Razgadyvaya velichaishuyu v mire zagadku
9.09.2002 17:31 | Martin Ris
Razgadyvaya velichaishuyu v mire zagadku
Martin Ris
Institut astronomii, Kembridzhskii universitet
(Stat'ya opublikovana v astro-ph/0103391,
Perevod Dmitriya Cvetkova, GAISh)
Na vsem protyazhenii istorii chelovechestva voprosy o
nashem sushestvovanie i nashem meste v prirode
ostavalis' vechnymi zagadkami.
Tol'ko v 20-m veke astronomy i kosmologi polnost'yu osoznali razmery
kosmosa i ponyali fizicheskie zakony, kotorye upravlyayut im.
Nasha Zemlya yavlyaetsya chast'yu processa evolyucii,
nachavsheisya zadolgo do rozhdeniya nashei solnechnoi sistemy - vplot' do
pervonachal'nogo sobytiya, kotoroe sozdalo nash rasshiryayushiisya kosmos
primerno 12 milliardov let nazad. Takie ponyatiya, kak kvazary, chernye dyry,
neitronnye
zvezdy i Bol'shoi vzryv voshli v obsheupotreblyaemyi slovar', no rano poka
govorit' ob ih
obshem ponimanii. Fundamental'nye voprosy o nashei Vselennoi,
dolgoe vremya ostavavshiesya oblast'yu predpolozhenii, teper'
stanovyatsya predmetom empiricheskoi nauki.
1. Gravitaciya, Obshaya teoriya otnositel'nosti, neitronnye zvezdy i chernye dyry
Gravitaciya yavlyaetsya osnovnym predmetom mnogih iz etih voprosov. Eto - opredelyayushaya sila v kosmose. Ona uderzhivaet planety na ih orbitah, svyazyvaet zvezdy i galaktiki, opredelyaet sud'bu nashei Vselennoi. Sozdannoe Isaakom N'yutonom v 17-m veke teoreticheskoe opisanie gravitacii ostaetsya dostatochno tochnym, chtoby vychislyat' traektorii kosmicheskih korablei pri poletah k Marsu, Yupiteru i eshe dal'she. No posle 1905 g., kogda Al'bert Einshtein pokazal v special'noi teorii otnositel'nosti, chto momental'naya peredacha informacii nevozmozhna, fiziki ponyali, chto zakony N'yutona perestanut byt' adekvatnymi, kogda skorost' vyzvannogo gravitaciei dvizheniya priblizitsya k skorosti sveta. Odnako, obshaya teoriya otnositel'nosti Einshteina (opublikovannaya v 1916 g.), dostatochno posledovatel'no opisyvaet dazhe te situacii, kogda gravitaciya chrezvychaino sil'na.
Obshuyu teoriyu otnositel'nosti rassmatrivayut kak odin iz dvuh stolpov fiziki 20-go veka; vtoroi - eto kvantovaya teoriya, revolyuciya v predstavleniyah, predvoshitivshaya nashe sovremennoe ponimanie atomov i ih yader. Intellektual'nyi podvig Einshteina byl osobenno vpechatlyayushim, tak kak, v otlichie ot pionerov kvantovoi teorii, u nego ne bylo stimula v vide eksperimental'noi problemy.
Tol'ko cherez 50 let astronomy otkryli ob'ekty s dostatochno sil'nym gravitacionnym polem, v kotorom mogli proyavit'sya naibolee harakternye i yarkie osobennosti teorii Einshteina. V nachale 60-h godov byli obnaruzheny ob'ekty s ochen' bol'shoi svetimost'yu - kvazary. Kazalos', chto dlya nih neobhodim eshe bolee effektivnyi istochnik energii, chem yadernyi sintez, blagodarya kotoromu svetyat zvezdy; gravitacionnyi kollaps kazalsya naibolee privlekatel'nym ob'yasneniem. Amerikanskii teoretik Tomas Gold vyrazil vozbuzhdenie, ohvativshee togda teoretikov. V posleobedennom doklade na pervoi bol'shoi konferencii o novom ob'ekte relyativistskoi astrofiziki, kotoraya sostoyalas' v Dallase v 1963 g., on skazal: "Relyativisty s ih izoshrennymi rabotami ne tol'ko yavlyayutsya blestyashim ukrasheniem kul'tury, no oni mogut byt' polezny nauke! Vse dovol'ny: relyativisty, kotorye chuvstvuyut, chto ih trud priznan, chto oni neozhidanno stali ekspertami v oblasti, o sushestvovanii kotoroi oni i ne podozrevali; astrofiziki, kotorye rasshirili svoe pole deyatel'nosti... Vse eto ochen' priyatno, budem nadeyat'sya, chto eto pravil'no."
Nablyudeniya, ispol'zuyushie novye metody radio- i rentgenovskoi astronomii, podderzhali optimizm Golda. V 1950-h luchshie opticheskie teleskopy mira byli sosredotocheny v Soedinennyh Shtatah, v osobennosti v Kalifornii. Eto peremeshenie iz Evropy proizoshlo kak iz-za klimaticheskih, tak i iz-za finansovyh prichin. Odnako radiovolny iz kosmosa mogut prohodit' skvoz' oblaka, poetomu v Evrope i Avstralii novaya nauka - radioastronomiya - mogla razvivat'sya, ne ispytyvaya vliyaniya pogodnyh uslovii.
Nekotorye iz samyh sil'nyh istochnikov kosmicheskogo radioshuma byli identificirovany. Odnim byla Krabovidnaya tumannost' - rasshiryayushiesya ostatki vzryva sverhnovoi, kotoruyu vostochnye astronomy nablyudali v 1054 g. Drugie istochniki byli udalennymi vnegalakticheskimi ob'ektami, v kotoryh, kak my teper' ponimaem, vyrabotka energii osushestvlyalas' okolo gigantskih chernyh dyr. Eti otkrytiya byli neozhidannymi. Fizicheskie processy, otvetstvennye za izluchenie radiovoln, kotorye seichas dostatochno horosho ponyaty, ne byli predskazany.
Samym zamechtel'nym neozhidannym dostizheniem radioastronomii bylo otkrytie neitronnyh zvezd v 1967 g. Entoni H'yuishem i Dzhoselin Bell. Eti zvezdy - plotnye ostatki, ostayushiesya v centre posle nekotoryh vzryvov sverhnovyh. Oni byli otkryty kak pul'sary: oni vrashayutsya (inogda s chastotoi neskol'ko raz v sekundu) i ispuskayut moshnyi luch radiovoln, kotoryi prohodit cherez nashu liniyu zreniya odin raz za oborot. Vazhnost' neitronnyh zvezd zaklyuchaetsya v ih ekstremal'nyh fizicheskih usloviyah: kolossal'nyh plotnostyah, sil'nyh magnitnyh i gravitacionnyh polyah.
