выше, действительно связаны единством взаимодействий, управляющих всем материальным миром.
В противоположность мнению Дирака, сторонники антропного принципа утверждают, что эти и другие странные совпадения чисел, характеризующих свойства природы, являются случайными. Но, говорят они, можно проверить и убедиться в том, что отклонения от этих совпадений повлекли бы за собой столь существенные изменения свойств природы, что в ней не могли бы возникнуть условия для существования людей.
Одни из них говорят: в принципе возможны и другие вселенные с другими магическими числами, но там нет людей, способных изучать природу.
Другие говорят: совпадение чисел не случайно — это предусмотрено творцом природы, богом. Но промысел божий непостижим, поэтому не следует искать смысла в таких совпадениях.
Но большинство ученых исходят из того, что природа познаваема, что цель науки — познание природы, выявление сути природных явлений и процессов, использование полученных знаний на благо человечества.
Там, где сторонники антропного принципа видят случайность или непознаваемость, физика, астрофизика и космология обнаруживают для ученых-материалистов очередной стимул к познанию, усматривают вопрос, требующий исследования.
Многие ученые пытались выяснить основы единства природы. Интерес к этой проблеме возбуждается и тем, что космология накладывает жесткие пределы на целый ряд характеристик, от которых зависит эволюция Вселенной.
Пожалуй, самым впечатляющим доводом сторонников антропного принципа являлось ограничение на плотность вещества в начале фридмановского расширения Вселенной. Конечно, речь идет не о бесконечной плотности в недоступный момент начала этого расширения, когда вся Вселенная была сжата в бесконечно малом объеме.
Мы уже знакомы с этим ограничением: самым ранним моментом, о котором мы можем судить, является планковский момент времени: 10-43 с. Для того чтобы современный радиус видимой Вселенной был не менее 1028 см, что соответствует данным астрономов, средняя плотность массы Вселенной не должна в планковский момент времени превосходить критическую плотность на 1055 от величины критической плотности. Если эта величина превзойдена, то расширение Вселенной уже давно должно было прекратиться и она уже давно должна была сколлапсировать. Это произошло бы задолго до того, как возникли современные звезды и планеты, а значит, и жизнь современного типа. С другой стороны, если бы средняя плотность вещества Вселенной в планковский момент была меньше критической плотности в столь же ничтожное число 10-55 раз, то расширение Вселенной происходило бы много быстрее и средняя плотность вещества в ней стала бы исчезающе малой, прежде чем могли возникнуть звезды и планеты и жизнь современного типа.
Существует еще несколько подобных жестких ограничений. Одно из них — ограничение массы типичных звезд, составляющих большинство во всех галактиках. К ним принадлежит и наше Солнце. Стоит массе звезды превзойти определенную величину, как звезда будет сиять ярким голубоватым светом. Астрономы называют такие звезды голубыми гигантами. Если же масса звезды немного меньше этой величины, она будет небольшой красноватой звездочкой — красным карликом. Подсчеты показывают, что масса звезды тесно связана с комбинацией постоянных величин, определяемых соотношением величины гравитационного взаимодействия и величины электромагнитного взаимодействия. Мы знаем, что внутри атомов величина гравитационного взаимодействия в 1040 раз слабее электромагнитного взаимодействия.
Удивительно: стоит этому отношению немного увеличиться (гравитационное взаимодействие чуть меньше или электромагнитное чуть больше) — и все звезды были бы голубыми гигантами. Стоит этому отношению немного уменьшиться — и все звезды были бы красными карликами.
Если бы природа не обеспечивала очень точного баланса, то не могло бы существовать Солнце, а вместе с ним и мы с вами.
Ученые до 1980 года не могли объяснить, чем обусловлена столь точная величина «стартовой плотности» Вселенной. Следуя Дираку, нужно было и в этом случае сказать, что такая «точная настройка» является следствием некоторой глубокой связи в природе, что задача ученых — выяснить природу этой связи, объяснить ее, исходя из фундаментальных фактов и непротиворечивых теорий.
Некоторые ученые, не видя возможности рационального объяснения совпадений ряда чисел или жесткой ограниченности величин других чисел, признают свое бессилие в выражениях, по существу признающих это результатом сознательной деятельности высших сил. Один из них, Дж. Барроу, пишет: «Многие наблюдения естественного мира, несмотря на априорную необычность, представляются в этом свете (в свете этих совпадений. — И. Р.) как неизбежные последствия нашего существования».
Другие, обсуждая эти совпадения, в той или иной форме ссылаются на антропный принцип. Они считают, что все закономерности, наблюдаемые в природе, могут быть объяснены одним аргументом: если бы это было не так, то человечество не могло бы существовать, а значит, некому было бы задавать вопросы.
Но большинство ученых, выступающих в своих профессиональных сферах как материалисты, сознательные или стихийные, придерживаются другой позиции. Они пытаются показать, что само существование жизни в известной нам форме является следствием тех закономерностей и тех характерных величин, которые существуют в реальном мире и которые мы познаем все полнее и все точнее.
