Устройство нашей Вселенной

Íàóêà äëÿ âñåõ

Èçäàòåëüñòâî «Âåê 2»

Ïîñâÿùàåòñÿ ìîåé ìàòåðè

Íàóêà äëÿ âñåõ

Ñ. Ã. Ðóáèí

ÓÑÒÐÎÉÑÒÂÎ ÍÀØÅÉ ÂÑÅËÅÍÍÎÉ

Ôðÿçèíî 2006

ÓÄÊ 524 ÁÁÊ 22.66 P 82 Ðóáèí Ñåðãåé Ãåîðãèåâè÷ — äîêòîð ôèçèêî-ìàòåìàòè÷åñêèõ íaóê, ïðîôåññîð Ìîñêîâñêîãî èíæåíåðíî-ôèçè÷åñêîãî èíñòèòóòà. Îáëàñòü íàó÷íûõ èíòåðåñîâ — êîñìîëîãèÿ, ìíîãîìåðíàÿ ãðàâèòàöèÿ, ÷åðíûå äûðû.

P 82

Ðóáèí Ñ. Ã. Óñòðîéñòâî íàøåé Âñåëåííîé. — Ôðÿçèíî: Âåê 2, 2006. — 312 ñ. — (Íàóêà äëÿ âñåõ). ISBN 5-85099-166-2  êíèãå èçëàãàþòñÿ ñîâðåìåííûå âçãëÿäû íà ïðîèñõîæäåíèå è ýâîëþöèþ Âñåëåííîé. Ïî÷åìó çàêîíû ïðèðîäû èìåííî òàêèå, êàêèìè ìû èõ íàáëþäàåì? Ìîãëè áû îíè áûòü äðóãèìè è ê ÷åìó áû ýòî ïðèâåëî? ×òî æäåò â áóäóùåì ìèð, â êîòîðîì ìû æèâåì, è âîçìîæíî ëè ñóùåñòâîâàíèå äðóãèõ âñåëåííûõ? Äëÿ âñåõ, èíòåðåñóþùèõñÿ ïðîáëåìàìè ñîâðåìåííîãî åñòåñòâîçíàíèÿ. ÓÄÊ 524 ÁÁÊ 22.66

ISBN 5-85099-166-2

© Âåê 2, 2006

Âñå ïðîùå, ÷åì âû äóìàåòå, è îäíîâðåìåííî ñëîæíåå, ÷åì âû ìîæåòå âîîáðàçèòü. Èîãàíí Âîëüôãàíã Ãåòå

ÏÐÅÄÈÑËÎÂÈÅ

Ê

íèã ïî êîñìîëîãèè óæå èçäàíî äîâîëüíî ìíîãî, íî òåì íå ìåíåå èíòåðåñ ê íîâûì ïóáëèêàöèÿì íå ïðîïàäàåò. Ýòî ñâÿçàíî, âî-ïåðâûõ, ñ áûñòðûì ðàçâèòèåì êîñìîëîãèè è, âîâòîðûõ, ñ òåì, ÷òî êàæäàÿ íàó÷íî-ïîïóëÿðíàÿ ñòàòüÿ èëè êíèãà îãðàíè÷èâàåòñÿ îïðåäåëåííûì íàáîðîì òåì, ñâÿçàííûõ ñ ïðåäïî÷òåíèÿìè àâòîðîâ. Êðîìå òîãî, ðàçíûì ÷èòàòåëÿì èíòåðåñíû ðàçíûå àñïåêòû ïðîáëåìû è íà ðàçíûõ óðîâíÿõ îáîñíîâàíèÿ. ×òåíèå íàó÷íûõ ñòàòåé è êíèã ïðåäïîëàãàåò àïðèîðíîå õîðîøåå âëàäåíèå ïðåäìåòîì. Íàó÷íî-ïîïóëÿðíûå æå èçäàíèÿ ÷àñòî îðèåíòèðóþòñÿ íà ìåíåå ïîäãîòîâëåííîãî ÷èòàòåëÿ è îãðàíè÷èâàþòñÿ ïåðå÷èñëåíèåì ôàêòîâ. Ýòî ñàìî ïî ñåáå èíòåðåñíî è äåéñòâèòåëüíî ìîæåò óâëå÷ü ÷èòàòåëÿ, íî òîò, êòî èíòåðåñóåòñÿ ïðè÷èíàìè ÿâëåíèé, îñòàíåòñÿ íåóäîâëåòâîðåííûì.  ýòîé êíèãå ÿ ñòàðàëñÿ íå òîëüêî îïèñûâàòü ÿâëåíèÿ — â êîíöå êîíöîâ, ïî÷òè ëþáóþ èíôîðìàöèþ ëåãêî íàéòè â Èíòåðíåòå, — íî è îáúÿñíÿòü ïðè÷èíû ýòèõ ÿâëåíèé. Íå âñåãäà ýòî óäàâàëîñü ñäåëàòü ïðîñòî, è òîò, êòî íå õî÷åò âäàâàòüñÿ â ìàòåìàòè÷åñêèå äåòàëè, âïîëíå ìîæåò èõ ïðîïóñêàòü è äâèãàòüñÿ äàëüøå. Ýòîò âàðèàíò ó÷èòûâàëñÿ ïðè íàïèñàíèè êíèãè, è òðóäíûå â ìàòåìàòè÷åñêîì îòíîøåíèè âîïðîñû èçëîæåíû â ïðèëîæåíèÿõ. Íàèáîëåå âàæíûìè ïðåäñòàâëÿþòñÿ ãëàâû 2, ãäå îõàðàêòåðèçîâàíà ñîâðåìåííàÿ ìîäåëü ðîæäåíèÿ íàøåé Âñåëåííîé (Áîëüøîé âçðûâ), è 5, ãäå îáñóæäàþòñÿ óäèâèòåëüíûå ñâîéñòâà Âñåëåííîé, ïðèâåäøèå ê çàðîæäåíèþ ðàçóìíîé æèçíè.  îñòàëüíûõ ãëàâàõ èçëîæåíî ñîâðåìåííîå, íà 2005 ã., ïîíèìàíèå ÿâëåíèé è îáúåêòîâ ìèêðî- è ìàêðoìèðà, òàê èëè èíà÷å ñâÿçàííûõ ñ ïðîáëåìàìè êîñìîëîãèè.

6

Ïðåäèñëîâèå

Áëàãîäàðíîñòè

Àâòîð ïðèçíàòåëåí À. Áåðêîâó, Å. Ãðèãîðüåâó, Ð. Êîíîïëè÷ó è Â. Ðåøåòîâó çà èíòåðåñíûå îáñóæäåíèÿ è çàìå÷àíèÿ, óëó÷øèâøèå òåêñò êíèãè. ß áëàãîäàðåí òàêæå ñâîåé ñåìüå çà ìîðàëüíóþ ïîääåðæêó è æèâîé èíòåðåñ, ïðîÿâëåííûé ê ñîäåðæàòåëüíîé ÷àñòè òåêñòà.

ÂÂÅÄÅÍÈÅ

Ñ

îâðåìåííàÿ êîñìîëîãèÿ — áóðíî ðàçâèâàþùàÿñÿ îáëàñòü íàó÷íûõ èññëåäîâàíèé. Ýòî îáóñëîâëåíî óäà÷íûì ñòå÷åíèåì îáñòîÿòåëüñòâ: ñ îäíîé ñòîðîíû — ïðîãðåññîì â òåõíèêå, êîòîðûé ïðèâåë ê ðåçêîìó ðîñòó êîëè÷åñòâà è êà÷åñòâà èíôîðìàöèè îá óñòðîéñòâå Âñåëåííîé, ñ äðóãîé — ìíîæåñòâîì íîâûõ ïëîäîòâîðíûõ èäåé â òåîðåòè÷åñêîé êîñìîëîãèè. Êîëè÷åñòâî íàó÷íûõ è íàó÷íî-ïîïóëÿðíûõ ñòàòåé áûñòðî ðàñòåò — ïðîïîðöèîíàëüíî îáúåìó ïîëó÷àåìîé èíôîðìàöèè. Îñîáåííîñòü êîñìîëîãèè êàê íàóêè îá ýâîëþöèè Âñåëåííîé ñîñòîèò â òîì, ÷òî ïðè ðàçðàáîòêå íîâûõ òåîðåòè÷åñêèõ ìîäåëåé ïðèõîäèòñÿ èìåòü äåëî ïðàêòè÷åñêè ñî âñåìè ôèçè÷åñêèìè äèñöèïëèíàìè îäíîâðåìåííî. Êâàíòîâàÿ òåîðèÿ ïîëÿ, ôèçèêà ýëåìåíòàðíûõ ÷àñòèö, ÿäåð è àòîìîâ, ñòàòèñòè÷åñêàÿ ôèçèêà, ãðàâèòàöèÿ — âîò äàëåêî íå ïîëíûé ïåðå÷åíü îáëàñòåé çíàíèÿ, âçàèìîñâÿçè ìåæäó êîòîðûìè íåîáõîäèìî ó÷èòûâàòü. Êðîìå òîãî, âñå íîâûå èäåè ïðîâåðÿþòñÿ íà íåïðîòèâîðå÷èâîñòü ïî îòíîøåíèþ ê íàáëþäàòåëüíûì äàííûì è íà ñîãëàñîâàíèå ñ óæå èçâåñòíûìè çàêîíàìè. Íåðåäêî èìååòñÿ íåñêîëüêî ðàçëè÷íûõ ìîäåëåé, îáúÿñíÿþùèõ íàáëþäàòåëüíûå äàííûå, è ëèøü áóäóùèå èññëåäîâàíèÿ âûÿâÿò âåðíóþ.

