Вселенная

Однако по меньшей мере до 1952 г. теория Большого Взрыва как будто включала невозможные предпосылки. Согласно этой теории, нуль-пункт времени имел место 2 миллиарда лет назад, тогда как Земля насчитывала уже почти 5 миллиардов лет. Следовательно, Большой Взрыв оказывался фикцией и нужно было создавать модель Вселенной, обходясь без «космического яйца».

Новая модель была подсказана убеждением, что общий вид Вселенной должен быть одинаков с любой точки наблюдения. Наблюдатель мог бы находиться в любом месте Вселенной, в любой галактике — он все
равно обнаружил бы, что галактики распределяются вокруг него симметрично во всех направлениях, он обнаружил бы ту же самую среднюю плотность вещества, он обнаружил бы, что все галактики удаляются от нею со скоростью, прямо пропорциональной расстоянию до них, он обнаружил бы, что находится в центре наблюдаемой Вселенной. Это представление о том, что Вселенная повсюду одинакова, было выдвинуто английским космологом Эдвардом Артуром
Милном (1896—1950). Он назвал его космологическим принципом.
Космологический принцип—это только предположение, но, пока не найдено убедительных доказательств его ошибочности, он остается очень привлекательным для астрономов, так как с его помощью Вселенная упрощается настолько, что ее основные черты легко воплощаются в разрабатываемых ими моделях. Эйнштейн, например, описывая Вселенную так, словно вещество в ней распределено равномерно, тоже исходил из космологическою принципа — ведь в этом случае Вселенная, бесспорно, должна быть одной и той же, в какой бы точке пространства ни находился наблюдатель.
Космологический принцип как будто подразумевает бесконечную Вселенную, иначе можно представить себе, что вы находитесь на ее краю, где все галактики окажутся с одной стороны, а с другой не будет ничего. Как же согласовать это с принятой Эйнштейном моделью римановой Вселенной, обладающей конечным объемом?

Рис. Пульсирующая Вселенная.

На самом деле возможна такая Вселенная, которая при конечном объеме все же будет содержать бесконечное число галактик.
Согласно теории относительности Эйнштейна, необходимо считать, что предмет, движущийся по отношению к нам, будет, как покажут все доступные нам способы измерения, короче в направлении своего движения, чем он был бы в состоянии покоя. Чем больше скорость, тем заметнее это «укорачивание». Если предмет движется со скоростью света, его длина в направлении движения равна нулю.
Удаляющиеся от нас галактики должны представляться нам укороченными — и чем они дальше, тем укороченнее кажутся, так как с увеличением расстояния растет и скорость удаления. Вблизи края Вселенной галактики становятся тоньше листка бумаги и в самую границу их может быть втиснуто бесконечно много. В этом случае мы получаем бесконечную Вселенную, втиснутую в конечный объем. (Из-за красного смещения бесконечное число приграничных галактик будет посылать во внутренние области лишь конечное количество излучения, частиц или тяготения).
Для наблюдателя, находящегося на одной из таких приграничных галактик, разумеется, ни он сам, ни его галактика не покажутся тонкими, как листок бумаги. Его галактика для него будет выглядеть нормально, как и соседние галактики. На дальних же расстояниях он тоже будет наблюдать бесконечное число галактик, втиснутое в конечную границу, и наша Галактика, если она будет доступна его наблюдению, покажется ему тоньше листка бумаги. (Все тут зависит от точки наблюдения так, если бы Земля была прозрачной, мы видели бы вверх ногами австралийцев, а они — нас.)
Такая бесконечная Вселенная плохо сочетается с идеей «космического яйца», так как, бесспорно, проще представить себе «космическое яйцо», обладающее конечными размерами и превращающееся в результате взрыва в конечное число галактик. Однако Гамов готов рассмотреть и «космическое яйцо» бесконечных размеров, и в этом случае космологический принцип не вступит в противоречие ни с гиперболической, ни с пульсирующей Вселенной.
Три астронома в Англии — австриец по происхождению Герман Бонди (род в 1919 г.), Томас Голд (род в 1920 г.) и Фред Хойл — решили, что космологический принцип не полон. Согласно ему, Вселенная оставалась неизменной при перемещении наблюдателя в пространстве. Ну, а при перемещении его во времени?
Если Вселенная претерпевает необратимые изменения (гиперболическая Вселенная) или изменения, которые становятся обратимыми лишь через много миллиардов лет (пульсирующая Вселенная), наблюдатель будет иметь дело со Вселенной, радикально меняющей свою природу во времени. Например, 10 миллиардов лет назад наблюдатель, возможно, видел бы маленькую Вселенную, наполненную молодыми, тесно расположенными галактиками, включающими почти исключительно молодые звезды, состоящие практически из одного водорода. 50 миллиардов лет спустя наблюдатель, возможно, увидел бы огромную пустую Вселенную, галактики которой, разделенные колоссальными расстояниями, состояли бы в основном из белых карликов. А через 100 миллиардов лет он, быть может, увидел бы сжимающуюся Вселенную.
Бонди, Голд и Хойл сочли, что логически так быть не может. Вселенная должна оставаться в основном одной и той же для наблюдателя в любое время, а не только в любом месте. Они назвали это положение совершенным космологическим принципом.
Тем не менее Вселенная изменяется в двух важнейших отношениях, и эти изменения нельзя оспаривать, так как они подтверждаются неопровержимыми доказательствами. Во-первых, расстояние между галактиками непрерывно увеличивается, и, во-вторых, атомы водорода непрерывно превращаются в гелий и другие, более сложные атомы. Если совершенный космологический принцип верен, должны существовать процессы, компенсирующие эти изменения.

