[31], де Ситтера[32] и других.
И вновь возник вопрос об экспериментальном подтверждении той или иной модели Вселенной; в частности, надо было выяснить, расширяется она или сжимается. И тут астрономы вспомнили, что еще в начале XX в. американский астрофизик В. М. Слейфер[33] проводил измерения лучевых скоростей галактик. Оказалось, что 36 из 41 исследованных им галактик удаляются от нас, причем некоторые из них — со скоростью 2 000км/с (впоследствии оказалось, что остальные 5 галактик приближаются к нам из-за собственного движения Солнца в нашей Галактике). Исследования Слейфера были продолжены американским астрономом Э. Хабблом[34], который определил не только скорости галактик, но и их расстояния до Солнца. Проведенные им исследования показали, что имеет место замечательный закон: скорость удаления галактик от нас пропорциональна их расстоянию. Иными словами, быстрее всего удаляются от нас наиболее удаленные галактики.
Этим была убедительно доказана справедливость догадки Фридмана. Оказалось, что Вселенная действительно расширяется. Не следует думать, разумеется, что Земля является тем центром, от которого во все стороны разлетаются галактики. Просто при расширении Вселенной наблюдатель, находящийся в любой точке, увидит одну и ту же картину — разлет галактик во все стороны от точки, где он находится.
Картина расширяющейся Вселенной позволила объяснить как гравитационный, так и фотометрический парадокс. Оказалось, что свет от слишком удаленных звезд не доходит до Земли, что мы можем видеть лишь галактики, находящиеся ближе так называемого видимого горизонта. Этим объясняется и то, почему мы наблюдаем расширяющуюся, а не сжимающуюся Вселенную. В периоды сжатия Вселенной (если они существуют) фотометрический парадокс должен проявиться во всю свою силу и поступающий на Землю поток энергии будет таким, что никакая жизнь на ней не будет возможна. Иными словами, жизнь возможна лишь в периоды расширения и невозможна в периоды сжатия.
Былое и будущее Вселенной.
После появления нестационарных моделей Вселенной встал ряд вопросов, над которыми сейчас работает мысль физиков-теоретиков: когда начался разлет галактик и что было до этого, будет ли это разбегание продолжаться вечно или оно сменится периодом сжатия и т. д. В настоящее время большинство ученых согласны в том, что много миллиардов лет тому назад Вселенная находилась в сверхплотном состоянии. Плотность сгустка была, по-видимому, больше, чем плотность вещества в ядрах атомов, то есть больше, чем 1014г/см3. Некоторые подсчеты дают величины порядка 1093г/см3. Ясно, во всяком случае, что материя находилась в состоянии, совершенно неведомом современным физикам, и к ней не были применимы ни законы гравитации, ни квантовая теория.
Физики-теоретики пытаются, основываясь на наблюдениях над Вселенной в современном состоянии, сделать определенные выводы о ее состоянии во времена, близкие к моменту того "большого взрыва", с которого, как они полагают, началась ее история. Они вычисляют, когда начали образовываться элементарные частицы, когда эти частицы стали складываться в атомы, как менялась температура Вселенной и т. д. На основании этих исследований было доказано, в частности, что если в начале Вселенная была "горячей", то до наших дней должно дойти так называемое реликтовое электромагнитное излучение, температура которого в разных вариантах теории принимала значения от долей градуса до 20-30 градусов Кельвина.
Советские теоретики А. Г. Дорошкевич[35] и И. Д. Новиков[36] рассчитали в 1964 г., насколько интенсивность реликтового излучения должна превышать в сантиметровой области спектра интенсивность других источников. Но эта работа, указывавшая на возможность решающего эксперимента, оказалась не замеченной наблюдателями. Реликтовое излучение было открыто совершенно случайно в 1965 г. при отладке радиоантенны, созданной для наблюдения за спутниками. Температура этого излучения оказалась равной 3 градусам Кельвина. Это открытие делает весьма вероятной модель горячего начального состояния Вселенной.
Мы не будем подробно рассказывать, как возникли и развивались по современным представлениям звезды и галактики. Здесь много спорного, и известный физик Л. Бриллюэн[37] высказался обо всех этих теориях (равно как и о теории "большого взрыва"), что "все это слишком красиво, чтобы быть истинным, и слишком невероятно, чтобы поверить в это". Тем не менее наука в настоящее время не располагает иной теорией, объясняющей такое количество загадочных явлений во Вселенной.
