Былое и будущее Вселенной.

После появления нестационарных моделей Вселенной встал ряд вопросов, над которыми сейчас работает мысль физиков-теоретиков: когда начался разлет галактик и что было до этого, будет ли это разбегание продолжаться вечно или оно сменится периодом сжатия и т. д. В настоящее время большинство ученых согласны в том, что много миллиардов лет тому назад Вселенная находилась в сверхплотном состоянии. Плотность сгустка была, по-видимому, больше, чем плотность вещества в ядрах атомов, то есть больше, чем 10^14г/_см³. Некоторые подсчеты дают величины порядка 10^93г/_см³. Ясно, во всяком случае, что материя находилась в состоянии, совершенно неведомом современным физикам, и к ней не были применимы ни законы гравитации, ни квантовая теория.

Физики-теоретики пытаются, основываясь на наблюдениях над Вселенной в современном состоянии, сделать определенные выводы о ее состоянии во времена, близкие к моменту того "большого взрыва", с которого, как они полагают, началась ее история. Они вычисляют, когда начали образовываться элементарные частицы, когда эти частицы стали складываться в атомы, как менялась температура Вселенной и т. д. На основании этих исследований было доказано, в частности, что если в начале Вселенная была "горячей", то до наших дней должно дойти так называемое реликтовое электромагнитное излучение, температура которого в разных вариантах теории принимала значения от долей градуса до 20-30 градусов Кельвина.

Советские теоретики А. Г. Дорошкевич[35] и И. Д. Новиков[36] рассчитали в 1964 г., насколько интенсивность реликтового излучения должна превышать в сантиметровой области спектра интенсивность других источников. Но эта работа, указывавшая на возможность решающего эксперимента, оказалась не замеченной наблюдателями. Реликтовое излучение было открыто совершенно случайно в 1965 г. при отладке радиоантенны, созданной для наблюдения за спутниками. Температура этого излучения оказалась равной 3 градусам Кельвина. Это открытие делает весьма вероятной модель горячего начального состояния Вселенной.

Мы не будем подробно рассказывать, как возникли и развивались по современным представлениям звезды и галактики. Здесь много спорного, и известный физик Л. Бриллюэн[37] высказался обо всех этих теориях (равно как и о теории "большого взрыва"), что "все это слишком красиво, чтобы быть истинным, и слишком невероятно, чтобы поверить в это". Тем не менее наука в настоящее время не располагает иной теорией, объясняющей такое количество загадочных явлений во Вселенной.

Другой вопрос, интересующий ученых, касается, разумеется, будущего Вселенной. Возможны два варианта: либо Вселенная будет неограниченно расширяться и в невероятно далеком будущем галактики разойдутся друг от друга настолько далеко, что обитатели каждой из них не будут видеть на небе остальных, либо в какой-то момент разбегание галактик остановится и сменится их сближением. Как показали подсчеты ученых, выбор между этими двумя возможностями зависит от средней плотности вещества во Вселенной. Если эта плотность меньше, чем 10^-29г/_см³, то расширение будет продолжаться вечно, а если она больше этой величины, то в какой-то момент времени начнется сжатие Вселенной. Некоторые ученые полагают даже, что это сжатие будет продолжаться, пока Вселенная не превратится вновь в сверхплотный сгусток, а потом все начнется сначала. Поневоле вспоминаешь слова Гераклита о закономерно вспыхивающем и закономерно угасающем огне.

Но какова же плотность вещества во Вселенной на самом деле? Ответить на этот вопрос довольно трудно, так как возможно, что большая часть вещества находится в состоянии, недоступном для наблюдения (так называемые черные дыры, не испускающие никакого излучения, межгалактический газ, а может быть, нейтрино, обладающие способностью пронизывать громадные массы материи, не взаимодействуя с ней). По принятым сейчас оценкам эта плотность раз в 30 меньше критического значения, так что, вроде бы, опасаться начала сжатия Вселенной не приходится. Но сейчас каждый год приносит так много новых сведений, что окончательный ответ дать преждевременно.

