Книга: Разум побеждает: Рассказывают ученые

Прорыв к «началу»

Прорыв к «началу»

Попробуем совершить мысленное путешествие к тем далеким временам, когда привычное для нас понятие «наблюдатель» теряет всякий смысл, когда не было ни галактик, ни звезд, ни планет, ни разума…

Ставя наш мысленный эксперимент, изберем для первого «посещения» прошлого Вселенной период, отделенный от «большого взрыва» двумя-тремя годами.

В этот период вещество Вселенной напоминало плазму. Оно представляло собой расширяющееся облако протонов, электронов и легких ядер (главным образом гелия), пронизанное гигантскими электромагнитными потоками всех степеней жесткости — от радиоволн до гамма-лучей. Излучение это, конечно, обладало равновесной с веществом температурой. Но температура по мере расширения быстро уменьшалась. «Выстрел» свершился — и горячие газы вырвались на простор… Поэтому через несколько тысяч лет после «взрыва» температура достигла вполне привычных для нас значений: 3000–4000°К[12], а плотность вещества упала примерно до 10^–20 г/см³. В этих условиях электроны уже могли соединяться с ядрами и образовывать первые в юной Вселенной легкие атомы — водородные, гелиевые и т. п. В такой среде излучение как бы «отрывается» от вещества, перестает испускаться и поглощаться. Температура этого излучения тоже быстро уменьшается.

Как известно, температура меняется обратно пропорционально расстоянию между любыми удаленными частицами расширяющегося объема, а плотность обратно пропорционально кубу этого расстояния. Вспомним, что плотность вещества в современной Вселенной достигает значения 10^–29 г/см³. Поделив величину плотности вещества юной Вселенной — 10^–20 на сегодняшнюю плотность — 10^–29, мы получим величину 10⁹. Это соответствует изменению расстояния в 10³, или, говоря иными словами, радиус современной Вселенной в 1000 раз больше, чем той прежней, о которой идет речь. А это означает, что температура «оторвавшегося» излучения должна теперь быть в 1000 раз меньше, то есть соответствовать приблизительно 3°К.

Мысль о том, что такое излучение — «свидетель» первоначального «взрыва» — можно обнаружить в космосе, была высказана еще более 20 лет назад, но, как это часто бывает, ей не придали большого значения: идея была «чуточку» преждевременной. Зато поеле 1965 г., когда реликтовое излучение было открыто, все смогли оценить, насколько она была справедлива. Остается добавить, что температура этого излучения оказалась 2,7°К! Это был еще один триумф современной научной теории. Выяснилось, что разработайные советским ученым А. А. Фридманом в начале 20-х годов модели Вселенной не только качественно, но и количественно вполне реально описывали эволюцию мира. Столь же справедливой оказалась и гипотеза о «горячей» Вселенной.

Наиболее примечательное свойство реликтового излучения — его удивительная однородность, как говорят ученые, изотропность: со всех точек неба оно поступает к нам с одинаковой интенсивностью. И это тоже помогает ученым: ведь исследуя современный реликтовый фон и высчитывая, каким он был на более ранней стадии, можно заглянуть в прошлое Вселенной. Поэтому с полным на то основанием сегодня можно сказать, что в период «отрыва» излучения от вещества Вселенная была более или менее изотропной. Это очень важный вывод, хотя он и не дает нам права судить о более ранних стадиях, когда первичное облако не было «прозрачно» для излучений.

В первые секунды — а может быть, даже дни и годы после «взрыва» Вселенная могла быть сильно анизотропной, то есть обладать любыми неоднородностями. Но постепенно они сгладились, как складки на камере мяча после его накачки. При этом следует учесть также, что на пути к нам кванты реликтового излучения многократно рассеивались и «забывали» о своем далеком прошлом. Вот почему о более ранних стадиях жизни Вселенной мы можем только высказывать гипотезы. Однако не исключено, что об этих периодах нам когда-нибудь смогут рассказать реликтовые нейтрино и гравитационные волны, если ученые когда-нибудь сумеют их поймать.

И все же современная наука сумела совершить громадный прыжок в прошлое нашего мира! Если квазары позволили им приблизиться к моменту «большого взрыва» лишь на 2 миллиарда лет, то реликтовые кванты сократили этот срок до 300 тысяч лет. По сравнению с гигантским временем существования Вселенной это очень мало.

Однако попробуем все же подойти еще ближе к «началу». Согласно «горячей» модели Вселенной Фридмана, через 100 секунд после «взрыва» плотность вещества должна составлять около 100 г/см³, а температура — 10⁹ градусов. Подсчеты говорят, что на этой стадии вещество состояло в основном из протонов, нейтронов и электронов. При этом протоны активно взаимодействовали с нейтронами, образуя главным образом альфа-частицы. Те же немногие нейтроны, которые не успели вступить во взаимодействие, распадались. Таким образом, сразу же после «взрыва» Вселенная состояла на 90 процентов из протонов и на 7–8 процентов — из ядер гелия. Отсюда понятно, что, определив процент гелия в сегодняшней Вселенной, можно было бы существенно подкрепить «горячую» фридмановскую модель. И действительно, у исследователей теперь есть немало оснований утверждать, что гелия во Вселенной много — около 5–10 процентов.