Îáîçíà÷åíèÿ  àñòðîôèçèêå ìàññû îáúåêòîâ îáû÷íî èçìåðÿþòñÿ â ìàññàõ Ñîëíöà, îáîçíà÷àåìûõ M¤. Âñå ñêîðîñòè óäîáíî èçìåðÿòü â ñêîðîñòÿõ ñâåòà, òàê ÷òî ñêîðîñòü ëþáîé ìàññèâíîé ÷àñòèöû v < 1, à âñþäó â ôîðìóëàõ ïîëàãàåòñÿ ñêîðîñòü ñâåòà ñ = 1. Òàê, ýíåðãèÿ ïîêîÿùåéñÿ ÷àñòèöû ïðîñòî ðàâíà åå ìàññå, E = m, îáå âåëè÷èíû èçìåðÿþòñÿ â ýëåêòðîí-âîëüòàõ. Ñâÿçü ïîëíîé ýíåðãèè ÷àñòèöû ñ åå èìïóëüñîì èìååò âèä

8

Ââåäåíèå

E = p 2 + m2 . Äëÿ ÷àñòèö, ìàññîé êîòîðûõ ìîæíî ïðåíåáðå÷ü (óëüòðàðåëÿòèâèñòñêèå ÷àñòèöû, íåéòðèíî, ôîòîíû), èñ ïîëüçóåòñÿ ôîðìóëà Å = ð. Ïîñòîÿííóþ Áîëüöìàíà k òàêæå âî âñåõ âûðàæåíèÿõ ñ÷èòàåì ðàâíîé 1, òàê ÷òî òåìïåðàòóðà òîæå èçìåðÿåòñÿ â ýëåêòðîí-âîëüòàõ. Ïðè ýòîì äëÿ îöåíîê ïîëåçíî ïîìíèòü, ÷òî òåìïåðàòóðà, ðàâíàÿ 1 ÃýÂ, — ýòî ïðè ìåðíî 1013 K, à ïðèìåíèòåëüíî ê ìàññå 1 Ãý — ïðèìåðíî 2 · 10–24 ãðàììîâ. Ñêîðîñòü ñâåòà c, ïîñòîÿííàÿ Ïëàíêà ž è ãðàâèòàöèîííàÿ ïîñòîÿííàÿ G ñ÷èòàþòñÿ ôóíäàìåíòàëüíûìè êîíñòàíòàìè. Èç íèõ ìîæíî «ñîîðóäèòü» âåëè÷èíû ñ ðàçìåðíîñòüþ «äëèíà», «âðåìÿ» è «ìàññà» è èçìåðÿòü âñå âåëè÷èíû â åäèíèöàõ ïëàíêîâñêîé äëèíû, ïëàíêîâñêîãî âðåìåíè è ìàññû Ïëàíêà:

Äëèíà (ñì): LP =

h

G = 1,616 · 10–33; c3

Âðåìÿ (ñ):

TP =

h

G = 5,391 · 10–44; c5

Ìàññà (ã):

MP =

h

c = 2,177 · 10–5. G

Ýòà òàê íàçûâàåìàÿ ïëàíêîâñêàÿ ñèñòåìà åäèíèö îêàçûâàåòñÿ óäîáíîé â òåîðåòè÷åñêèõ èññëåäîâàíèÿõ. ×èòàòåëü, íå ïðèâûêøèé ê ïåðåõîäó îò îäíèõ åäèíèö èçìåðåíèÿ ê äðóãèì, ìîæåò íå çàáîòèòüñÿ îá ýòèõ äåòàëÿõ, à ïðîñòî ñëåäèòü çà ñàìèìè âåëè÷èíàìè, ïîâåðèâ, ÷òî âñå ïåðåõîäû ñäåëàíû ïðàâèëüíî. Ïîëåçíî ïðèâåñòè òàáëèöó õàðàêòåðíûõ àñòðîíîìè÷åñêèõ ðàññòîÿíèé. 1 ñâåòîâîé ãîä . . . . . . . . . . . . . . . 0,95 · 1018 ñì 1 ïàðñåê . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3,1 · 1018 ñì Ðàäèóñ Çåìëè. . . . . . . . . . . . . . . . 6,4 · 108 ñì Ðàäèóñ Ñîëíöà . . . . . . . . . . . . . . . 6,9 · 1010 ñì Ðàññòîÿíèå îò Çåìëè äî Ëóíû . . . . . . 3,8 · 1010 ñì Ðàññòîÿíèå îò Çåìëè äî Ñîëíöà . . . . . 1,5 · 1013 ñì Îáîçíà÷åíèÿ

9

Ðàññòîÿíèå îò Çåìëè äî áëèæàéøåé 18 çâåçäû (Ïðîêñèìà Êåíòàâðà1) . . . . . . 4,0 · 10 ñì Ðàäèóñ íàøåé Ãàëàêòèêè . . . . . . . . . 2,3 · 104 ïàðñåê Ðàññòîÿíèå äî áëèæàéøåé ãàëàêòèêè 4 (Ìàãåëëàíîâû Îáëàêà) . . . . . . . . . . 4,6 · 10 ïàðñåê Ðàçìåð âèäèìîé ÷àñòè Âñåëåííîé . . . . 6 000 ìåãàïàðñåê, èëè 1028 ñì

Ïàðñåê (ïê) — ýòî ðàññòîÿíèå, ñ êîòîðîãî áîëüøàÿ ïîëóîñü çåìíîé îðáèòû âèäíà ïîä óãëîì, ðàâíûì 1 ñåêóíäå. Íàäî òàêæå èìåòü â âèäó, ÷òî ñâåòèìîñòè îáúåêòîâ ÷àñòî íîðìèðóþòñÿ íà ñâåòèìîñòü Ñîëíöà, êîòîðàÿ cîñòàâëÿåò L¤ = 4 · 1033 ýðã/c, à ìàññû îáúåêòîâ âûðàæàþòñÿ â ìàññàõ Ñîëíöà, M¤ = 2 · 1033 ã. Âîçðàñò íàøåé Âñåëåííîé ñîñòàâëÿåò ïðèìåðíî 13–14 ìëðä. ëåò.

1

Âñòðå÷àåòñÿ òàêæå íàïèñàíèå «Öåíòàâðà» (îò ëàò. Centaurus).

Ãëàâà 1

ÈÍÃÐÅÄÈÅÍÒÛ ÂÑÅËÅÍÍÎÉ

Ñ

òåõ ïîð, êàê ÷åëîâåê ñòàë ïðîÿâëÿòü èíòåðåñ ê îêðóæàþùåìó ìèðó íå òîëüêî ñ òî÷êè çðåíèÿ îñíîâíûõ èíñòèíêòîâ, åãî ïîíèìàíèå ïðèðîäû íåïðåðûâíî ñîâåðøåíñòâîâàëîñü. ×åëîâåê óçíàâàë î íîâûõ îáúåêòàõ, ñîñòàâëÿþùèõ ìèð, â êîòîðîì ìû æèâåì, îá èõ âçàèìîñâÿçÿõ. Êðóã çíàíèé ïîñòîÿííî ðàñøèðÿëñÿ, íî, êàê çàìåòèë åùå Ïèôàãîð, âìåñòå ñ òåì óâåëè÷èâàëàñü è îáëàñòü ñîïðèêîñíîâåíèÿ ñ íåâåäîìûì. Êàæäûé ðàç, êàê òîëüêî ó÷åíûì óäàâàëîñü îáúÿñíèòü êàêîå-ëèáî ÿâëåíèå, âîçíèêàëî íåñêîëüêî íîâûõ, åùå áîëåå ñëîæíûõ âîïðîñîâ. Ýòî íàïîìèíàëî áîé áûëèííîãî áîãàòûðÿ ñ äðàêîíîì, ó êîòîðîãî ïîñëå îòñå÷åíèÿ îäíîé ãîëîâû âûðàñòàþò òðè íîâûå, ïðè÷åì åùå áîëåå íåïðèÿòíûå. Ê ñ÷àñòüþ, â íàóêå íîâûå ãîëîâû-âîïðîñû âûðàñòàþò íå íà îäíîì è òîì æå ìåñòå. Ëþáàÿ òåîðèÿ, êîòîðàÿ ÿâëÿåòñÿ íå ÷åì èíûì, êàê îòâåòîì íà î÷åðåäíîé âîïðîñ, îñòàåòñÿ ïðàâèëüíîé è â äàëüíåéøåì. Óòî÷íÿåòñÿ ëèøü îáëàñòü åå ïðèìåíèìîñòè. Òàê ïîñòåïåííî óñëîæíÿþòñÿ íàøè ïðåäñòàâëåíèÿ î Âñåëåííîé, åå óñòðîéñòâå è âçàèìîîòíîøåíèè ÷àñòåé, åå ñîñòàâëÿþùèõ. Äîëãîå âðåìÿ Âñåëåííàÿ ðàññìàòðèâàëàñü êàê íåêèé êîíòåéíåð, â êîòîðûé êàêèì-òî îáðàçîì ïîìåùåíû îáúåêòû äëÿ èçó÷åíèÿ — ÷àñòèöû, ïëàíåòû, çâåçäû è ò. ä. Äåëîì ó÷åíûõ áûëî îïèñàíèå ýòèõ îáúåêòîâ è èõ âçàèìîäåéñòâèÿ äðóã ñ äðóãîì. Ïåðâûå îáëà÷êà, áðîñàþùèå òåíü íà ýòó èäèëëè÷åñêóþ êàðòèíó, ïîÿâèëèñü ïîñëå îòêðûòèÿ À. Ôðèäìàíà, îáíàðóæèâøåãî, ÷òî ñòàöèîíàðíîå ñîñòîÿíèå Âñåëåííîé íåóñòîé÷èâî è îíà äîëæíà ëèáî ðàñøèðÿòüñÿ, ëèáî ñæèìàòüñÿ. Åñëè, êîíå÷íî, îáùàÿ òåîðèÿ îòíîñèòåëüíîñòè Ýéíøòåéíà âåðíà. Ñêîðîñòü ðàñøèðåíèÿ/ñæàòèÿ Âñåëåííîé îêàçàëàñü çàâèñÿùåé îò Èíãðåäèåíòû Âñåëåííîé

