Книга: Занимательная астрофизика

От настоящего к прошлому

От настоящего к прошлому

Одной из важнейших и, прямо скажем, увлекательнейших задач современной науки является изучение самых ранних этапов эволюции нашей Вселенной, в значительной мере предопределивших ее дальнейшее развитие. Но если вспомнить, что эти этапы отделены от нас весьма внушительным промежутком времени, составляющим по современным оценкам 15–20 млрд. лет, то станет понятно, сколь сложна подобная задача.

Тем не менее современная астрофизика располагает по крайней мере двумя путями к ее решению. Один из них путь прямых наблюдений. Да, да, как ни покажется странной такая возможность — возможность непосредственного наблюдения событий, происходивших миллиарды лет назад, — в астрофизике она существует. Кстати, ничего подобного нет, пожалуй, ни в одной другой области естествознания. Правда, геологи могут непосредственно изучать отложения далеких эпох, палеонтологи — остатки давно исчезнувших животных, а археологи — предметы древних культур. Но хотя все эти объекты и имеют древнее происхождение, наблюдать и изучать их удается уже в нашем времени.

Иное дело в астрофизике, Благодаря конечной скорости распространения электромагнитных волн, чем дальше находится от нас тот или иной космический объект, тем в белее отдаленном прошлом мы его наблюдаем. Радиогалактика в созвездии Лебедя предстает перед нами такой, какой она была около 700 млн. лет назад, а некоторые радиоисточники мы наблюдаем с опозданием, по-видимому, на 10 и более млрд. лет.

Таким образом, регистрируя различные электромагнитные излучения, приходящие на Землю из глубин космоса, мы в принципе можем получать непосредственную информацию о ранних стадиях эволюции Вселенной.

Есть, однако, еще один путь проникновения в прошлое. Дело в том, что минувшее не исчезает совершенно бесследно. В той или иной степени оно отражено в настоящем.

В природе мы встречаемся с закономерностями, которые можно разделить на две группы. Первую составляют общие законы природы, которые действуют всегда, когда для этого складываются определенные условия. К числу подобных законов относятся, например, закон всемирного тяготения, законы движения Ньютона, законы Кеплера и т. п. Вторая группа — закономерности, действующие в данной конкретной материальной системе, сложившиеся в процессе ее эволюции. Эти закономерности в наибольшей степени связывают современное состояние данной системы с ее предшествующими состояниями, настоящее с прошлым. Поэтому выявление и изучение подобных закономерностей может дать наиболее ценную информацию об истории той или иной материальной системы.

Применительно ко Вселенной это означает, что ключ к познанию ее прошлого — в изучении современного состояния космических объектов. Не всякое прошлое, не всякая предыстория могла привести Вселенную к тому состоянию, которое мы наблюдаем сегодня, в современную эпоху.

Можно сказать, что в первоначальной сверхплотной плазме, в результате расширения которой образовалась наша Вселенная, были как бы запрограммированы ее основные свойства. Это не была, разумеется, железная предопределенность классической механики — в дальнейшей эволюции немалую роль играли случайные процессы, но все же «основной сценарий» развития Вселенной содержался в ее начальном состоянии. Иными словами, далеко не всякое начальное состояние могло в дальнейшем породить именно ту структуру Вселенной и те ее свойства, которые мы наблюдаем в настоящую эпоху.

Другой путь — построение моделей начальных фаз нашей Вселенной с помощью фундаментальных физических теорий. В основе этих теорий лежит огромный экспериментальный и наблюдательный материал, они прошли многократную практическую проверку, и в их справедливости не приходится сомневаться. Разумеется, когда мы распространяем эти теории за границы, в которых их применимость надежно доказана, экстраполируем их на необычные области явлений, полученные результаты не могут считаться абсолютно надежными. Тем не менее подобным методом приходится пользоваться, поскольку для познания прошлого у науки слишком мал выбор средств.

Более того, как отмечает в одной из своих статей Я. Б. Зельдович, требования современной космологии растут быстрее, чем накапливаются соответствующие экспериментальные данные. Поэтому космологам в своих теоретических изысканиях приходится пользоваться не только общепринятыми фундаментальными физическими теориями, но также и такими, которые еще нельзя считать достаточно строго обоснованными.

