Первым человеком, который объяснил это, был советский математик Александр Фридман (1888–1925). Он выдвинул эту идею в 1922 г. в ходе своего математического анализа расширяющейся Вселенной. К сожалению, молодой математик скоро умер, не сумев развить своей идеи.
Независимо от него бельгийский астроном Джордж Леметр (1894–1966) выдвинул подобный взгляд в 1927 г. Леметр предположил, что с самого начала все вещество Вселенной было сжато в крохотном объеме, который он назвал космическим яйцом. В какой-то момент этот объем стал стремительно расширяться и все еще расширяется до сих пор.
Когда Хаббл сформулировал свой закон в 1929 г. и описал наблюдения, на которых он основывался, стало очевидно, что это как раз то, что и следовало ожидать от Вселенной, находящейся в процессе расширения. Тот факт, что все галактики удаляются от нас и делают это с тем большей скоростью, чем дальше от нас они находятся, отнюдь не признак какой-то исключительности нашей Галактики.
Расширяющаяся Вселенная говорит о том, что все галактики удаляются друг от друга. Если бы, например, мы смотрели на Вселенную из любой галактики, а не только из нашей, то убедились бы, что закон Хаббла сохраняется всюду.
Правда, галактика Андромеды и несколько других близлежащих галактик приближаются, но все это части «местной группы». Это — скопление галактик, которое включает нашу собственную и вместе с ней галактику Андромеды.
Галактики связаны друг с другом гравитационно и движутся вокруг общего центра тяжести, так что в любой данный момент некоторые из них приближаются, другие удаляются.
Теперь стало ясно, что расширяющаяся Вселенная не означает, что каждая отдельная галактика уходит от всех остальных, но означает, что каждое скопление (или кластер) галактик удаляется от всех прочих. В сущности, скопления галактик и есть те элементы или блоки, из которых построена Вселенная.
Идея расширяющегося космического яйца была воспринята и популяризована русско-американским физиком Джорджем Гамовым (1904–1968). Он назвал это первоначальное расширение Большим взрывом — название, которое сразу же подхватили и употребляют до сих пор. Это величайший из всех мыслимых взрывов, когда-либо имевших место во Вселенной, взрыв бесконечно более огромный, чем вспышка любой сверхновой.
Гамов предсказал, что излучение, которым сопровождался Большой взрыв, все еще должно отмечаться как слабая микроволновая радиация, прослушиваемая во всех направлениях. Она будет иметь даже определенные измеримые характеристики.
В этом направлении продолжал работать американский физик Роберт Генри Дик (р. 1916). В 1964 г. германо-американский физик Арно Пензиас (р. 1933) и его коллега американский астроном Роберт Уилсон (р. 1936) открыли «фоновую (реликтовую) микроволновую радиацию» и убедились, что она полностью соответствует предсказаниям Гамова и Дика.
С этим открытием астрономы пришли к признанию существования Большого взрыва. Сейчас общепринято считать, что Вселенная началась с очень маленького объекта около 15 млрд. лет назад. Точная цифра пока еще спорна, но, во всяком случае, она едва ли меньше 10 млрд, а может быть и все 20 млрд. лет.
Легче, по-видимому, предположить, что Вселенная была создана как очень маленький объект, который постепенно развился в громадное причудливое собрание галактических скоплений, существующее сегодня, чем допустить, что она каким-то образом сразу возникла в нынешней ее форме. Тем не менее остается открытым вопрос: как Вселенная возникла в первоначальном своем виде, в виде очень маленького, крошечного объекта? Не должны ли мы здесь апеллировать к идее сверхъестественного происхождения?
В настоящее время физики вынашивают мысль, что Вселенная в ее первоначальном «игрушечном» состоянии, по-видимому, образовалась из ничего в результате случайного процесса и что, может быть, даже существует бесконечное число таких крошечных протовселенных, непрерывно образующихся в бесконечном объеме пустоты, и мы живем в одной из бесчисленного множества вселенных.
Впрочем, большинство физиков довольствуется тем, что прослеживает Вселенную вспять до Большого взрыва и тут ее оставляют. Есть значительная неуверенность относительно начальных стадий этого огромного феномена, а также перехода от Большого взрыва к Вселенной в ее настоящем виде. Самые ранние периоды эволюции Вселенной все еще за семью печатями.
