От настоящего – к прошлому

От настоящего – к прошлому

В тех случаях, когда речь идет о явлениях космического порядка, в соотношение времен вмешиваются еще и гигантские космические расстояния.

Как известно, лучи света, как и другие электромагнитные излучения, распространяются в пространстве со скоростью 300 тысяч километров в секунду. При такой скорости любые земные расстояния электромагнитные излучения преодолевают практически мгновенно. И, наблюдая на экране телевизора футбольный матч, который транслируется из Южной Америки, мы видим, как мяч влетел в ворота практически в тот же самый момент, что и зрители, присутствующие на стадионе…

Иное дело расстояния космические. Даже от ближайшей звезды – Солнца свет до Земли идет 8 минут 18 секунд. А от всех прочих гораздо дольше. Поэтому, отыскав на небе Полярную звезду, мы увидим ее такой, какой она была около 500 лет назад. Яркую летнюю звезду Денеб из созвездия Лебедя мы наблюдаем с опозданием на 600 лет, многие другие космические объекты – в еще более отдаленном прошлом.

Весной 1987 года в одной из ближайших галактик – Большом Магеллановом Облаке вспыхнула так называемая сверхновая звезда. Событие, представляющее огромный интерес для науки, и довольно редкое. И впервые астрономы получили возможность наблюдать подобную вспышку, да еще сравнительно близкую, с самого начала! Исследователям Вселенной – нашим современникам – крупно повезло! Но современниками вспышки они отнюдь не являются. Ведь от Земли до Большого Магелланового Облака около двухсот тысяч световых лет. Значит, вспышка, которую земляне увидели в 1987 году, в действительности произошла около 200 тысяч лет назад. И чем дальше расположен от нас тот или иной космический объект, тем в более далеком прошлом мы его наблюдаем. Благодаря этому при астрономических исследованиях астрономы могут непосредственно изучать события давным-давно минувших времен, черпать из этих наблюдений факты, необходимые для построения астрофизических теорий, проверять полученные теоретические выводы.

Есть, впрочем, еще одна «путеводная звезда», способная указать науке путь в «детство» Вселенной. Это связь между прошлым и настоящим, между теми космическими объектами, которые существовали в прошлом, и теми, которые существуют в настоящем.

В свое время на основе специальной теорий относительности, созданной Эйнштейном, была разработана релятивистская механика точки. Однако в течение довольно длительного времени не существовало релятивистской механики протяженных объектов.

Лишь около 20 лет назад появилось понятие «релятивистской струны» – одномерного протяженного объекта и были предприняты попытки описать его поведение с помощью специальной теории относительности.

Дальнейшие исследования показали, что в отличие от точки «струна» (астрофизики иногда называют ее стрингом или суперстрингом) обладает внутренними степенями свободы и является квантовым объектом. Однако при переходе от обычной теории описания поведения струны к квантовой выяснилось, что нарушается один из фундаментальных принципов современной физической теории, так называемый принцип инвариантности. Чтобы преодолеть эту трудность, приходится рассматривать струну в пространстве не 3-х, а 26 измерений…

На основе идеи релятивистских струн развилась современная адронная физика, то есть физика частиц, принимающих участие в сильных взаимодействиях. К числу таких частиц относятся протоны, нейтроны и более тяжелые частицы гипероны (все эти частицы называются барионами), а также мезоны с достаточно большими массами. Все адроны, согласно современным представлениям, построены из кварков.

В этой теории все физические взаимодействия сводятся уже к взаимодействиям не точечных, а протяженных объектов – к взаимодействию струн.

Кроме адронов и более легких частиц лептонов существуют еще и частицы-переносчики физических взаимодействий. Переносчиками электромагнитного взаимодействия служат фотоны, сильного – глюоны, слабого – бозоны.

Правда, нитеобразное расположение скоплений в сверхскоплениях просматривается более отчетливо, чем нитевидное расположение отдельных галактик в самих скоплениях. Но это скорее всего объясняется тем, что галактики расположены значительно ближе друг к другу, чем соседние скопления, и потому в значительно большей степени подвержены воздействию сил взаимного тяготения. За миллиарды лет гравитационное взаимодействие могло весьма существенно изменить первоначальную картину расположения звездных островов в пространстве скоплений. Так что нитевидное расположение галактик представляет собой вполне реальный факт.

Оригинальные идеи в физике ценятся необычайно высоко. Вспомним знаменитое высказывание одного из «зачинателей» современной физической науки Нильса Бора: эта теория недостаточно безумна, чтобы быть истинной… Но выдвинуть необычную идею еще мало. Перефразируя известную пословицу, можно сказать, что в физике «оригинальными идеями вымощен ад». Безумные идеи способны выдвигать и обитатели психиатрических лечебниц. Но природа – единственна и потому среди множества «безумных» идей истинной может быть только одна.

А это значит, что, выдвигая оригинальную физическую идею, необходимо обосновать ее жизнеспособность, доказать, что реальные события если не обязательно должны, то хотя бы могли развиваться именно таким путем.