11

ñðåäíåé ïëîòíîñòè âåùåñòâà. Ñâîéñòâà «ÿùèêà» çàâèñÿò îò åãî ñîäåðæèìîãî? Ñòðàííî… Äàëüíåéøèå èññëåäîâàíèÿ ïðèâåëè ê âûâîäó, ÷òî âñÿ íàøà Âñåëåííàÿ ðîäèëàñü îêîëî 14 ìëðä ëåò íàçàä èç ïðîñòðàíñòâåííîé îáëàñòè ïîðÿäêà 10–27 ñì èëè ìåíüøå. À ýòî íà 19 ïîðÿäêîâ ìåíüøå ðàçìåðà àòîìà. Ïîíÿòíî, ÷òî â òàêîé ìàëåíüêîé îáëàñòè íå ìîãëî ñóùåñòâîâàòü âñå îáèëèå ÷àñòèö, ñîñòàâëÿþùèõ çâåçäû. Ñëåäîâàòåëüíî, Âñåëåííàÿ è ÷àñòèöû ðîæäàëèñü îäíîâðåìåííî! È, êîíå÷íî æå, âëèÿëè äðóã íà äðóãà. Ñåé÷àñ óæå ÿñíî, ÷òî íàøà Âñåëåííàÿ — ýòî íå «êàñòðþëÿ ñ ñóïîì», â êîòîðîé ìîãëî íàõîäèòüñÿ ëþáîå ñîäåðæèìîå, à ñëîæíûé îðãàíèçì, âñå ÷àñòè êîòîðîãî, áîëüøèå è ìàëûå, ñëîæíåéøèì îáðàçîì ïåðåïëåòåíû è âçàèìîîáóñëîâëåíû. Ïîýòîìó íåóäèâèòåëüíî, ÷òî êîñìîëîãèÿ ñòàëà òåì îñåëêîì, íà êîòîðîì îòòà÷èâàþòñÿ íàøè çíàíèÿ î ïðèðîäå. Âåäü çäåñü âàæíû è ñâîéñòâà ýëåìåíòàðíûõ ÷àñòèö, è îáùàÿ òåîðèÿ îòíîñèòåëüíîñòè, è ñòàòèñòè÷åñêàÿ ôèçèêà, ïðè÷åì çà÷àñòóþ âñå îäíîâðåìåííî. Ìû æèâåì â óäèâèòåëüíîå âðåìÿ: ïðåäûäóùèå ïîêîëåíèÿ íå ïðåäñòàâëÿëè ñåáå âñþ ñóäüáó Âñåëåííîé, âîçìîæíûå âàðèàíòû åå èñòîðèè, åå ïðîøëîãî è áóäóùåãî. Îíè èçó÷àëè òîëüêî òî, ÷òî âèäåëè â äàííûé ìîìåíò. Ëèøü ñåé÷àñ ñòàíîâèòñÿ ïîíÿòíûì îáùèé õîä ýâîëþöèè Âñåëåííîé, îò ìîìåíòà åå ðîæäåíèÿ è äàëåå â áóäóùåå. Êîíå÷íî, äåòàëè, è ñóùåñòâåííûå äåòàëè, åùå íå ÿñíû, íî ïðàêòè÷åñêè âñå âîçìîæíûå âàðèàíòû ýâîëþöèè íàøåé Âñåëåííîé óæå íàçâàíû.

Î çäðàâîì ñìûñëå è íàó÷íîì ïîäõîäå Ê ñîæàëåíèþ, «çíàíèå ïîðîæäàåò ïå÷àëè», è ðàñïëàòîé çà ïðîãðåññ â íàóêå ÿâëÿåòñÿ îòñóòñòâèå íàãëÿäíîñòè. Íàø ìîçã â òå÷åíèå ìèëëèîíîâ ëåò ïîäñòðàèâàëñÿ ê î÷åíü ñïåöèôè÷íûì óñëîâèÿì — íåáîëüøèå ñêîðîñòè, ìíîãî ìåíüøå ñêîðîñòè ñâåòà, áîëüøèå òåëà, äëÿ êîòîðûõ êâàíòîâûå ÿâëåíèÿ íåñóùåñòâåííû, òðåõìåðíîå ïðîñòðàíñòâî. Îäíàêî íîâûå òåîðèè áàçèðóþòñÿ íà îáùåé òåîðèè îòíîñèòåëüíîñòè, êâàíòîâîé òåîðèè è ÷àñòî — íà ìíîãîìåðíîñòè ïðîñòðàíñòâà. Íàóêà óñëîæíèëàñü íàñòîëüêî, ÷òî ìîçã íå â ñîñòîÿíèè âîîáðàçèòü íîâûå ÿâëåíèÿ.

12

Ãëàâà 1. Èíãðåäèåíòû Âñåëåííîé

Êàê æå îòäåëÿòü çåðíà îò ïëåâåë, èñòèííîå îò ëîæíîãî, åñëè íåëüçÿ îïèðàòüñÿ íà çäðàâûé ñìûñë, ò. å. íà òå ïîíÿòèÿ, êîòî ðûìè íàø ìîçã ïðèâûê îïåðèðîâàòü? Ïðåäïîëîæèì, ÷òî èìååòñÿ íåêîå ÿâëåíèå, êîòîðîå íåîáõîäèìî îáúÿñíèòü. Ýòî ìîæåò áûòü, íàïðèìåð, à) òîê, òåêóùèé ïî ïðîâîäàì, èëè á) êâàçàðû. Ïðåæäå âñåãî ââîäèòñÿ èñõîäíûé ïîñòóëàò, êîòîðûé íå äîêàçûâàåòñÿ, ÷òî ÷åñòíî è ïðèçíàåòñÿ.  íàøåì ñëó÷àå äëÿ îáúÿñíåíèÿ ÿâëåíèÿ (à) ââîäèòñÿ ïðåäïîëîæåíèå î ñóùåñòâîâàíèè ýëåêòðîíîâ, à ÿâëåíèÿ (á) — î ñóùåñòâîâàíèè ìàññèâíûõ ÷åðíûõ äûð â öåíòðàõ ãàëàêòèê. Êîíå÷íî æå, ïîñòóëàòû ââîäÿòñÿ òàê, ÷òîáû óñïåøíî îáúÿñíèòü êîíêðåòíîå ÿâëåíèå. Íî äàëåå íà÷èíàåòñÿ ñàìîå ãëàâíîå — ââåäåííûé ïîñòóëàò, âî-ïåðâûõ, íå äîëæåí ïðîòèâîðå÷èòü íèêàêèì èçâåñòíûì ïðèðîäíûì ÿâëåíèÿì è, âî-âòîðûõ, äîëæåí ïðåäñêàçûâàòü íîâûå ÿâëåíèÿ, ïðîâåðÿåìûå ýêñïåðèìåíòàëüíî. Åñëè âûâîäû, âûòåêàþùèå èç óòâåðæäåíèÿ, ñîãëàñóþòñÿ ñ îïûòíûìè äàííûìè, òî îíî ñ÷èòàåòñÿ âåðíûì, íåñìîòðÿ íà âñþ åãî ïàðàäîêñàëüíîñòü. Ñ ýòîé òî÷êè çðåíèÿ ïðåäïîëîæåíèå î ÷åðíûõ äûðàõ â öåíòðàõ ãàëàêòèê ÿâëÿåòñÿ õîðîøî îáîñíîâàííûì, è äîâîä, ÷òî «íèêòî òàì ðÿäîì íå áûë è íå âèäåë ÷åðíóþ äûðó», íàó÷íûì íå ÿâëÿåòñÿ. Âåäü è ýëåêòðîí íèêòî íå âèäåë! Òåì íå ìåíåå ïðåäïîëîæåíèå î åãî ñóùåñòâîâàíèè ïîìîãëî îáúÿñíèòü ìíîæåñòâî ÿâëåíèé, è ìû ïðîñòî ïðèâûêëè ê ýëåêòðîíàì. Íàø ìîçã — «ðåòðîãðàä», è ìíîãîå, ÷òî åìó ñíà÷àëà êàæåòñÿ íåâîçìîæíûì, ñî âðåìåíåì ñòàíîâèòñÿ ïðèâû÷íûì. Ïðåäïîëîæåíèå î ìàññèâíûõ ÷åðíûõ äûðàõ â öåíòðàõ ãàëàêòèê òî÷íî òàê æå îáúÿñíÿåò ìíîãèå ÿâëåíèÿ è, ñëåäîâàòåëüíî, äîëæíî ñ÷èòàòüñÿ âåðíûì. Ïîýòîìó âñÿêèé ðàç, êîãäà âàì õî÷åòñÿ âîñêëèêíóòü: «Ýòîãî íå ìîæåò áûòü!» — ïîäóìàéòå: à ïî÷åìó, ñîáñòâåííî? ×åìó ýòî ïðîòèâîðå÷èò? Åñëè òîëüêî òàê íàçûâàåìîìó «çäðàâîìó ñìûñëó», òî ýòîãî óæå íåäîñòàòî÷íî. Ôèçè÷åñêèå ñóùíîñòè íàñòîëüêî ïåðåïëåòåíû, ÷òî åñëè ãëóáîêî èçó÷àòü îäíó èç íèõ, íåïðåìåííî ïðèõîäèòñÿ ó÷èòûâàòü è âñå îñòàëüíûå. Êàê óæå ãîâîðèëîñü, ýòî îñîáåííî îòíîñèòñÿ ê êîñìîëîãèè, íàóêå î ðîæäåíèè è ýâîëþöèè ÂñåëåíÎ çäðàâîì ñìûñëå è íàó÷íîì ïîäõîäå

