Кванты и музы

Решающий перелом в космологии, как и во многих других областях, вызвала теория относительности. Сразу после создания общей теории относительности, включившей в свою сферу поля тяготения, Эйнштейн применил её к решению задачи о строении Вселенной.

И это было подобно тому, словно человечество построило новый телескоп, обладающий необыкновенной зоркостью. Правда, самую впечатляющую находку заметил не Эйнштейн, а мало кому известный в то время ленинградский математик Фридман, интересовавшийся до того главным образом проблемами метеорологии. Он обнаружил, что Эйнштейн не увидел странного вывода, вытекающего из уравнений общей теории относительности.

Фридман ещё раз обнаружил, что уравнения иногда оказываются «умнее» своего создателя. Фридман понял, что одно из возможных решений эйнштейновских уравнений общей теории относительности описывает эволюцию Вселенной как её постоянное расширение. В соответствии с этим можно строить достоверное предположение о том, что вся масса Вселенной была первоначально сосредоточена в чрезвычайно плотном и горячем сгустке. А затем началось расширение, и это расширение происходит до сих пор… Причём скорость расширения возрастает по мере увеличения расстояний… Необычность выводов Фридмана, помимо прочего, состояла в том, что любая точка пространства рассматривалась им как центр расширяющейся Вселенной.

Никто, даже Эйнштейн, не поверил Фридману. Но вскоре он понял, что решение Фридмана не содержит ошибки. Он сообщил об этом в специальной статье, в которой отметил и то, что ранее заблуждался и не понял работу Фридмана.

Прошли годы, решение, найденное Фридманом, получило неожиданную опору в наблюдении астронома Хаббла.

О сенсационном наблюдении Хаббла много писали, все о нём знали, но то, что обнаружил Хаббл, не перестаёт поражать воображение: все отдаленные туманности убегают от нас с огромными скоростями, причём скорость каждой туманности тем больше, чем дальше она отстоит от Земли. Многие астрономы подтвердили правильность наблюдений Хаббла, но объяснить причины этого удивительного разбегания не мог никто. Это была ещё одна загадка, которую природа подбросила человеку в дополнение ко многим и многим все ещё не решённым.

Впоследствии оказалось, что решение Фридмана спо собно привести к различным вариантам эволюции Вселенной. Она может не только безгранично расширяться, но и совершать пульсации, при которых стадии расширения сменяются стадиями сжатия. Но так ли это? Здесь приходится полагаться только на формулы, воображение и интуицию. Учёные до сих пор не могут прийти к единодушию в этом вопросе. Опыт, который помог бы сделать окончательный выбор, ещё не даёт достаточно точных результатов. (В самом конце XX века астрономы обнаружили, что расширение Вселенной не подчиняется ни одному из тех вариантов, которые считались единственно возможными в момент написания этой книги. Судя по последним данным, взаимное удаление галактик и их скоплений происходит не с замедлением скорости, которое должно было наблюдаться из-за взаимного притяжения галактик, а напротив — с ускорением, причиной которого считается новое явление — всемирное антитяготение. Пока не ясно, чем оно вызвано. Неизвестный вид материи, ответственный за антитяготение, называют тёмной энергией, квинтэссенцией и т. п. Любопытно, что и это новое свойство Вселенной также хорошо описывается теорией Фридмана. — Прим. В.Г. Сурдина)

ПОИСКИ СВИДЕТЕЛЕЙ

И Ньютон, и Эйнштейн, и Фридман лишь в малой степени ответили на вопрос, «как» развивалась Вселенная. Но почему всё произошло так, а не иначе, есть ли в природе свидетель возникновения мира — на эти вопросы все ещё нет ответа.