Но и на этом современная теоретическая наука не останавливается. Она стремится проникнуть в еще более ранние стадии существования мира. В тот момент, когда время (Т) было равно всего 0,3 секунды, плотность вещества должна была достигать 10⁷ г/см³, а температура — 3·10¹⁰ градусов. Этот период характеризуется «отрывом» нейтрино от нуклонов. В принципе здесь имело место то же явление, о котором уже шла речь, когда мы говорили о реликтовом излучении. Как и электромагнитное излучение, нейтрино не успевали излучиться и поглощались веществом. Но с уменьшением плотности вещество стало для нейтрино прозрачным. Разница здесь лишь в критических значениях плотности: 10^–20 г/см³ — для электромагнитных квантов и 10^–7 для нейтрино.

Считается, что излученные в тот период нейтрино должны были «дожить» до наших дней. Но теперь они уже настолько охладились (температура их с 3·10¹⁰ упала до 2°К), что ученым вряд ли удастся их «поймать» в ближайшее время. Для этого точность существующей у нас аппаратуры нужно увеличить на несколько порядков. Но в принципе поймать реликтовый нейтринный фон можно. И это приблизило бы нас почти к самому моменту «начала». Впрочем, температуру в 2°К дает уже знакомая нам модель с изотропным расширением. Если же ранние стадии были анизотропны, то реликтовые нейтрино должны обладать температурой более высокой, и «уловить» их, конечно, будет легче. Возможно, это и произойдет в ближайшие годы…

Но продолжим наше путешествие во времени, наш «прорыв» к Т-0[13], ко все более высоким плотностям и температурам. Здесь нас ожидают некоторые сюрпризы.

При Т=10^-4 секунды плотность вещества уже «ядерная» — 10¹⁴ г/см³. Это означает, что Вселенная в тот момент еще находилась под властью квантовых законов. С достаточной строгостью мы можем считать такую раннюю Вселенную… громадным атомным ядром со всеми вытекающими из этого последствиями. Поистине удивительное торжество диалектики с ее законами перехода количества в качество! Поскольку общая теория относительности не учитывает квантовость, то вряд ли с ее помощью можно описать эту раннюю стадию.

А при еще более высоких плотностях квантовые законы играли, видимо, большую роль. Мы даже представить себе не можем, сколь необычны были проявления многоликой пространственно-временной сущности в тех условиях! Может быть, все наши современные физические понятия просто не имели тогда никакого смысла. Так что нельзя даже говорить о чудовищной «гравитационной» плотности, которую, возможно, имела Вселенная в самый момент Т-0. Теория пока дает нам умопомрачительную цифру: 4·10⁹³ г/см³ — и ничего к ней не добавляет. Помочь тут не могут ни наши сегодняшние знания, ни здравый смысл…

Но разве Человек сделал уже свои самые последние шаги в глубины космоса и микромира?..

Нет! Он стоит ныне на перекрестке дорог, исчезающих в ночи. Пусть он мысленно «обрубил» бесконечности и знает, что в принципе эти дороги где-то кончаются. Но где? И сумеет ли он хоть когда-нибудь дойти туда? Попытаемся же приблизительно оценить количество максимально возможной информации во Вселенной и сравнить его с информационной мощностью человеческого мозга.

Согласно принципу Бреммермана, никакая система не может обработать информации больше чем 1,6?10⁴⁷ бит/грамм-секунду. Для простоты предположим, что никакая система не может и выдать большей информации. Тогда, помножив это число Бреммермана на массу и возраст Вселенной, получим и ее информационную емкость: 1,6·10⁴⁷ бит/грамм-секунду ?10⁵⁸ грамм ?10¹⁸ секунд=10¹²³ бит. Человеческий мозг в течение жизни способен переработать лишь 10¹⁴ бит, или 10⁵ бит/секунду. Вывод из этих расчетов напрашивается недвусмысленный — Вселенная для человеческого разума неисчерпаема.

Великое единоборство смертного и слабого «мыслящего тростника» с вечной и неисчерпаемой природой — вот извечная задача ученого. Однако даже это реальное соотношение с бесконечным миром все же нисколько не может принизить Человека, как это пытается делать религия, постулируя его слабость и ничтожность перед богом и якобы сотворенным им миром. Ведь любой мифический бог и «божий мир», созданные человеческим воображением многие века тому назад — на ранних этапах познания, выглядят весьма примитивно по сравнению с тем, что сегодня Человек знает и делает, по сравнению с необъятным окружающим его реальным миром. Пусть необозримы бездны времени и пространства, все же люди исследуют и познают их. Именно своей дерзкой способностью осмыслить бесконечность, разумом и взглядом объять необозримое — вот чем силен и славен Человек…