SETI: Поиск Внеземного Разума: читать начало книги онлайн

Значение этого обстоятельства не всегда оценивается в должной мере. Вдумаемся — все, что мы знаем о Вселенной, основано на изучении не более 5 % ее массы! А остальное для нас пока полностью сокрыто. Чтобы яснее осознать, что это значит, представим себе, что мы занимаемся реставрацией большого полотна, полностью закрытого позднейшими наслоениями. И вот нам удалось отреставрировать 5 % картины. Уже проступают ясно какие-то черты пейзажа. Мы видим деревья на скалистом берегу моря, видим облака на небе, еще какие-то детали. Но мы не можем пока сказать, что представляет собою картина в целом: пейзаж, портрет с пейзажем на заднем или переднем плане, батальная эпопея или бытовая сцена. Примерно в таком же положении оказались астрономы. Дело не в том, что нам известны не все звезды или не все галактики. Для того чтобы понять строение и эволюцию Вселенной, в этом нет никакой необходимости. Дело в том, что 95% материи — это не галактики и не звезды, это не межзвездная пыль и не газ, это не плазма, состоящая из обычных частиц, из которых строятся атомы вещества. Это нечто, нам пока неизвестное и неизученное. Сказанное не означает, что наши знания о Вселенной не достоверны — нет, то, что установила наука, достаточно надежно. Но это значит, что наша картина Вселенной на сегодня еще весьма ограничена.

С учетом скрытой массы средняя плотность материи во Вселенной весьма близка к критической. Это означает, что кривизна пространства близка к нулю, мы живем в евклидовом (почти евклидовом) мире.

Читателя не должна смущать неопределенность приводимых здесь данных. Обсуждая проблему скрытой массы, мы не только подошли к передовому краю развития науки, но коснулись таких областей, где перед физикой встали фундаментальные проблемы, которые, возможно, существенно изменят наши представления о мире. Развитие здесь происходит очень быстро, и когда читатель будет пробегать глазами эти строки, многое, наверное, уже изменится.

Важно подчеркнуть, что хотя мы не знаем точно, какова плотность материи во Вселенной — больше критической или меньше, но она заведомо близка к критической. (Именно потому, что плотность близка к критической, трудно выбрать между двумя альтернативными вариантами.) Также надо иметь в виду, что описанный выше характер расширения Вселенной справедлив для модели с Λ-членом, равным нулю. Наличие «вакуумной материи» означает, что Λ-член не равен нулю. Если это так, то истинный характер расширения должен отличаться от описанного выше.

Каков бы ни был характер расширения Вселенной, в начальный момент (t = 0) масштабный фактор a(t) обращается в нуль (см. рис. 2.2.3). Для замкнутой Вселенной это означает, что ее объем в начальный момент был равен нулю, и значит, она начала расширяться из точки (!). Что касается бесконечной Вселенной, то она всегда остается бесконечной, но любая ее конечная область (в том числе наша Метагалактика) в начальный момент тоже имела нулевой объем. Плотность вещества в этот момент была бесконечной, а скорость расширения стремилась к скорости света. Это состояние бесконечной плотности получило название «сингулярного состояния». Таким образом, в начальный момент Вселенная расширяется из сингулярного состояния с предельно большой скоростью. Процесс «возникновения» Вселенной из сингулярности Деметр назвал Большим взрывом.

Какова природа сингулярного состояния, реализуется ли оно в действительности? Как близко можно подойти к этому состоянию, изучая историю Вселенной? Что означает «возникновение» Вселенной при t = 0? Что было до этого момента? Эти фундаментальные проблемы космологии не получили пока окончательного решения. Однако за пределами сингулярности теория хорошо согласуется с наблюдениями.

Возникает вопрос — как давно произошел Большой взрыв? Оказывается, можно определить этот момент, зная значение постоянной Хаббла[132]. Если Вселенная расширяется с постоянной скоростью, равной ее современному значению, то время расширения от момента t = 0 до современного момента t0 равно tн = 1/Н0 (Н0 — значение постоянной Хаббла в современную эпоху)[133]. Это время называется хаббловским временем. Фактически время расширения будет отличаться от хаббловского. Для модели с Λ-членом, равным нулю, в случае ρ = ρкр что, как мы видели, близко к действительности:

