«Наука и жизнь» № 12, 1996 г., стр. 32 – 38
БЕСЕДЫ ОБ ОСНОВАХ НАУК

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

Часть II

В первые мгновения своей жизни Вселенная представляла собой множество областей, информативно друг с другом не связанных. Их расширение, происходившее в полном согласии со специальной теорией относительности, вызвало раздувание Вселенной со скоростью, намного превосходящей скорость света. Рисунок голландского художника М. Эшера «Относительность».

ГОРЯЧАЯ ВСЕЛЕННАЯ: ПУТЕШЕСТВИЕ В ПРОШЛОЕ

Теперь давайте представим себе, что мы обладаем машиной времени, и мысленно пустим стрелки часов вспять. Чем дальше мы спустимся в глубь веков, вернее, в глубь миллионов веков – тем меньшей и более горячей предстанет перед нами Вселенная. Но пройдет очень много времени, минут миллиарды лет, останется позади более 90 % длительности всего нашего путешествия к началу расширения, за окном нашей машины исчезнет все живое, галактики станут наползать одна на другую, расплавятся и закипят даже самые жаропрочные вещества, а Вселенная по-прежнему будет прозрачной для электромагнитного излучения. Оно, как и сейчас, будет почти беспрепятственно доходить даже из самых удаленных ее уголков. В этом отношении свойства Вселенной как физического объекта останутся неизменными. Так будет продолжаться до тех пор, пока Вселенная не станет такой маленькой, что температура фонового излучения перевалит за три тысячи градусов. Тогда картина за окном нашей машины начнет быстро меняться. Одна за другой исчезнут из поля зрения галактики и их скопления, на окно наползет однородная раскаленная мгла, в которой ничего нельзя будет различить.

Физическое состояние вещества, наполняющего Вселенную, изменилось. Фоновое излучение разогрелось до такой степени, что значительная часть составляющих его фотонов достигла энергии, достаточной для ионизации атомов вещества. Поэтому длина свободного пробега фотонов резко сократилась: они начали энергично взаимодействовать с электронами атомов, ионизуя их и рассеиваясь на них. Пришел конец свободному распространению электромагнитного излучения, которое теперь стало накрепко связано с веществом. Вместе с ним излучение образовало однородную плотную плазму, состоящую из интенсивно взаимодействующих между собой фотонов, электронов и ионов. Это явление называют фазовым переходом. Расчет показывает, что описанный только что фазовый переход мы увидим в совсем юной Вселенной – ей тогда было всего около семисот тысяч лет. В новой фазе фотоны постоянно гибнут – поглощаются веществом и нарождаются вновь – излучаются веществом, но при этом их полное число не изменяется: скорости их гибели и рождения одинаковы. Температуры фотонного газа и вещества выравниваются. (Вероятно, нет нужды доказывать, что в той фазе, в которой мы сейчас живем, эти температуры сильно различаются.) Между ними устанавливается тепловое равновесие. Но две другие безмассовые частицы – нейтрино и гравитоны – по-прежнему слабо связаны с веществом, которое пока еще остается для них прозрачным, и они распространяются практически беспрепятственно.

Другими примерами фазовых переходов служат хорошо известные изменения агрегатного состояния вещества: скажем, плавление льда или кипение воды. Общим для всех фазовых переходов – и это будет очень важно для нас в дальнейшем – оказывается то, что в результате любого фазового перехода изменяется степень внутренней симметрии вещества. Высокотемпературная фаза всегда более симметрична, чем низкотемпературная. Жидкость более симметрична, чем соответствующее твердое вещество (для определенности мы здесь имеем в виду кристалл), поскольку жидкость полностью однородна, а кристалл представляет собой упорядоченную структуру атомов с определенными промежутками между ними. Газ более симметричен, чем жидкость, поскольку его атомы почти не связаны между собой и могут не только занимать любые положения в пространстве, но и заполнять его с произвольной плотностью. Наконец, плазма еще более симметрична, так как в ней сами электроны уже больше не связаны с ядрами атомов, и поэтому в любой точке можно с равной вероятностью встретить как положительный, так и отрицательный заряд, в то время как все атомы газа электрически нейтральны. Кроме того, утрачивается возможность говорить об излучении и веществе по отдельности, так как они интенсивно взаимодействуют друг с другом. Мы видим, что повышение внутренней симметрии по существу тесно связано с ростом хаотичности, неупорядоченности в системе. Или, другими словами, с уменьшением числа параметров, пригодных для ее описания, с потерей информации, которая позволила бы различать любые две точки внутри системы. Мы призываем обратить пристальное внимание на этот пункт, хотя он, видимо, наиболее труден для понимания.

