«Наука и жизнь» № 11, 1996 г., стр. 2 – 7
БЕСЕДЫ ОБ ОСНОВАХ НАУК

Доктор физико-математических наук Илья Исаевич Ройзен
(ФИАН им. П. Н. Лебедева)

Часть I

Большие художники всегда имели собственный взгляд на мир. Нередко их интуитивное восприятие позволяло пристальнее вглядеться в суть окружающих нас вещей и отыскать закономерности, которые впоследствии находили научное подтверждение. Картина голландского художника М. Эшера «Другой мир».

С давних пор – вот уже более двух тысячелетий (а быть может, и много дольше) живут бок о бок три подхода к восприятию и осмыслению окружающего нас мира.

Один из них и, вероятно, самый древний – это искусство, стремление проникнуть в суть вещей через внелогическое отображение, которое принято называть интуитивным: оно недоказуемо и не вытекает из непреложных научных фактов. Пример такого суждения – эпиграф, выбранный для статьи. Так более семидесяти лет тому назад, на заре становления современных представлений о структуре и свойствах микромира, поэт, философ, мыслитель Валерий Брюсов с непостижимым прозрением, присущим большому художнику, выразил в изящной метафорической форме свой взгляд на глубинную сущность окружающей нас природы. Его догадка блестяще выдержала проверку временем и ныне подкреплена реальным знанием. Хотелось бы, однако, сразу же отделить интуитивное суждение от бытующего пока еще, к сожалению, термина «озарение» – знание, якобы полученное свыше. Коренное различие между этими двумя понятиями заключается в том, что интуиция – исключительное умение обобщить конкретные знания и опыт, между тем как «озарение» не включает в себя ничего, кроме очковтирательства и шарлатанства.

Второй подход – научный, последовательное изучение законов природы и свойств материи. Он опирается на эксперимент и строгие логические построения. Искусство и наука отнюдь не антагонистичны, наоборот, они взаимно дополняют друг друга. Уже давно замечено, что стройная логика сама по себе никогда не приводит к выдающимся и в особенности к революционным научным открытиям. Напротив: они, как это на первый взгляд ни парадоксально, часто делаются вопреки логике, преодолевая ее ограниченность на крыльях гениальной догадки, обобщающей накопленный опыт. Два выдающихся примера дает нам физика двадцатого века. Это, во-первых, теория относительности, которая возникла на руинах логически безупречных и «совершенно очевидных» представлений о пространстве и времени, никак друг с другом не связанных. Во-вторых, это квантовая механика, которая покончила, казалось бы, вопреки здравому смыслу, с убеждением (лучше сказать – заблуждением) в абсолютном различии между волнами и частицами. Эти примеры (можно было бы привести еще много других) показывают, что великое открытие в науке требует не только высочайшего профессионализма, но и способности проникнуть в глубинную суть вещей и подняться над канонической схемой мышления. Тогда, обобщив накопленный в науке опыт, ученый может вынести парадоксальное интуитивное суждение, которое, конечно же, опять подлежит проверке опытом.

Наконец, есть третий подход – теологический. Он противостоит прежде всего научному по самой своей сути, поскольку зиждется на вере в сверхъестественное божественное начало и не апеллирует к эксперименту. Конечно, мы ни в коем случае не покушаемся на священное право каждого человека верить в Бога или быть атеистом. Единственное, что представляется нам неприемлемым – это стремление подменить объективное и нелицеприятное знание какой бы то ни было априорной или субъективной концепцией.

Так пополняются и совершенствуются наши знания. Повседневный опыт и наблюдения позволяют выработать ряд основополагающих научных принципов. На их основе создается теория, которую подтверждают экспериментальные проверки. Но с ростом точности эксперимента появляются новые данные, приходящие в противоречие с теорией. Их появление заставляет выдвигать новые основополагающие принципы, которые, однако, не отвергают старые, а расширяют и дополняют их.

