Глава 3. Вселенная

1. Краткая история современной космологии

История современной космологии уникальна. Вероятно, в истории точных наук не было ни одной темы, которая на протяжении сравнительно короткого срока (70 лет) подверглась бы столь многочисленным кардинальным переоценкам. Едва ли подобная ситуация — следствие случайных заблуждений и прозрений. На наш взгляд, существовали глубокие причины зигзагов в науке о мироздании. Кратко можно назвать три такие причины. 1. Вера в неизменность Вселенной, вера, господство­вавшая в течение многих столетий. 2. Вдохновляющая грандиозность предмета космологии. 3. Скудность на­блюдательных данных о мире как целом, обусловли­вающая отсутствие значительных барьеров для бес­почвенных фантазий.

Можно точно назвать год рождения современной космологии. В 1917 г. А. Эйнштейн пытался применить созданную им общую теорию относительности (ОТО) к физической интерпретации структуры мира.

Однако в отличие от всех остальных своих работ в данном случае Эйнштейн не прислушивался к голосу своей поразительной, не признающей никаких автори­тетов интуиции, а исходил из многовековой догмы о неизменности Вселенной. Поэтому он модифицировал уравнения ОТО, введя Я-член. Из этих модифицирован­ных уравнений следовала статичность Вселенной, что вполне соответствовало существовавшим в то время установившимся догмам. Заметим, что введение Я-члена эквивалентно постулированию новых, постоянных в пространстве сил, компенсирующих влияние гравита­ции. Взаимовлияние сил гравитации и космологических сил, обусловленных Я-членом, компенсировало друг друга, что и обеспечивало статичность Вселенной. Но вскоре после публикации работ Эйнштейна, посвященных ОТО и космологии, произошел крутой поворот в космологии.

В начале 20-х годов в труднейших условиях после­революционного Петрограда горстка энтузиастов, по существу дилетантов в современной им физике, начала изучать ОТО. В эту группу входил и А. А. Фридман — математик и метеоролог.

А. А. Фридман (столетие со дня его рождения будет отмечаться в 1988 г.) решал уравнения ОТО без Х-члена и получил удивительный по тем временам результат: Вселенная должна быть нестационарной. Она должна изменять свои размеры со временем.

Необходимо подчеркнуть два аспекта в работах Фридмана. Первый — математический: решение уравне­ний ОТО, вошедшее теперь во многие учебники по космологии. Второй — принципиальный: Фридман в полном противоречии с установившейся традицией положил начало идее нестационарности Вселенной. Нам представляется, что, несмотря на исключительное изя­щество решения, полученного Фридманом, именно вто­рой аспект (констатация возможности нестационарной Вселенной) имеет непреходящее значение. Математи­ческое решение могли получить другие математики; в частности, выдающиеся математики Д. Гильберт и Г. Вейль, сделавшие очень много для создания ОТО, несомненно могли бы получить эти решения. Однако не им, а Фридману выпала честь сказать первое слово о нестационарности Вселенной.

Признание к работам 'Фридмана пришло не сразу. Вскоре после их публикации Эйнштейн высказал сом­нение в правильности решения Фридмана. Однако через очень короткое время великий физик, человек исклю­чительной принципиальности, написал статью, опровер­гающую эти сомнения и признающую правильность выводов Фридмана.

Однако на данном этапе дискуссия велась пока на чисто теоретическом уровне и имела, так сказать, ака­демический интерес. Никаких наблюдательных данных, подтверждающих нестационарность Вселенной, не было.

Кардинальный сдвиг в этом пункте наметился в 1929 г., когда американский астроном Э. Хаббл обнару­жил красное смещение в спектрах всех наблюденных им галактик. Именно то обстоятельство, что все спектры были смещены в одну и ту же сторону (покраснение), свидетельствовало, что все галактики уходят, разбегаются от нашей Солнечной системы. А это и было доказательством нестационарности Вселенной. Наступила, при иди кратковременная, эра торжества модели Фридмана, которому, однако, не пришлось быть ее свидете­лем. А. А. Фридман скончался в 1926 г.