V 1969 g. ochen' bystryi (30 Gc) pul'sar byl obnaruzhen v centre Krabovidnoi tumannosti. Tshatel'nye nablyudeniya pokazali, chto chastota impul'sov postepenno umen'shaetsya. Eto bylo estestvennym, esli energiya vrasheniya zvezdy postepenno preobrazuetsya v veter iz chastic, kotorye podderzhivayut svechenie tumannosti v golubom svete. Interesno, chto chastota impul'sov pul'sara - 30 v sekundu - tak vysoka, chto glaz vidit ego kak postoyannyi istochnik. Esli by on byl takim zhe yarkim, no vrashalsya medlennee - skazhem, 10 raz v sekundu - zamechatel'nye svoistva etoi malen'koi zvezdy mogli by byt' otkryty eshe 70 let nazad. Kak izmenilos' by razvitie fiziki 20-go veka, esli by sverhplotnoe veshestvo bylo otkryto v 1920-h godah, do togo kak neitrony byli otkryty na Zemle? Hotya etogo nikto ne znaet, nesomnenno, chto vazhnost' astronomii dlya fundamental'noi fiziki byla by osoznana gorazdo ran'she.
Neitronnye zvezdy byli obnaruzheny sluchaino. Nikto ne ozhidal, chto oni budut izluchat' takie sil'nye i chetkie radioimpul'sy. Esli by teoretikov v nachale 1960-h godov sprosili, kak luchshe vsego obnaruzhit' neitronnye zvezdy, bol'shinstvo predlozhilo by iskat' rentgenovskoe izluchenie. Deistvitel'no, esli neitronnye zvezdy izluchayut stol'ko zhe energii, kak i obychnye zvezdy, s gorazdo men'shei ploshadi, oni dolzhny byt' dostatochno goryachimi, chtoby ispuskat' rentgenovskie luchi. Takim obrazom, kazalos', chto astronomy, rabotayushie v rentgenovskom diapazone, imeli luchshie vozmozhnosti otkryt' neitronnye zvezdy.
Rentgenovskie luchi ot kosmicheskih ob'ektov, odnako, pogloshayutsya v zemnoi atmosfere, i mogut nablyudat'sya tol'ko iz kosmosa. Rentgenovskaya astronomiya, kak i radioastronomiya, poluchila impul's k razvitiyu v rezul'tate ispol'zovaniya voennyh tehnologii i opyta. V etoi oblasti uchenye iz SShA zanyali lidiruyushee polozhenie, v osobennosti pokoinyi Gerbert Fridman i ego kollegi iz Voenno-morskoi issledovatel'skoi laboratorii SShA. Ih pervye rentgenovskie detektory, ustanovlennye na raketah, rabotali tol'ko po neskol'ko minut, pered tem kak upast' na zemlyu. Bol'shogo progressa rentgenovskaya astronomiya dobilas' v 1970-h godah, kogda NASA zapustilo pervyi rentgenovskii sputnik, kotoryi sobiral informaciyu v techenie neskol'kih let. Etot proekt i mnogie posledovavshie za nim pokazali, chto rentgenovskaya astronomiya otkryla vazhnoe novoe okno vo Vselennuyu.
Rentgenovskie luchi izluchayutsya neobychno goryachim gazom i osobenno moshnymi istochnikami. Poetomu na rentgenovskoi karte neba vydelyayutsya samye goryachie i samye moshnye ob'ekty v kosmose. Sredi nih - neitronnye zvezdy, v kotoryh massa, po krainei mere ne men'shaya massy Solnca, sosredotochena v ob'eme s diametrom nemnogim bol'she 10 kilometrov. Sila tyagoteniya na nih tak sil'na, chto relyativistskie popravki dohodyat do 30%.
V nastoyashee vremya predpolagaetsya, chto nekotorye ostatki zvezd pri kollapse mogut prevzoiti plotnost' neitronnyh zvezd i prevratit'sya v chernye dyry, kotorye iskazhayut vremya i prostranstvo eshe bol'she, chem neitronnye zvezdy. Astronavt, kotoryi otvazhitsya popast' vnutr' gorizonta chernoi dyry, ne smozhet peredat' svetovye signaly v okruzhayushii mir - kak budto samo prostranstvo zasasyvaetsya vnutr' bystree, chem svet dvizhetsya cherez nego. Vneshnii nablyudatel' nikogda ne uznaet okonchatel'nuyu uchast' astronavta. Emu budet kazat'sya, chto lyubye chasy, padaya vnutr', budut idti vse medlennee i medlennee. Tak i astronavt budet kak by prigvozdzhen k gorizontu, ostanovivshis' vo vremeni.
Rossiiskie teoretiki Yakov Zel'dovich i Igor' Novikov, issledovavshie, kak iskazhaetsya vremya okolo skollapsirovavshih ob'ektov, predlozhili v nachale 1960-h termin "zamerzshie zvezdy". Termin "chernaya dyra" byl vveden v upotreblenie v 1968 g., kogda Dzhon Uiler opisal, kak "svet i chasticy, padayushie snaruzhi... padayut na chernuyu dyru, tol'ko uvelichivaya ee massu i gravitacionnoe prityazhenie".
Chernye dyry, kotorye yavlyayutsya final'nym evolyucionnym sostoyaniem zvezd, imeyut radiusy ot 10 do 50 kilometrov. No seichas sushestvuyut ubeditel'nye svidetel'stva togo, chto chernye dyry s massami v milliony ili dazhe milliardy mass Solnca, sushestvuyut v centrah bol'shinstva galaktik. Nekotorye iz nih proyavlyayut sebya kak kvazary - sgustki energii, kotorye svetyat yarche vseh zvezd galaktik, v kotoryh oni nahodyatsya, ili kak moshnye istochniki kosmicheskogo radioizlucheniya. Drugie, vklyuchaya chernuyu dyru v centre nashei Galaktiki, ne proyavlyayut takoi aktivnosti, no vliyayut na orbity zvezd, podhodyashih blizko k nim.
Chernye dyry, esli smotret' na nih izvne, yavlyayutsya standartizirovannymi ob'ektami: ne sushestvuet priznakov, po kotorym mozhno bylo by opredelit', kak obrazovalas' opredelennaya chernaya dyra ili kakie ob'ekty poglosheny ei. V 1963 g. novozelandec Roi Kerr obnaruzhil reshenie uravnenii Einshteina, kotorye opisyvali skollapsirovavshii vrashayushiisya ob'ekt. "Reshenie Kerra" priobrelo ochen' vazhnoe znachenie, kogda teoretiki ponyali, chto ono opisyvaet prostranstvo-vremya okolo lyuboi chernoi dyry. Kollapsiruyushii ob'ekt bystro prihodit v standartizirovannoe sostoyanie, harakterizuemoe vsego dvumya chislami, izmeryayushimi ego massu i spin. Rodzher Penrouz, specialist v matematicheskoi fizike, kotoryi, vozmozhno, sdelal bol'she vseh dlya vozrozhdeniya teorii otnositel'nosti v 1960-h, zametil: "Est' kakaya-to ironiya v tom, chto dlya samogo strannogo i naimenee znakomogo astrofizicheskogo ob'ekta - chernoi dyry - nasha teoreticheskaya kartina naibolee polna".
Obnaruzhenie chernyh dyr prolozhilo put' k proverke samyh zamechatel'nyh sledstvii teorii Einshteina. Izluchenie takih ob'ektov obuslovleno v osnovnom goryachim gazom, padayushim po spirali v "gravitacionnuyu yamu". Ono pokazyvaet sil'nyi effekt Doplera, a takzhe imeet dopolnitel'noe krasnoe smeshenie iz-za sil'nogo gravitacionnogo polya. Spektroskopicheskoe issledovanie etogo izlucheniya, v osobennosti rentgenovskogo, pozvolit prozondirovat' potok ochen' blizko k chernoi dyre i opredelit', soglasuetsya li forma prostranstva s predskazaniyami teorii.
