1. Комфортная, но неправильная картина мира

Опуская всяческих китов, слонов и хрустальные сферы, начнем исторический очерк с картины мира, которая уже может обсуждаться в рамках науки. Это вечная, бесконечная, в среднем неизменная Вселенная. Такая концепция постепенно сложилась в XVI—XIX веках и служила основной космологической парадигмой вплоть до 1920-х годов. Впрочем, наверняка эту концепцию, как и большинство философских откровений эпохи Просвещения, уже сформулировал кто-то из древних греков. Современный человек как будто впитывает идею вечной бесконечной Вселенной с молоком матери и очень удивляется, когда узнает про Большой взрыв.

Вечная бесконечная Вселенная комфортна для человеческого разума. Человеку хочется думать, что звезды будут светить всегда, что у мира нет ни конца, ни начала, что перед жизнью и разумом нет никаких пределов, даже в отдаленном будущем.

Такая Вселенная понятна и логична. А как же еще? Как представить себе начало и конец? А что раньше начала? А что дальше конца? Вопрос, откуда взялась Вселенная, в этой парадигме тоже не актуален — это всё остальное откуда-то взялось во Вселенной, которая есть просто вместилище всего сущего.

Однако уже в XIX веке в грандиозной картине мироздания появились первые трещины. Причем эти трещины имели вид простых вопросов. Во-первых, почему ночью небо темное? Именно такой вопрос был однажды задан школьником команде «знатоков» в телепередаче «Что? Где? Когда?». «Знатоки», уповая на то, что вопрос задан школьником (даже не старшеклассником), дали простой ответ: «Потому, что ночью мы находимся в тени Земли, и атмосфера над нами не может рассеивать солнечные лучи». Школьник был не столь прост. Оказывается, если Вселенная бесконечна, вечна и изотропна, прямой луч в любом направлении упрется в звезду (как любой горизонтальный взгляд в лесу упрется в лист или ствол дерева) — значит, небо должно сиять столь же ярко, как поверхность звезды. Поглощение не спасает — любой поглотитель нагреется и засияет с той же яркостью. Этот факт носит название «фотометрический парадокс Ольберса». Он говорит о том, что Вселенная либо не вечна, либо не бесконечна.

Интересно попробовать парадокс Ольберса «на зуб» — насколько должна быть велика Вселенная, чтобы он сработал. Здесь следует предупредить читателя, что если он не любит оперировать большими числами, то может пропустить два следующих абзаца.

Стволы деревьев в лесу перекроют перспективу на нескольких сотнях метров. А на каком расстоянии звезды перекроют небо? Это нетрудно прикинуть, зная среднюю плотность Вселенной. Нам нужно обычное вещество, сейчас известно, что его плотность во Вселенной около 10^-30 г/см³ (в XIX веке этой величины не знали и при попытке оценить скорее всего получили бы значение на несколько порядков выше), и примерно десятая часть вещества находится в звездах. Значит, средняя плотность вещества, заключенного в звездах, 10^-31 г/см³ . Будем считать, что все звезды подобны Солнцу, — это даст не слишком большую ошибку, расстояние будет завышено, может быть, в пару раз. Масса Солнца — 2·10³³ г. Значит, средняя плотность звезд во Вселенной n ? 0,5·10^-64 см^-3 . Надеемся, читателя не смущает такая величина, как число звезд в кубическом сантиметре — ее смысл можно выразить иначе: одна звезда в кубе с ребром 2·10²¹ см (2 тыс. световых лет). Теперь надо взять площадь диска Солнца ?  = ?R² ? 10²² м² (радиус Солнца — 696 тыс. км) и определить среднюю длину луча до попадания в звезду: S = 1/n? ? 2·10⁴¹ см.

Это чудовищное расстояние, на 13 порядков больше, чем размер видимой части современной Вселенной. На столько видимая часть Вселенной больше Солнечной системы, и на столько последняя больше собаки. Соответственно, время существования такой Вселенной тоже должно быть на 13 порядков больше, чем возраст нашей, — иначе свет далеких звезд не успеет дойти до наблюдателя.

Единицы измерения, используемые в книге

Физики — очень упрямые люди: внедрить в их среду систему единиц СИ не удалось и, видимо, уже не удастся, поэтому и мы будем пользоваться сантиметрами, граммами, эргами. Энергию частиц физики измеряют в электронвольтах (эВ) (1,6·10^-12 эрг), мегаэлектронвольтах (МэВ), гигаэлектронвольтах (ГэВ) и т.п. Причем в этих же единицах измеряется и масса частиц. Как так? Да просто используется знаменитая формула E = mc², и скорость света полагается равной единице. Вообще, эквивалентность массы и энергии в книге используется весьма активно в надежде, что читатель к этому привык либо быстро привыкнет. Кстати, температура тоже часто измеряется в эВ или ГэВ. А может быть, и в эргах. Достаточно вспомнить, что температура пропорциональна энергии, приходящаяся на степень свободы частицы в веществе, а в чем эту энергию измерять — дело вкуса.

Для измерения больших расстояний используются световые годы (10¹⁸ см) или парсеки (3·10¹⁸ см). Большие массы обычно измеряются в массах Солнца (2·10⁵⁵ г).

Итак, парадокс Ольберса в полноценном варианте подразумевает гигантские размеры и времена, но запрещает бесконечность. Бесконечную неподвижную неизменную Вселенную со звездами лучше и не пытаться представить. Наблюдатель, телепортировавшийся в нее, мгновенно бы сгорел.