13

íîé. Ïîýòîìó êðàòêèé ýêñêóðñ â îñíîâíûå íàïðàâëåíèÿ ôèçèêè íåîáõîäèì. Íà÷íåì ñ ìàëûõ ìèðà ñåãî, à ñàìûå ìàëûå — ýòî, êîíå÷íî

Ýëåìåíòàðíûå ÷àñòèöû Îñíîâíûìè ñâîéñòâàìè ÷àñòèö ÿâëÿþòñÿ ìàññà, çàðÿä è ñïèí. Ðàñïðåäåëåíèå ÷àñòèö ïî ìàññàì, êàê êàæåòñÿ, íå ïîä÷èíÿåòñÿ íèêàêèì ïðàâèëàì. Çàðÿäû æå ÷àñòèö êðàòíû çàðÿäó ýëåêòðîíà, çà èñêëþ÷åíèåì êâàðêîâ, çàðÿä êîòîðûõ êðàòåí 1/3 çàðÿäà ýëåêòðîíà. Ïîä ïîíÿòèåì «ñïèí» ìîæíî ïîíèìàòü âíóòðåííèé ìîìåíò âðàùåíèÿ ÷àñòèöû. Ñïèí ÷àñòèö ïðîïîðöèîíàëåí ïîñòîÿííîé Ïëàíêà ž. Îêàçûâàåòñÿ, ÷òî ñâîéñòâà ÷àñòèö êàðäèíàëüíûì îáðàçîì çàâèñÿò îò òîãî, öåëîå èëè ïîëóöåëîå ÷èñëî ïîñòîÿííûõ Ïëàíêà ñîäåðæèò èõ ñïèí. Åñëè ýòî ÷èñëî öåëîå (0, 1, 2…), òî òàêèå ÷àñòèöû íàçûâàþòñÿ áîçîíàìè, à åñëè ïîëóöåëîå (1/2, 3/2, 5/2 …) — ôåðìèîíàìè. Åùå îäíî ñóùåñòâåííîå ðàçëè÷èå ÷àñòèö — ïî èõ îòíîøåíèþ ê ñèëüíîìó âçàèìîäåéñòâèþ. ×àñòèöû, ó÷àñòâóþùèå â ïðîöåññàõ ñ ñèëüíûì âçàèìîäåéñòâèåì, íàçûâàþòñÿ êâàðêàìè (èç íèõ ñîñòîÿò âñå áàðèîíû — ïðîòîí, íåéòðîí è äð.), îñòàëüíûå, íå ó÷àñòâóþùèå â ñèëüíûõ âçàèìîäåéñòâèÿõ, — ëåïòîíàìè. Íèæå â òàáëèöå ïðèâåäåíû èõ õàðàêòåðèñòèêè. Äëÿ êâàðêîâ ïðèâåäåíû òàêæå ðóññêèå íàçâàíèÿ. Ôèçèêè îáû÷íî ïîëüçóþòñÿ àíãëèéñêèìè. Íàèáîëåå âàæíûìè áîçîíàìè, ò. å. ÷àñòèöàìè ñ öåëûì ñïèíîì, ÿâëÿþòñÿ ôîòîí, ãëþîíû (èõ 8), W ±-áîçîíû, Z-áîçîí è ïîêà åùå íå îòêðûòûé ãðàâèòîí.  ñîâðåìåííîé òåîðèè ïîëÿ ÷àñòèöû — ýòî ìåëêîìàñøòàáíûå âîëíû ñîîòâåòñòâóþùèõ ïîëåé. Ýëåêòðîìàãíèòíîå èçëó÷åíèå ìîæåò âîñïðèíèìàòüñÿ êàê âîëíà (ðàäèîâîëíû) è êàê

Ðèñ. 1.1. Ýëåêòðîìàãíèòíîå ïîëå ïðåäñòàâëÿåòñÿ â âèäå âîëíû. Áûñòðî îñöèëëèðóþùàÿ âîëíà äåòåêòèðóåòñÿ êàê ãðóïïà ôîòîíîâ.

14

Ãëàâà 1. Èíãðåäèåíòû Âñåëåííîé

1 Ôåðìèîíû, ñïèí = /2

Íàçâàíèå

Îáîçíà÷åíèå

Ìàññà, ÃýÂ

Çàðÿä

Ëåïòîíû Ýëåêòðîííîå íåéòðèíî Ýëåêòðîí

ne å

< 10–8 0,000511

0 –1

Ìþîííîå íåéòðèíî Ìþîí

nm µ

< 0,0002 0,106

0 –1

Òàó-íåéòðèíî Òàó-ëåïòîí

nt t

< 0,02 1,7771

0 –1

0,003 0,006 1,3 0,1 175

/3 – /3 2 /3 1 – /3 2 /3

Êâàðêè u (up — ââåðõ) d (down — âíèç) c (charm — î÷àðîâàíèå) s (strange — ñòðàííîñòü) t (top — âåðõ)

2

1

÷àñòèöà (ãàììà-êâàíòû). Åñëè äëèíà ýëåêòðîìàãíèòíîé âîëíû ãîðàçäî áîëüøå ðàçìåðîâ ïðèáîðà, òî îíà ðåãèñòðèðóåòñÿ èì êàê íåïðåðûâíàÿ âîëíà — ðàñïðîñòðàíÿþùèåñÿ êîëåáàíèÿ ýëåêòðè÷åñêîãî è ìàãíèòíîãî ïîëåé.  ïðîòèâîïîëîæíîì ñëó÷àå (ìàëûõ äëèí âîëí) ïðèáîð âîñïðèíèìàåò ñâåò â âèäå ïîòîêà îòäåëüíûõ êâàíòîâ — ôîòîíîâ.  ýòîì ñëó÷àå ãîâîðÿò óæå íå î äëèíå âîëíû, à îá ýíåðãèè ôîòîíà. Èçâåñòíî, ÷òî ýíåðãèÿ ôîòîíà e è äëèíà âîëíû l îáðàòíî ïðîïîðöèîíàëüíû äðóã äðóãó, e = 2pžc/l. Òàê, êðàñíûé ñâåò èìååò äëèíó âîëíû ïðèìåðíî 700 íàíîìåòðîâ, ÷åìó ñîîòâåòñòâóþò ôîòîíû ñ ýíåðãèåé 1,8 ýëåêòðîí-âîëüò. Âñåëåííóþ ïðîíèçûâàþò ôîòîíû ðàçëè÷íûõ ýíåðãèé, â òîì ÷èñëå ñ ýíåðãèÿìè â òûñÿ÷è è ìèëëèîíû ýëåêòðîí-âîëüò.