2. Rasshiryayushayasya Vselennaya
V nashem Mlechnom Puti nahoditsya okolo 100 milliardov zvezd, v osnovnom v diske, vrashayushemsya vokrug central'nogo sgusheniya. Do 1920-h godov o bolee udalennyh chastyah Vselennoi nichego ne bylo izvestno, no seichas my znaem, chto nasha Galaktika - odna iz milliardov podobnyh ei.
Bol'shinstvo galaktik nahoditsya v gruppah i skopleniyah, kotorye svyazany silami gravitacii. Nasha Mestnaya Gruppa, imeyushaya v poperechnike neskol'ko millionov svetovyh let, vklyuchaet Mlechnyi Put' i Tumannost' Andromedy, a takzhe 34 men'shie galaktiki. Eta gruppa raspolozhena okolo kraya skopleniya v Deve - arhipelaga iz neskol'kih soten galaktik, centr kotorogo nahoditsya na rasstoyanii 50 millionov svetovyh let. Skopleniya i gruppy ob'edinyayutsya v eshe bol'shie struktury. Tak nazyvaemaya Velikaya Stena - imeyushee formu lista mnozhestvo galaktik na rasstoyanii okolo 200 millionov svetovyh let - eto blizhaishee i naibolee vydelyayusheesya iz etih gigantskih obrazovanii.
Vozmozhno, naibolee vazhnyi shiroko izvestnyi fakt o nashei Vselennoi - eto to, chto vse galaktiki (krome neskol'kih blizkih galaktik Mestnoi Gruppy) udalyayutsya ot nas. Bolee togo, krasnoe smeshenie - mera skorosti udaleniya - bol'she dlya slabyh, dalekih galaktik. My zhivem v rasshiryayusheisya Vselennoi, gde s techeniem vremeni skopleniya galaktik vse dal'she udalyayutsya drug ot druga, stanovyas' vse bolee redkimi v prostranstve.
Prostoe sootnoshenie mezhdu krasnym smesheniem i rasstoyaniem nazvano v chest' Edvina Habbla, kotoryi pervym ustanovil etot zakon v 1929 g. Habbl mog izuchat' tol'ko otnositel'no blizkie galaktiki, skorost' udaleniya kotoryh byla men'she 1% skorosti sveta. Blagodarya tehnicheskomu progressu i bol'shim teleskopam, v nastoyashee vremya takie dannye polucheny dlya galaktik, skorost' kotoryh sostavlyaet znachitel'nuyu dolyu skorosti sveta. Konceptual'no predpochtitel'no ob'yasnyat' krasnoe smeshenie "rastyazheniem" prostranstva, kogda svet prohodit cherez nego. Velichina krasnogo smesheniya - drugimi slovami, velichina rastyazheniya svetovyh voln - govorit nam, naskol'ko rasshirilas' Vselennaya, poka svet doshel do nas.
Modeli rasshiryayusheisya odnorodnoi Vselennoi, nekotorye iz kotoryh byli osnovany na obshei teorii otnositel'nosti Einshteina, byli razrabotany v 1920-h i 30-h godah. No v to vremya bylo malo kolichestvennyh svedenii o tom, naskol'ko v deistvitel'nosti odnorodna nasha Vselennaya. Eshe men'she byla vozmozhnost' vybora mezhdu al'ternativnymi modelyami.
V nastoyashee vremya astronomy nablyudayut mnogo skoplenii, podobnyh skopleniyu v Deve, i mnogo struktur, pohozhih na Velikuyu Stenu. No bolee glubokie obzory, po-vidimomu, ne obnaruzhivayut bolee krupnyh struktur. V kub so storonoi 200 millionov svetovyh let (eto rasstoyanie vse eshe malo po sravneniyu s gorizontom nashih nablyudenii, do kotorogo okolo 10 milliardov svetovyh let) pomestyatsya samye bol'shie strukturnye obrazovaniya. Takoi kub, v kakom by meste Vselennoi ego ne pomestit', budet soderzhat' primerno odinakovoe kolichestvo galaktik, statisticheski shodnym obrazom sgruppirovannyh v skopleniya, struktury tipa volokon i drugie obrazovaniya.
Dazhe samye bol'shie nablyudaemye kosmicheskie struktury maly po sravneniyu s rasstoyaniem, dostizhimym dlya nashih teleskopov. Eto sozdaet vozmozhnosti dlya kosmologicheskih issledovanii, pozvolyaya nam opredelyat' srednie svoistva nashei Vselennoi i ispol'zovat' prostye odnorodnye modeli kak razumnye priblizheniya.
V 1950-h godah Allen Sendidzh byl edinstvennym, kto utverzhdal, chto 5-metrovyi Palomarskii teleskop mozhet issledovat' dostatochno dalekii kosmos i, sledovatel'no, dostatochno otdalennoe proshloe, chtoby proverit' kosmologicheskie modeli. Chtoby obnaruzhit' izmeneniya skorosti rasshireniya ili evolyuciyu naseleniya galaktik, neobhodimo nablyudat' ob'ekty, nahodyashiesya tak daleko, chto svet ot nih idet do nas milliardy let.
Za poslednie 40 let sozdanie bolee sovershennyh, obladayushih bol'shimi vozmozhnostyami teleskopov i nablyudatel'noi apparatury sdelali eto vozmozhnym. Bolee dyuzhiny teleskopov s 4-h metrovymi zerkalami byli postroeny v 1970-h i 80-h godah. Zamena fotograficheskih plastinok, kvantovaya effektivnost' kotoryh ne prevoshodila 1%, na tverdotel'nye detektory s effektivnost'yu do 80% namnogo uvelichila vozmozhnosti obnaruzheniya slabyh i dalekih ob'ektov. Novoe pokolenie eshe bol'shih teleskopov (pervye iz nih - dva teleskopa Keka na Gavaiyah) seichas vstupaet v stroi. Vozmozhno, samyi vpechatlyayushii iz nih - eto Ochen' Bol'shoi teleskop (nazvannyi bez osobogo voobrazheniya) - gruppa iz chetyreh teleskopov, kazhdyi s zerkalom diametrom 8.2 metra, sooruzhennyi v Chiliiskih Andah konsorciumom evropeiskih stran. Etot instrument ne tol'ko sobiraet bol'she sveta, chem vse predshestvovavshie teleskopy, no takzhe dolzhen davat' bolee chetkie izobrazheniya, kompensiruya atmosfernye fluktuacii i svyazyvaya teleskopy vmeste, chtoby oni rabotali kak interferometr.
Znachitel'nyi progress dostignut v nablyudeniyah iz kosmosa. Kosmicheskii teleskop im.Habbla, kotoryi v nachale presledovali otsrochki, defekty i pererashod sredstv, vse zhe opravdal nadezhdy, kotorye na nego vozlagali astronomy. Izobrazheniya Habblovskogo polya glubokogo obzora - poluchennye nepreryvnym slezheniem za malen'kim klochkom neba v techenie neskol'kih sutok - pokazyvayut bukval'no sotni slabyh pyatnyshek, nesmotrya na to chto pole zreniya nastol'ko malo, chto pokryvaet na nebe men'she 1/100 ploshadi polnoi Luny. Kazhdoe pyatnyshko - eto celaya galaktika, razmerom v tysyachi svetovyh let, kotorye vyglyadyat takimi slabymi i malen'kimi na ogromnom rasstoyanii. My nablyudaem eti dalekie galaktiki na ochen' primitivnoi stadii evolyucii. U nih eshe ochen' prostoi himicheskii sostav: ochen' malo kisloroda, ugleroda i drugih elementov, iz kotoryh sostoyat planety, a znachit ochen' maly shansy vozniknoveniya zhizni.