Но для многих в религии есть и своя притягательная сила: вера не требует интеллектуального напряжения – она преподносит все истины в окончательном и неизменном виде. Как бы ни архаично выглядел такой подход, опровергнуть его невозможно. Последовательный идеализм представляет собой безупречное логическое построение: нельзя доказать ни существование, ни отсутствие Бога, опираясь только на формальную логику. Если бы дело обстояло иначе, борьба между наукой и религией закончилась бы уже давно. Единственным оружием науки в этой борьбе служит опыт, эксперимент, позволяющий рано или поздно дать разумное объяснение всему, что казалось невозможным трактовать иначе, как чудо, сотворенное божественной волей. Астрономия уже нанесла много чувствительных ударов по главному – сотворению мира, но она же (а точнее, ее часть, предмет которой изучает возникновение и эволюцию Вселенной – космология) пока еще дает предрассудкам наиболее надежное убежище. Вселенная представляет собой уникальный объект, и невозможно поставить эксперимент, который воспроизводил бы весь долгий путь ее развития, доказав, что нет необходимости в «божественном творении». И все же, благодаря блестящим научным открытиям последних десятилетий, мы сумели очень и очень многое понять и объяснить в процессах, отдаленных от нас на миллиарды лет, – в зарождении и развитии Вселенной.

ВСЕЛЕННАЯ РАСТЕТ

Ошеломительный успех космологии в последние десятилетия связан с двумя выдающимися открытиями двадцатого века, с которых мы и начнем. История вопроса такова.

Каждый элемент таблицы Менделеева характеризуется вполне определенным спектром излучения. Этот спектр служит «визитной карточкой» элемента, по которой его сразу же можно распознать среди всех прочих. Но так дело обстоит только в том случае, если источник излучения неподвижен.

В начале века было обнаружено, что спектры ближайших к нам галактик и их скоплений (туманностей), которые только и были доступны наблюдению в то время, слегка сдвинуты либо в фиолетовую, либо в красную сторону. Причину этого явления поняли сразу – эффект Доплера, изменение воспринимаемой частоты излучения источника при его движении к наблюдателю или от него. В первом случае спектр излучения смещается в сторону больших частот (фиолетовое смещение), во втором – в сторону меньших (красное смещение). Величина смещения тем больше, чем выше скорость источника относительно наблюдателя. Таким образом, сдвиг спектров указывал поначалу только на то, что источник излучения либо приближается к нашей Галактике, либо удаляется от нее. Так, например, туманность Андромеды приближается к Земле со скоростью около 300 километров в секунду, а более удаленное скопление галактик в созвездии Девы движется со скоростью около 1000 километров в секунду от Земли. Однако по мере накопления наблюдательных данных стало выясняться, что подавляющее число туманностей удаляется от Земли и притом тем быстрее, чем дальше от нас туманность. К Земле движется только несколько ближайших галактических систем вроде Андромеды.

Неподвижный источник излучает световую волну постоянной частоты. Приемник излучения ее регистрирует и определяет длину волны принятого излучения. Если источник движется по направлению к приемнику, воспринимаемая длина волны окажется меньше (или, что то же самое, частота излучения будет больше). Если источник удаляется, длина волны окажется больше (частота ниже); спектр излучения будет смещен в красную область. Так возникает красное смещение разбегающихся галактик.