Если постоянную Хаббла Н0 выражать, как это принято в наблюдательной астрономии, в единицах (км/с)/Мпк, а время tн — в годах, то tн = 1012/Н0 . Точное значение Н0 не известно, но из наблюдений следует, что Н0 заведомо не превышает 100 (км/с)/Мпк, и не меньше, чем 50 (км/с)/ Мпк. Более точная оценка Н0: в пределах от 65 до 80 (км/с)/Мпк. Отсюда tн = 10 ÷ 20 млрд лет, или более точно 12 ÷ 15 млрд лет, а t0 = 8 ÷ 10 млрд лет. Здесь опять-таки следует иметь в виду, что и эти оценки справедливы при условии Λ = 0. В последнее время появляется все больше свидетельств того, что Λ-член не равен нулю и, более того, связанные с ним силы отталкивания приводят к тому, что Вселенная в современную эпоху расширяется ускоренно. Если это так, то возраст Вселенной (время от момента t0 до современного момента) должен быть больше хаббловского.

Наличие сингулярности приводит к существованию горизонта Вселенной. Чем дальше от нас находится наблюдаемый объект, тем ближе к началу расширения Вселенной относится момент времени, когда был испущен свет, достигающий сейчас наблюдателя. Точки в пространстве, от которых до нас доходит свет, испущенный в момент начала расширения (t = 0), и образуют горизонт Вселенной. Горизонт охватывает лишь часть Вселенной, а в случае открытой Вселенной за его пределами находится бесконечное пространство. И тем не менее, ни один объект за горизонтом не может наблюдаться даже с помощью самого совершенного телескопа, ибо за все время существования Вселенной свет, испущенный любым из этих объектов, еще не успел достичь наблюдателя. Эти объекты станут доступными для наблюдения в будущем, когда свет от них дойдет до наблюдателя. Следовательно, горизонт со временем расширяется. В современную эпоху радиус горизонта Rгор = с/Н0 ; в зависимости от значения постоянной Хаббла он составляет 10 ÷ 20 млрд св. лет. На горизонте красное смещение становится бесконечным, а скорость расширения равна скорости света.

Как долго длится сингулярное состояние? Длится ли оно бесконечно долго от t = —∞ до t = 0, когда Вселенная «вдруг» начинает расширяться, или это короткий, неизмеримо короткий миг? Теория Фридмана не дает отпета на этот вопрос. Более того, теоретики утверждают, что вопрос не имеет смысла, ибо в сингулярности не только не действуют все известные нам физические законы, но и само понятие времени из-за квантовых эффектов становится неопределенным. Пусть так. Но как бы там ни было, она как бы возникает из Небытия, проявляется из какого-то непостижимого для нас сингулярного состояния. Этот факт рождения Вселенной при t = 0 и, следовательно, ее конечность во времени представляет серьезную проблему в плане философского осмысления Мира.

Если допустить, что сингулярность длится конечное время (с точки зрения «несингулярного» наблюдателя), то, опуская вопрос о том, что творится в самой сингулярности, правомерно спросить — а что было до сингулярного состояния? Возможно, что когда-то, в бесконечно далеком прошлом, Вселенная сжималась из крайне разреженного состояния, плотность ее со временем увеличивалась до тех пор, пока постоянно уменьшающийся масштабный фактор при t = 0 ни обратился в нуль — Вселенная перешла в сингулярное состояние, после чего начала расширяться. Мы живем на стадии расширения, которая в случае открытой модели будет продолжаться бесконечно долго. Этот сценарий снимает трудность с возникновением Вселенной — Вселенная существует вечно (от «минус бесконечности» до «плюс бесконечности»). При этом она один раз проходит через сингулярное состояние.

Рис. 2.2.4. Гипотетическая модель сжатия Вселенной от состояния бесконечно малой плотности до сингулярности с последующим неограниченным расширением.По вертикальной оси отложен масштабный фактор, по горизонтальной — время. Согласно гипотезе А. Д. Сахарова. при прохождении через сингулярность частицы меняются на античастицы, левое на правое, и ход течения времени меняется на обратный. Нижняя горизонтальная линия изображает ход течения времени в нашем мире, верхняя — в антимире

