Новый эфир
Не следует считать, что процесс расширения, последовавший за Большим взрывом, можно рассматривать как распространение вещества и излучения в пространстве, бывшем до того пустым. Общая теория относительности показывает, что пространство чрезвычайно тесно связано с заполняющей его материей, существующей в нем в форме вещества и излучения. В процессе расширения участвует само пространство вместе с заполняющим его излучением и веществом.
Пытаясь выразить словами это глубокое свойство пространства, Эйнштейн называл его «новым эфиром», ибо местные движения частиц и целых звезд относительно центра соответствующей галактики являются движениями относительно расширяющегося пространства. Ведь неподвижны относительно этого пространства только центры тяжести таких огромных систем, как галактики.
Теория относительности, подчеркивающая значение относительных перемещений различных тел, показывает, почему невозможно обнаружить равномерное и прямолинейное движение какого-либо отдельного тела, не привлекая для такого опыта другие тела. Это связано с тем, что пространство само по себе не имеет никаких «верстовых столбов», никаких отметин, по которым можно судить о движении. Лишь ускоренное движение может быть обнаружено без всякой связи с внешними телами. Знаменитый опыт Майкельсона, стремившегося обнаружить движение Земли относительно эфира, так же как последующие повторения этого опыта, давали отрицательный результат. До создания теории относительности это казалось поразительным. Теперь мы знаем, что ничего иного нельзя ожидать. Эти опыты следует рассматривать лишь как экспериментальное подтверждение постулата Эйнштейна о постоянстве скорости света, о независимости этой скорости от движения наблюдателя и его приборов.
Открытие реликтового излучения радикально изменило ситуацию.
Реликтовое излучение и его эволюция неразрывно связаны с пространством и его расширением. Изучая свойства реликтового излучения, можно не только проверить справедливость теории Большого взрыва, но и обнаружить движение наблюдателя относительно этого излучения, а следовательно, и относительно самого расширяющегося пространства. В 1977 году Маллер и его сотрудники в Калифорнийском университете задумали с этой целью повторить измерения изотропии реликтового излучения, увеличив в тысячу раз точность измерения, достигнутую Пензиасом и Вилсоном. Для этого они избрали волну длиной 9 мм и, чтобы избегнуть влияния шумов атмосферы, должны были поднять аппаратуру на высоту более 15 км, где практически нет паров воды, излучающих в этом диапазоне. Влияние излучения молекул кислорода исключалось специальной системой, периодически переключавшей элементы схемы приемника. Измерения велись по ночам, чтобы не мешало радиоизлучение Солнца и оно не нагревало антенну. Для исключения сезонных эффектов измерения велись целый год.
Результат был несомненным и сенсационным. Оказалось, что температура излучения, приходящего к приборам из глубины Вселенной по различным направлениям, не оставалась постоянной вопреки измерениям Пензиаса и Вилсона.
Отклонение было столь малым, что не могло быть зафиксировано приборами первооткрывателей. Но новые приборы, примененные Маллером, показали, что излучение, приходящее со стороны созвездия Льва на 3,5 миллиградуса теплее, а приходящее с противоположного направления на 3,5 миллиградуса холоднее среднего значения температуры излучения. При этом зависимость температуры излучения от направления описывалась законом косинуса. Если же вычесть такое косинусоидальное изменение из результатов опыта, то остаток оказывался изотропным (то есть одинаковым во всех направлениях) с точностью до '/зооо.
Полученные результаты легко объяснить предположением о том, что антенна вместе с Землей перемещается в поле реликтового излучения. Поэтому в направлении движения (в сторону созвездия Льва) мы видим это излучение более «горячим», а в противоположном направлении более «холодным». Иными словами, наблюдается эффект Допплера — «голубое» смещение спектра при наблюдении в сторону движения и «красное» смещение в противоположном направлении. Наблюдается новый эфирный ветер — ветер реликтового излучения…
Расчет показывает, что измеренное смещение соответствует скорости Земли относительно поля реликтового излучения, равной 390 км/сек.
Теперь мы знаем, что Земля участвует в трех движениях: в движении по орбите вокруг Солнца со скоростью 30 км/сек, движении вместе с Солнечной системой вокруг центра Галактики со скоростью около 300 км/сек и в движении Галактики как целого, относительно поля реликтового излучения, то есть относительно расширяющегося пространства общей теории относительности. Произведя исследования величины и направления этих скоростей, Маллер определил, что наша Галактика движется относительно пространства со скоростью около 600 км/сек. Так неожиданно реализовалось еще одно предвидение Эйнштейна. Его «новый эфир» получил воплощение в реликтовом электромагнитном излучении, дошедшем до нас как эхо Большого взрыва и позволяющем измерить скорость Земли относительно расширяющегося пространства.
Эйнштейн лучше других понимал, что его теория не имеет ничего общего с так называемым философским релятивизмом, отрицающим само существование абсолютного знания. Эйнштейн многократно подчеркивал, что его теория выражает результат объективного познания реального внешнего мира и является инструментом для изучения внешнего мира. При его жизни реликтовое радиоизлучение еще не было открыто. Поэтому не могло быть и речи о возможности обнаружить равномерное движение без наблюдения перемещения относительно каких-либо внешних тел. Ускоренное движение поддавалось такому обнаружению. Физики объясняли «абсолютный» характер ускорения тем, что оно отражает состояние движения рассматриваемого тела относительно совокупности всех масс Вселенной. Теперь наблюдение «нового эфирного ветра» позволяет обнаружить и равномерное движение относительно реликтового излучения, а значит, и относительно расширяющегося пространства Эйнштейна— Фридмана. Факт, не менее замечательный, чем открытие реликтового излучения.