Àíòè÷àñòèöû  ñâîå âðåìÿ Ï. Ì. Äèðàê çàìåòèë, ÷òî óðàâíåíèÿ, îïèñûâàþùèå äâèæåíèå ýëåìåíòàðíûõ ÷àñòèö, îïèñûâàþò òàêæå äâèæåíèå ÷àñòèö-äâîéíèêîâ, îáëàäàþùèõ òîé æå ìàññîé, íî ïðîòèâîïîëîæíûì çàðÿäîì. Êàê îáû÷íî, áûëî äâà ïóòè: ëèáî íàéòè ýòè ÷àñòèöû â ýêñïåðèìåíòå, ëèáî èñêàòü äðóãèå óðàâíåíèÿ. Àíòè÷àñòèöû

15

Îò óðàâíåíèé îòêàçûâàòüñÿ íå õîòåëîñü — óæ áîëüíî ýëåãàíòíî îíè âûãëÿäåëè. Ê ñ÷àñòüþ, îêàçàëîñü, ÷òî òàêèå ÷àñòèöû äåéñòâèòåëüíî ñóùåñòâóþò! Êàæäîé ÷àñòèöå ñîîòâåòñòâóåò ñâîÿ àíòè÷àñòèöà. Âûÿñíèëîñü, ÷òî âñå çàêîíû ïðèðîäû ñ î÷åíü âûñîêîé òî÷íîñòüþ îäèíàêîâû (íî íå àáñîëþòíî) äëÿ ÷àñòèö è àíòè÷àñòèö. Õàðàêòåðíîé è âàæíîé äëÿ íàñ îñîáåííîñòüþ ÷àñòèö è àíòè÷àñòèö ÿâëÿåòñÿ òî, ÷òî ïðè ñòîëêíîâåíèè îíè âçàèìîóíè÷òîæàþòñÿ (àííèãèëèðóþò). Íå áåññëåäíî, êîíå÷íî: çàêîí ñîõðàíåíèÿ ýíåðãèè è èìïóëüñà ñïðàâåäëèâ è â ìèðå ýëåìåíòàðíûõ ÷àñòèö. ×àùå âñåãî êîíå÷íûì ïðîäóêòîì àííèãèëÿöèè ÿâëÿþòñÿ ôîòîíû è ïè-ìåçîíû. Êèíåòè÷åñêàÿ ýíåðãèÿ ÷àñòèöû è àíòè÷àñòèöû, à òàêæå ïîòåíöèàëüíàÿ ýíåðãèÿ, ñîäåðæàùàÿñÿ â èõ ìàññå, ïîëíîñòüþ ïåðåõîäÿò â ýíåðãèþ ôîòîíîâ. Íàïðèìåð, ïîñëå ñòîëêíîâåíèÿ äâóõ îäíîãðàììîâûõ êóñî÷êîâ âåùåñòâà è àíòèâåùåñòâà âûäåëèëîñü áû â âèäå ôîòîíîâ ïðèìåðíî 1015 Äæ ýíåðãèè. Ýòî ìíîãî. Òàêèì êîëè÷åñòâîì ýíåðãèè ìîæíî ïðèãîòîâèòü 30 ìëí. òîíí êèïÿòêà, â ñëó÷àå íóæäû. Ïîíÿòíà è ïðè÷èíà òîãî, ÷òî àíòè÷àñòèö âîêðóã íàñ íåò: ïðîñòî âñå îíè èñ÷åçëè ïðè ñòîëêíîâåíèè ñ ÷àñòèöàìè. Îäíàêî òóò æå âñïëûâàåò äðóãîé âîïðîñ: à ïî÷åìó òîãäà îñòàëèñü ÷àñòèöû? Äåéñòâèòåëüíî, åñëè îñíîâíûå óðàâíåíèÿ äëÿ íèõ îäèíàêîâû, òî è ÷àñòèö áûòü íå äîëæíî, îäíè ôîòîíû. Âîò ýòî óæå ñåðüåçíûé âîïðîñ, êîòîðûé íå ïðîÿñíåí äî êîíöà è ïîíûíå. Êîíå÷íî, ñóùåñòâóåò ìíîãî âàðèàíòîâ îòâåòà, è ïîçæå ìû ïîãîâîðèì îá îäíîì èç íèõ, íî êàêîé èìåííî âàðèàíò âåðåí, ïîêà íåèçâåñòíî.

Âèäû âçàèìîäåéñòâèé Íåëüçÿ õëîïíóòü â ëàäîøè îäíîé ðóêîé. À. Íàâîè

Êðîìå èíäèâèäóàëüíûõ ñâîéñòâ ÷àñòèö, íåîáõîäèìî çíàòü ôîðìó èõ âçàèìîäåéñòâèÿ ñ äðóãèìè ÷àñòèöàìè è äðóã ñ äðóãîì. ×òîáû ñîçäàòü âñå ìíîãîîáðàçèå ÿâëåíèé, Ïðèðîäå ïîíàäîáèëîñü âñåãî ëèøü ÷åòûðå âèäà âçàèìîäåéñòâèÿ — ñëàáîå, ýëåêòðîìàãíèòíîå, ñèëüíîå (ÿäåðíîå) è ãðàâèòàöèîííîå. Ñåé÷àñ óæå áîëåå èëè ìåíåå ïîíÿòíî, ÷òî ïåðâûå òðè èìåþò îá-

16

Ãëàâà 1. Èíãðåäèåíòû Âñåëåííîé

ùåå ïðîèñõîæäåíèå, íî â îáû÷íûõ óñëîâèÿõ, ïðè íèçêèõ ýíåðãèÿõ, îíè äåéñòâóþò ñàìîñòîÿòåëüíî. Ðàññìîòðèì êðàòêî êàæäîå èç ýòèõ âçàèìîäåéñòâèé. Íà÷íåì ñ ýëåêòðîìàãíèòíîãî, êàê íàèáîëåå çíàêîìîãî. Ýëåêòðîìàãíèòíîå âçàèìîäåéñòâèå

 1873 ã. Äæåéìñ Ìàêñâåëë âûâåë óðàâíåíèÿ, îïèñûâàþùèå âñþ ñîâîêóïíîñòü ìàãíèòíûõ è ýëåêòðè÷åñêèõ ÿâëåíèé, òåì ñàìûì ïîêàçàâ, ÷òî îíè èìåþò åäèíîå ïðîèñõîæäåíèå. Ñåé÷àñ ìû óæå ïîíèìàåì, ÷òî âñå ýëåêòðîìàãíèòíûå ÿâëåíèÿ òàê èëè èíà÷å ñâÿçàíû ñ îáìåíîì ôîòîíîì èëè èçëó÷åíèåì ôîòîíà. Ýòîò âèä âçàèìîäåéñòâèÿ, íåñîìíåííî, íåîáõîäèì äëÿ îáðàçîâûâàíèÿ ñëîæíûõ ñòðóêòóð. Àòîìû è ìîëåêóëû îáÿçàíû ñâîèì ñóùåñòâîâàíèåì ýëåêòðîìàãíèòíîìó âçàèìîäåéñòâèþ. Ðàäèî è òåëåâèäåíèå ñóùåñòâóþò áëàãîäàðÿ òîìó, ÷òî ìàññà ôîòîíîâ ðàâíà íóëþ è îíè ìîãóò ïåðåäàâàòü âçàèìîäåéñòâèå ìåæäó îáúåêòàìè íà çíà÷èòåëüíûå ðàññòîÿíèÿ. Îñíîâíûì àêòîì âçàèìîäåéñòâèÿ ñ÷èòàåòñÿ èñïóñêàíèå èëè ïîãëîùåíèå îäíîé ÷àñòèöû äðóãîé. Äëÿ îáëåã÷åíèÿ ðàáîòû ÷àñòî èñïîëüçóþò äèàãðàììû Ôåéíìàíà. Òîãäà ýôôåêò Êîìïòîíà, ò. å. ðàññåÿíèå ôîòîíà íà ýëåêòðîíå, âûãëÿäèò ñëåäóþùèì îáðàçîì (ðèñ. 1.2).  ïåðâîì ñëó÷àå ýëåêòðîí íà íåêîòîðîå âðåìÿ ïîãëîùàåò ôîòîí è çàòåì åãî èçëó÷àåò, íî óæå ñ äðóãèì èìïóëüñîì. Èíòåðïðåòàöèÿ âòîðîãî âàðèàíòà ñëîæíåå. Ôîòîí, èëè, ÷òî òî æå ñàìîå, ãàììà-êâàíò, òîò, ÷òî â âåðõíåé ÷àñòè ðèñóíêà, èñ÷åçàåò, ïîðîæäàÿ óëåòàþùèé ýëåêòðîí è âèðòóàëüíûé ïîçèòðîí. Ïîñëåäíèé âñòóïàåò â êîíòàêò ñ ïðèëåòåâøèì ýëåêòðîíîì, îáðàçóÿ ôîòîí (òàê íàçûâàåìàÿ àííèãèëÿöèÿ ýëåêòðîí-ïîçèòðîííîé ïàðû).

Ðèñ. 1.2. Ðàññåÿíèå ôîòîíà (îáû÷íî îáîçíà÷àåòñÿ áóêâîé g) íà ýëåêòðîíå (e) Âèäû âçàèìîäåéñòâèé

17

Ðèñ. 1.3. Ñòîëêíîâåíèå ýëåêòðîíà è ïîçèòðîíà ñ ýíåðãèåé, äîñòàòî÷íîé äëÿ ðîæäåíèÿ ãîðàçäî áîëåå ìàññèâíûõ ÷àñòèö, â äàííîì ñëó÷àå ïðîòîíà, àíòèïðîòîíà, ìþîíà, àíòèìþîíà è äâóõ ôîòîíîâ.