Что происходит в момент, когда Вселенная проходит через сингулярность? А. Д. Сахаров, исходя из законов симметрии, предположил, что при прохождении через сингулярность все частицы заменяются на античастицы, все пространственные конфигурации частиц изменяются на зеркально отраженные, а течение времени меняется на обратное[134] (рис. 2.2.4). При этом «сверхкомбинированная», так называемая СРТ-симметрия Мира сохраняется. Таким образом, все явления и тела до момента сингулярности являются точной зеркальной копией тел и явлений после этого момента с заменой частиц на античастицы и с заменой направления течения процессов. С нашей точки зрения, Мир до сингулярности (Антимир) существовал в далеком прошлом, когда Вселенная еще сжималась. Но с точки зрения обитателей Антимира (не хочется называть их антилюдьми, хотя они состоят из антивещества и имеют сердце с правой стороны) — это наш Мир существует в их далеком прошлом, причем наш Мир, следуя направлению их времени, сжимается, а их Мир — расширяется. «Фактически ОНИ — это МЫ (или МЫ — это ОНИ), так как с точностью до условного определения знака времени, условного отличия правого от левого и условного отличия вещества от антивещества, отраженный мир не отличается от нашего»[135].

В случае замкнутой Вселенной расширение, как мы видели, сменяется сжатием. В конце стадии сжатия Вселенная приходит в сингулярное состояние, такое же, из которого она начала расширяться. Следовательно, те же силы и те же причины, которые привели к расширению Вселенной в начальный момент времени, теперь снова заставят ее начать расширяться. В конце нового цикла картина вновь повторится и т. д. Мы получим, таким образом, вечно существующую пульсирующую Вселенную, в которой периоды расширения-сжатия разделены сингулярностями. Если каждый раз в сингулярности происходит замена Мира на Антимир (как описано выше), то эволюция Вселенной во времени будет представлять собой чередующуюся вереницу миров и антимиров, между которыми Вселенная пребывает в сингулярном состоянии. Возможность существования пульсирующей модели Вселенной была ясна еще Фридману. В связи с этим он вспоминал сказания индусской мифологии о периодах жизни. Действительно, в индусской мифологии и в древнеиндийской философии существует представление о периодическом процессе проявления (манифестации) Вселенной, в котором активные процессы — Манвантары чередуются с пассивными периодами — Пралайями, образуя циклы различного масштаба длительности[136]. Самый крупный цикл — Махакальпа составляет 311 040 000 000 000 = 3 • 1014 лет. Махакальпа — это Век Брамы, он состоит из 100 Годов Брамы. Каждый Год делится на 360 суток (360 Дней и 360 Ночей Брамы). Одни Сутки Брамы равны 8 640 000 000 лет, а одна секунда в этом масштабе времени составляет 100 000 земных лет. Обращает внимание, что Сутки Брамы по порядку величины близки к длительности расширения во Фридмановской Вселенной (8 ÷ 10 млрд. лет). Если принять, что длительность расширения t0 в точности равна Суткам Брамы, то получим постоянную Хаббла Н0 = 77 (км/с)/Мпк, что попадает как раз внутрь интервала неопределенности для Н0: 65 ÷ 80 (км/с)/Мпк.

Рис. 2.2.5. Изменение масштабного фактора в осцилирующей модели Вселенной: a) без увеличения энтропии: б) с увеличением энтропии

Мы рассмотрели механическую картину эволюции Вселенной, не касаясь физики процессов. Теперь нам следует обратиться к физике.

2.2.2. Горячая Вселенная

На ранней стадии эволюции Вселенной, в первые минуты после начала расширения, плотность вещества была очень велика. При такой плотности должны были протекать ядерные реакции. Характер их существенным образом зависит от температуры. Была ли Вселенная в это время холодной или горячей?

Исторически первой еще в 1930-е годы была рассмотрена модель холодной Вселенной. Предполагалось, что все вещество существовало в виде холодных нейтронов. Однако, как выяснилось позднее, в такой Вселенной в результате цепочки ядерных реакций (с образованием протона, дейтерия и т. д.) все вещество, в конце концов, превратилось бы в гелий. Это противоречит наблюдениям, поскольку подавляющая часть вещества Вселенной состоит из водорода. Другой вариант теории холодной Вселенной был предложен Я. Б. Зельдовичем в начале 60-х годов. Он предполагал, что первоначально холодное вещество Вселенной состояло из смеси протонов, электронов и нейтрино. При расширении Вселенной такая смесь должна была превратиться в чисто водородную плазму. Что касается гелия и других химических элементов, то, согласно этой гипотезе, они синтезировались много позднее, после того, как образовались звезды. В отношении всех элементов, кроме гелия, это справедливо. Но обилие гелия (30 % от всего вещества Вселенной по массе) невозможно объяснить ядерными реакциями в звездах.

