Джон Малоун - Нераскрытые тайны природы. Расширяющий кругозор экскурс в историю Вселенной с загадочными Большими Взрывами, частицами-волнами и запутанными явлениями, не нашедшими пока своего объяснения

Наверное, мало кто сомневается в том, что XXI век будет свидетелем исключительно важных успехов в компьютерной технике и биотехнологии. Однако мы всегда должны помнить о так называемом «законе непредусмотренных последствий». Например, когда-то люди надеялись, что пестициды помогут им решить проблему производства на планете большего количества продуктов питания. Но закончилось их применение почти катастрофическими последствиями. Нам также следует понимать, что не все факторы развития, в том числе и наука, неуклонно, четкой поступью движутся вперед. Всюду есть тупики, а резкие скачки столь же обычны, как и постепенный прогресс.

Наряду с невиданными интеллектуальными достижениями XX века многие важные проблемы по-прежнему остаются нерешенными загадками. Над некоторыми из таких загадок человечество бьется уже на протяжении сотен и даже тысяч лет. Аристотель, например, первым стал размышлять о перелетах птиц. Кое-что он понял, но на ряд вопросов ответил абсолютно неверно, а его ошибочные выводы в течение почти 2000 лет сдерживали дальнейшие исследования. И до сих пор эти тайны раскрыты далеко не полностью. Иногда беспрецедентные по масштабу и трудности проблемы возникали как следствие крупнейших достижений современной науки. Так, чем больше мы узнаём о происхождении Вселенной, тем более отвлеченными становятся его объяснения — и многие физики даже стали считать, что некоторые проблемы ближе к теологии, чем к науке.

Столетие назад мы не подозревали, что континенты на нашей планете не только перемещаются, но и что из-за этого несколько раз менялся облик земной поверхности. И все же мы до сих пор не научились точно прогнозировать возникающие вследствие этих перемещений землетрясения. Еще 80 лет назад никто даже не задавался вопросом, каким образом дети усваивают язык, и хотя теорий предложено предостаточно, ответ до сих пор неизвестен. Более 60 лет назад впервые была выдвинута гипотеза о возможном существовании черных дыр. Теперь мы получили подтверждение их существования, но в некоторых отношениях природа этого явления остается еще более загадочной, чем прежде.

Мы все еще не нашли ответов на ряд весьма старых вопросов, а поиск решений привел к возникновению новых серьезных проблем. Иногда кажется, что увеличение наших знаний лишь подтверждает слова Гамлета, произнесенные им у замка Эльсинор: «Есть многое на свете, друг Горацио, что и не снилось вашим мудрецам».

Большинство основных научных теорий ассоциируется с именами великих основателей. При упоминании слова «гравитация» в голове тотчас возникает имя Исаак Ньютон. «Эволюция»? — Чарльз Дарвин. «Относительность»? — Альберт Эйнштейн. А вот слова «Большой Взрыв» оказываются не связаны с чьим-либо именем. На протяжении нескольких последних десятилетий модель Большого Взрыва была признана космологами в качестве стандартного объяснения происхождения Вселенной, о ней упоминают в учебниках и популярных журналах. Однако ее не связывают с кем-либо из крупных ученых. Противники этой теории иногда в шутку говорят, что просто никто не хочет брать на себя ответственность. В действительности же сам термин «Большой Взрыв» ввел один из наиболее ярых его оппонентов — английский астроном Фред Хойл, желавший тем самым опорочить всю идею. Однако название укоренилось. В 1993 г. найти лучшее наименование для теории пытались с помощью международного конкурса. В жюри входили популяризатор науки Тимоти Феррис, астроном Карл Саган и телевизионный комментатор Хью Дауне. Но, по словам Ферриса, описавшего эту историю в своей книге, вышедшей в 1997 г. [1], среди 13 099 предложений, поступивших из 41 страны, не оказалось ни одного лучше.

Концепция Большого Взрыва ведет свое начало от гипотезы епископа бельгийской католической церкви Жоржа Леметра, который увлекался физикой и в 1927 г. в возрасте 33 лет получил в Массачусетском технологическом институте докторскую степень. Основываясь на законах гравитации, сформулированных Эйншнейтом в 1915 г. в общей теории относительности, Леметр в 1927 г. пришел к выводу, что Вселенная должна с одинаковой скоростью расширяться во всех направлениях [1] Впервые к выводу о том, где Вселенная, содержащая вещество, не может быть стационарной, а должна либо расширяться, либо сжиматься, пришел в начале 20-х годов XX века российский ученый А. А. Фридман. — Прим. ред. . Далее Леметр выдвинул предположение, что началом Вселенной послужил взрыв первичного атома, в котором было сконцентрировано все вещество Вселенной. Дальнейшая поддержка теории Леметра была связана с открытием Эдвина Хаббла, которое заключалось в том, что далекие галактики удаляются от нас и друг от друга во всех направлениях со скоростями, пропорциональными их расстоянию от нашей Галактики. Хаббл не был знаком с концепцией Леметра, однако обнаруженное им в 1929 г. расширение Вселенной способствовало тому, что возросло число астрономов, считающих некий первоначальный взрыв источником энергии, достаточной для создания расширяющейся Вселенной.

В 40-е годы XX века физики, увлеченные идеей начального взрыва, рассуждали о том, что непосредственно вслед за этим событием образовавшаяся плазма была гораздо горячее недр любой из существующих ныне звезд, но со временем она охладилась, сохранив, по крайней мере, небольшое количество тепла. По их предположению, от этого процесса должен был сохраниться след в виде все еще существующей некой довольно плотной дымки. Согласно теории того, что теперь называют микроволновым космическим реликтовым излучением, чем дальше мы продвинемся в пространстве (и назад во времени), тем плотнее будет эта дымка. В то время этот вывод совершенно не принимали во внимание, так как большинство астрономов и физиков не принимали всерьез теорию Большого Взрыва, и, во всяком случае, не существовало способа измерить это реликтовое излучение или хотя бы подтвердить его существование.

Однако в 1965 г. Арно Пензиас и Роберт Уилсон из Лаборатории Белла объявили, что, разрабатывая приемник для первого искусственного спутника связи «Телстар», они случайно обнаружили устойчивый «свист», обусловленный реликтовым излучением. Это изменило умонастроение огромного числа космологов. До 1965 г. Большой Взрыв был всего лишь очередной гипотезой, которая не допускала проверки; теперь же существовало доказательство того, что первоначальный взрыв оставил свой след. Хотя в этот момент многие серьезные ученые заинтересовались теорией Большого Взрыва, для ее подтверждения нужно было гораздо больше свидетельств. В 40-х и 50-х годах было предложено несколько гипотез относительно природы возможного реликтового излучения. Удалось рассчитать, что его температура должна быть примерно на 3° выше абсолютного нуля. Это то небольшое количество тепла, которое осталось после охлаждения, способствовавшего образованию вещества по прошествии некоторого промежутка времени с момента первоначального взрыва. Тепло должно было распределяться изотропно, а это, по словам Тимоти Ферриса, означало, «что любой наблюдатель, где бы во Вселенной он ни находился, измерит одинаковую температуру реликтового излучения по всему небосводу». Кроме того, согласно квантовой механике, реликтовое излучение должно иметь спектр, отвечающий излучению абсолютно черного тела, с наибольшей интенсивностью на длине волны, определяемой его температурой. Этот спектр описывается определенными квантово-механическими выражениями.