Например, Р. Дикке, имя которого неоднократно появлялось на этих страницах, подходит к этой проблеме, не прибегая к антропному принципу, а привлекая на помощь физике еще и биологию. Он опирается на то, что эпоха, в которую живет человечество, а особенно ее современная фаза с развитой наукой и технологией, занимает ничтожно малую долю в эволюции Вселенной. Он говорит о том, что отрезок времени, в который человек разумный достиг современного уровня, определен не случаем и не произволом творца, а связан с характерной длительностью определенных физических процессов.
Дикке обращает внимание на то, что в основе органической жизни земного типа лежит углерод, а также азот и кислород, которых не было на ранних стадиях эволюции Вселенной. Образование атомных ядер в первичной Вселенной закончилось на ядрах гелия. Остальные элементы, в том числе и необходимые для жизни, возникли в результате процессов, протекающих в недрах звезд при больших давлениях и температурах. Затем, при взрывах тех из звезд, которые прошли стадию сверхновых, ядра этих химических элементов были выброшены взрывом звезды и рассеяны в пространстве. Из этого «сырья» возникли современные звезды и галактики. Оценка времени, необходимая для того, чтобы Вселенная пришла в современное состояние, совпадает с тем, что нужно для появления объективных возможностей возникновения жизни.
Б. Карр и М. Рис указали, что теория Великого объединения позволяет вычислить, что с учетом известных из опыта величин время, прошедшее между Большим взрывом и нашей эпохой (примерно 1010 лет или 3 1017 с), оказывается в 1040 раз больше «ядерного времени», о котором говорилось в начале этого раздела (время, за которое свет пересекает атомное ядро, — около 10-24 с). Так современная физическая теория позволяет понять то, что раньше было непознанным и считалось случайным, необъяснимым без привлечения антропного принципа.
Мы видели, что современные сценарии эволюции Вселенной приводят к выводу о том, что наша Вселенная не охватывает всего сущего. На самых первых этапах эволюции возникло много изолированных частей — доменов, которые не обязательно были точными копиями того домена, из которого сформировалась наша Вселенная. Каждый из них мог развиваться иначе, в зависимости от небольших вариаций исходной массы вещества, заключенного в нем. В тех доменах, которые не сильно отличаются от нашего, возможно, разовьется жизнь, похожая на нашу. В других может не быть условий, необходимых для возникновения жизни. Мы познаем нашу Вселенную, наш мир и будем познавать его все более глубоко. Но другие миры, лежащие в других доменах, за нашим горизонтом событий, останутся недосягаемыми для исследования, потому что ни один сигнал не может распространяться со скоростью, превышающей скорость света. Поэтому мы не можем посылать сигналы за горизонт событий и получать сигналы из-за него.
Можно ли считать на этом основании, что природа непознаваема?
Отнюдь.
Мы можем познавать природу на всех уровнях от элементарных частиц до Вселенной, со всеми ее деталями.
Мы уже познали достаточно много. Мы обнаружили и целый ряд запретов.
Например: невозможна температура ниже абсолютного нуля, невозможна вечная жизнь для одного индивидуума, невозможна скорость, превышающая скорость света, невозможно ставить опыты за пределами горизонта событий…
Все это и многое другое составляет результаты процесса познания, является элементами знания. Путь выявления и накопления знаний безграничен.
Ибо каждый новый научный факт, каждая непротиворечивая научная теория являются ступенькой к обнаружению новых фактов, к построению новых, все более точных теорий, применимых ко все более широким областям знания.
Нужно лишь обеспечить, чтобы развитие науки не было прервано ядерной войной.
Для нас, людей Земли, не может служить утешением мысль о том, что высокоразвитые цивилизации существуют на других планетах или в других вселенных.
Мы, и только мы, можем и должны уберечь себя от самоуничтожения. Сохранить род человеческий.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Закончена книга. Многие люди сочиняли ее сюжет, чтобы ты, дорогой читатель, мог шагнуть в своем творчестве выше и дальше них. Потребовалось немало времени для того, чтобы рукопись превратилась в книгу. Закончив этот труд, автор ждет ответа читателя.
Сумела ли книга показать, что человеческое познание не имеет конца? Что бесконечно не только развитие науки, всей науки, науки в целом, но бесконечно и развитие каждой ее отдельной области. Бесконечны и возможности встреч разных научных направлений и рождение на этом пути новых непредвиденных направлений познания…
Любая кажущаяся узкой и ограниченной область науки имеет нечто общее с шагреневой кожей. Но шагреневая кожа Бальзака сжималась вслед за очередным свершением, сжималась, чтобы исчезнуть. Наука же с каждым свершением расширяется, и отдельные ее оазисы, рассеянные в пустыне незнания, постепенно растут, то почти незримо, то огромными скачками. Растут, смыкаются, перекрываются, превращая пески невежества в плодородную почву знания.
Но когда, наслаиваясь, пирамиды знания поднимаются к небесам, с их вершин видны бескрайние пространства неведомого мира, который еще ждет своих первопроходцев.
Первопроходцы идут, сменяя друг друга, опираясь на вторые эшелоны, закрепляющие и углубляющие их прорывы.