Другой вопрос, интересующий ученых, касается, разумеется, будущего Вселенной. Возможны два варианта: либо Вселенная будет неограниченно расширяться и в невероятно далеком будущем галактики разойдутся друг от друга настолько далеко, что обитатели каждой из них не будут видеть на небе остальных, либо в какой-то момент разбегание галактик остановится и сменится их сближением. Как показали подсчеты ученых, выбор между этими двумя возможностями зависит от средней плотности вещества во Вселенной. Если эта плотность меньше, чем 10-29г/см3, то расширение будет продолжаться вечно, а если она больше этой величины, то в какой-то момент времени начнется сжатие Вселенной. Некоторые ученые полагают даже, что это сжатие будет продолжаться, пока Вселенная не превратится вновь в сверхплотный сгусток, а потом все начнется сначала. Поневоле вспоминаешь слова Гераклита о закономерно вспыхивающем и закономерно угасающем огне.
Но какова же плотность вещества во Вселенной на самом деле? Ответить на этот вопрос довольно трудно, так как возможно, что большая часть вещества находится в состоянии, недоступном для наблюдения (так называемые черные дыры, не испускающие никакого излучения, межгалактический газ, а может быть, нейтрино, обладающие способностью пронизывать громадные массы материи, не взаимодействуя с ней). По принятым сейчас оценкам эта плотность раз в 30 меньше критического значения, так что, вроде бы, опасаться начала сжатия Вселенной не приходится. Но сейчас каждый год приносит так много новых сведений, что окончательный ответ дать преждевременно.
Бесконечна ли Вселенная? Одним из труднейших вопросов космологии, то есть физического учения об отношении всех частей Вселенной к ней как к целому, является проблема, стоящая в заголовке этого раздела. Ведь в зависимости от того, больше средняя плотность материи в Метагалактике критического значения 10-29г/см3 или меньше, модель Метагалактики получается открытой или закрытой. И если открытая модель может согласоваться с предположением бесконечных размеров Вселенной, то для ее закрытой модели кривизна положительна и потому размеры ограничены сверху каким-то числом. При этом никакими мыслимыми в настоящее время способами невозможно опровергнуть утверждение, согласно которому наша Вселенная в действительности является замкнутой, причем ее размеры не превышают 1025км.
Вопрос о конечности или бесконечности Вселенной осложняется еще и тем, что с точки зрения теории относительности пространство и время не существуют отдельно, а лишь как единое целое. Пользуясь этим, известный советский специалист в области космологии А. Л. Зельманов[38] построил совершенно удивительные модели. В одной из них пространство, объем которого в одной системе отсчета бесконечен, в другой системе отсчета имеет конечный объем. В другом примере, наоборот, пространство, имеющее в одной из систем отсчета бесконечный объем, является частью пространства, объем которого в иной системе конечен. Аналогичные парадоксы имеют место и для времени при наблюдении за гравитационным коллапсом (охлопыванием выгоревшей звезды в точку под действием силы тяготения) — процесс, который в одной системе отсчета укладывается в конечный промежуток времени, в другой длится бесконечно долго.
Таким образом, привычное противопоставление конечности и бесконечности в пространстве, конечности и бесконечности во времени как взаимоисключающих возможностей и вообще привычная нам постановка вопроса о конечности и бесконечности в пространстве и во времени едва ли могут считаться правильными во всех случаях.
Ситуация осложняется еще возможной неоднородностью и анизотропией (различием свойств в разных направлениях) Вселенной, которые могут привести к тому, что ее модель оказалась бы похожа не на трехмерную сферу, а на более сложные геометрические образы (вспомним, что даже среди поверхностей нулевой кривизны есть не только куски плоскости, но и такие поверхности, как цилиндры и конусы). Таким путем возникает бесконечное многообразие возможных моделей Вселенной, которое неизмеримо богаче, но в то же время и неизмеримо сложнее, чем то, что допускалось дорелятивистской космологией.
Все эти сложности показывают, что однозначный ответ на поставленный выше вопрос вряд ли возможен.
Неизмеримо осложнился и вопрос о бесконечной делимости вещества. Если в начале XX в. считали, что оно состоит из неделимых далее атомов, то после открытий Резерфорда оказалось, что атомы сами состоят из ядер и электронов. Потом были открыты протоны, еще через некоторое время — нейтроны и позитроны, и к концу 30-х годов сложилась нейтронно-протонная модель атомного ядра. Эта модель оказалась настолько удачной, что позволила решить проблему освобождения атомной энергии. Но еще до пуска первого реактора появились новые элементарные частицы — мезоны различного рода. А дальше число элементарных частиц росло чуть ли не по показательному закону — антипротоны и антинейтроны, всевозможные гипероны и антигипероны, резонансы и т. д. И при этом оказалось, что нейтроны могут превращаться в протоны, а протоны — в нейтроны, а потому для них понятие "состоит из" потеряло смысл.