Модель горячей Вселенной была предложена российско-американским физиком Г. Гамовым в 1948 г. Гамов стремился объяснить происхождение всех химических элементов ядерными реакциями, которые протекали в горячем веществе ранней Вселенной при се расширении. Это была неверная посылка, ибо, как мы теперь знаем, элементы тяжелее гелия образуются в звездах. Однако сама идея о горячей Вселенной оказалась правильной.

Один из выводов, который вытекал из теории Гамова, состоял в том, что в настоящее время во Вселенной, помимо излучения звезд (и других источников), должно существовать электромагнитное излучение, образовавшееся в ту далекую эпоху, когда никаких звезд еще не было, а Вселенная представляла собой однородную горячую плазму. В этой плазме, состоящей, в основном, из электронов и протонов, все частицы, тесно взаимодействуя, находились в равновесии между собой и с излучением. При взаимодействии протонов и электронов образовывались нейтральные атомы, но они тут же разрушались под действием квантов электромагнитного излучения. Процессы ионизации уравновешивались рекомбинациями, и вся эта плазма вместе с излучением, участвуя в общем космологическом расширении Вселенной, постепенно охлаждалась. Когда температура ее упала до 4000 К, энергия квантов стала уже недостаточной, чтобы ионизовать вещество. Равновесие нарушилось, процессы рекомбинации стали преобладать над ионизацией — в результате рекомбинации образовалось нейтральное вещество. С этого момента Вселенная стала прозрачна для излучения. Излучение практически перестало взаимодействовать с веществом, оно как бы отделилось от него и стало эволюционировать независимо. Эволюция вещества привела к образованию того сложного, многообразного Мира, в котором мы живем. А излучение продолжало равномерно заполнять все пространство, только плотность его с расширением Вселенной уменьшалась, и температура тоже падала. В настоящее время температура этого реликтового излучения[137], согласно расчетам Гамова и его сотрудников, должна составлять несколько кельвинов. Если бы мы могли наблюдать это излучение, мы бы получили информацию о далекой, дозвездной стадии эволюции Вселенной, когда в результате рекомбинации образовалось нейтральное вещество.

Несмотря на столь фундаментальный вывод, вытекающий из теории Гамова, никто не пытался его проверить. Видимо, все эти теоретические построения представлялись экспериментаторам слишком отвлеченными, далекими от действительности. (Игра ума теоретиков! Разве можем мы знать, что происходило во Вселенной в такую отдаленную эпоху?!) Надо сказать, что сам Гамов не надеялся на обнаружение реликтового излучения, так как полагал, что оно полностью маскируется излучением звезд, возникших на более поздней стадии эволюции Вселенной. В 1964 г. советские астрофизики А. Г. Дорошкевич и И. Д. Новиков показали, что хотя общее количество энергии реликтового излучения сравнимо с излучением галактик, но в сантиметровом и миллиметровом диапазонах радиоволн оно значительно превышает излучение всех остальных радиоисточников и, следовательно, его можно обнаружить. Эта работа еще не была в полной мере осознана, когда в 1965 г. реликтовое излучение было открыто чисто случайно американскими физиками Р. Вилсоном и А. Пензиасом с помощью 7-метровой рупорной антенны, предназначенной для наблюдения искусственного спутника Земли «Эхо». Таким образом, теория горячей Вселенной получила экспериментальное подтверждение, а Пензиас и Вилсон за открытие реликтового излучения были удостоены Нобелевской премии.