Нитевидная «неоднородность», тончайшая нитевидная «складка», способная дать жизнь нитеобразным скоплениям и сверхскоплениям – какими свойствами она должна обладать? Скажем прямо, свойства эти поразительны. Материал, из которого состоят подобные нитевидные, тончайшие словно волос образования, или, как их сейчас принято называть, «космические струны», должен быть чудовищно плотным и массивным. Иначе эти неоднородности не смогли бы сконцентрировать вокруг себя и удержать вещество, необходимое для формирования тысяч галактик. Но и этого мало. Материал «струн» должен быть в высшей степени устойчивым, крепким, способным не только противостоять необычайно бурным процессам, протекающим в окружающей расплавленной ядерной магме, но и оставаться при этом «холодным», безразличным к испепеляющему жару ранней Вселенной.

Каким же образом подобные удивительные объекты в процессе расширения могли образоваться? Вот вопрос. Случайная «флюктуация», «всплеск», случайное отклонение от средней плотности? Ну, если бы речь шла об одной струне или, в крайнем случае, нескольких, подобное предположение было бы еще допустимо. Но ведь скоплений и сверхскоплений множество…

Значит, в расширяющейся Вселенной должен был действовать какой-то механизм, закономерно порождающий «космические струны». Это – очередное «знание о незнании», поскольку детали подобного механизма нам еще неизвестны. Можно только предположить, что струны – своеобразные остатки того первозданного вещества, из которого образовалась наша Вселенная.

Обсуждая удивительные свойства космических струн, физики нередко говорят о «запаянном» в этих тончайших «жгутах» «первобытном» вакууме и о «высоконапряженном однородном вакуумном поле», о «первобытном правеществе». Но все это скорее эпитеты, своеобразные художественные образы, нежели точные физические характеристики. Чтобы добыть такие характеристики, астрофизикам совместно с физиками предстоит еще немало потрудиться. А вот последовательность событий, происходивших в ту эпоху, по крайней мере, чисто внешне можно себе представить и сейчас.

Как мы уже знаем, в период стремительного «раздувания» Вселенной в ней образовались домены – области, причинно не связанные друг с другом. Области эти были отделены друг от друга тончайшими стенками-пленками, состоящими из вещества, на тридцать порядков более массивного, чем космические струны. В тот момент, когда началась эра господства сил тяготения, эти «стенки» под действием огромного поверхностного натяжения мгновенно разорвались на отдельные части, которые, в свою очередь, тут же стянулись, образовав черные дыры.

Иная судьба ожидала нити «космических струн». В борьбе с ними гравитация оказалась бессильной, они устояли, пронизав бесчисленными волокнами вещество ранней Вселенной. Под действием собственного тяготения они причудливо извивались и перемещались в пространстве, то и дело сталкиваясь друг с другом. Сталкивались, изгибаясь, и их различные части. И эти столкновения сделали то, что не смогла сделать гравитация сама по себе. Нити «струн» разрывались, рассекались, разрубались на множество частей. Обладая огромными массами и перемещаясь с колоссальными ускорениями, «струны» испускали мощное гравитационное излучение – волны, тяготения, а вместе с ними теряли часть своей массы и с течением времени постепенно «таяли». Но те, что остались, оказали решающее воздействие на дальнейшую эволюцию материи в нашей Вселенной. Без них не образовались бы ни галактики, ни звезды, ни планеты.

Вот такой сценарий происхождения галактик и был предложен академиком Зельдовичем. А затем наступила пора расчетов, которые и были выполнены на ЭВМ главным образом американскими учеными. И концы удалось свести с концами. Правда, для этого пришлось ввести в расчеты несколько так называемых подгоночных параметров. Впрочем, астрофизикам так поступать приходится довольно часто. При построении теоретических моделей тех или иных процессов какие-то свойства изучаемых систем, как правило, остаются неизвестными. И для того чтобы выполнить намеченные расчеты, теоретику приходится вводить условные параметры. Разумеется, берутся они не «с потолка», а исходя из соображений о физической сущности происходящих процессов. Но как бы то ни было, их использование придает теоретической модели некоторую долю неопределенности. Не случайно ученые, шутя, говорят, что с «помощью» «подгоночных» параметров можно в принципе доказать все что угодно. Только дальнейшее развитие науки может показать, насколько корректным в каждом конкретном случае было их применение…

К счастью, при построении модели эволюции Вселенной, о которой идет речь, таких параметров было использовано немного и относились они исключительно к свойствам «первоначального» вакуума. Все же последующее развитие событий получилось с помощью вычислений уже чисто автоматически без всяких дополнительных предположений.

Оптимизм вселяло то обстоятельство, что в итоге теоретических построений вырисовалась картина структуры Вселенной, в которой как форма сверхскоплений, так и число этих грандиозных образований, содержащих то или иное количество архипелагов галактик, находились в согласии с данными астрономических наблюдений.

Однако теория теорией, а главным арбитром, который в естественных науках выносит оценку достоверности теоретических построений, являются факты, добываемые с помощью экспериментов и наблюдений. Дело в том, что в астрофизике нередко бывает так, что следствия некоторой причины, предсказанные теорией, налицо, но причина, их породившая, оказывается совершенно иной. Поэтому необходимо обнаружить и пронаблюдать саму «причину». Что же говорят астрономические наблюдения о новой модели формирования крупномасштабной структуры Вселенной? Удалось ли отыскать в просторах мирового пространства сами «космические струны»?