Teper' u nas est' izobrazheniya, kotorye perenosyat nas na milliardy let nazad vo vremeni, v epohu, kogda formirovalis' pervye galaktiki. Vozmozhno, chto pervye zvezdy obrazovalis' eshe ran'she, v strukturah, men'shih chem sushestvuyushie seichas galaktiki, kotorye ne mogut obnaruzhit' dazhe samye bol'shie v nastoyashee vremya teleskopy.
3. "Iskopaemye" goryachego nachala
Kak naschet eshe bolee otdalennoi epohi, pered tem kak obrazovalis' pervye zvezdy? V konce 1920-h bel'giiskii svyashennik Zhorzh Lemetr, obuchavshiisya v Massachusetskom Tehnologicheskom institute, i Aleksandr Fridman v Rossii byli pionerami idei, chto vse nachalos' v plotnom sostoyanii i struktura razvivalas' po mere rasshireniya. Lemetr pisal: "Evolyuciya Vselennoi mozhet byt' pohozha na pokaz feierverka, kotoryi tol'ko chto zakonchilsya: eshe neskol'ko ogon'kov, pepel i dym. Stoya na horosho ostyvshei zole, my vidim ugasanie solnc i pytaemsya ozhivit' ischeznuvshii blesk nachala mirov".
Etot "ischeznuvshii blesk" byl obnaruzhen v 1965 g. Arno Penzias i Robert Vil'son, dva uchenyh iz Telefonnyh laboratorii Bella, starayas' umen'shit' shum antenny v Holmdele, N'yu-Dzhersi, sluchaino obnaruzhili, chto vse prostranstvo nemnogo podogreto mikrovolnami, ne imeyushimi vidimogo istochnika.
V 1990 g. Dzhon Mezer i ego kollegi, ispol'zuya sputnik NASA Issledovatel' kosmicheskogo fona (SOVE) pokazali, chto spektr mikrovolnovogo fona sootvetstvuet zakonu izlucheniya chernogo tela s tochnost'yu 0.01%, chto i sledovalo ozhidat', esli on deistvitel'no byl ostatkom stadii "ognennogo shara", kogda vse veshestvo v nashei Vselennoi bylo szhatym, ochen' goryachim, plotnym i neprozrachnym. Kosmicheskoe rasshirenie dolzhno bylo ohladit' pervonachal'noe izluchenie, umen'shit' ego plotnost' i izmenit' dliny voln, no ono vse ravno dolzhno ostat'sya, zapolnyaya vse prostranstvo.
Temperatura fona v nastoyashee vremya - tol'ko 2.728 gradusa vyshe absolyutnogo nulya, no on soderzhit udivitel'no bol'shoe kolichestvo tepla: 412 millionov kvantov izlucheniya (fotonov) v kazhdom kubicheskom metre sovremennoi Vselennoi. Dlya sravneniya, esli veshestvo vseh nablyudaemyh zvezd i vsego gaza vo Vselennoi ravnomerno raspredelit' v prostranstve, to ego plotnost' okazhetsya vsego 0.2 atoma v kubicheskom metre - bolee chem v milliard raz men'she, chem plotnost' fotonov.
Soglasno teorii Bol'shogo vzryva, vse veshestvo dolzhno bylo byt' szhatym i nagretym sil'nee, chem v centrah zvezd - navernyaka dostatochno goryacho dlya yadernyh reakcii. Samye vazhnye iz etih reakcii proishodyat pri temperature primerno v milliard gradusov. Odnako, Vselennaya ostyla nizhe etoi temperatury za tri minuty, i (k schast'yu dlya nas) etogo vremeni ne hvatilo na to, chtoby prevratit' pervonachal'noe veshestvo v zhelezo, kak eto proishodit v samyh goryachih zvezdah, i dazhe v uglerod, kislorod i t.d.
Eto protivorechilo predpolozheniyu Georgiya Gamova, chto vsya Periodicheskaya tablica byla "svarena" v rannei Vselennoi. V 1950-h godah Fred Hoil, Uil'yam Fauler, Dzheffri i Margaret Berbidzhi i, nezavisimo, Alister Kameron razvivali al'ternativnuyu shemu, kotoraya kolichestvenno ob'yasnila pochti vsyu Periodicheskuyu tablicu kak rezul'tat yadernogo sinteza v zvezdah i sverhnovyh. Posle pozdnih usovershenstvovanii etoi modeli rasschitannaya smes' atomov udovletvoritel'no sovpadaet s nablyudaemymi proporciyami.
Samye starye zvezdy, kotorye obrazovalis' iz gaza na rannei stadii istorii galaktik, kogda on byl menee "zagryaznen", deistvitel'no pokazyvayut deficit tyazhelyh elementov, kak i predskazyvaet teoriya zvezdnogo nukleosinteza. Odnako, dazhe v samyh staryh ob'ektah soderzhitsya ot 23% do 24% geliya: ne obnaruzheno zvezdy, galaktiki ili tumannosti, gde soderzhanie geliya bylo by men'she etogo znacheniya. Kazhetsya, chto galaktiki nachali obrazovyvat'sya ne iz chistogo vodoroda, a iz smesi vodoroda i geliya.
Teoriya "Goryachego Bol'shogo vzryva" udachno reshaet etu problemu. Reakcii na goryachei rannei stadii mogut prevratit' primerno 23% vodoroda v gelii, no Vselennaya ostyvala tak bystro, chto ne hvatilo vremeni na sintez bolee tyazhelyh elementov Periodicheskoi sistemy (za isklyucheniem nebol'shogo kolichestva litiya). Ob'yasnenie proishozhdeniya bol'shei chasti kosmicheskogo geliya Bol'shim vzryvom takim obrazom reshilo dolgo stoyavshuyu problemu - pochemu ego tak mnogo, i pochemu ego obilie tak odnorodno. Eto pobudilo kosmologov ser'ezno otnosit'sya k pervym sekundam kosmicheskoi istorii.
Drugoi produkt Bol'shogo vzryva - eto deiterii (tyazhelyi vodorod). Obilie deiteriya po otnosheniyu k vodorodu do nedavnego vremeni bylo ploho izvestno. Odnako eto otnoshenie teper' izmereno na Yupitere, v mezhzvezdnom gaze i v dalekih mezhgalakticheskih oblakah, i ego znachenie - okolo 1/50000. Proishozhdenie dazhe etogo nebol'shogo kolichestva predstavlyaet soboi problemu, tak kak deiterii v zvezdah skoree unichtozhaetsya, chem obrazuetsya. Kak yadernoe toplivo, ego legche podzhech', chem obychnyi vodorod, poetomu tol'ko chto obrazovavshiesya zvezdy szhigayut deiterii vo vremya svoego nachal'nogo szhatiya, do perehoda k prodolzhitel'noi stadii goreniya vodoroda.