Конечно, это отнюдь не означает, что Земля расположена в центре Вселенной. Общая картина заставила предположить, что Вселенная испытала в далеком прошлом чудовищной силы взрыв, после которого все ее части стремительно полетели прочь друг от друга. Эта точка зрения окончательно восторжествовала после 1929 года, когда американский астроном Эдвин Хаббл, подытожив накопившийся к тому времени обширный наблюдательный материал, сделал вывод, что имеется прямая пропорциональность между расстоянием до галактики и скоростью ее удаления. Весьма примечательно, что такой же результат непосредственно вытекает из так называемого космологического принципа. Последний очень привлекателен с философской точки зрения и попросту сводится к утверждению, что для наблюдателя, где бы он ни находился, распределение движения видимых им галактик по скоростям должно быть одинаковым. Это эквивалентно утверждению, что Вселенная однородна и изотропна, то есть во всех направлениях имеет одинаковые свойства. Читатель может сразу же возразить: более 99 % массы Солнечной системы сосредоточено в самом Солнце, а оставшаяся часть – в планетах, которые вместе с Солнцем занимают лишь ничтожную часть объема системы. Все остальное пространство между ними практически пусто. Какая уж тут однородность и изотропия! И мы, конечно, согласимся с ним, что тут их нет и в помине. Но когда речь идет об однородности и изотропии Вселенной, имеется в виду, что она обладает этими свойствами только в среднем. Причем усреднение следует производить по весьма внушительным пространственным масштабам, заметно превышающим характерные расстояния между соседними скоплениями галактик – порядка 100 миллионов световых лет. А размеры части Вселенной, видимой невооруженным глазом, значительно меньше. Именно по этой причине закон разбегания галактик не стал известен раньше.

Американский астроном Эдвин Хаббл в 1929 году, измеряя величину красного смещения галактик, обнаружил, что все они разбегаются друг от друга, и тем быстрее, чем больше расстояние между ними.

Все галактики (в том числе и Галактика, в которой живем мы, – черный кружок) движутся, увлекаемые общим космологическим расширением. Скорости и направления их движения различны. Но любому наблюдателю (в том числе и земному) будет казаться, что именно он неподвижен, а вся остальная Вселенная разбегается от него в разные стороны.

Его нельзя было установить и проверить без мощных современных телескопов, позволяющих заглянуть весьма далеко в глубины Вселенной. Сегодня мы способны различать крупные звездные образования, удаленные от нас на расстояния до двадцати миллиардов световых лет (2 ·10 ²³ километров). И по многим причинам полагаем, что это и есть истинный размер, который сейчас имеет наша Вселенная. Такая оценка основана на следующем простом рассуждении. Как уже говорилось, галактики разлетаются с относительными скоростями, пропорциональными их расстоянию друг от друга. Подчеркнем, что это относится к любой паре галактик. Если экстраполировать картину вспять по времени, то неизбежен кажущийся парадоксальным вывод, что когда-то все они, а точнее, вся заключенная в них материя, вылетели из одной точки. Здесь, конечно, необходима большая осторожность. Бездумно переносить действующие сейчас закономерности сколь угодно далеко по времени нельзя, хотя бы потому, что, углубляясь в прошлое, мы сталкиваемся с неограниченно растущей плотностью материи, когда ее свойства нам совершенно неизвестны. Однако вплоть до огромных плотностей – порядка миллиарда тонн в кубическом сантиметре, которые существуют внутри атомных ядер, – мы свойства материи уже знаем, и этого достаточно для оценки. Многолетние наблюдения показали, что скорость разлета галактик возрастает примерно на 15 километров в секунду на каждый миллион световых лет расстояния между ними. Эта величина называется постоянной Хаббла. Самые далекие уносятся от нас со скоростью, приближающейся к скорости света – 300000 километров в секунду. Сопоставив оба факта, находим время, прошедшее с начала разлета. Для этого нужно один миллион лет умножить на отношение скорости света к постоянной Хаббла, то есть на 20000. Получаем двадцать миллиардов лет. Если учесть замедление, вызванное силами гравитационного притяжения, то время расширения оказывается несколько меньше. В известном смысле это время называют возрастом Вселенной.

ВСЕЛЕННАЯ ОСТЫВАЕТ

Вторым крупнейшим достижением астрофизики последних десятилетий стало открытие реликтового излучения. Само название говорит о том, что речь пойдет о явлении, возникшем в незапамятно древние времена. А вот обнаружено это излучение было только в 1964 году американскими радиоастрономами Арно Пензиасом и Робертом Вилсоном. В 1978 году им за это открытие была присуждена Нобелевская премия. Оно сыграло решающую роль в становлении и дальнейшем триумфальном шествии теории «горячей» Вселенной. Но чтобы рассказать о ней, нам придется сделать еще одно отступление в область общей физики.