Вряд ли нужно доказывать, что, пытаясь создать ту или иную теорию, мы всегда вынуждены прибегать к известной идеализации, то есть пренебрегать второстепенными явлениями и сосредоточиваться только на том, что представляется принципиально важным. Однако по мере развития теории можно незаметно для себя коснуться и таких вопросов, где принятая идеализация недопустима, поскольку она начинает влиять на результат исследований. Необходимо распознать эту опасность вовремя и соответствующим образом изменить постановку задачи. В своем воображаемом путешествии вспять по времени мы уже вступили в такую фазу. Теперь всякие непосредственные наблюдения становятся невозможными, и дальше нам придется двигаться, опираясь только на силу своего разума.

Итак, продолжим наше путешествие. Пройдет совсем немного времени – каких-нибудь две-три сотни тысяч лет – и окажется, что плотность энергии излучения сначала сравнялась, а затем стала больше и много больше плотности полной энергии вещества (ее, конечно, следует вычислять в соответствии со знаменитой формулой Эйнштейна E = mc ² ). Это не повлечет за собой нового фазового перехода. Но почти весь период времени, в течение которого температура Вселенной была больше четырех тысяч градусов, принято называть эрой излучения, поскольку оно доминирует в общем энергетическом балансе. Существенные изменения наступят только тогда, когда от начала расширения нас будет отделять всего лишь немногим более трех минут. С этого момента события разворачиваются с головокружительной быстротой, и счет пойдет не на века и даже не на дни и часы, а на минуты и секунды.

Итак, от конечной цели нас отделяет около двухсот секунд. Температура Вселенной примерно миллиард градусов, в 70 раз выше, чем сегодня в центре Солнца. Быстро исчезают последние «тяжелые» ядра гелия, дейтерия, трития: их разбивают фотоны. Остаются только протоны – ядра атомов водорода – и нейтроны, причем протонов значительно больше: 86 %, в то время как нейтронов только 14 %. Дело в том, что в отличие от протонов нейтроны не стабильны и каждые 1000 секунд половина из них распадается, рождая протон, электрон и антинейтрино.

Мчимся дальше. И вот от начала расширения нас отделяет всего около 14 секунд. Температура Вселенной три миллиарда градусов. Энергии большинства фотонов уже достаточно, чтобы при взаимодействии с веществом порождать электрон-позитронные пары (позитрон – это электрон с положительным электрическим зарядом). Это знаменует собой следующий фазовый переход: при более высоких температурах позитроны населяют плазму практически наравне с электронами. Они рождаются и гибнут (аннигилируют) с одинаковой скоростью, которая зависит только от температуры, то есть приходят в тепловое равновесие с излучением. Доля нейтронов постепенно возрастает, поскольку энергии фотонов и электронов начинает хватать на то, чтобы при взаимодействии с протонами рождать нейтроны.

Когда нас будет отделять от начала расширения всего лишь 1,1 секунды, температура достигнет десяти миллиардов градусов. Плотность вещества возрастет настолько, что оно станет непрозрачным даже для нейтрино и антинейтрино, которые, подобно электромагнитному излучению, окажутся запертыми внутри вещества. Ничего особенного при этом не произойдет, кроме того, что нейтрино и антинейтрино придут в тепловое равновесие с электронами, позитронами и фотонами: все они будут постоянно уничтожаться и рождаться, взаимодействуя друг с другом. Нейтронов становится еще больше, и теперь на их долю приходится около 40 % всего ядерного вещества.