Поэтому автор не может пребывать в праздности. Закончив рукопись этой книги, он вновь посещает лаборатории, вновь читает научные журналы, стремясь отобрать самое интересное, самое впечатляющее. Отобрать то, что он в силах понять, опираясь на доброжелательную помощь своих друзей — ученых. Вновь часами сидит за столом, стараясь рассказать об этом интересно и понятно. Например, о фантастическом продвижении физиков в понимании явления «высокотемпературной» сверхпроводимости, начавшемся на рубеже 1987 года. И о синтезе в Дубне 110 элемента таблицы Менделеева в августе этого же года и о синтезе 113-го элемента там же в 2003 году.
Кончая эту рукопись и начиная новую, автор горячо благодарит не только сотрудников издательства и типографии, но и ученых, тех, с кем ему удалось поговорить, за их великий труд на благо человечества, за глубокое наслаждение, которое доставляют простому человеку тяжкие и сладкие усилия, необходимые для приобщения к плодам науки.
Эти плоды обильны, их хватит на все поколения жаждущих истины. Будущее принесет нам более фундаментальные знания, более плодотворные идеи, более глубокие мысли; еще сильнее будет мощь человеческого разума. Но мы не уйдем далеко, если не будем сверять наши шаги в будущее с опытом, с ошибками прошлого. Это и стало задачей книг цикла «Предчувствия и свершения».
На дворе— XXI век. Бурное начало!
Ни один век не начинался с таким напором, с такими разочарованиями и такими обещаниями.
Какие предчувствия оправдались, какие свершения вселили надежду на светлое будущее человечества?
Сегодня — время осмыслить прошлое, извлечь из него все полезное, отбросить вредное.
Трилогия «Предчувствия и свершения» в канун нового столетия подводит итоги интеллектуальным достижениям человечества, старается угадать их развитие в будущем. Проводит анализ научных предчувствий и пытается оценить свершения, которые подарили нам предшественники. Те, кто поднял нас на свои плечи, чтобы мы смогли видеть дальше них.
Автор трилогии, завершая третий том, уверен и хочет уверить читателя в том, что и сегодня ни одно из предчувствий ученых, которые разгадывали тайны: Вселенной в предшествующие века, не оказалось лишним, ненужным. Все исследования имели смысл: они либо нащупали правильный ответ на поставленный вопрос, либо отбросили ошибочные варианты, а следовательно вышли на более прямой путь к истине. На каких-то перекрестках истории они вывесили указатели: «Пути нет», «Тупик» или «Горячо», «Путь к цели».
Ничто не пропало даром. Все пригодилось при переборе вариантов, столкновении мнений, дало толчок новым мыслям, догадкам, возбудили азарт к новым поискам, новым попыткам. Подстегнули игру ума…
Автор хочет обратить внимание читателя на особую композицию трилогии. Это не хронологическое изложение истории мысли в области натуральной философии /физике/, космологии, астрономии, математике и других основополагающих современных областях знания. Нет! Книги трилогии «Предчувствия и свершения», «Великие ошибки», «Призраки», «Единство» — это как бы три круга «ада» познания. Три ступени, три уровня научной цивилизации.
«Великие ошибки» иллюстрируют заблуждения ученых в результате незрелого научного опыта. Еще нет у науки такого мощного орудия познания как целенаправленный эксперимент. Не нащупан верный критерий в отсеве ложного от истинного. Только Ньютон научит верному методу: начинать с эксперимента, результат проверять теорией и делать вывод после проверочного эксперимента.
Первый том рисует атмосферу интуитивного нащупывания истины.
Второе, «Призраки», это как бы следующий этап созревания ищущей мысли, когда к интуиции подключается воображение. Ученый целенаправленно ищет математическую модель исследуемого явления, привлекает аналогию из других областей знания. Это второй круг «ада познания» более высокий уровень квалификации исследователей. «Призраки» рассказывают о снах, которые умеют видеть ученые, чтобы представить то, что нельзя наблюдать. Они судят о жизни невидимого атома и далекого космоса.
И, наконец, третий том, «Единство» выводит читателя на современный уровень духовной зрелости человеческого интеллекта: осознание единства природы, а следовательно, единства законов природы. Следствие — возможность штурма очередных проблем: привлечением методов и знаний, добытых в других областях науки.
Отсюда и разные стили в изложении книг трилогии.
«Великие ошибки» написаны легким, почти сказочным языком. «Призраки» учитывают то, что читатель подрос, возмужал, поумнел в процессе чтения первой книги и ему можно доверить серьезные проблемы. Он уже более опытен, искушен в понимании драмы идей.
«Единство» — равноправный разговор с читателем. Автор призывает читателя включиться в битву за истинное знание, за построение современной духовкой цивилизации. Надежда, расчет на то, что читатель посвятит свой интеллект разгадке, еще неразгаданных тайн природы.
Автор надеется, что после прочтения трилогии молодой человек будет готов к самостоятельной творческой деятельности к зрелому мышлению. Он постигнет логику науки, включится в трудную, увлекательную, всепоглощающую работу ума — познание мира.
Он овладеет новыми, еще не известными правилами игры, Игры Природы.
Москва,8 феврали 2004 года