Вселенная задаёт учёным всё новые и новые загадки. Но разум человека мужает, и на многие вопросы уже найдены ответы. А если не найдены, то нащупаны пути, которые должны привести к ним. По одному из них учёных повела радиоастрономия. Возникновение радиоастрономии, исследующей радиоволны, приходящие к нам из глубин Вселенной, привело к обнаружению удивительных объектов, получивших название квазары. Квазар — это квазизвёздный источник. Размеры его схожи с размером отдельной звёзды, а излучаемая энергия близка к излучению огромных звёздных скоплений. Природа квазаров и причина извержений столь колоссальных количеств энергии всё ещё не поддаются пониманию(Как стало понятно в последние годы, квазары — это невероятно активные ядра крупных галактик. Причиной активности в большинстве случаев, по-видимому, является расположенная в центре галактического ядра гигантская чёрная дыра с массой в десятки и даже сотни миллионов масс Солнца. Своим притяжением она разрушает пролетающие мимо звёзды и поглощает их вещество. Падение вещества в чёрную дыру происходит со скоростью, близкой к скорости света. Взаимное трение слоёв газа сильно нагревает их и делает мощным источником рентгеновского и оптического излучения. За счёт этой же энергии часть вещества отбрасывается от чёрной дыры в виде быстрых и тонких струй. — Прим. В.Г. Сурдина).

Пока астрономы делились догадками по поводу этого нового вида звёзд, был открыт ещё один класс таинственных объектов, заставивших учёных вернуться к одной из гипотез, считавшейся ошибочной. Группа английских радиоастрономов обнаружила при помощи радиотелескопа неожиданные сигналы, приходящие из космоса один за другим с периодичностью, превосходящей точность хода большинства часов. Прежде чем думать о природе этих сигналов, нужно было убедиться в том, не вызваны ли они помехами промышленного происхождения или не излучаются ли какой-либо специальной радиостанцией. Проверки показали, что сигналы приходят из космоса.

Нельзя было сразу исключить и волнующую возможность того, что сигналы были искусственными и приходили от планеты, обращающейся вокруг одной из отдалённых звёзд. Но в этом случае, при наблюдении в течение нескольких недель, в этих сигналах должны были бы обнаружиться характерные изменения, обусловленные движением планеты. Доктор Хьюиш, руководитель группы астрономов, проводившей эти наблюдения, сказал:

«Эти недели в декабре 1967 года были, несомненно, самыми волнующими в моей жизни».

Ожидаемые изменения сигнала не были обнаружены. Гипотеза о контакте с внеземной цивилизацией отпала.

После недолгих сомнений астрономы поняли, что им

удалось найти экспериментальное подтверждение одной из мало популярных космологических гипотез, представлявших сплав теории относительности и физики элементарных частиц. Корни этой гипотезы уходят в глубь проблемы источника энергии, поддерживающей свечение Солнца и звёзд.

Первоначально, в соответствии с гипотезой Канта — Лапласа, казалось, что этим источником являются силы тяготения. При сжатии туманностей и при дальнейшем сжатии звёзд силы тяготения вызывают нагревание сжимающегося вещества. Однако по мере уточнения теории и накопления экспериментальных данных выяснилось, что сил тяготения недостаточно для объяснения эволюции звёзд.

Геологи установили, что возраст Земли много больше, чем время, за которое Солнце должно было бы излучить все запасы энергии, могущие образоваться за счёт сил тяготения. Значит, внутри Солнца действуют какие-то другие источники энергии.

Попытка объяснить длительное свечение звёзд энергией радиоактивного распада, вселившая поначалу большие надежды, окончилась неудачей, когда были достаточно точно изучены законы радиоактивных превращений и подсчитана относительная доля различных элементов во Вселенной.

На смену пришла гипотеза термоядерного синтеза.

Эта гипотеза, сыгравшая роль и при создании водородной бомбы, казалась надёжно подтверждённой, в частности, опытами с этим страшным оружием.

Однако в самое последнее время уверенность в справедливости этой теории, во всяком случае в верности лежащей в её основе цепочки ядерных реакций, была поколеблена экспериментом.

Дело в том, что в ходе предполагаемых ядерных реакций в недрах Солнца должно выделяться огромное количество нейтрино. Оставалось одно — проверить это предположение, поймать нейтрино. Но нейтрино — удивительные элементарные частицы. Нейтрино, как и фотон, не может находиться в покое, всегда движется со скоростью света8, не имеет заряда и, в отличие от фотонов, почти не взаимодействует с веществом! Вернее, это взаимодействие столь слабо, что нейтрино может почти наверняка проскочить сквозь толщу Земли, ни за что не «зацепившись». Лишь малая часть всего потока нейтрино, исходящих из Солнца, может задержаться в земной толще из-за взаимодействий с ядрами атомов, образующих земные породы.