Введение

Вселенная тоже была молодою 
И бился в груди ее пламень творенья. 
Как женщина, власть потеряв над собою, 
Она отдавалась на волю мгновенья.
И в огненной пляске Пространства и Времени, 
Доверившись слепо неведомым силам,
Она разрешилась от тяжкого бремени, 
Даруя начала Мирам и Светилам. 
Дыханье горячее Тайны Великой
Потоками квантов к тебе прикоснется. 
И Космос огромный, чужой, многоликий 
Сквозь Мрак Мирозданья тебе улыбнется. 
И тот, кто увидел улыбки той отблеск, 
Кто вздрогнул на миг и застыл ослепленный, 
Тот будет всю жизнь, позабыв сон и отдых,
Искать ее снова в просторах Вселенной!

Б. К.

Идея эволюции всей Вселенной представляется нам вполне естественной и даже необходимой сегодня, в семидесятых годах XX века. Однако так было не всегда. Как и всякая великая научная идея, она прошла сложный путь борьбы и становления, пока не восторжествовала в науке. Сегодня эволюция Вселенной является научным фактом, всесторонне обоснованным многочисленными астрофизическими наблюдениями и имеющим под собой прочный теоретический базис всей физики.

Эта книга рассказывает об эволюционирующей Вселенной и о науке космологии, изучающей Вселенную в целом.

Научная физическая космология может считаться детищем XX века. Только в нашем веке Альбертом Эйнштейном была создана релятивистская теория тяготения (общая теория относительности), которая является теоретическим фундаментом науки о строении Вселенной. С другой стороны, успехи наблюдательной астрономии начала нашего века - установление природы галактик, открытие закона красного смещения Хаббла, а в последние годы успехи радиоастрономии, новые методы астрофизических исследований, включая методы исследований с помощью космических аппаратов, создали наблюдательный фундамент космологии.

Началом современного этапа развития космологии являются работы замечательного советского ученого А. А. Фридмана, выполненные в 1922-1924 гг. На основе теории Эйнштейна он построил математические модели движения вещества во всей Вселенной под действием сил тяготения. А. А. Фридман доказал, что вещество Вселенной не может находиться в покое - Вселенная не может быть стационарной: она должна либо расширяться, либо сжиматься и, следовательно, плотность вещества во Вселенной должна либо уменьшаться, либо увеличиваться. Так была теоретически открыта необходимость глобальной эволюции Вселенной.

Эта идея была совершенно новой, крайне необычной. Разные схемы строения Вселенной господствовали в науке, сменяя друг друга на протяжении веков. Но все (или почти все) их объединяло одно - это были именно схемы строения - не развития, эволюции, становления, а вечно неизменный "механизм часов Вселенной". Идея стационарности всей Вселенной казалась само собой разумеющейся. Во Вселенной могли происходить сложнейшие процессы, но от чего, от какого состояния и куда должна развиваться вся Вселенная? Мысль об эволюции всей Вселенной представлялась нелепой, и эта мысль с большим трудом овладевала сознанием даже крупных ученых. В качестве примера можно привести самого Альберта Эйнштейна. Творец теории относительности понимал, сколь важна его теория для космологии. Сразу после создания общей теории относительности он стал выяснять, имеются ли у уравнений теории, примененных ко всей Вселенной, статические решения, т. е. решения, описывающие состояние, не меняющееся со временем. Эйнштейну казалось очевидным, что надо строить именно статическую, неэволюционирующую модель Вселенной. Но уравнения общей теории относительности в применении ко Вселенной не давали статических решений. Оказалось, что уравнения физической теории содержат больше, чем их создатель мог предвидеть. Заметим, что это относится не только к теории относительности, но и к любой по-настоящему значительной теории. Идея статического мира казалась настолько привлекательной, что Эйнштейн не поверил своим уравнениям и стал их изменять.

Почему же идея статичности Вселенной была столь привлекательна? По-видимому, это происходило потому, что она питалась фактом видимой стационарности, неизменности астрономических тел и систем, будь то Солнечная система, звезды, звездные скопления или галактики. Вольно или невольно наблюдаемое постоянство астрономических явлений во всех известных человечеству шкалах распространялось на всю Вселенную. Очень четко об этом сказано еще у Аристотеля в его сочинении "О небе":

"В продолжении всего прошедшего времени, согласно летописям, завещаемым потомкам от поколения к поколению, мы не находим следа изменений ни во всем удаленном небе в целом, ни в одной из подходящих частей неба".

