Лорен Грэхэм - Естествознание, философия и науки о человеческом поведении в Советском Союзе

Хотя современные космологические теории часто обсуждаются в популярных статьях так как будто существуют только две соперничающие модели — «большой взрыв» и «стационарное состояние», — в последние 60 лет было предложено гораздо больше моделей, из которых более десятка получили признание среди космологов, достаточное для того, чтобы иметь общепризнанные названия. Авторы всех моделей были вынуждены принять во внимание несколько фундаментальных теоретических построений и астрономических открытий, которые являются совершенно новыми для нашего века. Наиболее важной теоретической новацией была общая теория относительности, выдвинутая Эйнштейном в 1916 г. В противоположность ньютоновской концепции бесконечной Вселенной, локализованной в Евклидовом пространстве, теория Эйнштейна предложила определение метрики пространственно-временного континуума посредством материи, существующей во Вселенной. Однако, вместо того чтобы постулировать уникальное пространство-время, уравнения Эйнштейна скорее открыли дорогу нескольким типам пространств с различными знаками кривизны: положительным (геометрия Римана), нулевым (геометрия Евклида) или отрицательным (геометрия Лобачевского). Выбор среди этих трех типов будет делаться на базе недостаточно определенных характеристик материи во Вселенной, особенно ее средней плотности. Определение средней плотности материи в целой Вселенной было явно невозможным, так как в любой момент времени человек может видеть Вселенную лишь на определенном протяжении. Более того, в этом столетии многие основные измерения, с которыми было связано вычисление плотности, такие, как расстояния до звезд и туманностей, были в высшей степени ненадежными; в нескольких случаях они были в действительности радикально пересмотрены. Таким образом, определение средней плотности материи было слишком трудной задачей.

Наиболее важным астрономическим открытием, волнующим космологию до сих пор в нашем веке, был сдвиг линий спектра внегалактических туманностей в сторону красной части спектра. Это явление было впервые отмечено В. М. Слайфером в 1912 г., но было тщательно исследовано Эдвином Хабблом в 20-х годах. Хаббл и М. Хьюмасон сформулировали в 1928 г. соотношение между красным смещением и расстоянием, что впоследствии было названо законом Хаббла. Это хорошо известное, но иногда неправильно понимаемое соотношение показывает, что красное смещение отдельной туманности прямо пропорционально расстоянию до туманности от наблюдателя. Интерпретированное в свете эффекта Допплера, красное смещение дает большую скорость удаления отдаленной туманности; в некоторых случаях эта скорость составляет достаточную часть скорости света. Хаббл был осторожен в применении интерпретаций, связанных с эффектом Допплера, но если такое применение осуществлено, то закон может пониматься как утверждение: скорость удаления туманности прямо пропорциональна ее расстоянию от нас. Эта интерпретация получила возрастающее признание среди астрономов и космологов во всем мире. Она является основой различных космологических моделей расширяющейся Вселенной. Когда такая модель сопровождается гипотезой об изначальном взрыве, а также о моменте, когда расширение началось, то модель принимает тип «большого взрыва».

Сразу после второй мировой войны была разработана Г. Бонди, Т. Голдом и Ф. Хойлом модель стационарного состояния. Она изначально была создана как попытка преодолеть конфликт между временной шкалой галактики и самой Вселенной, который получался согласно моделям большого взрыва. Однако вскоре теория стационарного состояния приобрела собственное логическое обоснование, которое стало для многих космологов убедительным, когда изначальная напряженность конфликта ослабла. В то время как все релятивистские модели были основаны на космологическом принципе (Вселенная одинакова по всем направлениям), модель стационарного состояния была основана на том, что ее приверженцы называли совершенным космологическим принципом (Вселенная одинакова не только по всем направлениям, но и в любой момент времени). Красное смещение входило в эту модель посредством предположения, что все галактики удаляются друг от друга в соответствии с соотношением Хаббла, но что стационарное состояние распределения материи сохраняется, несмотря на это «разбегание» в результате постоянного творения материи на месте старых галактик, которые это место покинули. Это нарушение закона сохранения материи не было обнаружено учеными, по словам защитников стационарного состояния, так как оно происходило чрезвычайно медленно, за пределами уровня ошибок человеческого эксперимента (как это выразил Бонди, «теория стационарного состояния предсказывает творение в пространстве размером со среднюю гостиную всего лишь одного атома водорода в несколько миллионов лет» [949].

Модель стационарного состояния имеет то преимущество, что она бесконечна во времени; из этой модели следует, что не было «сингулярного состояния», когда вся материя Вселенной была спрессована в одну компактную массу, не было «рождения» Вселенной, как называют этот момент некоторые космологи. У нее есть и серьезный недостаток — нарушение одного из наиболее фундаментальных законов физики: закона сохранения материи и энергии (вследствие гипотезы о творении материи). Поэтому эта модель стала центром заметных споров во всех странах. Тем более, что проверяемость гипотезы благоприятствовала решению этих споров. Ее допущение, что Вселенная была всегда одинаковой во времени, могло быть проверено путем наблюдения очень удаленных галактик, которые «удалены во времени»; ее допущение, что все элементы могут быть синтезированы в настоящее время (тяжелые элементы создали здесь некоторые проблемы), также могло быть подвергнуто исследованию; и ее отрицание изначального взрыва могло быть проверено посредством поиска доказательств этого катаклизма. Эти усилия были предприняты в последние десятилетия; общим результатом их было поражение защитников теории стационарного состояния, которую стало все труднее поддерживать. Версия гипотезы «большого взрыва» сейчас принята подавляющим большинством космологов.

Для того чтобы не тратить больше времени на описание космологических моделей, я приведу схематическое их описание, к которому буду позже обращаться при обсуждении советских воззрений. Так как многие модели имеют общие положения, то довольно трудно было распределить все модели по отдельным категориям, но я попытался это сделать [950]. Можно проследить сложность этой проблемы, заметив, что нижеприведенная упрощенная категоризация включает четыре варианта теории большого взрыва (IIa, IIb, IIc, IIIc) и три варианта теории стационарного состояния (в разделе VI), не говоря уже о других [951].