Наконец, мы уже почти у цели. Нас отделяет от нее всего одна сотая секунды. Температура Вселенной около ста миллиардов градусов. Вселенная представляет собой почти идеальный релятивистский газ в состоянии почти полного теплового равновесия. Идеальным принято называть газ из частиц, не взаимодействующих друг с другом. Протонов и нейтронов теперь поровну. В течение всей прослеженной нами истории их полное число остается неизменным: в отличие от других частиц – фотонов, электронов и позитронов, нейтрино и антинейтрино. Нуклоны (протоны и нейтроны) не могут рождаться и уничтожаться: даже при температуре в сто миллиардов градусов для этого все еще слишком холодно. Нуклоны пока могут только переходить друг в друга, хотя плотность энергии (E = mc ² ) уже отвечает массе около пяти миллионов тонн в каждом кубическом сантиметре. При такой плотности вещества вся масса нашей Земли уместилась бы в объеме порядка одного кубического километра.

РУБЕЖ НЕИЗВЕСТНОСТИ

Теперь остановимся и переведем дух, тем более, что дальше двигаться довольно опасно. Опасно не потому, что слишком повышаются температура и плотность Вселенной – они уже давно вышли далеко за рамки всего того, что может представить себе даже самое необузданное воображение. Дело тут в другом. Становится опасным применять те теоретические концепции и методы, на которых мы основывались до сих пор. Вероятно, у реалистически мыслящего читателя уже закралось подозрение: не слишком ли беспечно и самоуверенно позволяют себе астрофизики судить о том, чего никто никогда не видел и не увидит? Знают ли они на самом-то деле, о чем говорят?

Вопрос более чем законный, и отмахнуться от него никак нельзя. Действительно, уязвимость науки об эволюции Вселенной в том, что предмет исследования невоспроизводим, теорию здесь нельзя подвергнуть прямой экспериментальной проверке. И все же есть много косвенных указаний, внушающих доверие, много фактов удается увязать единым и стройным, логически непротиворечивым образом. О двух из них – красном смещении и реликтовом излучении уже говорилось выше. Сейчас упомянем только еще об одном: наблюдаемое сейчас в космическом пространстве двадцатишестипроцентное содержание гелия также прекрасно вписывается в эту картину. К тому же, несмотря на многочисленные попытки, до сих пор не предложено ни одной серьезной альтернативы картине, которая получила название модели горячей Вселенной.

Но теперь мы вплотную подошли к тому рубежу, когда физическая идеализация, на которой мы все время основывались, становится непригодной (при построении теории идеализация необходима, но о ней постоянно нужно помнить). До сих пор мы рассматривали совокупность частиц, населяющих горячую Вселенную, как идеальный газ. Такая идеализация пригодна до тех пор, пока речь идет о гравитационных, слабых и электромагнитных взаимодействиях, поскольку их роднит одно общее свойство: все они сравнительно слабые. Однако за температурным рубежом в сто миллиардов градусов плотность энергии становится настолько высокой, что начинают рождаться адроны, и в первую очередь пи-мезоны (пионы). При температуре порядка тысячи миллиардов градусов этот процесс уже идет полным ходом. Но адроны взаимодействуют друг с другом сильно, и их уже никак нельзя считать точечными частицами. Поэтому мы вынуждены с большим сожалением отказаться от представления о Вселенной как об идеальном газе. А описывать неидеальный релятивистский газ сильно взаимодействующих частиц мы не умеем. Таким образом, пытаясь продвинуться еще ближе к началу расширения, мы вступаем на довольно зыбкую почву.

Правда, при температурах выше десяти тысяч миллиардов градусов мы, быть может, снова почувствуем себя несколько уверенней. Но следует сразу же сказать, что степень нашей уверенности уже далеко не та, с какой мы приближались к одной сотой секунды. Дело в том, что при таких температурах и плотностях все адроны, включая протоны и нейтроны, из которых сейчас почти полностью состоит все сущее, будут раздавлены, в результате чего освободятся составляющие их кварки и глюоны (см. «Наука и жизнь» № 8, 1994 г.). Эти частицы, которые еще сравнительно мало изучены, отмечены одним совершенно удивительным свойством: по мере увеличения их энергии и плотности, то есть числа в единице объема, они все слабее взаимодействуют друг с другом. Но это означает, что при еще более высоких температурах Вселенная опять-таки представляла собой столь милый нашему сердцу идеальный газ. В нем, однако, в тепловом равновесии наравне с другими, много раз упоминавшимися выше частицами, находились уже и кварки и глюоны.

Теперь можно довольно уверенно продвинуться еще немного вспять – до времен порядка одной десятитысячной секунды. Им отвечают температуры около миллиона миллиардов градусов. Начинает восстанавливаться симметрия между электромагнитным и слабым взаимодействиями (см. «Наука и жизнь №№ 8, 9, 1996 г.), но Вселенная при этом не претерпевает каких-либо существенных потрясений.