Решение, предложенное этими астрономами в 1948 г., опиралось на предположение, что водород непрерывно возникает из ничего. Эта гипотеза получила название теории непрерывного творения или теории стационарной Вселенной.
Естественно, на подобное предположение сразу же хочется возразить, что оно нарушает закон сохранения энергии. Но, с другой стороны, этот закон в свою очередь— всего лишь предположение, опирающееся на тот факт, что человечеству никогда не доводилось наблюдать возникновения энергии из ничего. А требования теории непрерывного творения очень малы создание одного атома водорода в год на миллиард литров пространства—событие слишком незначительное, чтобы его можно было обнаружить с помощью приборов, которыми мы располагаем. Такое непрерывное творение не нарушит закона сохранения энергии, который в сущности не утверждает, что энергия не может возникнуть из ничего, а гласит лишь «Еще ни разу не наблюдалось, чтобы энергия возникала из ничего».
(Возможно и другое предположение вещество возникает за счет энергии расширения Вселенной, которая поэтому расширяется чуть-чуть медленнее, чем расширялась бы, если бы не происходило непрерывного творения )
Каковы будут следствия непрерывного творения, если мы допустим, что оно существует? Удаление галактик друг от друга придется объяснять не взрывом, а другими, более тонкими причинами. В 1959 г., например, Герман Бонди и Раймонд Артур Литтлтон выдвинули предположение, что положительный заряд протона, возможно, чуть больше отрицательного заряда электрона. Предположим, что положительный заряд протона больше отрицательного заряда электрона только на одну миллиардную миллиардной доли. Такую разницу не в состоянии заметить даже самый чувствительный прибор, имеющийся в нашем распоряжении. Однако ее достаточно для того, чтобы создать у всех галактик общий положительный заряд и заставить их непрерывно удаляться друг от друга. Такое объяснение расширяющейся Вселенной астрономы в общем считают маловероятным, но оно — хороший пример тех физических причин, отличных от взрыва, которых ищут те, кто хотел бы обойтись без идеи Большого Взрыва.
По мере же того, как галактики удаляются друг от друга, независимо от причин этого удаления в промежутках между ними постепенно накапливается непрерывно возникающее вещество.
Накопление это, конечно, идет очень медленно, но ведь и скорость удаления галактик друг от друга в сравнении с разделяющими их колоссальными расстояниями очень мала. Требуется несколько миллиардов лет для того, чтобы расстояние между двумя галактиками удвоилось, а за это время между ними успевает накопиться достаточно вещества, чтобы оно могло сгуститься в новую галактику. Поэтому плотность галактик в пространстве не уменьшается по мере того, как старые галактики расходятся, медленно скапливаясь па границе толщиной в листок бумаги или же, как, по-видимому, считает Хоил, тем или иным образом удаляясь за пределы наблюдаемой Вселенной. Между ними возникают новые галактики, и оба эти процесса уравновешивают друг друга.
Кроме того, вещество, возникающее в процессе непрерывного творения, будет, естественно, наипростейшим. Частица вещества образуется, быть может, в виде атома водорода или в виде нейтрона, который через несколько минут распадается на протон и электрон, а они затем вступают во взаимодействие и образуют атом водорода. В любом случае новые галактики, образующиеся из вновь созданного вещества, будут молодыми галактиками, созданными из «свежего» водорода. Это означает, что любой наблюдатель в любой момент будущего увидит вокруг себя столько же галактик, сколько мы видим их сейчас, с такой же долей молодых галактик среди них. Вселенная никогда не станет ни пустой, ни старой, хотя отдельные галактики и могут состариться до любого предела.
Если мы оглянемся в прошлое, можно представить себе, что галактики сближались, но им вовсе не обязательно сходиться совсем. Непрерывное творение во времени, обращенном вспять, становится непрерывным разрушением. В такой движущейся во времени вспять Вселенной сложные атомы распадаются, превращаясь в водород, а водород исчезает. Галактики тают по мере сближения, так и не образуя «космического яйца». Их место занимают другие галактики из бесконечного запаса на границе или из бесконечного запаса за границей в зависимости от того, чью точку зрения мы примем. И в конечном счете галактики не сближаются и не становятся моложе, как бы далеко мы ни ушли назад во времени.
При таких условиях Вселенная в целом не меняется со временем ни в том, ни в другом направлении, а остается постоянной. Эта модель представляет собой стационарную Вселенную и подчиняется совершенному космологическому принципу.