Ïîñêîëüêó çàêîíû ñîõðàíåíèÿ ýíåðãèè è èìïóëüñà íèêòî íå îòìåíÿë, ñóììàðíàÿ ýíåðãèÿ (èìïóëüñ) íà÷àëüíûõ ÷àñòèö ðàâíà ñóììàðíîé ýíåðãèè (èìïóëüñó) êîíå÷íûõ. Îòìå÷ó îñîáî, ÷òî ñîõðàíÿåòñÿ ëèøü ýíåðãèÿ, ÷èñëî æå ÷àñòèö ìîæåò ìåíÿòüñÿ. Òàê, íà ñîâðåìåííûõ óñêîðèòåëÿõ ñòîëêíîâåíèå äâóõ ýíåðãè÷íûõ ÷àñòèö, íàïðèìåð ýëåêòðîíà è ïîçèòðîíà, ïðèâîäèò ê ðîæäåíèþ ñîòåí íîâûõ ÷àñòèö, è ìíîãèå èç íèõ ãîðàçäî ìàññèâíåå ýëåêòðîíà. ×àñòü êèíåòè÷åñêîé ýíåðãèè ñòàëêèâàþùèõñÿ ÷àñòèö ïåðåõîäèò â ìàññó ðîæäàþùèõñÿ (ðèñ. 1.3). Êâàíòîâàÿ ýëåêòðîäèíàìèêà äîáèëàñü âûäàþùèõñÿ ðåçóëüòàòîâ. Íàïðèìåð, ìàãíèòíûé ìîìåíò ìþîíà îáû÷íî âûðàæàåòñÿ ÷åðåç íåêóþ âåëè÷èíó (g – 2)/2. Òåîðåòè÷åñêèå âû÷èñëåíèÿ äàþò (g – 2)/2 = (11 659 176 ± 6,7) · 10–10, à ýêñïåðèìåíòàëüíîå çíà÷åíèå — (11 659 204(7)(4)) · 10–10. Óäèâèòåëüíàÿ òî÷íîñòü! Íî íå âñå â ïîðÿäêå äàæå è â ýòîé îáëàñòè. Ïîñìîòðèì íà ïðîöåññ, ïðåäñòàâëåííûé íà ðèñ. 1.4. Ýòî óæå çíàêîìûé íàì ýôôåêò Êîìïòîíà, íî ñ íåáîëüøîé äîáàâêîé: ýëåêòðîí ïåðåä òåì, êàê óëåòåòü, èçëó÷àåò è ïîãëîùàåò ôîòîí. Âðåìÿ ñóùåñòâîâàíèÿ ïîñëåäíåãî ìàëî, ïîýòîìó òàêîé ôîòîí íàçûâàåòñÿ «âèðòóàëüíûì». Ïðîöåññ ïðîèñõîäèò òàê áûñòðî, ÷òî íàáëþäàòåëü íå â ñîñòîÿíèè åãî çàìåòèòü íåïîñðåäñòâåííî, õîòÿ òåîðèÿ, Ðèñ. 1.4. Ðàññåÿíèå ôîòîíà ýëåê- îñíîâàííàÿ íà õîðîøî ïðîâåòðîíîì ñ êðàòêîâðåìåííûì ðîæ- ðåííûõ ïîñòóëàòàõ, ïðåäñêàçûâàåò ñóùåñòâîâàíèå âèðòóäåíèåì åùå îäíîãî ôîòîíà.

18

Ãëàâà 1. Èíãðåäèåíòû Âñåëåííîé

àëüíûõ ÷àñòèö. Ðàç ïîñòóëàòû (çàêîíû) íàïèñàíû, íàäî ñëåäîâàòü èì äî êîíöà. Òàê ÷òî çàêîíîïîñëóøíûé ó÷åíûé äîëæåí íàó÷èòüñÿ âû÷èñëÿòü è ïîäîáíûå ïðîöåññû. Óâû, îêàçàëîñü, ÷òî ïîñëåäîâàòåëüíûé ðàñ÷åò íåâîçìîæåí èç-çà âîçíèêàþùèõ áåñêîíå÷íî áîëüøèõ âåëè÷èí. Òàê, â ðàñ÷åòå ïðîöåññà ðàññåÿíèÿ ÷àñòèö, èçîáðàæåííîãî íà ðèñ. 1.4, âîçíèêàåò íåîᥠõîäèìîñòü âû÷èñëåíèÿ èíòåãðàëîâ òèïà ò dx / õ, êîòîðûå ðà0 âíû áåñêîíå÷íîñòè. Ó÷åíûå äàâíî íàó÷èëèñü îáõîäèòü ýòó òðóäíîñòü, íî îíà ïðîäîëæàåò âèñåòü äàìîêëîâûì ìå÷îì íàä òåîðåòèêàìè, ïðÿìî óêàçûâàÿ íà òî, ÷òî ïîëíîöåííàÿ òåîðèÿ åùå íå ñîçäàíà. Ãðàâèòàöèîííîå âçàèìîäåéñòâèå —

ñàìîå ñëàáîå èç âñåõ. ×òîáû ïðåäñòàâèòü ñåáå ìàñøòàá ýòîé ìàëîñòè, ìîæíî, èñïîëüçóÿ çàêîí òÿãîòåíèÿ Íüþòîíà è çàêîí Êóëîíà, âû÷èñëèòü ñèëó ýëåêòðè÷åñêîãî îòòàëêèâàíèÿ äâóõ ýëåêòðîíîâ è ñèëó èõ ãðàâèòàöèîííîãî ïðèòÿæåíèÿ. Îêàçûâàåòñÿ, ÷òî îòòàëêèâàíèå çà ñ÷åò ýëåêòðè÷åñêèõ ñèë â 1043 ðàç áîëüøå! Íî ýëåêòðîìàãíèòíûå ñèëû äåéñòâóþò íà îáúåêòû, îáëàäàþùèå ýëåêòðè÷åñêèì çàðÿäîì, à ãðàâèòàöèîííûå — íà ëþáûå îáúåêòû, îáëàäàþùèå ýíåðãèåé, âêëþ÷àÿ, êîíå÷íî, è ýíåðãèþ ïîêîÿ, ðàâíóþ ìàññå, E = m (íàïîìíþ, ÷òî âñþäó â ôîðìóëàõ c = 1). Ìàêðîñêîïè÷åñêèå ñòðóêòóðû îáû÷íî íå çàðÿæåíû, è äëÿ íèõ ãðàâèòàöèîííîå âçàèìîäåéñòâèå ñòàíîâèòñÿ îñíîâíûì. Ñëàáîå âçàèìîäåéñòâèå

ÿâëÿåòñÿ ñàìûì ñëàáûì èç âñåõ, êðîìå ãðàâèòàöèîííîãî, ÷òî íå óìàëÿåò åãî âëèÿíèÿ íà ýâîëþöèþ Âñåëåííîé. Ïåðeíîñ÷èêè ñëàáîãî âçàèìîäåéñòâèÿ — Z- è W-áîçîíû, ìàññà êîòîðûõ íà äâà ïîðÿäêà ïðåâîñõîäÿò ìàññó ïðîòîíà. Ïðèìåð äèàãðàììû Ôåéíìàíà äëÿ ïðîöåññà ñ ó÷àñòèåì ñëàáîãî âçàèìîäåéñòâèÿ ïðåäñòàâëåí íà ðèñ. 1.5. Âèäû âçàèìîäåéñòâèé

Ðèñ. 1.5. Ýëåêòðîííîå íåéòðèíî (ne) è íåéòðîí (n) îáìåíèâàþòñÿ W-áîçîíîì è ïðåâðàùàþòñÿ â ýëåêòðîí (e) è ïðîòîí (p).

19

Ñëàáîå âçàèìîäåéñòâèå ýôôeêòèâíî òîëüêî íà ñâåðõìàëûõ ðàññòîÿíèÿõ — ïîðÿäêà 10–16–10–17 ñì. Íåéòðèíî — ÷àñòèöà, ñèëüíî îáäåëåííàÿ Ïðèðîäîé, êîòîðàÿ äàëà åé åäèíñòâåííóþ âîçìîæíîñòü çàÿâèòü î ñåáå — ÷åðåç ñëàáîå âçàèìîäåéñòâèå. Ïîýòîìó âåðîÿòíîñòü ñòîëêíîâåíèÿ íåéòðèíî ñ äðóãèìè ÷àñòèöàìè ÷ðåçâû÷àéíî ìàëà. È ýòî õîðîøî — âåäü ïëîòíîñòü ðåëèêòîâûõ, ò. å. ðîäèâøèõñÿ â ðàííèé ïåðèîä ýâîëþöèè Âñåëåííîé, çàäîëãî äî ïîÿâëåíèÿ çâåçä, íåéòðèíî ðàâíà 100 ñì–3. Íåòðóäíî ïîäñ÷èòàòü, ÷òî â äàííûé ìîìåíò âíóòðè âàñ ïðîëåòàåò ïðèìåðíî 108 íåéòðèíî ñî ñêîðîñòÿìè, áëèçêèìè ê ñâåòîâîé. Ñèëüíîå âçàèìîäåéñòâèå