Можно по-разному относиться ко всему, что было сказано (эксперимент невоспроизводим!), но по совокупности теории и наблюдений представляется почти несомненным, что так оно и было в действительности. На этом можно было бы остановиться, но имеется ряд обстоятельств, порождающих ощущение неудовлетворенности, и еще остается вечный сакраментальный вопрос: а что же было еще раньше?

Первая часть проблемы может быть решена в рамках сценария раздувающейся Вселенной, который можно охарактеризовать словом «правдоподобный». (Непривычное для научного обихода театральное словечко «сценарий» стало общеупотребительным при обсуждении данного круга вопросов. Вероятно, потому, что здесь имеется гораздо больший простор для фантазии, чем это обычно принято в научных исследованиях.) Что же касается второй части, то тут пока приходится ограничиваться некоторыми теоретическими догадками, о которых с почти равным правом можно сказать, что так могло быть, а могло и не быть. Но все же рискнем предпринять экскурс в эту бесконечную даль.

РАЗДУВАЮЩАЯСЯ ВСЕЛЕННАЯ

Почему же нас не вполне устраивает добротная теория горячей Вселенной? Упомянем только две наиболее очевидные причины. Первая – это проблема крупномасштабных неоднородностей (напомним в этой связи о слове «почти» там, где речь шла о реликтовом излучении) и тесно связанный с ней вопрос: чем обусловлено возникновение галактик и их скоплений? Вторая – это проблема барионной асимметрии: почему во Вселенной имеется огромная масса вещества (барионов), но почти нет антивещества и почему на каждый миллиард фотонов приходится только один барион? Эти и многие другие, менее очевидные, но тоже требующие ответа вопросы можно прояснить, если принять, что в коротенький, но очень важный период своей истории – в «возрасте» от 10 ^– 43 секунды до 10 ^– 35 секунды – Вселенная не просто расширялась, а раздувалась. Отсюда и название соответствующего сценария. Раздувание – это тоже расширение, но только идущее с совершенно невообразимой скоростью, гораздо большей скорости света. Потрясения, которые «пережила» Вселенная за это ничтожное время – 10 ^– 35 секунды, – поистине грандиозны.

Здесь приходится с сожалением отказаться от движения вспять по времени, которое вело нас на протяжении всей статьи. Для рассказа о раздувании Вселенной этот прием категорически противопоказан; теперь мы будем двигаться вперед – в сторону возрастания времени.

В момент времени 10 – 43 секунды Вселенная очутилась в состоянии с относительным минимумом потенциальной энергии, которое называется ложным вакуумом. Это состояние было абсолютно неустойчивым, и Вселенная начала стремительно раздуваться со скоростью, гораздо большей скорости света.

Сценарий раздувающейся Вселенной базируется на предположении, что, будучи 10 ^– 43 секунды от роду, относительно холодная Вселенная очутилась в состоянии, которое принято называть ложным вакуумом. Ложным его нарекли потому, что этому вакууму отвечает относительный минимум потенциальной энергии, который отделен лишь сравнительно низким потенциальным барьером от другого, намного более глубокого минимума, именуемого истинным вакуумом. Их различие обусловлено тем, что внутренние симметрии материи, находящейся в состоянии истинного и ложного вакуума, неодинаковы. Если принять плотность энергии истинного вакуума за ноль, то у ложного вакуума она положительна. Но для любого вакуума сумма давления и плотности энергии равна нулю, а это значит, что внутри ложного вакуума давление отрицательно. Такое состояние абсолютно неустойчиво и должно проявить непреодолимую склонность к стремительному расширению. Так, вдребезги разлетелись бы атмосфера, Земля, Солнечная система, звезды и галактики, если бы гравитация вдруг сменилась антигравитацией, то есть отрицательным давлением. Тогда всё, что сейчас притягивается гравитационными силами друг к другу, стало бы взаимно отталкиваться, подобно одноименным электрическим зарядам. В этом и состоит причина раздувания Вселенной, находившейся в состоянии ложного вакуума. И, как уже отмечалось, скорость возрастания размеров Вселенной во много раз превосходила скорость света.