С сегодняшней точки зрения это антиэволюционное предубеждение, эти поиски статических решений космологических уравнений кажутся принципиально неправильными уже потому, что теперь установлена эволюция всех тех небесных тел и систем небесных тел, где раньше видели только неизменное свечение или постоянное движение по круговым орбитам. Можно напомнить, что эволюция заключена уже в необратимом распаде радиоактивных веществ. Если бы небесное тело - Земля - существовало вечно, то все радиоактивные вещества давно бы распались. Но мы знаем, что радиоактивные вещества присутствуют в земной коре. Значит, с момента образования Земли, земной коры и радиоактивных веществ прошло конечное время. Теперь даже школьникам известно, что по количеству радиоактивных веществ в горных породах определяют возраст Земли.

Надежно установлен и факт эволюции Солнца и звезд. Эти небесные тела излучают энергию. Источником этой энергии являются ядерные реакции в их недрах. Любой источник энергии не вечен. Конечны запасы энергии и в случае ядерных источников. Значит, и Солнце и звезды возникли в конечном прошлом и имеют свою историю.

Мы наблюдаем сегодня бурные процессы взрывов и эволюции и в таких гигантских системах, какими являются галактики. Вещество, входящее в галактики, постепенно перерабатывается в ядерных процессах, идущих в звездах. Водород превращается в гелий, а затем и в более тяжелые химические элементы.

Итак, статическая картина неприемлема ни для каких астрономических систем, если только рассматривать достаточно большие промежутки времени. Если бы сегодня надо было заново строить модель Вселенной, необходимо было бы потребовать, чтобы модель была эволюционирующей, чтобы в модели было указание на эпоху, когда во Вселенной началось рождение звезд, галактик и т. д.

Но вернемся к началу нашего века. Эйнштейн построил статическую модель Вселенной ценой введения в свою теорию наряду с силами всемирного тяготения гипотетических сил космического отталкивания. Когда он позже познакомился с работой А. А. Фридмана, доказавшего нестационарность Вселенной, он посчитал работу Фридмана ошибочной. Только после разъяснений А. А. Фридмана, переданных А. Эйнштейну, он полностью признал правильность выводов советского математика, а свою попытку построения неэволюционирующей модели признал ошибочной. Наконец в 1929 г. американский астроном Э. Хаббл на основе многочисленных наблюдений установил факт расширения Вселенной.

Так была доказана глобальная эволюция Вселенной. Это открытие явилось одним из величайших достижений человеческого разума. Однако установление закона расширения Вселенной было, конечно, только самым началом исследований эволюции. Это было установление, так сказать, только механики Вселенной. Необходимо было изучить конкретные физические процессы, протекающие в расширяющейся Вселенной, - процессы, которые протекали и в далеком прошлом, когда состояние вещества во Вселенной сильно отличалось от сегодняшнего, и процессы более близкие к нам, когда формировались небесные тела, их системы, и, наконец, процессы нашего времени и будущего.

Последние десять-двадцать лет в космологии как раз и характерны тем, что механическая картина движений и сил во Вселенной наполнилась новым конкретным физическим содержанием.

В последующих главах будет рассказано о том, как наука представляет в настоящее время эволюцию Вселенной. Грандиозна картина эволюции окружающего мира, расширения Вселенной от сверхплотного сверхгорячего состояния, с бурными реакциями между элементарными частицами, до современного состояния, когда вещество распалось на гигантские системы небесных тел, возникли звезды, возникли планеты и жизнь.

Надо только подчеркнуть, что эта книга именно о Вселенной и о развитии и становлении новых идей, а не специально о людях, занимающихся этой наукой. Писать и о том и о другом одновременно представляется мне неправильным, ибо это совершенно разные задачи, требующие разного стиля. Поэтому в дальнейшем мы не будем придерживаться хронологического порядка открытий и лишь эпизодически будем упоминать имена и даты.

Наконец отметим, что в книге употребляется общепринятый в космологической литературе термин "Вселенная" для обозначения окружающего нас мегамира. В литературе разного характера, например, в философской, физической и астрономической в этот термин часто вкладывается разный смысл. Везде в дальнейшем речь идет о конкретных физических свойствах окружающего нас мегамира и о физико-математических моделях его.

Тем из читателей, которые захотели бы познакомиться более детально и глубоко с вопросами современной космологии, можно рекомендовать специальные книги:

Д. Шама, Современная космология, "Мир", 1973.

П. Пиблс, Физическая космология, "Мир", 1975.

С. Вейнберг, Гравитация и космология, "Мир", 1975.

Я. Б. Зельдович, И. Д. Новиков, Строение и эволюция Вселенной, "Наука", 1975.

Наша точка зрения на проблемы космологии изложена в последней из упомянутых книг, написанной Я. Б. Зельдовичем и мной. Со времени выхода нашей книги многие конкретные вопросы получили дальнейшее развитие, однако общий взгляд на основные проблемы остался в основном прежним и в изложении некоторых вопросов мы следовали упомянутой книге (см. Предисловие).