подчеркивал, что космологическая теория, допускающая особое, сингулярное начальное состояние мира, «остается полностью в стороне от любых метафизических или религиозных вопросов. Она оставляет материалисту свободу отрицать любое трансцендентное Бытие. Для человека верующего это отводит любую попытку более близкого знакомства с Богом… что созвучно с изречением Исайи, гласящем о 'Скрытом Боге', скрытом даже в начале творения».
Такую просвещенную точку зрения разделяют, приходится сказать, далеко не все последователи тех или иных религиозных верований. Известны как многочисленные — наивные и безнадежные — попытки отрицать Большой Взрыв, так и тщетные усилия увидеть в Большом Взрыве «научный аргумент» в пользу божественного творения мира.
В этой статье рассказывается об истории и новейших достижениях космологии, о её текущих проблемах и идеях. Наша цель — дать представление читателю о нынешнем статусе космологии как точной, эмпирической, наблюдательной науки. Это кажется тем более уместным, что в последнее время (а недавно и в стенах Московского университета) предпринимаются попытки бросить тень на эволюционную космологию, а также и на эволюционную теорию в биологии и теорию эволюции звезд в астрофизике, на том основании, что эти науки предполагают атеистический, якобы предвзятый, а потому необъективный и ложный, подход к изучению природы и человека. Такие нападки на эволюционную картину мира — одно из абсурдных и нелепых проявлений нарастающей агрессивной клерикальной атаки на науку и образование, об опасности которой предупреждает опубликованное недавно в прессе заявление десяти российских академиков.
1. Краткая история космологии. Космология — особая наука. Её предмет — вся Вселенная, рассматриваемая как единое целое. Вселенная представляет собой физическую систему со своими специфическими свойствами, которые не сводятся к сумме свойств населяющих её астрономических тел и физических полей. Это, очевидно, самый большой по масштабу объект науки. Он существует в природе в единственном экземпляре. Из этих обстоятельств и вытекают особенности космологии как науки. Кроме того, Вселенную можно только наблюдать, экспериментировать с нею невозможно (что, конечно, только к лучшему). Никаких других вселенных нам не дано, и сравнивать нашу Вселенную не с чем. Этим космология отличается, например, от физики элементарных частиц, которая изучает объекты, имеющиеся в природе в очень большом количестве и допускающие над собой разнообразное экспериментирование.
Ещё одна особенность науки о Вселенной — близкое родство с философскими идеями и исканиями, стремлением осмыслить место человека в большом мире. Как некогда система мира Коперника, новейшая космология открывает перед человеком невиданные ранее горизонты знаний, и неудивительно, что научные знания о мире расходятся с древними космологическими легендами и мифами, возникшими на заре человеческой цивилизации и вошедшими, в частности, в «священные тексты» различных религий мира. Во всем остальном космология — это строгая научная дисциплина, и главное в ней — конкретные факты о структуре и эволюции Вселенной. На их основе строятся физико- математические модели и теории, которые могут считаться правильными только тогда, когда они проверены и подтверждены прямыми астрономическими наблюдениями и физическими экспериментами.
Современная космология берет начало в первые десятилетия XX в., в ту эпоху, когда были созданы также теория относительности и квантовая теория, составляющие ныне фундамент всей физики, включая и космологию. История космологии, если говорить коротко, складывается из четырех крупнейших открытий, которых мы сейчас расскажем.
1.1. Космологическое расширение. В 1915–1917 гг. американский астроном Весто Слайфер обнаружил, что галактики (которые тогда называли туманностями) не стоят на месте, а движутся в пространстве, причем большинство из них удаляется от нас. Этот вывод вытекал из наблюдаемых спектров галактик, и их движение проявляло себя в сдвиге спектральных линий света к красному концу спектра. Такого рода «красное смещение» имеет, как впоследствии оказалось, всеобщий характер: оно наблюдается у всех галактик во Вселенной. Исключение составляют только самые близкие к нам звездные системы — например, знаменитая туманность Андромеды и другие (менее крупные) галактики, находящиеся от нас на расстояниях, не превышающих примерно мегапарсек (Мпк). (Напомним, что один парсек почти точно равен трем световым годам.) На больших расстояниях все галактики, по словам Слайфера, «разбегаются в пространстве».