Мысленный эксперимент, поясняющий механизм возникновения реликтового излучения. Вообразим излучение, которое заключено в ящике с абсолютно черными стенками и находится с ними в тепловом равновесии. Пусть теперь стенки ящика начнут раздвигаться. Объем ящика станет расти, а плотность энергии заключенного в нем излучения, то есть частота излучения и его температура, – падать. Чем дальше отодвигаются стенки, тем ниже становится температура. Когда-то температура молодой Вселенной составляла миллиарды градусов, а чрезвычайно плотная материя «запирала» горячее излучение в очень малом (по космическим масштабам) объеме. В процессе расширения Вселенной температура излучения уменьшилась до трех градусов выше абсолютного нуля.

Представим себе, что внутри ящика с полностью поглощающими стенками заперто электромагнитное излучение и что вся эта система находится в тепловом равновесии. Электромагнитное излучение включает радиоволны, инфракрасное (тепловое) излучение, видимый свет, ультрафиолетовое, рентгеновское и гамма-излучение. Термин «тепловое равновесие» означает, что излучение, попадая на стенки, отдает им ровно столько энергии, сколько стенки излучают обратно в ящик. Как при таких условиях распределится интенсивность излучения по частотам или, что то же самое, по длинам волн? Этот вопрос довольно долго мучил физиков и был решен выдающимся немецким ученым Максом Планком всего лишь за несколько недель до начала нашего века* (см. «Наука и жизнь» №№ 5 и 6, 1996 г.). Выяснилось, что это распределение полностью определяется температурой стенок, причем по мере роста частоты (уменьшения длины волны) его интенсивность сначала возрастает, затем при определенной частоте, растущей с температурой, достигает максимума, после чего начинает падать, приближаясь к нулю при очень больших частотах. Поэтому излучение обычно характеризуют температурой: распределение его энергии по частотам, то есть энергетический спектр, описывается знаменитой формулой Планка, в которую следует подставить соответствующую температуру. Эта формула и положила начало всей современной квантовой физике.

Что произойдет, если убрать стенки? Очевидно, что тогда излучение начнет свободно распространяться в окружающее пространство, словно газ, выпущенный из сосуда. При этом плотность его энергии будет убывать обратно пропорционально занимаемому им в каждый данный момент объему (поскольку его полная энергия – произведение плотности энергии на объем – остается неизменной). Значит, будет убывать и его температура. Но это означает, что максимум излучения будет приходиться на все меньшие и меньшие частоты или, что то же, на все более длинные волны. Другими словами, при расширении в свободное пространство волны излучения как бы растягиваются и весь его спектр смещается в сторону меньших частот: гамма-излучение постепенно переходит в рентгеновское, оно, в свою очередь, в ультрафиолетовое и так далее.

Кривая Планка связывает температуру, энергию и частоту излучения. Каждой температуре отвечает своя кривая. С ростом температуры максимальная энергия излучения приходится на все более высокую его частоту.

Спрашивается, какое все это имеет отношение к астрофизике? Оказывается, самое непосредственное. Именно так возникло реликтовое излучение, которым заполнена вся Вселенная.