Рис.

Есть что-то очень привлекательное в идее о вечной и бессмертной Вселенной, в которой человек (или его эволюционировавшие потомки) может существовать вечно, и она очень понравилась широкой публике. Это облегчалось еще и тем, что наиболее усердным пропагандистом теории непрерывного творения был Фред Хоил, талантливый и интересный писатель, чьи научно-популярные книги по астрономии встречали у широкой публики самый доброжелательный прием. (Правда, Джордж Гамов, наиболее видный из сторонников теории Большого Взрыва, также пользуется большим успехом как автор научно популярных книг. В истории науки редко можно встретить подобную схватку гигантов па виду у непосвященных).
Конечно, в 1952 г. когда Бааде предложил новый масштаб космических расстояний и отодвинул нуль пункт времени на добрых 6 миллиардов лет в прошлое, сильнейший довод в пользу стационарной Вселенной (а именно, что Большого Взрыва попросту не могло быть) отпал сам собой. Однако к тому времени представление о стационарной Вселенной завоевало слишком большую популярность, чтобы от него можно было так просто отказаться.
Сделать выбор между описанными в этой главе моделями Вселенной очень трудно.
При решении этого вопроса нам следует помнить, что стационарная Вселенная соответствует совершенному космологическому принципу, а остальные нет. Это означает, что мы легко могли бы разрешить задачу, если бы имели возможность переместиться во времени. Если бы общий вид, Вселенной со временем не изменился, если бы галактики в прошлом не были ни моложе, ни ближе расположены друг к другу, а в будущем не удалились бы друг от друга еще больше и не состарились бы, это значительно укрепило бы позиции стационарной Вселенной. Если же картина оказалась бы обратной, укрепились бы позиции либо пульсирующей, либо гиперболической Вселенной— какой именно, мы узнали бы по степени вызванных временем изменений.
Конечно, если наши потомки просуществуют еще несколько миллиардов лег и сохранят преемственность культур, они окажутся в этом далеком будущем и смогут сделать правильный выбор, однако астрономы хотели бы найти ответ уже сейчас, и их вряд ли можно осудить за такое желание.
Следовательно, нам нужна возможность путешествия во времени, и одна такая возможность у нас есть.