Эти слова обычно вызывают недоумение и даже внутренний протест почти у каждого, кто слышит их впервые, поскольку, на первый взгляд, они противоречат специальной теории относительности (СТО). В действительности же никакого противоречия нет. Необходимо помнить, что СТО ограничивает только скорость распространения сигнала (информации). Поэтому в момент времени t₀ = 10 ^– 43 секунды информативно связанными будут только элементы пространства, размер которых не превышает r₀ = ct₀ = 3 ·10 ^– 33 сантиметра. Если при этом размер Вселенной намного больше (R₁ >> r₀ ), то «наблюдатели», удаленные друг от друга более чем на 3 ·10 ^– 33 см принципиально (в полном соответствии с СТО!) не смогут ни узнать о существовании соседей, ни обменяться информацией, что, по сути, одно и то же. Таким образом, опираясь на СТО, можно только утверждать, что внутри каждого элемента пространства размером 3 ·10 ^– 33 сантиметра относительная скорость движения различных точек ограничена скоростью света в пустоте c. Тогда при раздувании каждого из этих элементов со скоростью c размер всей Вселенной должен был возрастать со скоростью V = (R₁ / r₀ ) · c >> c. Например, если в момент времени t = 10 ^– 43 секунды Вселенная имела радиус около сантиметра, то скорость ее раздувания была порядка 0,3 ·10 ³³ c.

Раздувание Вселенной началось в момент времени t0 = 10 – 43 секунды. Любой сигнал, двигаясь со скоростью света, не успеет за это время выйти за пределы области, ограниченной радиусом r = ct0 = 3 ·10 – 33 см. Это значит, что весь объем Вселенной оказался как бы разбитым на множество элементов, не имеющих причинно-следственных связей, так, что ее радиус R1 = 2nr0 . Если каждый элемент расширялся со скоростью света c, через время t их радиусы увеличились до r1 = r0 + ct. Вселенная за это же время выросла до размеров R2 = 2n(r0+ ct). Это означает, что скорость раздувания Вселенной была равна V = (R2 – R1 ) / t = [2n · (r0 + ct) – 2nr0 ] / t = 2nc = (R1 / r0 ) · c. Если в этот момент размер Вселенной не превышал сантиметра, она должна была раздуваться с неимоверной скоростью 3 ·10 32 c!

Можно вспомнить и другой общеизвестный пример сколь угодно большой скорости: движение границы светового «зайчика» по плоскости, на которую световая волна падает под углом, близким к 90°. Тут тоже все в порядке: это не есть движение материальной точки, и никакой сигнал вдоль плоскости таким способом передать невозможно.

При падении плоской световой волны на поверхность под острым углом α граница светового зайчика движется со скоростью V, превышающей скорость света c: V = c / sin α.

Закончив это отступление, вернемся к быстро взрослеющей Вселенной. Наряду с раздуванием в разных областях обычного пространства случайно и неодновременно происходит ее «просачивание» через потенциальный барьер между ложным и истинным вакуумом. Происходит оно не в обычном пространстве, а в пространстве внутренних параметров – тех самых скрытых симметрий, о которых достаточно подробно говорилось ранее (см. «Наука и жизнь» №№ 8 и 9, 1996 г.). При этом образуются пузыри нового состояния – состояния с истинным вакуумом. Один из этих пузырей стал прообразом и предтечей той самой Вселенной, в которой мы сейчас живем. Остальные – зачатками других вселенных, которые навсегда останутся вне поля нашего зрения, как бы за вечно убегающим горизонтом.

Здесь мы опять имеем дело с фазовым переходом. Он сопровождается освобождением огромной энергии. Действительно, истинный вакуум намного глубже ложного, а полная энергия, вне всяких сомнений, должна сохраняться. Значит, «наш пузырь» (равно как и любой другой) оказывается теперь высоко возбужденным состоянием. Это выражается в сильнейшем разогреве Вселенной и рождении огромного множества частиц. Отсюда и берет свое начало горячая Вселенная. Из-за очень быстрого расширения на стадии инфляции (раздувания) этот процесс не мог протекать вполне равновесно. Это означает, что в пространстве возникли области с разной плотностью, так что в наследство мы получили Вселенную, которая не вполне однородна. Относительные флюктуации плотности оказались порядка одной тысячной процента. Они могли послужить затравкой для последующего образования галактик. А их след дошел до нас в виде недавно обнаруженной «ряби» реликтового излучения, плотность которого флюктуирует, меняясь на ту же тысячную процента (см. «Наука и жизнь» № 12, 1993 г.).