Когда-то, очень давно, плотность материи была чрезвычайно велика. Энергично взаимодействуя с излучением, материя препятствовала его свободному расширению. Другими словами, она играла роль того самого ящика с полностью поглощающими стенками. По мере расширения Вселенной плотность материи постепенно уменьшалась, а температура падала. Наконец, наступил момент, когда излучение стало настолько слабо взаимодействовать с веществом, что смогло распространяться практически свободно – стенки ящика стали прозрачными. Принято говорить, что в этот момент излучение оторвалось от вещества. Сейчас температура излучения упала почти до трех градусов по абсолютной шкале температур (около – 270° С). При этом максимум его энергии приходится на длину волны, несколько меньшую одного миллиметра. Оно почти однородно. Это означает, что измерения, проведенные в любой точке Вселенной, должны дать почти одинаковые результаты. И оно почти изотропно в системе центра масс Вселенной. Это означает, что оно почти одинаково по всем направлениям в любой координатной системе, в которой Вселенная как целое неподвижна (то есть в системах, где движения ее частей – галактик, туманностей – взаимно уравновешивают друг друга). Приходится лишь удивляться тому, что реликтовое излучение не было обнаружено значительно – лет на двадцать-тридцать – раньше, поскольку для этого уже тогда имелись все возможности. Единственное объяснение этому состоит в том, что его просто не искали и не знали, что нужно искать. Ведь Пензиас и Вилсон тоже наткнулись на него совершенно случайно.

Арно Пензиас и Роберт Вилсон возле рупорной антенны, которая в 1964 году приняла радиоволны длиной около миллиметра, идущие из всех точек небосвода, – реликтовое излучение.

Очень интересен вопрос, как движется наша Земля относительной такой неподвижной системы координат. Это в принципе можно установить, используя все тот же эффект Доплера, который, кстати говоря, служит не только уникальным средством изучения относительных скоростей очень удаленных космических объектов. По смещению спектральных линий сейчас можно определять скорости самолетов и автомобилей. Точность приборов теперь настолько высока, что при желании можно было бы таким способом измерять даже скорости пешеходов.

Созвездие Льва. Солнечная система вместе с Землей летит в его направлении со скоростью 390 километров в секунду.

Если бы Земля покоилась в системе координат, где излучение изотропно, то куда бы мы ни направили наш прибор, он «увидел» бы совершенно одинаковый спектр. Это фактически и есть определение изотропии. Если же Земля движется относительно этой системы, то, в силу эффекта Доплера, воспринимаемый наземным прибором спектр излучения будет различен в зависимости от того, как ориентирован этот прибор. Направленный по скорости Земли прибор «увидит» несколько более жесткий, смещенный в сторону коротких волн спектр, чем прибор, направленный в противоположную сторону. Иначе говоря, температура реликтового излучения в направлении движения Земли должна казаться несколько выше. Соответствующий эксперимент был бы весьма прост, двигайся Земля достаточно быстро. Первые же измерения показали, однако, что дело будет нелегким, поскольку отношение ее скорости к скорости света хотя и не ноль, но весьма мало. Но, как это бывало всегда, трудности лишь подогрели усилия, и в конечном счете анизотропия, зависимость частоты от направления, была обнаружена с помощью аппаратуры, установленной на высотном самолете. Оказалось, что антенна, направленная на созвездие Льва, «видит» излучение с температурой на 0,008 градуса выше, чем антенна, ориентированная противоположно. В пересчете на скорости это означает, что в системе координат, где фоновое излучение изотропно, Земля вместе с Солнечной системой движется со скоростью (390+60) километров в секунду (+60 – возможная неточность измерений) в направлении созвездия Льва. Это лишний раз подтверждает, что положение Земли и вообще всей Солнечной системы во Вселенной ничем не выделено.

Итак, кратко подытожим то, что уже знаем. Во-первых, в течение времени порядка двадцати миллиардов лет (конечно, это цифра оценочная: истинное время может оказаться, скажем, десять или двадцать пять миллиардов лет) Вселенная, в среднем однородная и изотропная, расширяется, причем из-за гравитационного притяжения скорость ее расширения уменьшается со временем. И, во-вторых, вся Вселенная равномерно заполнена реликтовым (или, как его еще называют, – фоновым) излучением, которое возникло почти в самом начале и свободно расширяется вместе с ней. С течением времени оно постепенно остывает и сейчас имеет температуру около трех градусов по абсолютной шкале, то есть около –270° С.

* Статья опубликована в 1996 г., поэтому под «нашим веком» имеется в виду XX век (прим. вед. сайт).

Конец первой части. Продолжение в Часть II.