Виктор Вайскопф - Наука и удивительное [Как человек понимает природу]

Среди многих вопросов, на которые сегодня нельзя ответить, один связан с расширением Вселенной. В гл. I мы узнали, что все галактики удаляются от нас. Если это движение происходило таким же образом и раньше, то должен был существовать момент, когда вся материя Вселенной была сосредоточена в одном месте, — «начало» расширения. Мы не знаем, всегда ли расширение оставалось неизменным. Если в прошлом не было изменений, то надо заключить, что 10–20 миллиардов лет назад все галактики находились в весьма малом объеме; концентрация материи тогда должна была быть совершенно необычной. Об этом гипотетическом начале можно сказать очень немногое, кроме того, что существовавшие тогда условия весьма резко отличались от всего, нам известного.

Имеется школа ученых, которая отстаивает интересную точку зрения, позволяющую избежать такого аномального состояния. Согласно спекулятивному предположению этих ученых, расширение Вселенной сопровождалось непрерывным созданием материи в пространстве. Предполагается, что, как только при расширении Вселенной между галактиками появляются аномально большие пустоты, в них сразу же образуется материя, которая потом собирается в новые звезды и галактики. Согласно этой гипотезе, количество образовавшейся новой материи как раз достаточно, чтобы, несмотря на расширение, расстояние между галактиками оставалось примерно одинаковым. Эта интересная идея показывает, что можно по крайней мере представить себе расширяющуюся Вселенную без начала и конца. Не было «нагромождения» галактик много миллиардов лет назад, потому что тогда было меньше галактик; большинство галактик, которые мы видим, было создано в промежутке между кажущимся началом и нынешним временем. И наоборот, не должно быть разрежения галактик в будущем, потому что непрерывно будут создаваться новые галактики. Галактики непрестанно рождаются и разбегаются в бесконечном пространстве. Вот что означает расширение Вселенной согласно этой школе ученых.

Очень мало фактов подкрепляют эту гипотезу, но ничто ей и не противоречит. Конечно, представление о создании материи из ничего противоречит нашим обычным представлениям о сохранении материи и энергии. Однако количество вновь рождающейся материи, необходимой для того, чтобы Вселенная не разрежалась, настолько мало, что его никогда не удается заметить в лаборатории. Потребовалось бы создание лишь одного водородного атома в год в каждом кубическом километре Вселенной; такое малое количество заметить невозможно.

В настоящее время эти предположения носят чисто спекулятивный характер и не подтверждаются никакими наблюдениями. Возможно, однако, что будущие наблюдения и более глубокое понимание процессов, происходящих в галактиках и между ними, когда-нибудь приведут к появлению более обоснованных представлений о начале и конце мира, основанных на фактах, а не на фантазиях. Несомненно, однако, что спекулятивные идеи о непрерывном создании материи имеют известный интерес, так как из них следует хотя бы логическая возможность существования расширяющейся Вселенной без начала или конца [54].

Итак, сегодня мы не можем объяснить возникновение и развитие всей Вселенной. Мы слишком мало знаем, как образовались галактики и как они развиваются. Поставим себе более скромную задачу. Мы располагаем достаточными знаниями и достаточной интуицией для описания по крайней мере одного этапа развития — образования материи в том состоянии, в котором мы ее видим на Земле, из разреженного водорода. Наша Галактика, а также все другие галактики заполнены так называемым межзвездным газом, который занимает огромные пространства и состоит почти полностью из водорода. Его так много, что он составляет значительную часть всей массы галактик. О происхождении этого газа нам известно очень мало. Часть его, несомненно, была выброшена во время звездных взрывов, но значительные его количества должны были существовать еще до образования звезд. Отсюда мы начнем наш рассказ; мы хотим показать в нем, как из газообразного водорода возникли все те вещи, которые мы видим вокруг нас и среди которых мы живем.

Однако и здесь необходимо сделать оговорку. Даже эта частичная история Вселенной основана на довольно ненадежных заключениях и теориях, относящихся к поведению материи в весьма необычных условиях. Поэтому многие утверждения, излагаемые в этой главе, весьма гипотетичны и обоснованы гораздо хуже, чем содержание предыдущих глав.

Водородный газ . Начнем с рассмотрения огромного облака газообразного водорода. Большая туманность Ориона — пример такого облака (фото XI).

Мы видим ее потому, что она освещена соседними звездами. В таком облаке немного порядка и немного разнообразия. Атомы водорода движутся хаотически, сталкиваясь друг с другом случайным образом.

Облако испытывает медленные изменения под влиянием силы тяжести. Конечно, гравитационное притяжение между водородными атомами крайне мало из-за их малой массы. Но если облако очень велико, то общий гравитационный эффект множества атомов становится важным. За очень долгие периоды времени случайно происходит сгущение, и возникшее таким способом образование служит более сильным центром притяжения, чем отдельный атом. Поэтому оно притягивает все больше атомов и становится все более сильным центром, который в свою очередь притягивает все новые и новые атомы в занимаемую им область. Наконец, образуется один или несколько сгустков водородных атомов; они становятся все крупнее и крупнее, и их рост не прекращается, пока они не притянут к себе большую часть вещества всей туманности.

Гравитационная сила сближает атомы, так что их сгустки становятся меньше и плотнее. Атомы «падают» к центру притяжения под действием силы тяжести. «Падая», они приобретают скорость; попадая в плотные области, они сталкиваются с другими атомами и передают энергию движения остальному веществу. Таким образом, сжатие сгустков заставляет атомы двигаться все быстрее и быстрее и сталкиваться друг с другом. Гравитационная энергия превращается в энергию беспорядочного теплового движения. Газ в сгустке уплотняется и нагревается.

Первая стадия образования звезд . Гравитационное сжатие увеличивает температуру, и через какое-то время она достигает уровня, при котором энергия, передаваемая при столкновении, превосходит предел устойчивости водородного атома. Тогда атомы переходят в возбуждённые квантовые состояния; при возвращении в основные состояния атомы излучают свет. Испускается характеристическое излучение водородного атома. На этой стадии объект становится светящимся — мы видим излучающий газ.