Прежде всего, задумаемся над тем, как их вообще можно обнаружить? Сделать это непросто хотя бы уже по той причине, что в современной Вселенной «струн» должно было сохраниться не так уж много. Значительная их часть бесследно «растаяла», «испарилась», а те, что дожили до наших дней, имеют сравнительно небольшую по космическим меркам протяженность: всего около тысячи световых лет. Напомним для сравнения, что поперечник нашей Галактики – сто тысяч световых лет. К тому же, согласно расчетам, среднее расстояние между ближайшими струнами составляет десятки миллионов световых лет. Но, может быть, самая большая трудность – в другом. Как мы уже знаем, «струны» не излучают ни свет, ни радиоволны, хранят они полное «молчание» и во всех других диапазонах электромагнитных излучений. Поэтому ни телескопы, ни радиотелескопы, ни приемники инфракрасного, ультрафиолетового, рентгеновского и гамма-излучений для поиска этих загадочных образований, увы, непригодны. Одна надежда на гравитацию. «Струны» обладают очень мощным тяготением, а оно так или иначе должно сказываться на тех или иных космических явлениях.

В частности, «космические струны» могут играть роль «гравитационных линз», отклоняющих своим могучим притяжением световые лучи более далеких объектов. И если позади струны расположен квазар (компактный, необыкновенно яркий космический объект), то в телескоп мы увидим не одну, а две близко расположенные светящиеся точки. Благодаря воздействию поля тяготения «струны» произойдет «расщепление» изображения квазара на две составляющие. Подобное явление не так давно зарегистрировали американские астрономы, но их наблюдения требуют еще тщательной проверки.

Если же позади «космической струны» окажется какая-нибудь галактика, то ее видимый диск мы увидим рассеченным на две половины. В принципе возможны и другие способы косвенного обнаружения «космических струн». Но подобные исследования только начинаются.

Так была построена новая, «струнная» модель формирования крупномасштабной структуры Вселенной. Модель, способная успешно преодолеть многие трудности прежних гипотез.

Именно так как будто произошло и на этот раз. В научной печати появились сообщения о том, что группа астрофизиков из Гарвардского университета в США в результате тщательного анализа ряда скоплений галактик обнаружила довольно многочисленные нарушения нитеобразной структуры. Оказалось, что в ряде мест у «нитей» имеются гигантские разрывы, свободные от вещества, протяженностью в сотни миллионов световых лет. По форме эти пустоты похожи на гигантские «пузыри», на поверхности которых расположены скопления галактик, а внутри – светящегося вещества в сотни раз меньше. Иными словами, скопления встречаются не только на нитеобразных пересечениях соседних «ячеек» сетевой структуры, но и на оболочках этих ячеек. И что самое главное и самое интересное: такие галактики разлетаются во все стороны от центров ячеек с огромными скоростями, достигающими тысяч километров в секунду.

Такая картина невольно наводит на мысль, что в истории эволюции нашей Вселенной был период каких-то грандиозных катаклизмов, гигантских взрывов, разметавших во всех направлениях часть вещества «космических струн», вследствие чего формирование галактик происходило не только вдоль нитевидных сгущений, но и на внешних окраинах. Те «следы», которые прошедшие события оставили в современной Вселенной, своеобразные «тени минувшего».

Как известно, все явления окружающего нас мира подчиняются определенным законам природы, которые действуют всегда, когда для этого складываются соответствующие условия. К числу таких законов относятся, например, закон всемирного тяготения, законы движения, открытые Ньютоном, законы Кеплера, закон Ома и т.д. и т.п. Знание этих законов помогает разобраться в причинах явлений, происходящих в той или иной системе, но они почти ничего не могут рассказать об ее «индивидуальном прошлом», ее предыстории.

Иное дело свойства, присущие той или иной конкретной физической системе, скажем, Солнечной системе или Метагалактике; и те обстоятельства, что сложились именно такие свойства, а не какие-либо иные, должны иметь определенные причины, уходящие в прошлое, сложившиеся в процессе ее эволюции. Так, согласно закону тяготения, обращение малых тел вокруг центрального ядра может в принципе совершаться в различных направлениях и в разных плоскостях, по любым эллиптическим орбитам. Между тем в нашей Солнечной системе планеты движутся вокруг Солнца в одной плоскости, в одном направлении и по орбитам, мало отличающимся от окружностей. Исходя из этого и должна строиться теория происхождения Земли и других планет Солнечной системы. Теория эта не только должна объяснить, как вещество из некоторого исходного состояния сформировалось в Солнечную систему, но и как в ходе такого процесса сложились ее современные свойства.

Не всякое прошлое могло послужить началом тех процессов, той эволюции, которая привела интересующий нас космический объект к его современному состоянию. Перед нами открывается реальная возможность: изучая настоящее – восстановить тот ход событий, который привел к его осуществлению. Таким образом, современное состояние любой космической системы – ключ к познанию ее истории, ее прошлого.