Очередной зигзаг космология совершила в 30-х го­дах, когда выяснилось, что наблюдательные данные количественно не согласуются с предсказаниями модели Фридмана при использовании данных Хаббла. В соот­ветствии с ними время существования Вселенной было (2-3) *10⁹ лет, в то время как наблюдения старых звёзд свидетельствовали, что их время жизни —10 • 10⁹ лет. Простое сопоставление приведенных цифр приво­дило к явной нелепости: звезды существовали дольше, чем Вселенная.

К этому физическому нонсенсу добавились случай­ный обстоятельства: пара неудачных фраз в основопо­лагающих работах Фридмана, принадлежность одного из основоположников теории нестационарной Вселен­ной — аббата Ж. Леметра к Ватиканской академии, Президентом которой он стал впоследствии, и т. д. В результате теория Фридмана частью ученых была объявлена ересью, занятие которой было не только бесперспективно, но и могло иметь некоторые последст­вия, поскольку на ней лежала печать фидеизма.

Модель Фридмана недолго подвергалась остракизму. Вскоре после войны данные Хаббла уточнились и ос­новное противоречие было устранено. Оказалось, что по новым данным в рамках модели Фридмана Вселенная существует —10-10⁹ лет²¹. Блестяще подтвердились и другие выводы, которые следовали из модели Фридмана.

К таковым следует отнести существование реликто­вого излучения, предсказанного в рамках фридмановской модели Г. Гамовым в 1948 г. В соответствии с этим предсказанием во Вселенной должно было существовать микроволновое изотропное излучение с темпepaтypoй 1—10 К. В 1965 г. американские инженеры-радиоастрономы А. Пензиас и Р. Вильсон обнаружили изотропное излучение с температурой 2,7 К, Которое и было названо реликтовым.

²¹ В соответствии с современными данными время существова­ния Вселенной (15—20) * 10⁹ лет. Подробнее о модели Фрид­мана см. в кн.: Вайнберг С. Первые три минуты. М.: Энерго- и.чдат, 1981; Новиков И. Д. Эволюция Вселенной. М.: Наука, 1983.

Большим успехом фридмановской космологий яви­лась количественная интерпретация доли гелия во Вселенной (~25% по массе).

В середине 60-х годов в Советском Союзе на базе фридмановской космологии были выдвинуты идеи объ­яснения барионной асимметрии Вселенной: существо­вания протонов при отсутствии антипротонов. Эти идеи разрабатывались впоследствии в рамках объединенной теории поля и количественно подтвердились наблюда­емыми данными барионной асимметрии.

Успехи фридмановской космологии привели к оче­редному крену в научном общественном мнении, когда эта модель была «канонизирована» и многими объявле­на истиной в конечной инстанции. Но как раз в этот период (конец 70-х годов) начали подробно выяснять самосогласованность фридмановской теории, и оказа­лось, что наиболее интересная часть эволюции Вселен­ной, и в частности первые мгновения, прошедшие после начала ее расширения, очень плохо согласуются с духом и буквой фридмановской модели. Возникла, и это вполне закономерно, необходимость в ревизии фридма­новской концепции описания «возникновения» Вселен­ной. К этому же выводу с неизбежностью подводил также и прогресс в теории элементарных частиц и осо­бенно той ее части, которая касается объединения взаимодействий. Описанию синтеза физики элементар­ных частиц и космологии будут посвящены разд. 6—9 этой главы.

Итак, подводя итоги, можно сказать, что фридмановская модель хорошо описывает эволюцию Вселен­ной на всем ее протяжении, кроме, пожалуй, первых, самых интересных мгновений.

В заключение следует сделать еще одно поучитель­ное замечание. Фридман свои основополагающие ра­боты сделал на основе ОТО. Однако в 1934 г. англий­ские астрофизики Е. Милн и В. Маккри продемонстри­ровали, что основные выводы фридмановской космологии можно получить и в рамках ньютоновской теории тяготения.

Нам вообще кажется, что фактором, определяющим закон эволюции Вселенной, является не динамический закон, а ее геометрия. Динамика расширения следу­ет из геометрических особенностей Вселенной. Изло­жению этой точки зрения будет посвящен разд. 3.