Esli my primem srednyuyu plotnost' Vselennoi v nastoyashee vremya - 0.2 atoma na kubicheskii metr i vychislim, kakaya smes' atomov dolzhna obrazovat'sya iz ostyvayushego ognennogo shara, my obnaruzhim, chto proporcii vodoroda, deiteriya i geliya (i, v kachestve bonusa, takzhe i litiya) soglasuyutsya s dannymi nablyudenii. Eto ochen' obnadezhivaet, potomu chto nablyudaemye obiliya mogli sovershenno ne sovpadat' s predskazaniyami lyuboi teorii Bol'shogo vzryva; ili zhe oni mogli sovpadat', no tol'ko dlya plotnosti, kotoraya byla by namnogo bol'she ili men'she predelov, dopustimyh na osnovanii dannyh nablyudenii.
4. Dolzhny li my verit' v scenarii Bol'shogo vzryva?
Ekstrapolyaciya k stadii, kogda ot nachala rasshireniya Vselennoi proshlo vsego neskol'ko sekund, kotoruyu osushestvlyayut astrofiziki i kosmologi, zasluzhivaet takogo zhe ser'eznogo otnosheniya, kak, naprimer, to, chto geologi i paleontologi govoryat nam o rannei istorii nashei Zemli: ih vyvody pochti takie zhe kosvennye i v obshem menee kolichestvennye.
Bolee togo, za poslednie 30 let mogli by byt' soversheny neskol'ko otkrytii, kotorye sdelali by nesostoyatel'noi gipotezu Bol'shogo vzryva, no oni ne byli soversheny. Teoriya Bol'shogo vzryva v techenie desyatiletii podvergalas' opasnosti, no vyzhila. Vot nekotorye iz etih neosushestvlennyh nablyudenii:
Astronomy mogli by obnaruzhit' ob'ekty, soderzhanie geliya v kotoryh bylo by namnogo men'she kolichestva, predskazannogo teoriei Bol'shogo vzryva - 23%. Eto bylo by smertel'nym dlya teorii, tak kak sintez geliya v zvezdah mozhet povysit' obilie geliya otnositel'no ego dogalakticheskogo urovnya, no ne sushestvuet sposoba prevratit' gelii v vodorod.
Reliktovoe izluchenie, kotoroe bylo ochen' tochno izmereno sputnikom COBE, moglo imet' spektr, otlichayushiisya ot ozhidaemogo chernotel'nogo. Bolee togo, temperatura izlucheniya mogla by byt' tak ravnomerno raspredelena po nebu, chto eto bylo by nesovmestimo s fluktuaciyami, kotorye byli neobhodimy dlya obrazovaniya sovremennyh struktur, takih kak skopleniya galaktik.
U stabil'nogo neitrino mogla byt' obnaruzhena massa v predelah ot 100 do 106 elektron-vol't. Eto bylo by smertel'no, potomu chto v rannei goryachei Vselennoi bylo pochti stol'ko zhe neitrino, skol'ko fotonov. Esli by kazhdoe neitrino vesilo hotya by odnu millionnuyu dolyu atoma, vse vmeste oni dali by slishkom mnogo massy sovremennoi Vselennoi - dazhe bol'she, chem mozhet byt' spryatano v temnoi materii. Fiziki-eksperimentatory starayutsya izmerit' massu neitrino, no kazhetsya, chto ona slishkom mala, chtoby vnesti sushestvennyi vklad v temnoe veshestvo.
Soderzhanie deiteriya moglo by byt' takim vysokim, chto eto bylo by nesovmestimo s nukleosintezom pri Bol'shom vzryve (ili trebovalo by nepriemlemo nizkoi plotnosti barionov).
To, chto teoriya Bol'shogo vzryva ucelela, daet nam uverennost' v korrektnosti ekstrapolyacii nazad k pervym sekundam kosmicheskoi istorii i pravil'nosti predpolozheniya, chto zakony mikrofiziki byli takimi zhe, kak i seichas.
5. Vozniknovenie struktury
Esli nasha Vselennaya nachinalas' kak goryachii, amorfnyi ognennyi shar, to kak obrazovalis' nablyudaemye seichas struktury - zvezdy, galaktiki i skopleniya? Eto - estestvennyi rezul'tat deistviya gravitacii, kotoraya s techeniem vremeni usilivaet dazhe ochen' slabye nachal'nye neodnorodnosti v zametnye razlichiya plotnosti.
V nastoyashee vremya teoretiki mogut modelirovat' na komp'yutere virtual'nye vselennye. Nebol'shie fluktuacii vnosyatsya v nachal'nye usloviya dlya modelirovaniya. Kogda Vselennaya rasshiryaetsya, poyavlyayutsya zarodyshi galaktik i bol'shih struktur, kotorye evolyucioniruyut. Chisto gravitacionnye detali etogo processa modeliruyutsya dostatochno horosho. Odnako, kogda gaz pod deistviem gravitacii szhimaetsya v protogalaktiku, ego plotnost' dolzhna vozrasti na mnogo poryadkov, pered tem kak nachnetsya obrazovanie zvezd. Slozhnaya dinamika i perenos izlucheniya opredelyayut, kakimi budut ih massy. Bolee togo, vklad energii ot pervyh zvezd okazyvaet vliyanie na ves' posleduyushii process, kotoroe opredelyaetsya nenadezhno. Eti processy slishkom slozhny dlya raschetov i dolzhny byt' approksimirovany s pomosh'yu pravdopodobnyh "receptov", vybrannyh na osnovanii dannyh nablyudenii.
Nesmotrya na eti ogranicheniya, modelirovanie obrazovaniya struktury dostiglo zamechatel'nyh uspehov v ob'yasnenii sushestvuyushei morfologii galaktik i skoplenii. Bolee togo, eti modeli mozhno proverit', rassmotrev, kak oni soglasuyutsya s novymi dannymi issledovanii ob'ektov s vysokimi krasnymi smesheniyami, kotorye pokazyvayut, kak vyglyadela Vselennaya v rannie epohi.
Imeetsya eshe odna vozmozhnost' proverki rasschitannyh scenariev. Pri takom modelirovanii predskazyvaemye razmery i skuchivanie galaktik zavisyat ot formy i amplitudy nachal'nyh fluktuacii. Reliktovoe izluchenie dolzhno nesti sledy etih fluktuacii i takim obrazom dat' vozmozhnost' nezavisimym obrazom ocenit' ih amplitudu. Eto izluchenie v sushnosti prihodit ot poverhnosti, takoi dalekoi, chto ona nablyudaetsya v epohu, kogda fluktuacii imeli maluyu amplitudu. Izluchenie ot zarozhdayushegosya skopleniya na etoi poverhnosti budet imet' nemnogo men'shuyu temperaturu, tak kak ono teryaet energiyu, vybirayas' iz gravitacionnoi yamy, sozdannoi povyshennoi plotnost'yu. Naoborot, izluchenie iz zarozhdayushegosya pustogo mesta budet nemnogo goryachee. Predskazannye otnositel'nye izmeneniya temperatury po nebu iz-za etogo effekta imeyut poryadok 1/100000. Na nekotoryh masshtabah predskazyvayutsya nemnogo bol'shie doplerovskie fluktuacii, voznikayushie iz-za svyazannyh s neodnorodnostyami dvizhenii.