В конце процесса инфляции температура Вселенной падает настолько, что разрушается симметрия так называемого Великого объединения трех взаимодействий: сильное начинает жить своей жизнью, а электрослабые – своей (см. «Наука и жизнь» №№ 8 и 9, 1996 г.). Дальнейшая эволюция Вселенной приводит к ее быстрому остыванию, в ходе которого неизбежно возникает наблюдаемая сейчас барионная асимметрия и устанавливается упоминавшееся выше соотношение между количеством фотонов и барионов. В таком виде Вселенная достигает возраста порядка одной десятитысячной секунды, в котором мы оставили ее, двигаясь вспять по времени.

НАЧАЛО БЕЗ НАЧАЛА

Ну, а что же было еще раньше, до того, как Вселенная стала раздуваться? Согласно оценкам, во времена, меньшие 10 ^– 43 секунды, ее температура превышала 10 ³² градусов, а гравитационные поля были настолько сильны, что порождали частицы. Гравитоны, которые позднее стали разгуливать по Вселенной совершенно свободно, видимо, находились тогда в тепловом равновесии со всей остальной материей. Это не более чем предположение – мы еще слишком мало знаем о свойствах материи при столь экстремальных условиях. И уж заведомо не имеет смысла подходить еще ближе к моменту Большого взрыва, оперируя привычными для нас понятиями времени и пространства. Дело в том, что при таких условиях решающую роль начинают играть уже квантовые свойства гравитационного поля. Их влияние, по-видимому, приводит тому, что привычные для нас понятия пространства и времени вообще утрачивают свой смысл. Квантовые флюктуации гравитационного поля могут настолько изменить пространственно-временную геометрию мира, что утратит смысл само понятие причинно-следственных связей между событиями. А что такое время, как не сама эта связь? Ведь если нельзя четко определить понятия «раньше» и «позже», то что называть временем?

Здесь можно провести аналогию с температурой: никого не удивляет, что говорить о температуре ниже абсолютного нуля бессмысленно. Такого понятия нет просто потому, что при абсолютном нуле в веществе не остается никакой тепловой энергии, которую можно было бы у него отнять. И, значит, нельзя еще более понизить температуру.

Или взять хотя бы другое удивительнейшее «чудо»: скорость, большая скорости света, невозможна. Ведь, если вдуматься, это утверждение с точки зрения повседневного опыта выглядит в высшей степени неправдоподобно. Относительная скорость любых двух тел не может превышать некоторого определенного значения! Казалось бы, почему? И тем не менее всё говорит о том, что это так (см. «Наука и жизнь» № 12, 1979 г.).

Быть может, точно также нельзя говорить и о временах, меньших, скажем, 10 ^{– 43} секунды?

Физики знают и много других, менее общеизвестных, но более близких по смыслу примеров такого рода. Все они связаны с фазовыми переходами в обычном веществе. Каждая фаза характеризуется некоторой величиной, называемой параметром порядка. В ходе фазового перехода эта величина изменяется, а может и вообще утратить смысл, как, например, при переходе от твердого тела к жидкости. Возможно, что и время также служит параметром порядка (кстати, именно такую роль оно играет в повседневном обиходе), понятием, которое может потерять свой смысл в результате фазового перехода при невообразимо огромной температуре и плотности энергии. Можно выразить эту же мысль несколько иначе, сказав, что в первоначальной фазе симметрия материи была настолько высока, что все ее точки были тождественны. Это означало бы, в частности, что никаким способом нельзя «пометить» два момента времени, так как они просто неразличимы. Если так, то вообще бессмысленно задаваться вопросом, сколько времени провела материя в фазе, где самого понятия времени не существует. Отсчет времени следует вести, начиная с того момента, когда материя вышла из той фазы. В каком-то смысле можно было бы сказать, что это был момент рождения времени.

ЧТО ДАЛЬШЕ?

На этом мы заканчиваем путешествие вспять по времени и спросим: что ждет Вселенную в будущем? Ответ зависит только от того, какова средняя плотность материи во Вселенной. Здесь есть две возможности:

1. Плотность меньше или равна критической плотности, составляющей 10 ^– 29 грамма в каждом кубическом сантиметре.

