Человек, открывший взрыв Вселенной. Жизнь и труд Эдвина Хаббла

Американский физик Дж. Уилер последние тридцать лет настойчиво подчеркивает принципиальную важность квантовых флуктуации свойств пространства — времени, которые должны иметь место при планковской плотности ρ_п ≈ 10⁹⁴ г/см³ и в масштабах порядка r_* ≈ 10^{– 33} см и t_* ≈ 3∙10^{– 44} с. Здесь пространство — время должно в некотором смысле представлять собой «дышащую» пену, возникающих и тут же уничтожающихся черных и белых дыр, очень маленьких замкнутых минивселенных и еще более сложных топологических структур. А. Д. Линде и А. А. Старобинский развили эти представления в рамках современной физики и космологии.

Согласно нарисованной А. Д. Линде картине, подавляющая часть физического пространства — времени находится в состоянии квантовой пены с плотностью близкой к ρ_п ≈ 10⁹⁴ г/см³. В возникающих из нее «пузырях» происходят квантовые флуктуации и в то же время происходит их раздувание из-за гравитационного отталкивания вакуумноподобного состояния, которое там имеется. Большая часть объемов «пузырей» тут же возвращается из-за флуктуации в состояние «пены». В малой части объема может продолжаться раздувание и продолжаться проявление квантовых флуктуации плотности вакуумноподобного состояния. Очень малая доля первоначального объема после длинной цепочки случайных флуктуации может иметь уже плотность вакуумноподобного состояния, заметно меньшую, чем ρ_п. Теперь амплитуда квантовых флуктуации уже не так велика, Эти объемы продолжают систематически раздуваться, как это было описано в начале этого раздела, превращаясь после распада вакуумноподобного состояния в горячие вселенные,

В одной из таких вселенных и находимся мы. Можно сказать, что происходит вечное рождение Вселенной из флуктуации (или, если угодно, рождение многих вселенных), вечное воспроизводство Вселенной самой себя. У такого мира в целом нет начала и не будет конца. Он вечен и юн одновременно. Это — картина взрывающейся Вечности.

При рождении новых минивселенных из вакуумной пены происходят, вероятно, флуктуации всех физических параметров, включая размерность пространства и времени и флуктуации самих физических законов. Итак, возможно, природа «пыталась» несчетное число раз создавать вселенные с самыми разными свойствами. Мы живем в «наиболее удачном» (для нас) экземпляре этого вечного творения. Но надо помнить, что «наша Вселенная» не является ни наиболее типичной, ни наиболее вероятной частью мира.

Таков ответ современной науки на вопрос Эйнштейна о возможности совсем иных миров.

Открытая Э. Хабблом взрывающаяся Вселенная, казавшаяся еще недавно невообразимо сложной и не поддающейся человеческому воображению «всей Вселенной», оказалась ничтожной песчинкой в еще бесконечно большем и более сложном потоке окружающего нас мира.

В заключение скажем коротко о современных представлениях об эволюции Вселенной на более поздних стадиях, чем первые мгновения после Большого взрыва и синтеза легких элементов в начале расширения.

После первых пяти минут температура во Вселенной упала ниже миллиарда кельвинов. Все активные процессы с элементарными частицами к этому времени закончились и наступил длительный период «спокойствия».

В этот период расширяющаяся плазма была еще достаточно горяча и непрозрачна для излучения. Реликтовое излучение определяло силу давления в плазме. В такой смеси плазмы и излучения имелись небольшие по амплитуде колебания плотности — звуковые волны. Ничего, кроме звуковых колебаний в расширяющейся плазме не происходило.