Создавая различные теоретические модели Вселенной, в том числе и ранних стадий ее расширения, и сопоставляя их с данными о современном состоянии Вселенной и ее объектов, полученными в результате астрономических наблюдений, ученые имеют возможность совершенствовать эти модели, вносить в них необходимые поправки и уточнения, отбрасывать предположения, вступающие в противоречие с современными данными, и таким образом постепенно восстанавливать картину эволюции от самых ранних ее этапов до нашей эпохи. При этом наибольший интерес представляют такие черты современной Вселенной, которые с полным правом можно назвать удивительными загадками.

Вот одна из них. Как уже говорилось выше, современная Вселенная в достаточно больших масштабах однородна и изотропна. Это значит, что свойства ее любых достаточно больших областей приблизительно одинаковы, а любые направления равноправны.

Но однородность Вселенной в больших масштабах требует специального объяснения. Дело в том, что никакие физические взаимодействия не могут распространяться со скоростью, превосходящей скорость света, которая, как известно, конечна и равна 300 000 ^км/_с. Отсюда, между прочим, следует, что доступная непосредственному наблюдению область Вселенной всегда конечна. Мы не можем видеть объекты, удаленные от нас на такие расстояния, которые световой луч не успевает преодолеть за время существования Вселенной.

В связи с этим говорят о «горизонте», расширить который мы не можем никакими техническими ухищрениями: ведь он определяется не уровнем совершенства астрономических инструментов, а конечной скоростью распространения света. Хотя, разумеется, по мере старения Вселенной оптический горизонт постепенно отодвигается.

Но дело не только в том, что наличие горизонта в расширяющейся Вселенной ограничивает возможности наших астрономических наблюдений. Гораздо существеннее то, что на любой стадии расширения Вселенной в ней имеются такие точки, которые отделены друг от друга расстояниями, превосходящими расстояние оптического горизонта. Нетрудно сообразить, что между такими точками не может быть никакой причинной зависимости. Физические процессы, происходящие в одной из них, не могут оказывать никакого воздействия на события в другой. Образно говоря, любая из таких точек не может «знать», что творится в другой.

В частности, как показывают подсчеты, излучение, приходящее к нам из окраинных районов Вселенной, отстоящих друг от друга на угловое расстояние свыше 30 градусов, исходит из областей, разделенных расстояниями, превышающими оптический горизонт.

Между тем изучение информации, содержащейся в электромагнитных излучениях, свидетельствует о том, что физические параметры, характеризующие состояние материи у границ наблюдаемой Вселенной, везде приблизительно одинаковы.

Это крайне загадочно, ибо в равномерно расширяющейся Вселенной не может существовать никакого физического механизма выравнивания неоднородностей на расстояниях, превосходящих оптический горизонт.

Как же в таком случае объяснить однородность? Может быть, события, которые привели к выравниванию физических условий в расширяющейся Вселенной, развернулись уже на самых ранних стадиях ее существования?

К числу загадок нашей Вселенной относится и средняя плотность вещества, которая (если не учитывать возможного существования массы покоя нейтрино) сравнительно мало отличается от теоретического критического значения, составляющего, как мы уже знаем, 3·10^-29 г/см³.

Как и всякое совпадение, это совпадение также требует своего объяснения…

Не исключено, что загадки, о которых идет речь, найдут свое объяснение в современной теории физического вакуума.

Вакуум — это скрытая форма существования вещества. Если говорить более строгим физическим языком — наинизшее энергетическое состояние всех физических полей, при котором нет реальных частиц. Но в то же время вакуум при определенных условиях может рождать реальные частицы и это происходит без нарушения законов сохранения.

Обладает вакуум и гравитационными свойствами. Но этой гравитации, в отличие от обычной, соответствуют не силы притяжения, а силы отталкивания, и она изменяется пропорционально первой степени расстояния.

В современной Вселенной гравитация вакуума либо полностью отсутствует, либо исчезающе мала. Однако при температуре, превосходившей температуру «Великого объединения», она достигала огромного значения. Это было состояние так называемого «ложного вакуума».

В процессе расширения наступил момент, когда гравитация вакуума превзошла гравитацию обычного вещества, и это должно было вызвать ускоренное расширение, «раздувание» Вселенной, сопровождавшееся стремительным уменьшением плотности обычного вещества и не менее стремительным понижением температуры.