2. Плотность материи больше критической.

В первом случае гравитационное притяжение не сможет удержать разлетающуюся материю, и Вселенная будет расширяться вечно. Такую Вселенную называют открытой. Постепенно охлаждаясь и пронизываясь космическим холодом, вся она будет превращаться в мертвую ледяную пустыню с температурой, постепенно приближающейся к абсолютному нулю.

Во втором случае гравитационных сил достаточно для того, чтобы прекратить расширение и вернуть материю обратно. Такую Вселенную называют замкнутой. В этом случае через некоторое время, исчисляемое многими миллиардами лет, расширение Вселенной сменится сжатием и сопутствующим ему разогревом. Тогда проделанное нами ранее фантастическое путешествие вспять по времени обретёт вполне реальные черты: оно окажется путешествием не только в прошлое, но и в далекое будущее Вселенной.

Что ждет нашу расширяющуюся Вселенную в будущем? Это зависит от ее полной массы или, что то же самое, от плотности вещества в ней. Если плотность вещества больше критической величины, скорость разбегания будет постепенно уменьшаться (1). Расширение в конце концов сменится сжатием. Если плотность меньше критической, Вселенная будет расширяться неограниченно (2). По современным наблюдениям, плотность Вселенной заметно меньше критической, но в ней имеется ненаблюдаемая, «скрытая» масса, которая может оказаться во много раз больше видимой.

И, быть может, возникшие на определенном этапе сжатия цивилизации, наблюдая фиолетовое смещение, станут биться над загадкой, откуда произошла эта схлопывающаяся Вселенная. Мы пока не знаем, чем закончится расширение. Им будет ясно: ничто не сможет противостоять сжатию и разогреву Вселенной, во всяком случае, пока она не достигнет чудовищной температуры и плотности, о которых мы рассказали выше. Следует, однако, добавить, что сказанное относится только к «пузырю», в котором живем мы, к нашей Вселенной. Судьба других, неведомых нам вселенных зависит от массы «пузырей», их породивших.

Астрофизические наблюдения говорят, что сейчас плотность материи в несколько раз меньше критической. Однако во Вселенной имеется и ненаблюдаемая, темная или «скрытая» масса, которая может повысить истинную среднюю плотность в несколько раз (см. «Наука и жизнь» № 2, 1994 г.). Таким образом, судьба Вселенной пока остается для нас загадочной. Конечно, для философа модель замкнутой Вселенной предпочтительней: повторяемость сжатий и расширений, казалось бы, сразу отметает вопрос об ее начале и конце. Однако и тут не все так гладко. Для того, чтобы освободить эту «простую» картину от внутренних противоречий, пришлось бы примириться с тем, что на некотором этапе совершаемого Вселенной колебательного цикла – вероятнее всего, в его самой высокотемпературной стадии – нарушается второй закон термодинамики. Из хаоса частиц возникают упорядоченные структуры. Но тогда возникает вопрос: почему?

ВМЕСТО ЭПИЛОГА

Заключая повествование, хотелось бы вернуться к его началу. Здесь было рассказано о некоторых достижениях научного метода познания природы. Он позволяет дать утвердительный ответ на вопрос: было ли начало расширения Вселенной и ответить на множество других вопросов, часть из которых обсуждалась выше. Однако на ряд других законных вопросов – почему началось расширение, что было в самом его начале, предшествовало ли ему сжатие и сменится ли оно сжатием – мы пока еще ответить не можем. По всей вероятности, со временем эти загадки также будут отгаданы, но завоеванное знание несомненно породит новые, сейчас еще недоступные нам проблемы.

Каких-нибудь пятьдесят-шестьдесят лет тому назад то, о чем здесь было рассказано, еще не приходило в голову даже самым проницательным мыслителям. Теперь оно становится всеобщим достоянием. А то, что многие вопросы еще не решены, ни в коей мере не умаляет значения уже достигнутого. Это обычное состояние науки, которая по самой своей природе чужда косности и застоя, не приемлет авторитарности и догматизма, находится в постоянных исканиях, отвечает на бесконечные «почему», ошибается и исправляет ошибки, совершая свой нескончаемый путь к вечно ускользающей истине.

Цветная вкладка