Например, обычно предполагалось, что первоначально Вселенная имела бесконечно малую величину при бесконечно высокой температуре, но в невообразимо короткую долю секунды она достаточно расширилась и охладилась, чтобы образовать первичные частицы вещества, частицы, получившие название кварки.
В следующий и более долгий период времени, например в 1/10 000 долю секунды, Вселенная была уже настолько велика и остыла, что кварки могли соединяться по три и образовывать такие субатомные частицы, как протоны и нейтроны. Затем, после еще более длительного интервала, в несколько тысяч лет, Вселенная остыла достаточно для того, чтобы протоны и нейтроны начали соединяться между собой, образуя атомные ядра, а готовые ядра стали притягивать электроны, формируя целые атомы.[2] По прошествии еще более долгого периода времени, по крайней мере в 100 млн. лет, начали образовываться звезды и галактики и новая Вселенная (еще очень маленькая по современным меркам) начала свое существование.
В 70-х годах был выдвинут вариант концепции Большого взрыва; он получил название «расширяющейся Вселенной». Согласно ему, первоначальное расширение произошло почти молниеносно, а это во многих отношениях меняет детали эволюции Вселенной, открывая ее совсем в ином свете.
Проблемой, возникающей отсюда, является то, что Вселенная сложилась почти исключительно из нормального вещества, состоящего из протонов, нейтронов и электронов. Представляется, что последние не могли бы образоваться без одновременного образования их противоположностей: антипротонов, антинейтронов и антиэлектронов.
Названная группа должна была бы начать соединяться образуя антивещество, и, казалось бы, Вселенная должна состоять из равных количеств вещества и антивещества. Однако, насколько можно судить, это не так: повсюду почти одно вещество. (И это хорошо: если бы Вселенная состояла из равных количеств вещества и антивещества, то, как только они бы возникли, они бы тотчас же стали соединяться, взаимно уничтожая (аннигилируя) друг друга, оставив после себя лишь радиацию.)
Были разработаны теории, получившие название «теории великого объединения», имеющие темой поведение вещества в условиях очень высоких температур в первые мгновения после Большого взрыва. По этим теориям выходит, что при образовании вещества имеется едва заметная асимметрия. Обычное вещество образуется с перевесом в одну миллиардную часть над антивеществом. Когда вещество и антивещество встречаются и взаимно уничтожают друг друга, эта миллионная часть вещества остается, и из нее-то и образовались галактики Вселенной.
Другая большая проблема, остающаяся в связи с Большим взрывом, — это «комковатость» Вселенной. Большой взрыв, по-видимому, должен был быть шарообразно симметричным, т. е. он должен был расширяться одинаково во всех направлениях. В этом случае Вселенная должна была бы состоять из равномерно рассеянной массы атомов, в виде однородного газа. Что заставило этот газ собраться в комки, образовав звезды и галактики?
Идея раздувающейся Вселенной как будто дает объяснение этой комковатости, и, видимо, придет время, когда все трудности концепции естественного создания останутся позади.
ГЛАВА 7
ЭЛЕМЕНТЫ
СОСТАВ ВСЕЛЕННОЙ
Несомненно, что в ранний период после Большого взрыва крошечная, очень горячая Вселенная расширялась и охлаждалась до тех пор, пока протоны и нейтроны не получили возможности соединяться друг с другом, образуя атомные ядра. Какие же ядра получались и в какой пропорции? Это очень интересная проблема для космогоников (ученых, занимающихся происхождением Вселенной), — проблема, которая в конечном счете вернет нас к рассмотрению новых и сверхновых. Поэтому давайте рассмотрим ее в некоторых деталях.
Атомные ядра имеют некоторое число разновидностей. Чтобы разобраться в этих разновидностях, их классифицируют в зависимости от числа протонов, имеющихся в этих ядрах. Это число колеблется от 1 до 100 и выше.
Каждый протон имеет электрический заряд +1. Другими частицами, присутствующими в ядрах, являются нейтроны, которые не имеют электрического заряда. Поэтому общий электрический заряд атомного ядра равен числу содержащихся в нем протонов. Ядро, содержащее один протон, имеет заряд +1, ядро с двумя протонами имеет заряд +2, ядро с пятнадцатью протонами имеет заряд +15 и т. д. Число протонов в данном ядре (или число, выражающее электрический заряд ядра) называется атомным числом.