Теория эволюции малых возмущений в расширяющейся Вселенной была построена советским физиком Е. М. Лифшицем в 1946 г. Он показал, что в высокотемпературной плазме на ранней стадии расширения горячей Вселенной любые отклонения в плотности вещества от однородного распределения могут существовать только в виде звуковых волн. Силы гравитации в этот период в любом линейном масштабе не могут привести к росту уплотнений плазмы столь сильному, чтобы возникли обособленные облака или отдельные небесные тела. Иными словами, в этот период не может сработать механизм гравитационной неустойчивости. (Основы теории этого явления были созданы Джинсом еще в начале XX века.)

Только по прошествии 3∙10⁵ лет расширяющаяся плазма остыла до 4000°К и превратилась в нейтральный газ (произошел процесс рекомбинации). Нейтральный газ практически прозрачен для реликтового излучения. Теперь давление газа определяется только движением нейтральных атомов, упругость газа резко падает и становится возможным срабатывание механизма гравитационной неустойчивости. В 1964 г. один из авторов книги (И. Н.) показал, как достаточно большие по длине волны возмущения эпохи горячей плазмы после резкого падения давления могут развиться под действием тяготения в обособленные тела. Дальнейшее развитие теории гравитационной неустойчивости проводилось научными школами Я. Б. Зельдовича, Е. М. Лифшица, И. М. Халатникова, Л. Э. Гуревича и др. у нас в стране, П. Пиблса, Д. Бардина и др. за рубежом. В последнее десятилетие выяснилось, что в формировании крупномасштабной структуры Вселенной существенную роль, вероятно, играли слабовзаимодействующие частицы, которые по своей суммарной массе во много раз превосходят, по-видимому, массу обычного видимого вещества.

Отдельные галактики, их скопления возникли, вероятно, в эпоху сравнительно близкую к нашей, когда все расстояния в расширяющейся Вселенной были всего в несколько раз меньше сегодняшних.

Проблемы образования крупномасштабной структуры тесно переплетены с современной наблюдательной космологией и активно изучаются.

Одной из важнейших задач наблюдательной космологии является определение полной средней плотности вещества во Вселенной. Как уже упоминалось, задача эта весьма осложнена присутствием во Вселенной труднонаблюдаемых форм вещества — «скрытой массы».

Еще в пятидесятые годы астрономы полагали, что практически все вещество Вселенной находится в светящихся галактиках. Тогда задача определения усредненной плотности вещества может быть решена следующим образом. В достаточно большом объеме пространства подсчитывается общее число галактик. Умножая среднюю массу галактики на их полное число, находят полную массу вещества внутри данного объема. Деление массы на объем дает среднюю плотность вещества. Надежное определение средней плотности вещества, входящего в галактики, было выполнено подобным методом в 1958 г. голландским астрономом Я. Оортом. Полученное им значение составляет ρ₁ = 2∙10^{– 31} г/см³, если считать, что постоянная Хаббла равна 75 км/(с∙Мпк).

Это значение плотности в 50 раз меньше, чем критическое значение, отделяющее случай вечно расширяющейся бесконечной Вселенной от случая замкнутой в пространстве Вселенной, в которой расширение в будущем сменится сжатием.

Дальнейшие исследования ничего существенного в оценке Оорта для вещества, входящего в светящиеся галактики, не внесли. Однако выяснилось, что вокруг видимых, очерченных светящимися звездами тел галактик имеются обширные массивные короны из невидимой нами материи. Она проявляется своим тяготением. Тяготение невидимых корон влияет на движение отдельных облаков газа, находящихся далеко за границей светящейся галактики, и на движение спутников — карликовых галактик. Вероятно, полная масса невидимых корон во много раз больше, чем масса видимых галактик.

Наличие «скрытой массы» проявляется и при исследовании скоплений галактик. Полная масса скопления, включающая и «скрытую массу» вещества между галактиками, определяется измерением его гравитационного потенциала. Потенциал может быть измерен по наблюдаемым скоростям движения отдельных галактик в скоплении и путем определения температуры горячего газа также имеющегося в скоплениях. Оказывается, что «скрытая масса» часто более чем на порядок превышает суммарную массу видимых галактик скопления.