Izmerenie fonovogo izlucheniya, kotoroe samo v 100 raz holodnee atmosfery, s tochnost'yu 1/100000 kazhetsya tehnicheski prakticheski nevozmozhnym. No eto bylo osushestvleno. Fluktuacii vpervye byli izmereny Dzhordzhem Smutom i ego kollegami, obrabotavshimi dannye, poluchennye sputnikom COBE za 4 goda. Odnako, eti izmereniya byli vozmozhny tol'ko dlya uglovyh razmerov, prevyshayushih 7 gradusov. Vposledstvii oni byli dopolneny i rasshireny eksperimentami, provedennymi na poverhnosti Zemli i na vozdushnyh sharah. Amplitudy deistvitel'no soglasuyutsya s trebuemymi dlya obrazovaniya galaktik. V techenie sleduyushih neskol'kih let dva novyh kosmicheskih apparata - Zond anizotropii mikrovoln NASA i sputnik Plank Evropeiskogo kosmicheskogo agentstva - dolzhny poluchit' dannye, dostatochno tochnye dlya resheniya mnogih klyuchevyh voprosov o kosmologii, rannei Vselennoi i obrazovanii galaktik.
6. Temnaya materiya, postoyannaya Omega i pervye mikrosekundy
Primerno cherez 5 milliardov let Solnce umret, i Zemlya vmeste s nim. Primerno v to zhe vremya (plyus minus milliard let) Tumannost' Andromedy, kotoraya uzhe priblizhaetsya k nam, stolknetsya s nashim Mlechnym Putem. No budet li Vselennaya vechno rasshiryat'sya? Ili zhe ves' nebosvod v konce koncov skollapsiruet i budet razdavlen, i vse v mire postignet ta zhe sud'ba, chto i neostorozhnogo astronavta, upavshego na chernuyu dyru?
Otvet zavisit ot togo, naskol'ko kosmicheskoe rasshirenie budet zamedleno gravitacionnym prityazheniem, kotoroe kazhdoe telo okazyvaet na vse okruzhayushee. Legko vychislit', chto rasshirenie mozhet byt' ostanovleno, esli v srednem v kazhdom kubicheskom metre prostranstva soderzhitsya okolo pyati barionov - eto tak nazyvaemaya kriticheskaya plotnost'. (Barion - eto obshii termin dlya protonov i neitronov, tyazhelyh sostavlyayushih vseh atomov.) Eto ne kazhetsya ochen' bol'shoi plotnost'yu. No esli razobrat' vse galaktiki i ravnomerno razmazat' vse soderzhashiesya v nih zvezdy i gaz v prostranstve, to poluchitsya eshe bolee pustoi vakuum - odin barion na 10 kubicheskih metrov. Dobavim k etomu veshestvo diffuznogo mezhgalakticheskogo gaza, kotorogo, po-vidimomu, primerno stol'ko zhe - i poluchennaya plotnost' sostavit 0.2 bariona na kubicheskii metr.
Eto v 25 raz men'she kriticheskoi plotnosti, chto na pervyi vzglyad oznachaet vechnoe rasshirenie. No v deistvitel'nosti situaciya ne takaya odnoznachnaya. Astronomy obnaruzhili, chto galaktiki i dazhe celye skopleniya galaktik raspalis' by, esli by ih ne uderzhivalo gravitacionnoe prityazhenie veshestva, massa kotorogo ot 5 do 10 raz bol'she vidimogo veshestva. Eto znamenitaya zagadka "temnoi materii".
Est' mnogo kandidatov na rol' temnoi materii. Rannie idei vklyuchali ochen' slabye zvezdy (izvestnye kak "korichnevye karliki"), ili ostatki massivnyh zvezd. Odnako bol'shinstvo kosmologov predpolagaet, chto temnoe veshestvo sostoit ne iz barionov, a iz ekzoticheskih chastic, ostavshihsya posle Bol'shogo vzryva.
Dlya etogo est' dva osnovaniya. Vo-pervyh, soderzhanie geliya i deiteriya, rasschityvaemoe v ramkah modeli Bol'shogo vzryva, chuvstvitel'no k barionnoi plotnosti i ne budet soglasovyvat'sya s nablyudeniyami, esli srednyaya barionnaya plotnost' budet ravna, skazhem, 1 ili 2, a ne 0.2 na kubicheskii metr. Dopolnitel'noe temnoe veshestvo v ekzoticheskih chasticah, kotorye ne uchastvuyut v yadernyh reakciyah, odnako, ne narushit soglasiya, kotoroe dostigaetsya pri plotnosti barionov 0.2 na kubicheskii metr.
Vo-vtoryh, obrazovanie galaktik trudno ob'yasnit', esli vsya ih massa yavlyaetsya barionnoi. Nebarionnoe veshestvo mozhet bolee effektivno skuchivat'sya v rannei Vselennoi, potomu chto ono ne ispytyvaet protivopolozhnogo vozdeistviya davleniya izlucheniya. Esli by Vselennaya sostoyala tol'ko iz barionov, trudno bylo by soglasovat' ee nastoyashee strukturirovannoe sostoyanie s malymi amplitudami pervonachal'nyh fluktuacii, opredelyaemymi po anizotropii reliktovogo izlucheniya.
Zagadka temnoi materii mozhet ne vyderzhat' ataki s treh napravlenii:
1. Pryamoe obnaruzhenie. Poisk kandidatov v temnoe veshestvo, vklyuchayushih tyazhelye neitral'nye chasticy i aksiony, vedetsya v podzemnyh laboratoriyah s chuvstvitel'nymi detektorami.
2. Progress v fizike elementarnyh chastic. Esli by my bol'she znali o tipah chastic, kotorye mogli sushestvovat' v sverhrannei Vselennoi, my mogli by nadezhno vychislit', skol'ko ih dolzhno perezhit' pervye mikrosekundy Bol'shogo vzryva i skol'ko temnoi massy oni mogut obrazovat'.
3. Modelirovanie obrazovaniya galaktik i krupnomasshtabnyh struktur. Kogda i kak galaktiki formiruyutsya i obrazuyut skopleniya, zavisit ot togo, chto yavlyaetsya dominiruyushim istochnikom gravitacionnyh sil. Vozmozhno modelirovat' formirovanie galaktik na komp'yutere, delaya razlichnye predpolozheniya o temnoi materii. Esli odno iz predpolozhenii dast rezul'tat, kotoryi budet luchshe drugih sootvetstvovat' real'nym galaktikam, eto budet po krainei mere podkreplyayushim svidetel'stvom v pol'zu odnogo iz variantov.
Kosmologi oboznachayut otnoshenie deistvitel'noi plotnosti k kriticheskoi
kak 
. Navernyaka temnogo veshestva dostatochno, chtoby
= 0.2.
Do nedavnego vremeni my ne mogli isklyuchit', chto veshestva v prostranstve
mezhdu skopleniyami galaktik v neskol'ko raz bol'she, i znachenie
= 1 vpolne dopustimo. Seichas kazhetsya, chto atomy i temnoe
veshestvo vmeste dayut ne bolee 30% kriticheskoi plotnosti.
Konechno, my ne mozhem znat', chto proizoidet v budushem: mozhet poyavit'sya novaya fizika, i ne nablyudaemye poka oblasti Vselennoi mogut sushestvenno otlichat'sya ot toi ee chasti, kotoruyu my vidim. No s etimi ogovorkami, vse zhe bol'she shansov v pol'zu vechnogo rasshireniya. Galaktiki budut rasseivat'sya i ugasat', tak kak vse ih zvezdy umrut i veshestvo okazhetsya zaklyuchennym v belyh karlikah, neitronnyh zvezdah i chernyh dyrah.