Когда мы говорим, что галактика Андромеды находится от нас на расстоянии в 2 300 000 световых лет, это означает, что свету требуется 2 300 000 лет, чтобы преодолеть расстояние, отделяющее ее от нас. Когда мы наблюдаем Андромеду либо невооруженным глазом, либо с помощью каких-нибудь инструментов, мы видим свет, который покинул Андромеду 2 300 000 лет назад, и она представляется нам не такой, какова она сейчас, а такси, какой была 2 300 000 лет назад. Изучая галактику Андромеды, мы в сущности оказываемся путешественниками во времени, которые вернулись па 2 300 000 лет назад.
Чем дальше мы проникаем в космос, тем больше времени требуется свету, чтобы добраться до нас, и тем дальше отодвигаемся мы назад во времени. Наши лучшие оптические телескопы (насколько это было известно в 50-х годах) показывают объекты, удаленные на 1—2 миллиарда световых лет, и, глядя на них, мы видим эту область Вселенной такой, какой она была 1—2 миллиарда лет назад.
Если теория стационарной Вселенной верна, то такое различие во времени не должно иметь никакого значения. Один — два миллиарда лет назад Вселенная имела бы точно те же свойства, что и теперь Галактики, которые мы наблюдаем на пределе возможностей наших телескопов, должны были находиться не ближе и не дальше друг от друга, чем они находятся теперь, и удаляться друг от друга они должны были с той же скоростью; короче говоря, в целом они ничем не должны отличаться от галактик, которые мы видим по соседству с нами.
Если верна теория пульсирующей или гиперболической Вселенной, то разница во времени должна привести к значительным переменам и дальние области Вселенной должны какими-то важными свойствами отличаться от соседних с нами.
Например, очень отдаленные галактики должны быть моложе соседних с нами, богаче водородом, расположены ближе друг к другу и расходиться с большей скоростью (поскольку сила взрыва тогда еще не была ослаблена медленным и непрерывным противодействием силе тяготения). Кроме того, поскольку эти области представляют юность Вселенной, они могут включать объекты, которых уже нет по соседству с нами, объекты, характерные только для молодой Вселенной. Далее, изучая степень, в которой проявляются эти различия, мы можем решить, какая именно Вселенная, пульсирующая или гиперболическая, более отвечает фактам.
Такое рассуждение кажется достаточно логичным, но в действительности этот путь полон обескураживающих разочарований. Чем дальше от нас объект, который мы изучаем, тем больше у нас шансов сделать правильный выбор между возможными моделями Вселенной, но чем дальше от нас объект, который мы изучаем, тем труднее узнать о нем хоть что-нибудь.

Самое большее, что можно было сделать к середине 50-х годов, это изучить красное смещение наиболее отдаленных галактик. В стационарной Вселенной постоянная Хаббла должна быть одинакова для любого времени, а следовательно, и для любых расстояний. В пульсирующей или гиперболической Вселенной постоянная Хаббла должна с течением времени уменьшаться, а в юности Вселенной быть очень большой. В таком случае самые дальние галактики, представляющие эту юность, должны удаляться быстрее, чем мы ожидаем, и обладать более значительным красным смещением. В 1956 г. как будто действительно было обнаружено такое избыточное красное смешение, и это стало доводом против существования стационарной Вселенной. Однако избыточные красные смещения столь редки, а наблюдение их представляет такие трудности, что эти данные нельзя было счесть достаточными для окончательных выводов. Требовалось что-нибудь более верное. Но что?
Для ответа на этот вопрос мы должны обратиться к тем отраслям современной астрономии, которые не зависят от видимого света. Видимый свет нас подводит, но другие формы проявления Вселенной могут оказаться надежнее.

Рис. Красное смещение на больших расстояниях. В стационарной Вселенной линия была бы прямой на всем своем протяжении.