Количественной мерой красного смещения служит относительная величина увеличения длины волны, т. е. разность зарегистрированной и исходной («лабораторной») длины волны, делённой на исходную длину волны. Эту величину (её обычно обозначают буквой z) называют просто красным смещением — как и само явление. Это одна из основных наблюдаемых физических величин в космологии. Если значение красного смещения мало по сравнению с единицей, то справедливо приближенное соотношение между скоростью удаления галактики и величиной красного смещения: скорость V равна скорости света с, умноженной на красное смещение z. В этом приближении красное смещение можно интерпретировать как эффект Доплера, давно известный в физике.
В 1929 г. Эдвин Хаббл, которого нередко называют величайшим астрономом XX в., установил, что движение разбегающихся галактик следует простому закону: скорость V удаления от нас данной галактики пропорциональна расстоянию R до нее: V = HR. Это линейное соотношение между скоростью и расстоянием называют сейчас законом Хаббла, а коэффициент пропорциональности H — постоянной Хаббла. Величина H постоянна в том смысле, что она одинакова для всех галактик и не зависит ни от расстояния до галактики, ни от направления на неё на небе. По современным наблюдательным данным значение постоянной Хаббла лежит в пределах от 60 до 75 км в секунду на мегапарсек (в принятых в астрономии единицах).
Удаление галактик по закону Хаббла наблюдают сейчас до расстояний в несколько тысяч мегапарсек. О всеобщем разбегании галактик говорят как о расширении Вселенной, или космологическом расширении. Это самый грандиозный по пространственно-временному масштабу эволюционный феномен природы. Подробнее об истории его открытия и изучения можно узнать из книги [1].
Первоначально закон Хаббла был найден на расстояниях, не превосходящих 20 Мпк, причем и у Слайфера, и у Хаббла измеренные скорости удаления галактик были меньше сотой доли скорости света. В этом случае можно пользоваться приведенным выше приближенным соотношением между скоростью удаления галактик и красным смещением, которым в действительности и пользовался Хаббл для измерения скоростей галактик. С другой стороны, закон Хаббла можно использовать для оценки расстояний до не слишком далеких галактик: при известной постоянной Хаббла H и измеренном красном смещении z расстояние R до данной галактики дается отношением R = с · z/H.
Но при красных смещениях, сравнимых с единицей и превышающих её, это приближение уже не применимо и нужно пользоваться точной теорией распространения света в расширяющейся Вселенной. При этом зависимость расстояния от красного смещения принимает более сложный вид. Особенно интересно, что в эту зависимость входит ускорение, испытываемое разбегающимися галактиками. Отсюда возникает возможность измерить ускорение, с которым движутся галактики; а зная ускорение, можно оценить и силу, которая определяет динамику космологического расширения (о чем будет сказано далее). Распространение света в космологии рассматривается на основе общей теории относительности (ОТО) Эйнштейна.
Ландау называл ОТО самой красивой теорией физики и никогда не сомневался в её правильности. И все же иногда говорят, что её применимость к описанию геометрии и динамики Вселенной как целого ещё не доказана. При этом чаще всего ссылаются на то, что ОТО проверена экспериментально значительно менее надежно, точно и многогранно, чем, скажем, классическая электродинамика, — отчасти из-за исключительной слабости гравитационного взаимодействия в сравнении с электромагнитным и двумя другими фундаментальными физическими взаимодействиями.
Но все развитие физической науки определенно свидетельствует в пользу ОТО. Прежде всего, эта теория прекрасно согласуется со всем комплексом наблюдательных данных о Солнечной системе. В этом случае ОТО уже давно стала почти инженерной наукой: современная теория движения планет является релятивистской теорией, в которой (в нужном приближении) учитываются эффекты слабого поля в ОТО. Так