Bolee togo, sushestvuyut volnuyushie svidetel'stva sushestvovaniya dopolnitel'noi sily ottalkivaniya, kotoraya v kosmicheskih masshtabah prevoshodit gravitaciyu. Issledovaniya sootnosheniya mezhdu krasnym smesheniem i vidimoi yarkost'yu dalekih sverhnovyh pozvolyayut predpolozhit', chto galaktiki mogut razletat'sya s uvelichivayusheisya skorost'yu. Eta rabota byla nazvana - vozmozhno, prezhdevremenno - samym vazhnym otkrytiem 1998 goda vo vseh oblastyah nauki. Esli etot rezul'tat budet podtverzhden, to nas ozhidaet eshe bolee pustaya Vselennaya. Vse galaktiki za predelami Mestnoi Gruppy budut udalyat'sya s uskoreniem, polnost'yu ischezaya iz vidu, kogda ih krasnoe smeshenie budet eksponencial'no vozrastat' do beskonechnosti.
Zarozhdenie idei o kosmologicheskom ottalkivanii otnositsya k 1917 godu,
kogda Einshtein vvel dopolnitel'nyi chlen v svoi uravneniya. On nazval
ego kosmologicheskoi konstantoi, ili 
. Prichinoi bylo
dopustit'
sushestvovanie statichnoi Vselennoi, v kotoroi ottalkivayushaya sila
uravnoveshivala gravitaciyu. Pozdnee, kogda Habbl otkryl rasshirenie
Vselennoi, on otkazalsya ot etoi idei, nazvav ee "velichaishei oshibkoi".
Odnako, s sovremennoi tochki zreniya, mozhno rassmatrivat' kak
temnuyu energiyu, skrytuyu v pustom prostranstve. Ona privodit k
ottalkivaniyu tak kak, soglasno uravneniyu Einshteina, gravitaciya
zavisit ot davleniya i ot plotnosti, i esli davlenie imeet dostatochno
bol'shuyu otricatel'nuyu velichinu (kak dolzhno byt' dlya energii vakuuma),
obshii effekt budet ottalkivaniem.
Kosmologicheskaya postoyannaya sootvetstvuet energii vakuuma, kotoraya ne izmenyatsya pri rasshirenii Vselennoi. Kosmologi nedavno predlozhili varianty - formy temnoi energii, nazvannoi kvintessenciei, s otricatel'noi energiei, kotoraya mozhet postepenno oslabevat'.
Est' eshe svidetel'stva sushestvovaniya nekotoroi formy temnoi energii, nezavisimye ot vyvodov ob uskorenii rasshireniya Vselennoi, poluchennyh na osnovanii issledovaniya sverhnovyh. Teoriya govorit, chto fluktuacii, ili ryab', v mikrovolnovom fone dolzhny byt' naibol'shimi na opredelennoi shkale dliny, kotoraya svyazana s maksimal'nym rasstoyaniem, na kotoroe mozhet rasprostranyat'sya zvukovaya volna. Uglovaya shkala, sootvetstvuyushaya etoi dline, odnako, zavisit ot geometrii Vselennoi.
Nablyudeniya pomogli opredelit' uglovuyu shkalu etogo doplerovskogo
pika s tochnost'yu luchshe 10%. Rezul'taty soglasuyutsya s model'yu
"ploskoi" Vselennoi. Naprotiv, esli by ne bylo massy-energii,
krome barionov i temnoi materii, kotorye davali by znacheniya ot
0.2 do 0.3 dlya , to my zhili by v otkrytoi Vselennoi, gde
etot ugol byl by primerno v dva raza men'she, chto opredelenno
protivorechit nablyudeniyam. Soglasovaniya s izmereniyami reliktovogo
izlucheniya mozhno dostich', esli balans podderzhivaet temnaya energiya,
i Vselennaya vse-taki ploskaya; dominiruyushaya temnaya energiya togda
budet obespechivat' uskorennoe rasshirenie.
Vsego za poslednie 2 goda bylo dostignuto zamechatel'noe soglasie mezhdu neskol'kimi kazhushimisya nezavisimymi rezul'tatami nablyudenii, chto privelo k vyboru naibolee veroyatnyh znachenii klyuchevyh parametrov, opisyvayushih nashu Vselennuyu. Veroyatno, Vselennaya ploskaya, bariony dayut 4% massy-energii, temnaya materiya - ot 20% do 30%, a temnaya energiya - ostal'nuyu chast', to est' ot 66% do 76%. To, chto Vselennaya ploskaya, podtverzhdaet estestvennoe predskazanie "teorii inflyacii" (kotoraya obsuzhdaetsya nizhe). Rasshirenie uskoryaetsya, potomu chto temnaya energiya (s otricatel'nym davleniem) yavlyaetsya dominiruyushei sostavlyayushei. No otnositel'no raspredeleniya dolei mezhdu tremya razlichnymi sostavlyayushimi nel'zya skazat', chto dlya nego est' estestvennoe ob'yasnenie.
Est' li kakoe-nibud' ob'yasnenie dlya etih cifr? I v dopolnenie k etomu voprosu, pochemu prostye kosmologicheskie modeli, osnovannye na tochnoi odnorodnosti i izotropii, tak horosho podhodyat? Polnost'yu haotichnaya i nepravil'naya Vselennaya na pervyi vzglyad kazhetsya bolee veroyatnoi. Esli na eti voprosy est' otvety, ih nuzhno iskat' v pervyh mgnoveniyah kosmicheskoi istorii.
V poslednie 20 let kosmologi predpolagali, chto odnorodnost' - eto nasledie kakogo-to zamechatel'nogo sobytiya, proizoshedshego v sverhrannei Vselennoi. Predpolagalos', chto ochen' sil'noe kosmicheskoe ottalkivanie moglo uskorit' rasshirenie, i malen'kii klochok prostranstva-vremeni eksponencial'no rasshirilsya i stal odnorodnym, kogda ego vozrast ne prevyshal 10-35 sekund.
Obshaya ideya, chto nasha Vselennaya razdulas' iz chego-to mikroskopicheskogo,
yavlyaetsya zahvatyvayushe privlekatel'noi. Vmesto togo chtoby prinyat'
rasshirenie kak nachal'noe uslovie, ona fizicheski ob'yasnyaet ego.
Eto vyglyadit kak "chto-to za nichego", no eto ne tak, potomu chto
nasha ogromnaya Vselennaya mozhet imet', v nekotorom smysle, nulevuyu
polnuyu energiyu. Kazhdyi atom imeet energiyu blagodarya svoei masse
(formula Einshteina 
). No blagodarya gravitacii u nego
est' i otricatel'naya energiya. Naprimer, na poverhnosti Zemli my
nahodimsya v sostoyanii s men'shei energiei, chem esli by my byli v
kosmose. I esli my pribavim otricatel'nuyu potencial'nuyu energiyu,
kotoroi my obladaem blagodarya gravitacionnomu polyu vseh drugih tel,
ona mozhet prevysit' energiyu nashei massy pokoya. Takim obrazom,
nichego ne stoit uvelichit' massu i energiyu v nashei Vselennoi.