Максимум энергии реликтового излучения приходится на длину волны около 1 мм, а распределение энергии по спектру соответствует чернотельному излучению с температурой около 3 К. Как уже отмечалось, реликтовое излучение равномерно заполняет все пространство. В современную эпоху плотность энергии реликтового излучения составляет приблизительно 5 • 10-13 эрг/см3, энергия одного фотона около 10-15 эрг, следовательно, в одном кубическом сантиметре содержится 500 фотонов реликтового излучения. Это очень большая величина. Для сравнения напомним, что концентрация атомов водорода — самого распространенного элемента, в котором сосредоточена практически вся «вещественная» масса Вселенной, составляет 3 • 10-7 см-3 (один атом водорода или один протон на несколько кубических метров). Следовательно, отношение числа фотонов к числу частиц вещества порядка 109,т. е. на каждый атом вещества приходится миллиард реликтовых фотонов. Согласно соотношению Эйнштейна эквивалентности массы и энергии (Е = тс2), плотности энергии реликтового излучения εизл = 5 • 10-13 эрг/см-3 соответствует плотность массы ρизл = 5 • 10-34 г/см3, что приблизительно в 1000 раз меньше, чем плотность массы обычного вещества ρвещ = 3 • 10-31 г/см3. Таким образом, хотя по числу частиц реликтовых фотонов в миллиард раз больше, чем частиц вещества, они дают вклад в плотность Вселенной в 1000 раз меньший. Эго относится к современной эпохе. Но так было не всегда. Дело в том, что при расширении Вселенной концентрация частиц и плотность вещества убывает пропорционально a-3 (напомним, что а — масштабный фактор); концентрация фотонов также убывает пропорционально а-3, но, помимо этого, из-за красного смещения частота излучения и, следовательно, энергия (E = hv) каждого фотона убывает как a-1. Значит, плотность излучения убывает пропорционально a-4, т. е. быстрее, чем для вещества. Отношение ρвещ/ρизл ∝ a(t). В современную эпоху оно равно 103, но с течением времени, по мере возрастания масштабного фактора из-за расширения Вселенной, эта величина будет расти. Напротив, в прошлом отношение ρвещ/ρизл было меньше, чем сейчас. В эпоху, когда масштабный фактор (а значит, и размер Метагалактики) был в 1000 раз меньше современного значения, плотность вещества равнялась плотности излучения. Это соответствует эпохе, когда с начала расширения Вселенной прошло около 300 000 лет. При t > 3 • 105 лет ρвещ > ρизл , плотность Вселенной определяется веществом; этот период развития Вселенной, в который живем и мы с вами, называется эрой вещества. При t < 3 • 105 лет ρизл > ρвещ , плотность Вселенной определяется излучением; соответствующая эра в развитии Вселенной называется эрой излучения.

Выше речь шла о плотности вещества и излучения. Что касается отношения числа фотонов к числу частиц вещества, то, поскольку концентрация и тех и других с расширением Вселенной падает как а-3, отношение nфот/nнукл со временем не меняется и равно 109. Возникает вопрос — почему это отношение столь велико? Ведь, если в горячей Вселенной на раннем этапе все частицы находились в равновесии, то число частиц разного типа должно было быть примерно равным. Но как только мы задумываемся над этим вопросом, возникает другой, гораздо более важный вопрос — а почему, вообще, существует вещество в нашей Вселенной? Ведь если когда-то все частицы находились в равновесии, то число частиц должно было равняться числу античастиц. Почему же тогда образовалось только вещество, куда делось антивещество? Конечно, для нас это обстоятельство весьма благоприятно, ибо если бы во Вселенной существовало в равных количествах вещество и антивещество, то в какой-то момент оно должно было аннигилировать, и тогда весь Мир состоял бы только из излучения. Разгадка этих проблем, как оказалось, кроется в самых ранних этапах эволюции Вселенной, когда после сингулярности прошли ничтожные доли секунды.

Как близко можно подойти к сингулярности, двигаясь назад во времени, и как определить условия в ранней Вселенной? Теория горячей Вселенной дает простые соотношения для масштабного фактора, плотности и температуры в любой момент времени для ранней Вселенной:

[132] Во фридмановских моделях постоянная Хаббла есть функция времени: Н = H(t). При заданном значении t = t0 она принимает фиксированное значение H(t0) = H, т. е. не зависит от пространственных координат. Именно в этом смысле она и является постоянной. То, что это подтверждается наблюдениями (закон Хаббла), означает, что во Вселенной достаточно хорошо выполняются условия однородности и изотропии, из которых следует независимость Н от пространственных координат.

[133] tн = а0/V0 (а0 — значение масштабного фактора в современную эпоху). С другой стороны, V0 = а0H0 ,(закон Хаббла), следовательно, tн = 1/H0 .

[134] Сахаров А.Д. Симметрия Вселенной / Будущее науки. — М.: Знание, 1968. С. 74-96.

[135] Сахаров А.Д. Цит. работа. С. 92.

[136] Представления о периодическом процессе возникновения, уничтожения и нового возрождения Вселенной развивались также древнегреческими философами Гераклитом Эфесским (VI век до н. э.) и позднее, уже в III веке нашей эры, известным христианским богословом и философом Оригеном (см. с. 340).

[137] Название «реликтовое» было предложено И. С. Шкловским позднее, когда это излучение уже было обнаружено.