_{1.1. Глубокий снимок космического телескопа «Хаббл». Расстояние до галактик, видимых на снимке, — от 1 до 12 млрд световых лет. Снимок взят из архива NASA с сайта hubblesite.org}

А если бы Вселенная возникла 13,8 млрд лет назад, как это и есть на самом деле, но не расширялась бы? Ее горизонт имел бы примерно такие же размеры — 13,8 млрд световых лет. Посмотрите на «глубокий» снимок космического телескопа «Хаббл» (то есть снимок участка неба, где нет близких объектов, сделанный с большой экспозицией). Несколько процентов площади снимка занимают далекие галактики. Если бы не было расширения, их поверхностная яркость превышала бы яркость Млечного Пути (молодые галактики ярче). Поэтому всё небо слегка бы светилось — слабее, чем Млечный Путь, но достаточно, чтобы это можно было почувствовать в темную ночь. На самом деле из-за расширения Вселенной далекие галактики становятся во много раз тусклей, и чтобы увидеть почти равномерное свечение неба, нужна хорошая техника.

Второе умозаключение, портящее картину, называется «тепловая смерть Вселенной». Принципом, обрекающим Вселенную, оказывается второе начало термодинамики — всё должно со временем прийти в состояние тепловой бани, где всё имеет одну температуру, все источники энергии исчерпаны и никакая жизнь не возможна. Так и вечная Вселенная в ее современном живом состоянии, хоть в ту, хоть в другую сторону по стреле времени, получается, невозможна. Кстати, современная физика способна дать вполне реалистичную картину предстоящей тепловой смерти — она будет постепенной и не мучительной.

Вселенная уже заметно состарилась. Сейчас за единицу времени рождается в 20 раз меньше звезд, чем 10 млрд лет назад. Солнце погаснет через 5 млрд лет — тогда новые звезды типа Солнца будут рождаться заметно реже, чем сейчас. Но через 100 млрд лет еще будут светить ныне существующие красные карлики, близ которых возможна жизнь.

Постепенно, строительный материал для новых звезд будет становиться всё более дефицитным, их рождение почти остановится. Но если где-то через триллион лет столкнутся две галактики (а это и тогда будет изредка происходить в гравитационно связанных скоплениях), то остатки газа и пыли в этих галактиках сожмутся ударной волной от столкновения и это выльется в сотни миллионов или миллиарды новых звезд всех типов с планетными системами. Где-то снова возникнет жизнь ничем не хуже нашей, и разумные существа ничем не хуже нас.

И у них тоже будет звездное небо над головой! Единственно, чего у них не будет, так это множества других галактик, видимых в телескопы. Будут видны только погасшие или чуть тлеющие галактики местного скопления, которые не разлетелись на безнадежные расстояния из-за того, что оказались гравитационно связанными в первые миллиарды лет. Космический телескоп «Хаббл» там окажется не столь полезным. А всё великолепие молодой Вселенной будет полностью закрыто для наблюдения любыми инструментами из-за ускоренного расширения пространства.

_{1.2. Пример возврата бурной молодости галактик в результате столкновения. Маленькая галактика (справа, вероятно, та, что голубая), сотни миллионов лет назад пролетела через большую галактику слева и вызвала в ней круговую ударную волну в диске, сжимающую газ с пылью, дающую толчок образованию миллиардов звезд. Яркие звезды быстро прогорают, отчего светящееся кольцо тонкое, но за ним остаются менее яркие звезды типа Солнца. Подобные эпизоды возрождения будут изредка происходить и тогда, когда галактики полностью погаснут. Снимок космического телескопа «Хаббл» (NASA) с hubblesite.org}

Итак, мы знаем, что «умирание» Вселенной будет очень долгим, что ее температура будет только падать, знаем, что в обозримое время не случится тотального апокалипсиса типа коллапса Вселенной. Есть экзотические варианты теории, где Вселенную когда-нибудь нескоро ждет внезапный конец («большой разрыв» или коллапс), но в простых незатейливых вариантах теория предсказывает для Вселенной очень долгое будущее. Однако мы сильно забежали вперед — из XIX века в конец XX. Вернемся назад.

Третья проблема вечной неизменной Вселенной — гравитационная неустойчивость. Любой объем вещества стремится сжаться под действием гравитации. Если в среде давление мало, то малейшие неоднородности плотности начинают расти — чем дальше, тем быстрее. Сжатие останавливается, когда давление или разброс скоростей объектов сжимающейся системы уравновешивает гравитацию. Всё, что мы видим вокруг себя, уже прошло стадию гравитационной неустойчивости и пришло к равновесию: Солнце уравновешено давлением газа, Солнечная система — движением планет, галактика — движением звезд, скопление галактик — движением галактик. А дальше — проблема! В XIX веке ничего не знали про скопления галактик и крупномасштабную структуру Вселенной. Но теоретически было понятно, что от проблемы не уйти, — чем больший объем берем, тем дольше развивается неустойчивость, но тем большее давление или разброс скоростей требуется, чтобы остановить сжатие. В конце концов, приходим к какому-нибудь парадоксу, типа того, что для стабилизации сжимающейся системы требуются скорости, превышающие скорость света (это в рамках ньютоновской механики, а на современном языке это означало бы формирование черной дыры).

Несмотря на перечисленные проблемы, многие ученые и тем более философы долго верили в старую парадигму. Про парадоксы все знали, но думали, что как-нибудь рассосется — наука развивается и найдет лазейки из тупика.