Äëÿ ñòàáèëüíîñòè ÿäåð íåîáõîäèìî ñèëüíîå ïðèòÿæåíèå, êîòîðîå ïðîòèâîäåéñòâîâàëî áû êóëîíîâñêîìó îòòàëêèâàíèþ ïðîòîíîâ è óäåðæèâàëî ïðîòîíû è íåéòðîíû â ÿäðå. Ïðèðîäà îáåñïå÷èëà íàñ òàêèì âçàèìîäåéñòâèåì, êîòîðîå íàçâàëè ïîïðîñòîìó — «ñèëüíîå» (èëè ÿäåðíîå). Âñå áàðèîíû, âêëþ÷àÿ õîðîøî èçâåñòíûå ïðîòîí è íåéòðîí, ñîñòîÿò èç «áîëåå ýëåìåíòàðíûõ» ÷àñòèö — êâàðêîâ, âçàèìîäåéñòâèå ìåæäó êîòîðûìè ïåðåäàåòñÿ íîâûìè áåçìàññîâûìè ÷àñòèöàìè — ãëþîíàìè.  îòëè÷èå îò îñòàëüíûõ âèäîâ âçàèìîäåéñòâèÿ, ñèëà âçàèìîäåéñòâèÿ ìåæäó êâàðêàìè âîçðàñòàåò ñ óâåëè÷åíèåì ðàññòîÿíèÿ ìåæäó íèìè. Ïîýòîìó íèêîìó åùå íå óäàëîñü îáíàðóæèòü îòäåëüíûé êâàðê. Êâàðê ìîæåò ðàñïðîñòðàíÿòüñÿ â ñðåäå òîëüêî â òåñíîé êîîïåðàöèè ñ äðóãèìè êâàðêàìè. Ïðîòîíû, íåéòðîíû è ïè-ìåçîíû êàê ðàç è ÿâëÿþòñÿ ïðèìåðàìè ïîäîáíûõ êîëëåêòèâîâ. Ñèëüíîå âçàèìîäåéñòâèå òàêèõ êîëëåêòèâîâ íà áîëüøèõ ðàññòîÿíèÿõ ïðåíåáðåæèìî ìaëî. Çà âñå ïðèõîäèòñÿ ïëàòèòü: ÿäåðíûå ñèëû äîìèíèðóþò, íî òîëüêî íà î÷åíü ìàëûõ ðàññòîÿíèÿõ — ïîðÿäêà 10–13 ñì. Íàïðèìåð, ìû çíàåì, ÷òî ÿäðà æåëåçà ñòàáèëüíû — èíà÷å ñðåäè îêðóæàþùèõ íàñ ïðåäìåòîâ íå áûëî áû êàñòðþëü è âèëîê. Íî âîò ÿäðà óðàíà óæå íåñòàáèëüíû, õîòÿ èõ ðàçìåð âñåãî âäâîå ïðåâûøàåò ðàçìåð ÿäðà æåëåçà. Ñèëüíûå âçàèìîäåéñòâèÿ â ÿäðàõ óðàíà óæå íå ìîãóò ýôôåêòèâíî ïðîòèâîäåéñòâîâàòü ýëåêòðè÷åñêîìó îòòàëêèâàíèþ ïðîòîíîâ ÿäðà.

20

Ãëàâà 1. Èíãðåäèåíòû Âñåëåííîé

Ìîäåëü Âàéíáåðãà—Ñàëàìà. Óñïåõè è ïðîáëåìû Íàèáîëüøèì äîñòèæåíèåì â ôèçèêå ýëåìåíòàðíûõ ÷àñòèö ÿâëÿåòñÿ ìîäåëü Âàéíáåðãà—Ñàëàìà, îáúåäèíèâøàÿ ñíà÷àëà ñëàáûå è ýëåêòðîìàãíèòíûå âçàèìîäåéñòâèÿ, à çàòåì è ñèëüíûå. ×òîáû ïðîíèêíóòüñÿ êðàñîòîé ýòîé òåîðèè, íóæíî ðàçáèðàòüñÿ â äîâîëüíî ñëîæíîé ìàòåìàòèêå, ÷òî çàòðóäíèòåëüíî â ðàìêàõ äàííîé êíèãè, íî ñëîâåñíîå îáñóæäåíèå ïðåäñòàâëÿåòñÿ íåîáõîäèìûì. Ïî çíà÷èìîñòè ìîäåëü ñðàâíèìà ñ îòêðûòèåì Ìàêñâåëëà, ïîíÿâøåãî, ÷òî ýëåêòðè÷åñêîå è ìàãíèòíîå ïîëÿ íå ÿâëÿþòñÿ ñàìîñòîÿòåëüíûìè ñóùíîñòÿìè, è íàïèñàâøåãî åäèíóþ ñèñòåìó óðàâíåíèé äëÿ îáîèõ ïîëåé. Òàê, â ñâåòîâîé âîëíå ïðîèñõîäèò íåïðåðûâíîå ïðåîáðàçîâàíèå ýëåêòðè÷åñêîãî ïîëÿ â ìàãíèòíîå è îáðàòíî. Èìåííî ïîýòîìó ñâåòîâàÿ âîëíà íàçûâàåòñÿ ýëåêòðîìàãíèòíîé. Ñòèâåí Âàéíáåðã è Àáäóñ Ñàëàì ïîøëè äàëüøå. Îíè íå òîëüêî äîêàçàëè, ÷òî ñëàáîå, ýëåêòðîìàãíèòíîå (à çàòåì è ñèëüíîå) âçàèìîäåéñòâèÿ èìåþò îáùåå ïðîèñõîæäåíèå, íî è ïîêàçàëè, íàïðèìåð, ÷òî ýëåêòðîí è íåéòðèíî òàêæå ÿâëÿþòñÿ «äâóìÿ ñòîðîíàìè îäíîé ìåäàëè». Ëèøü ïðè íåáîëüøèõ ýíåðãèÿõ è òåìïåðàòóðàõ îíè ïðèîáðåòàþò ðàçíûå ñâîéñòâà, ÷òî ìû è íàáëþäàåì. Êñòàòè, íå òàêèå óæ ýòè òåìïåðàòóðû è «íåáîëüøèå» — ãðàíèöà ïðîõîäèò â ðàéîíå 1015 Ãý (ïðèìåðíî 1028 K). Êðîìå òîãî, â ìîäåëü áûë âêëþ÷åí ëþáîïûòíûé ìåõàíèçì ïîÿâëåíèÿ ìàññ ÷àñòèö. Äî ýòîãî íèêòî íå ïîíèìàë, ïî÷åìó ìàññû ÷àñòèö èìåííî òàêîâû, îíè ïðîñòî ïîñòóëèðîâàëèñü. Âàéíáåðã è Ñàëàì ïðèâëåêëè äëÿ îáúÿñíåíèÿ óæå èçâåñòíûé ìåõàíèçì (Õèããñà), êîòîðûé îáúÿñíÿë ïðîèñõîæäåíèå ìàññ ÷àñòèö èõ âçàèìîäåéñòâèåì ñ íîâûì ãèïîòåòè÷åñêèì «ïîëåì Õèããñà». Óñïåõè ìîäåëè Âàéíáåðãà—Ñàëàìà ñòîëü âïå÷àòëÿþùè, ÷òî îíà ïîëó÷èëà íàçâàíèå ñòàíäàðòíîé ìîäåëè. Ïîæàëóé, ýòî ïîñëåäíÿÿ óñòàíîâèâøàÿñÿ ìîäåëü â ôèçèêå, ïðåäñêàçàíèÿ êîòîðîé áûëè ïîäòâåðæäåíû ýêñïåðèìåíòàëüíî. Íî äàæå îíà íå ÿâëÿåòñÿ çàâåðøåííîé: íåêîòîðûå îáëà÷êà ìàÿ÷àò íà ãîðèçîíòå, ïðåäâåùàÿ áóäóùóþ áóðþ. Êðàòêî ïåðå÷èñëþ èõ. Òåîðåòè÷åñêîå çíà÷åíèå âåëè÷èíû (g – 2)/2 ïîëó÷åíî èìåííî â ðàìêàõ ìîäåëè Âàéíáåðãà—Ñàëàìà. Çàìå÷àòåëüíîå ñîâïàÂèäû âçàèìîäåéñòâèé

