Вселенной.

После открытия Э. Хаббла прошло 60 лет. Но и сегодня интенсивно продолжаются исследования открытого им явления. «Воля, которая устремляется к познанию, никогда не удовлетворяется оконченным делом», — сказал знаменитый итальянец Дж. Бруно. Вооруженность наблюдателей телескопами и приборами в наше время неизмеримо возросла. Астрономы наблюдают сейчас галактики, находящиеся от нас на расстоянии в десять миллиардов световых лет и удаляющиеся от нас со скоростью, почти равной скорости света. Так, у рекордно далекого объекта — квазара (яркого ядра галактики) скорость удаления настолько большая, что все длины световых волн, им испускаемых, увеличены из-за эффекта Доплера в четыре с половиной раза.

В наше время теория расширяющейся Вселенной всесторонне обоснована наблюдениями. Она ведет к важнейшим принципиальным выводам. Один из этих выводов связан с искривлением трехмерного пространства.

Теория Фридмана утверждает, что если во Вселенной достаточно много материи, так что средняя плотность всех ее видов больше некоторого критического значения, то искривленность пространства, вызванная тяготением этой материи, подобна искривленности сферы. Разница заключается лишь в том, что у сферы два измерения, у пространства — три. Но сфера, изгибаясь, замыкается сама по себе. Площадь поверхности сферы конечна. Аналогично этому и искривленное трехмерное пространство замыкается само на себя. Мир оказывается замкнутым.

Конечно, представить себе такое замкнутое пространство непросто. Как сказал знаменитый французский физик и философ Б. Паскаль: «Воображение скорее устанет постигать, чем природа поставлять». Но наука уже давно приучила нас к существованию явлений, которые непредставимы наглядно. Если же средняя плотность вещества во Вселенной меньше критической или равна ей, то пространство бесконечно. А какова наша Вселенная в действительности?

Мы не знаем окончательного ответа на этот вопрос. Критическое значение средней плотности вычисляется по скорости расширения Вселенной. Оно равно примерно пяти солнечным массам в кубическом ящике с длиной ребра в тысячу световых лет. Измерить истинное значение плотности, чтобы сравнить его с критическим значением, очень трудно. Все дело в том, что вокруг галактик и в пространстве между галактиками, по-видимому, много слабосветящейся и даже вовсе невидимой материи. Она получила название «скрытой массы». Ее обнаружить и учесть особенно трудно. Суммарная масса светящихся звезд, планет, газа дает среднюю плотность раз в тридцать меньше критической. Однако «скрытая масса» примерно в тридцать раз больше видимой. Поэтому больше ли плотность вещества во Вселенной, чем критическое значение, или нет, а следовательно, замкнут ли наш мир или бесконечен, сегодня неизвестно.

Ясно лишь следующее. Если Вселенная и замкнута, то ее размер огромен. Он намного больше расстояния до самых далеких наблюдаемых галактик, то есть больше, чем десять миллиардов световых лет.

Другой вывод из теории расширяющейся Вселенной особенно важен для проблемы истоков реки времени.

Раз Вселенная расширяется, значит, в прошлом галактики были ближе друг к другу.

А еще раньше вообще не могло быть ни изолированных галактик, ни каких-либо отдельных небесных тел. В ту далекую эпоху в прошлом было плотное расширяющееся вещество, лишь впоследствии распавшееся на фрагменты и образовавшее системы небесных тел.

Наконец, еще раньше, в очень далеком прошлом, был момент, когда согласно теории плотность вещества была равна формально бесконечности. Это момент начала расширения. Состояние Вселенной в этот момент получило название сингулярности.

Как давно началось расширение Вселенной? Расчет, основанный на наблюдаемой скорости разбегания галактик, показывает, что это случилось около 15 миллиардов лет назад. Что тогда произошло и что было до этого? Каковы были свойства пространства и времени вблизи сингулярности? Это загадки загадок нашей Вселенной.

Наука XX века сделала очень много для разрешения проблемы сингулярности. Теория Фридмана описывает, как под действием сил тяготения происходит это расширение. Галактики удаляются друг от друга, двигаясь по инерции, а силы взаимного тяготения постепенно тормозят их движения и замедляют расширение Вселенной. Сравнение выводов теории с результатами наблюдений показывает, что расширение началось около 15 миллиардов лет назад. Но теория не отвечает на вопрос, почему началось расширение. Откуда вещество, из которого потом образовались галактики, приобрело начальные скорости расширения?

В 1965 году было сделано открытие, которое, казалось бы, должно ответить на все эти вопросы. Было обнаружено слабое электромагнитное излучение с температурой около трех градусов шкалы Кельвина, которое равномерно заполняет всю Вселенную. Оно присутствовало во Вселенной с самого начала расширения и было названо И. Шкловским, как мы уже знаем, реликтовым. Остыло оно в ходе расширения. А раньше, очевидно, его температура, а значит, и температура всего вещества, достигала очень высоких значений. Вселенная была горячей, давление вещества, которое тогда распределялось в пространстве почти равномерно, было огромным.

Большое давление на первый взгляд кажется крайне важным для объяснения взрыва Вселенной. Вспомним картину взрыва какого-либо заряда в малом объеме, например, химического (порох) или ядерного. Вещество заряда сильно нагревается, испаряется. И давление нагретых газов стремительно расширяет само вещество. Кажется, так же начала расширяться и Вселенная. Можно посчитать, что и здесь высокая температура и колоссальное давление стали причиной начала расширения Вселенной. Однако такое заключение оказалось бы неправильным. Между двумя этими явлениями имеется существенное различие.

При взрыве обычного заряда возникает перепад давлений — огромное давление внутри горячих газов и сравнительно малое атмосферное снаружи (если взрыв происходит в воздухе). Этот перепад и создает силу, расшвыривающую вещество, то есть силу создает перепад давлений, а не само высокое давление. Если бы снаружи давление было такое же, как и внутри, то, очевидно, никакого разлета вещества не было бы. Кроме того, и плотность расширяющегося газа при взрыве неоднородна: максимальна она в центре и уменьшается к краям. В ходе разлета перепад давлений, связанный с перепадом плотности и температуры, создает силу, подталкивающую разлетающийся газ.

Ничего подобного не было в начале расширения Вселенной. Ее вещество до образования небесных тел однородно, никаких перепадов плотности и давления не имелось, не возникало, значит, и силы, которая могла бы служить причиной начала расширения. Следовательно, большое давление горячего газа не являлось причиной начала расширения Вселенной. А что же послужило «первотолчком», давшим начальные скорости веществу?

Чтобы понять это, нам предстоит мысленно отправиться к самому «началу». А для этого познакомимся со свойствами материи при очень больших плотностях и температурах.