Это «раздувание» происходило по экспоненциальному закону (типа е^х), т. е. развивалось подобно тому, как растут в мире цены в соответствии со скоростью инфляции. Поэтому иногда «раздувающуюся» Вселенную называют «инфляционной» Вселенной. В этот период мог произойти фазовый переход от состояния «ложного вакуума» с огромной плотностью к состоянию «истинного вакуума» с нулевой или очень малой плотностью, при котором родилось огромное количество реальных частиц и античастиц.

Согласно теории, плотность «ложного вакуума» в «раздувающейся» Вселенной в точности равна критической. Поэтому и плотность вещества, возникшего в результате его распада, также должна быть равна критической плотности.

Что же касается однородности и «проблемы горизонта», то и она получает в теории вакуума вполне естественное объяснение. До начала «раздувания» Вселенной внутри общего горизонта в близких точках должна была установиться одинаковая температура. Но в период «раздувания», как показали расчеты, за очень короткий промежуток времени все пространственные размеры возросли примерно в 10⁴³ раз. Благодаря этому близкие точки оказались стремительно разнесенными на огромные расстояния друг от друга. Расстояния, которые действительно превосходили бы расстояние горизонта видимости в том случае, если бы Вселенная все время расширялась в темпе, близком к современному.

Есть и еще одна проблема, связанная с прошлым и настоящим нашей Вселенной. Поскольку современная Вселенная в больших масштабах однородна, следовательно, была однородной и та горячая плазма, которая заполняла все пространство в период, предшествующий образованию небесных тел.

Однако эта однородность не могла распространяться на все без исключения масштабы. В этом случае образование небесных тел и их систем было бы невозможно и современная Вселенная целиком состояла бы из нейтрального газа, в который абсолютно однородная плазма неизбежно должна была бы превратиться по мере расширения и остывания.

Планеты, звезды, космические туманности, галактики, скопления и сверхскопления галактик могли образоваться лишь при условии, что в первичной плазме существовали неоднородности.

Как показывают расчеты, основанные на данных астрономических наблюдений, масса подобных неоднородностей должна была достигать 10¹⁵ солнечных масс. Именно таковы массы современных скоплений галактик. Что же касается различия между плотностью вещества неоднородностей и средней плотностью окружающей среды, то она должна была составлять десятые или сотые доли процента.

Итак, горячая плазма была не совсем однородной — в ней чередовались сгущения и разрежения. Но именно такая картина наблюдается в веществе, когда в нем распространяются звуковые волны. Следовательно, на одном из ранних этапов расширения в горячей плазме существовали звуковые волны и, видимо, это обстоятельство в значительной степени предопределило будущую структуру нашей Вселенной. По образному выражению советских астрофизиков — И. Новикова и В. Лукаша — «вся нынешняя структура Вселенной является своеобразным отзвуком, эхом тех звуковых волн, которые сопровождали начало расширения Вселенной, является раскатами тех громов, которые звучали тогда»[23]).

В тот момент, когда появился реликтовый звук, в очень плотном расширяющемся веществе протекали квантовые процессы. В этих условиях волновые явления характеризуют квантами или квазичастицами. Квазичастицы звуковых волн называются фононами. Чем больше амплитуда звуковых колебаний, тем большее число фононов приходится на каждое колебание.

Как показали расчеты, проведенные И. Новиковым и В. Лукашем, скорость звука в очень плотной первоначальной среде составляла около 0,6 скорости света, а частота колебаний была очень низкой. Что же касается амплитуды колебаний, т. е. числа фононов, то их в этот период было совершенно недостаточно для образования таких сгущений, из которых могли бы сформироваться скопления галактик.

Однако в дальнейшем, из-за происходивших изменений давления сверхгорячего вещества и вызванного ими изменения темпа расширения, число фононов резко увеличивалось и соответственно возрастала амплитуда звуковых колебаний. Благодаря этому уже могли возникать неоднородности, достаточные для образования скоплений галактик.

По всей вероятности, усиление слишком малых для образования галактик хаотических первичных неоднородностей, случайным образом возникавших в горячей плазме, происходило в результате работы особого физического механизма, получившего название параметрического резонанса.

Сущность этого явления состоит в усилении волн, попадающих в «такт» изменениям параметров системы. Нечто аналогичное происходит, когда, раскачиваясь на качелях, мы приседаем в такт их качаниям. Размах колебаний при этом возрастает.