Читатель вправе спросить: чем объясняется то, что реликтовое излучение было обнаружено случайно, что правильные предсказания теории долго оставались незамеченными? Отчасти это связано с узкой специализацией наук. Объем знаний столь велик, что охватить их полностью совершенно невозможно. Трудно хорошо ориентироваться даже в пограничных областях. Горькой шуткой звучит определение узкого специалиста как человека, знающего все ни о чем (то есть все, но в слишком узкой области), и широкого специалиста как человека, знающего обо всем, но ничего (то есть слишком поверхностно).
Возвращаясь к нашей истории, нужно признать, что радиоспециалисты Пензиас и Вилсон в 1965 году ничего не знали о теории Большого взрыва и ее следствиях. В свою очередь, астрофизики и физики-теоретики не знали о том, что современные приборы способны обнаружить реликтовое излучение с температурой всего 3 К. Вайнберг, перерабатывая в 1976 году свою лекцию, прочитанную в 1973 году, и завершая книгу о трех первых минутах, не подозревал, что уже в 1973 году две группы ученых начали независимо готовить аппаратуру для обнаружения нового эфирного ветра и что в 1976 году опыты начались. Таковы пути науки. Человек не способен охватить весь объем знаний, добытых человечеством. Может быть, вычислительные машины будущего смогут помочь делу, сопоставляя и анализируя результаты познавательной деятельности всего человечества. Это приведет к резкому возрастанию темпов прогресса, к новой научно-технической революции. Но это дело будущего.
Здесь уместно напомнить, что общая теория эволюции Вселенной еще далека от завершения. Не ясны первые мгновения. Была ли тогда температура еще выше или она была низкой, а вещество находилось в еще неизвестном нам состоянии… У читателя может возникнуть вопрос о том, что было до того, как все началось, и что будет в будущем. Мы, привыкшие к тому, что мир будет существовать вечно, с трудом воспринимаем мысль о его начале и возможном конце.
Прежде всего о будущем. Эксперимент, именно эксперимент, как это ни кажется странным, не дает еще возможности предсказать будущее Вселенной. Речь идет вовсе не о том, что до этого нужно дожить. Масштабы совсем иные. Просто ученые должны точнее оценить среднюю плотность вещества во Вселенной. Если эта плотность меньше определенной величины, Вселенная будет расширяться вечно. Если плотность больше, сила тяготения остановит расширение и вещество снова начнет сжиматься. Начав сжиматься, Вселенная придет к исходному состоянию, которое вновь приведет к Большому взрыву и к новому циклу расширения. Время, необходимое для этого, зависит от средней плотности вещества.
Существует гипотеза, описывающая процесс, приводящий к началу расширения. Она исходит из того, что на заключительной стадии сжатия, когда температура достигает 10 К, все сливается воедино — вещество, энергия и само пространство. Это состояние высшей однородности и высшей симметрии еще не может быть рассмотрено на основе существующих теорий. Гипотеза состоит в том, что это состояние является неустойчивым. Тогда малейшее случайное отклонение от высшей симметрии становится причиной начала нового расширения. Началом Большого взрыва. Многие ученые интуитивно склоняются к подобному взгляду на будущее Вселенной и считают, что она развивается периодически. Мы живем в один из таких циклов и наблюдаем его в эпоху, отстоящую примерно на 10–20 миллиардов лет от рождения мира. Но гипотеза — это еще не теория. Ее трудно примирить со вторым началом термодинамики, которое заставляет предполагать, что при циклическом повторении расширения и сжатия интенсивность Больших взрывов будет раз за разом уменьшаться, и пока не ясно, что может предотвратить такое развитие событий. Однако временные масштабы циклов столь велики, что этот вопрос имеет лишь принципиальное значение.
Конечно, человеческий ум стремится решить и такие, далекие от современной жизни, проблемы. Впрочем, возможно, что этот вопрос отпадет сам собой, если изменения приведут к столь малой средней плотности, что расширение Вселенной не сможет затормозиться и будет продолжаться вечно. Но тогда вновь возникнет вопрос о начале и о том, что было «до начала». Современная наука считает такую постановку вопроса ненаучной, ибо, как показала теория относительности, течение времени замедляется вблизи больших масс. Если вся материя соберется в одну точку, то течение времени практически прекратится. Современная наука еще не умеет справиться с бесконечностью, скрывающейся в первых мгновениях развития Вселенной. Но уже теперь существуют теории, показывающие, почему начальный момент оказывается столь же недостижимым, как абсолютный нуль температурной шкалы Кельвина.
Трудно представить себе более увлекательное путешествие в глубь времени и пространства, чем то, которое мы совершили. Поражает сам факт возможности достоверного знания о событиях, отстоящих от нас на 20 миллиардов лет… Вайнберг, ученый, для которого занятия наукой должны были бы выглядеть как будничное дело, не может скрыть волнения, говоря о проделанной работе. «Откровенно говоря, — признается он, — мы не абсолютно уверены во всем этом, но волнует, что сейчас мы способны говорить о подобных вещах хоть с какой-то долей уверенности. Я не в силах избавиться от ощущения нереальности, когда пишу о первых трех минутах так, как будто мы действительно знаем, о чем говорим».
Вывести — чисто умозрительно — ход событий, которые по масштабам превосходят все, что соизмеримо с человеческой жизнью, обобщить всю информацию, наблюдения, размышления, скопленные человечеством более чем за двадцать веков, — помог человеческий Разум, который так же совершенствуется, развивается, эволюционизирует, как и вся Природа в целом.