Alan Gat ob'yasnil etu koncepciyu inflyacii v 1981 g., osnovyvayas' na rabotah drugih issledovatelei. Ona vklyuchaet ekstremal'nuyu, neproverennuyu fiziku i takim obrazom imeet ne ochen' nadezhnoe osnovanie. No eto - ne chistaya metafizika. Odno ee obshee predskazanie - chto Vselennaya budet rasshiryat'sya ploskoi - kazhetsya, podtverzhdeno nablyudeniyami. Bolee togo, nablyudeniya mogut v principe dat' ei eshe bolee vesomoe podtverzhdenie. Naprimer, legkaya ryab', kotoraya byla zarodyshem galaktik i skoplenii, mogla byt' kvantovymi fluktuaciyami, voznikshimi, kogda Vselennaya imela mikroskopicheskie razmery, a zatem rastyanutaya inflyacionnym rasshireniem. Neodnorodnosti v sovremennoi Vselennoi zavisyat, i eta zavisimost' mozhet byt' rasschitana, ot fiziki inflyacii. Takim obrazom, nablyudeniya mogut pomoch' proverit' etu ekstremal'nuyu fiziku i, vozmozhno, ponyat', chto vyzvalo inflyaciyu.
Nekotorye varianty teorii inflyacii - podderzhivaemye Andreem Linde, Aleksom Vilenkinym i drugimi - predpolagayut, chto nash Bol'shoi vzryv ne byl edinstvennym. Eto fantasticheskoe predpolozhenie rezko rasshiryaet nashe predstavlenie o deistvitel'nosti. Vsya istoriya nashei Vselennoi mozhet byt' lish' epizodom, nebol'shoi yacheikoi beskonechnoi sverhvselennoi. Sushestvuyushie v nastoyashee vremya idei v teorii superstrun i o vozmozhnosti dopolnitel'nyh prostranstvennyh izmerenii pozvolyayut predpolozhit' drugie, ne menee zahvatyvayushie scenarii.
7. Vselennaya kak predmet nashego poznaniya
Kosmologi bol'she ne stradayut ot nedostatka dannyh: proishodyashii v nastoyashee vremya progress dal gorazdo bol'she nablyudatelyam i eksperimentatoram, chem sidyashim za pis'mennymi stolami teoretikam. Hotya neposredstvennoe fizicheskoe issledovanie ogranicheno nashei solnechnoi sistemoi, nablyudeniya s pomosh'yu teleskopov i drugoi tehniki sushestvenno rasshirili nashi gorizonty. Eti instrumenty pozvolyayut nam izuchat' galaktiki, svet ot kotoryh idet do nas v techenie 90% vremeni, proshedshego posle Bol'shogo vzryva.
I my osmyslivaem vse, chto my vidim. Uzhe dostatochno horosho ponyaty osnovnye osobennosti zhiznennyh ciklov zvezd. Dlya galaktik takogo ponimaniya poka net. No nablyudeniya blizkih galaktik i ochen' dalekih galaktik, kotorye my vidim v processe formirovaniya, pomogut razobrat'sya s etimi voprosami.
My yavlyaemsya svidetelyami narastayushego potoka otkrytii, kotoryi skoree vsego prodolzhitsya i v sleduyushem desyatiletii. Tak sluchilos', chto sovpadenie razvitiya tehnologii i nauchnoi mysli, dopolnennoe sootvetstvuyushim finansirovaniem, privelo k pochti odnovremennym proryvam na neskol'kih frontah:
Vysokochuvstvitel'noe oborudovanie i novye metody sdelali vozmozhnymi intensivnoe izuchenie fluktuacii mikrovolnovogo fona.
Kosmicheskii teleskop Habbla realizoval svoi vozmozhnosti po nablyudeniyam yavlenii v dalekom kosmose; vstupayut v stroi novye 8- i 10-metrovye teleskopy; novye rentgenovskie teleskopy v kosmose i radioteleskopy na Zemle obladayut bol'shei chuvstvitel'nost'yu. Cherez desyat' let novye kosmicheskie teleskopy dolzhny prodolzhit' poiski za predely, dostupnye teleskopu Habbla.
Issledovaniya krupnomasshtabnyh struktur i dinamiki, novye obzory galaktik pozvolyat primenit' bolee tochnye statisticheskie metody i sdelat' vybor mezhdu teoriyami obrazovaniya struktur.
Znachitel'nyi progress v komp'yuternoi tehnologii pozvolyaet provodit' vse bolee podrobnoe chislennoe modelirovanie, kotoroe mozhet vklyuchat' realistichnuyu gazodinamiku i gravitaciyu.
Novaya fundamental'naya fizika daet nadezhdu postavit' teoriyu sverhrannei Vselennoi na takoe zhe nadezhnoe osnovanie, kak i bolee pozdnie etapy.
Nekotorye spory byli razresheny; nekotorye voprosy bolee ne yavlyayutsya istochnikom protivorechii. No seichas voznikayut i obsuzhdayutsya novye voprosy, kotorye ranee ne mogli byt' postavleny. Sredi nih takie: Pochemu nasha Vselennaya sostoit iz barionnogo veshestva i temnoi materii v opredelennoi proporcii? V chem prichina nachal'nogo preimushestva veshestva nad antiveshestvom? Sostoit li temnaya materiya iz neitral'nyh chastic, vyzhivshih posle Bol'shogo vzryva, ili iz chego-to bolee ekzoticheskogo? Yavlyayutsya li oni produktom kvantovyh fluktuacii, sohranivshihsya so vremeni, kogda vsya nasha Vselennaya imela mikroskopicheskie razmery? Chto takoe tainstvennaya temnaya energiya, kotoraya delaet Vselennuyu ploskoi, i kak eto sootnositsya s inflyaciei?
Ponyat' samoe nachalo ostanetsya slozhnoi zadachei. Eto potrebuet novoi teorii, vozmozhno, varianta superstrun, ob'edinyayushih kosmos i mikromir. Optimisty nadeyutsya na skoryi proryv. No cel' kosmologii i astronomii - ustanovit', kak prostoi ognennyi shar proevolyucioniroval za 12 milliardov let v to slozhnoe kosmicheskoe okruzhenie, kotoroe my vidim vokrug. Ponyat', kak sledstviya osnovnyh zakonov raskryvalis' v hode istorii kosmosa, ostaetsya neischerpaemoi zadachei dlya novogo tysyacheletiya.
Literatura
N. A. Bahcall, J. P. Ostriker, S. Perlmutter, P. J. Steinhardt, Science 284, 1481 (1999).
M. C. Begelman and M. J. Rees, Gravity's Fatal Attraction: Black Holes in the Universe (W. H. Freeman & Company, New York, 1998).
R. Brawer and A. P. Lightman, Origins: The Lives and Worlds of Modern Cosmologists (Harvard University Press, Cambridge, MA, 1992).
E. R. Harrison, Cosmology: The Science of the Universe (Cambridge University Press, Cambridge, ed. 2, 2000).
J. A. Peacock, Cosmological Physics (Cambridge University Press, Cambridge, 1998). Reviews of Modern Physics 71(2), (1999).
American Physical Society. Special centenary issue with many authoritative reviews of history and current status of subject.
|
Publikacii s klyuchevymi slovami:
gravitaciya - Obshaya teoriya otnositel'nosti - neitronnye zvezdy - chernye dyry - Bol'shoi Vzryv - Rasshirenie Vselennoi
Publikacii so slovami: gravitaciya - Obshaya teoriya otnositel'nosti - neitronnye zvezdy - chernye dyry - Bol'shoi Vzryv - Rasshirenie Vselennoi | |
Sm. takzhe:
Vse publikacii na tu zhe temu >> | |