По-видимому, непосредственно после окончания стадии «раздувающейся», или «инфляционной» Вселенной, когда, согласно теории, должен был произойти ее вторичный разогрев, возникли небольшие флуктуации плотности, которые затем разрослись благодаря действию механизма «параметрического резонанса». Иными словами, в кратковременный период расширения Вселенной с повышенной скоростью могли рождаться фононы, появление которых предопределило будущую сложную структуру Вселенной.

Изложенный выше сценарий ранней Вселенной, как подчеркивают его авторы И. Новиков и В. Лукаш в уже цитированной статье, «базируется на двух основных предположениях: они уже заняли прочное место в теории гравитации и физике элементарных частиц, но не получили еще всестороннего практического подтверждения. Это предположения о справедливости общей теории относительности в области сильных гравитационных полей и о существовании при высоких энергиях единого поля, объединяющего все виды взаимодействий».

Современные исследования в области изучения ранних этапов эволюции Вселенной убедительно показывают, что существует весьма тесная связь между космологическими процессами и явлениями, происходящими в микромире.

Одним из очень важных «следов» далекого прошлого нашей Вселенной является уже знакомое нам реликтовое излучение. Картина распределения яркости этого излучения по небесной сфере могла бы многое рассказать как о тех физических процессах, которые определяли формирование различных космических объектов и их систем, так и о некоторых других явлениях, имеющих первостепенное значение для познания закономерностей космических процессов. В частности, изучая анизотропию, т. е. отклонения от изотропии реликтового излучения, можно выяснить распределение областей горячей плазмы, электронов сверхвысоких энергий и межзвездной пыли в нашей Галактике, обнаружить оболочки горячей плазмы вокруг других ближайших к нам звездных систем и их скоплений, а также облака межзвездного газа.

Важные сведения можно получить и о характере расширения Вселенной в прошлом и в современную эпоху, о начальных стадиях процесса формирования звезд и галактик. Наконец, не исключена возможность обнаружения «других» Вселенных, т. е. таких областей материального мира, свойства которых существенно отличаются от свойств исследованной нами области.

Как мы уже отмечали, чувствительность современных наземных радиотелескопов для обнаружения анизотропии реликтового излучения, по-видимому, недостаточна. Поэтому советские ученые решили установить особо чувствительную радиоастрономическую аппаратуру на борту искусственного спутника Земли. 1 июля 1983 г. такой спутник — «Прогноз-9» с малогабаритным высокочувствительным радиотелескопом, работающим на волне длиной 8 мм, был выведен на орбиту.

Наблюдения были организованы таким образом, чтобы за несколько месяцев получить полную картину неба в миллиметровом диапазоне, где, как мы уже знаем, интенсивность реликтового излучения максимальна.

Тем самым было положено начало новому направлению изучения нашей Вселенной, цель которого — расширить и уточнить наши представления о ее структуре и главных особенностях ее эволюции.

Таким образом, современная теоретическая астрофизика уже многого достигла в понимании и объяснении эволюционных процессов, определивших формирование структуры нашей Вселенной.

Можно считать; что ей уже удалось правильно воссоздать события, происходившие в первые минуты расширения Вселенной. В пользу этого свидетельствует, например, тот факт, что в различных современных космических объектах мы обнаруживаем именно то соотношение по массе водорода и гелия, которое предсказывает теория, — 70 % водорода и 30 % гелия.

Однако для построения полной космологической теории, способной надежно определить начальные условия, которые привели к образованию структуры нашей Вселенной, и воссоздать самые ранние, этапы ее расширения, предстоит еще колоссальная работа. В частности, на многие вопросы, которые ставит космология, должна найти ответ прежде всего физика.

В то же время следует подчеркнуть, что у современной космологии есть бесспорные достижения, выводы, которые вряд ли существенно будут изменены в дальнейшем. Это тот фундамент, который сохранится и в будущем, К нему, например, относится теория «Большого взрыва».

«Теория „Большого взрыва“, — пишет Я. Б. Зельдович, — в настоящий момент не имеет сколько-нибудь заметных недостатков. Я бы даже сказал, что она столь же надежно установлена и верна, сколь верно то, что Земля вращается вокруг Солнца»[24].

С другой стороны, небезынтересно отметить, что современная космология становится своего рода ареной, на которой проходят своеобразную практическую проверку различные гипотезы и предположения, относящиеся к физике высоких энергий, изучающей экстремальные состояния материи и свойства пространства.