Бесконечна ли Вселенная? Одним из труднейших вопросов космологии, то есть физического учения об отношении всех частей Вселенной к ней как к целому, является проблема, стоящая в заголовке этого раздела. Ведь в зависимости от того, больше средняя плотность материи в Метагалактике критического значения 10^-29г/_см³ или меньше, модель Метагалактики получается открытой или закрытой. И если открытая модель может согласоваться с предположением бесконечных размеров Вселенной, то для ее закрытой модели кривизна положительна и потому размеры ограничены сверху каким-то числом. При этом никакими мыслимыми в настоящее время способами невозможно опровергнуть утверждение, согласно которому наша Вселенная в действительности является замкнутой, причем ее размеры не превышают 10²⁵ км.

Вопрос о конечности или бесконечности Вселенной осложняется еще и тем, что с точки зрения теории относительности пространство и время не существуют отдельно, а лишь как единое целое. Пользуясь этим, известный советский специалист в области космологии А. Л. Зельманов[38] построил совершенно удивительные модели. В одной из них пространство, объем которого в одной системе отсчета бесконечен, в другой системе отсчета имеет конечный объем. В другом примере, наоборот, пространство, имеющее в одной из систем отсчета бесконечный объем, является частью пространства, объем которого в иной системе конечен. Аналогичные парадоксы имеют место и для времени при наблюдении за гравитационным коллапсом (охлопыванием выгоревшей звезды в точку под действием силы тяготения) — процесс, который в одной системе отсчета укладывается в конечный промежуток времени, в другой длится бесконечно долго.

Таким образом, привычное противопоставление конечности и бесконечности в пространстве, конечности и бесконечности во времени как взаимоисключающих возможностей и вообще привычная нам постановка вопроса о конечности и бесконечности в пространстве и во времени едва ли могут считаться правильными во всех случаях.

Ситуация осложняется еще возможной неоднородностью и анизотропией (различием свойств в разных направлениях) Вселенной, которые могут привести к тому, что ее модель оказалась бы похожа не на трехмерную сферу, а на более сложные геометрические образы (вспомним, что даже среди поверхностей нулевой кривизны есть не только куски плоскости, но и такие поверхности, как цилиндры и конусы). Таким путем возникает бесконечное многообразие возможных моделей Вселенной, которое неизмеримо богаче, но в то же время и неизмеримо сложнее, чем то, что допускалось дорелятивистской космологией.

Все эти сложности показывают, что однозначный ответ на поставленный выше вопрос вряд ли возможен.

Неизмеримо осложнился и вопрос о бесконечной делимости вещества. Если в начале XX в. считали, что оно состоит из неделимых далее атомов, то после открытий Резерфорда оказалось, что атомы сами состоят из ядер и электронов. Потом были открыты протоны, еще через некоторое время — нейтроны и позитроны, и к концу 30-х годов сложилась нейтронно-протонная модель атомного ядра. Эта модель оказалась настолько удачной, что позволила решить проблему освобождения атомной энергии. Но еще до пуска первого реактора появились новые элементарные частицы — мезоны различного рода. А дальше число элементарных частиц росло чуть ли не по показательному закону — антипротоны и антинейтроны, всевозможные гипероны и антигипероны, резонансы и т. д. И при этом оказалось, что нейтроны могут превращаться в протоны, а протоны — в нейтроны, а потому для них понятие "состоит из" потеряло смысл.

Чтобы навести порядок в мире элементарных частиц, были придуманы частицы нового вида — кварки, которых, однако, никто не наблюдал, хотя с их помощью все хорошо объясняется. Они отличаются друг от друга цветом (совершенно условное название), и была создана новая область физики — хромодинамика. По новейшим воззрениям мы и не сможем никогда увидеть кварки "живьем". Дело в том, что внутри элементарных частиц между кварками действуют силы, которые возрастают по мере увеличения расстояния между ними (как растет сила натяжения пружины, когда ее растягивают). Таким образом, трудно сказать, как теперь надо понимать безграничную делимость вещества.