21

äåíèå ñ ýêñïåðèìåíòàëüíîé âåëè÷èíîé, íî íåòðóäíî âèäåòü (ñì. ñ. 18), ÷òî òåîðèÿ è ýêñïåðèìåíò íåìíîãî îòëè÷àþòñÿ äðóã îò äðóãà. Îòëè÷èå êðàéíå ìàëî2, íî êòî çíàåò, ê ÷åìó ýòî ïðèâåäåò â äàëüíåéøåì? Ìîäåëü ïðåäñêàçûâàëà ñóùåñòâîâàíèå íîâûõ ÷àñòèö — Wè Z-áîçîíîâ, à òàêæå ÷àñòèö Õèããñà, îòâåòñòâåííûõ çà ìàññû âñåõ äðóãèõ ÷àñòèö. W- è Z-áîçîíû íàøëè, è èìåííî ñ òåìè ïàðàìåòðàìè, êîòîðûå ïðåäñêàçûâàëèñü! Ýòî ôåíîìåíàëüíûé óñïåõ ìîäåëè. Íî ÷àñòèöû Õèããñà íå íàéäåíû äî ñèõ ïîð… Èíòåðåñíî, ÷òî èìåííî ïðèìåíèòåëüíî ê íèì ñòàíäàðòíàÿ ìîäåëü äàåò î÷åíü ðàñïëûâ÷àòûå ïðåäñêàçàíèÿ.  2007 ã. â ÖEÐÍå (Æåíåâà) áóäåò çàïóùåí óñêîðèòåëü, íà êîòîðûé â ÷èñëå ïðî÷åãî âîçëàãàåòñÿ ìèññèÿ ïî ïîèñêó ÷àñòèö Õèããñà. Åùå îäíà ïðîáëåìà: ÷àñòèöû Õèããñà âçàèìîäåéñòâóþò ìåæäó ñîáîé ñëèøêîì ñèëüíî — êîíñòàíòà âçàèìîäåéñòâèÿ áîëüøå 1/4. Çíà÷èò, è êâàíòîâûå ïîïðàâêè êî âñåì ñâîéñòâàì ýòîé ÷àñòèöû âåëèêè, ÷òî íå ïîçâîëÿåò äîñòîâåðíî ãîâîðèòü î åå ñâîéñòâàõ. Êðîìå òîãî, â ìîäåëè èìåþòñÿ àíîìàëüíî ìàëûå, ïî ñðàâíåíèþ ñ åñòåñòâåííûì ïëàíêîâñêèì ìàñøòàáîì, ïàðàìåòðû. Íå ÿñíî òàêæå ïðîèñõîæäåíèå ðàçíèöû â ìàññàõ ýëåêòðîíà, ìþîíà è òàó-ëåïòîíà. È åùå îäèí ìîìåíò.  äàííîé ìîäåëè ìàññà íåéòðèíî ðàâíà íóëþ. Ñåé÷àñ æå âûÿñíÿåòñÿ, ÷òî ýòà ìàññà õîòü è ìàëà, íî îòëè÷íà îò íóëÿ… Ïîõîæå, îáëà÷êà ñãóùàþòñÿ â òó÷è, è ñóùåñòâåííàÿ êîððåêöèÿ ìîäåëè íåîáõîäèìà.

Êâàíòîâàÿ òåîðèÿ Ìû æèâåì â áîëüøîì ìèðå, â êîòîðîì âñå òåëà äâèæóòñÿ ïî îïðåäåëåííûì òðàåêòîðèÿì. Íî â êîíöå ïðîøëîãî òûñÿ÷åëåòèÿ áûë îòêðûò ìèêðîìèð, ãäå ïðàâèëà êâàíòîâàÿ òåîðèÿ.  ÷àñòíîñòè, ñòàëî ïîíÿòíî, ÷òî òðàåêòîðèè ÷àñòèö íå ÿâëÿþòñÿ ãëàäêèìè, à ïðåäñòàâëÿþò ñîáîé ñîâîêóïíîñòü ôëóêòóàöèé âîêðóã ñðåäíåãî äâèæåíèÿ. Òî æå ñàìîå êàñàåòñÿ è ýíåðãèè ñèñòåìû: îíà âñå âðåìÿ ôëóêòóèðóåò âîêðóã ñðåäíåãî çíà÷åíèÿ, äàæå åñëè ñèñòåìà èçîëèðîâàíà. Ýòî êðàñèâàÿ è ñëîæíàÿ òåîðèÿ, íî íàì áóäåò äîñòàòî÷íî ëèøü îäíîãî åå ñëåäñòâèÿ, êî-

22

Ãëàâà 1. Èíãðåäèåíòû Âñåëåííîé

òîðûé íàçûâàåòñÿ ïðèíöèïîì íåîïðåäåëåííîñòè Ãåéçåíáåðãà (èëè ñîîòíîøåíèåì íåîïðåäåëåííîñòåé). Ïðèíöèï íåîïðåäåëåííîñòåé ãîâîðèò î òîì, ÷òî ìû ïðèíöèïèàëüíî íå ìîæåì òî÷íî èçìåðèòü ïðîñòðàíñòâåííóþ êîîðäèíàòó ÷àñòèöû x è åå èìïóëüñ p îäíîâðåìåííî. Íåîïðåäåëåííîñòü ýòèõ âåëè÷èí ÷ðåçâû÷àéíî ìàëà, ïîýòîìó î íåé äîëãî íå ïîäîçðåâàëè, íî îíà ñóùåñòâóåò, òàê ÷òî âûïîëíÿåòñÿ íåðàâåíñòâî DxDp l ž, (1.1) ãäå ž — çíàìåíèòàÿ ïîñòîÿííàÿ Ïëàíêà, îäíà èç íåìíîãèõ ôóíäàìåíòàëüíûõ âåëè÷èí ôèçèêè. Ýòî íåðàâåíñòâî óòâåðæäàåò, ÷òî åñëè èìïóëüñ ÷àñòèöû èçìåðåí ñ òî÷íîñòüþ Dp, òî åå êîîðäèíàòà íå ìîæåò áûòü èçìåðåíà òî÷íåå âåëè÷èíû Dx ~ ž/Dp. Âòîðîå íåðàâåíñòâî, êîòîðîå íàì ïîíàäîáèòñÿ â äàëüíåéøåì, çàïèñûâàåòñÿ â âèäå DÅDt l ž

(1.2)

è ñâÿçûâàåò íåîïðåäåëåííîñòü â èçìåðåíèè ýíåðãèè ñèñòåìû ñî âðåìåíåì èçìåðåíèÿ. Ôîðìóëû (1.1) è (1.2) îòíîñÿòñÿ ê èçìåðåíèþ ôèçè÷åñêèõ âåëè÷èí. À ÷òî æå ïðîèñõîäèò ñ íèìè íà ñàìîì äåëå? Êâàíòîâàÿ òåîðèÿ ïðåäñêàçûâàåò, ÷òî ôëóêòóàöèè ôèçè÷åñêèõ âåëè÷èí äåéñòâèòåëüíî ñóùåñòâóþò, è äëÿ èõ îöåíêè ïîëüçóþòñÿ ñëåäóþùèìè ôîðìóëàìè: DxDp ~ ž DÅDt ~ ž

(1.3) (1.4)

Ýòè ðàâåíñòâà âåðíû «ïî ïîðÿäêó âåëè÷èíû», ò. å. èñòèííûé ðåçóëüòàò ìîæåò îòëè÷àòüñÿ îò îöåíêè â íåñêîëüêî ðàç. Ïîñëåäíÿÿ ôîðìóëà îçíà÷àåò, ÷òî ýíåðãèÿ çàìêíóòîé ñèñòåìû ìîæåò ïðåòåðïåâàòü ôëóêòóàöèè âåëè÷èíîé DE, íî íà î÷åíü êîðîòêîå âðåìÿ, ïîðÿäêà Dt ~ ž/DE. Ïðèâåäåííûå ñîîòíîøåíèÿ ÷àñòî ïîçâîëÿþò ïîëó÷àòü êà÷åñòâåííûå, îöåíî÷íûå ðåçóëüòàòû, íå ïðèáåãàÿ ê òî÷íûì, íî ãðîìîçäêèì óðàâíåíèÿì êâàíòîâîé òåîðèè. Îäèí òàêîé ïðèìåð èçëîæåí â Ïðèëîæåíèè 1, è èç íåãî ñòàíîâèòñÿ ÿñíî, ÷òî ýëåêòðîí íå ïàäàåò íà ÿäðî òîëüêî ïîòîìó, ÷òî â ýòîì ñëó÷àå íàðóøèëîñü áû ôóíäàìåíòàëüíîå ñîîòíîøåíèå (1.1). Êâàíòîâàÿ òåîðèÿ

23

Ìû âèäèì, ÷òî ýëåêòðîí íå ïîãëîùàåòñÿ ÿäðîì, ïîñêîëüêó ïîä÷èíÿåòñÿ çàêîíàì êâàíòîâîé ìåõàíèêè, íî è íå óëåòàåò îò íåãî áëàãîäàðÿ ýëåêòðè÷åñêîìó ïðèòÿæåíèþ. Áåç çàêîíîâ êâàíòîâîé ìåõàíèêè è ýëåêòðîìàãíèòíîãî âçàèìîäåéñòâèÿ ñòàáèëüíûõ àòîìîâ íå ñóùåñòâîâàëî áû. ×òîáû óâèäåòü, êàê ðàáîòàþò ôîðìóëû (1.3) è (1.4), îöåíèì ìàêñèìàëüíîå ðàññòîÿíèå, íà êîòîðîå ðàñïðîñòðàíÿåòñÿ ñëàáîå âçàèìîäåéñòâèå. Ïóñòü ñòàëêèâàþòñÿ íåéòðèíî è ýëåêòðîí. Èç ðèñ. 1.5 âèäíî, ÷òî íà êàêîå-òî êîðîòêîå âðåìÿ äîëæåí ðîäèòüñÿ W-áîçîí. Åñëè ñóììàðíàÿ ýíåðãèÿ íåéòðèíî è ýëåêòðîíà ãîðàçäî ìåíüøå åãî ìàññû mW » 80 ÃýÂ, òî W-áîçîí ìîæåò ðîäèòüñÿ òîëüêî íà êîðîòêîå âðåìÿ. Èç ôîðìóëû (1.4) ñëåäóåò, ÷òî ïðè ôëóêòóàöèè ýíåðãèè íà âåëè÷èíó DE » mW äëèòåëüíîñòü ýòîé ôëóêòóàöèè ñîñòàâëÿåò Dt =

h h . » DE mW

Ïîñêîëüêó ñêîðîñòü W-áîçîíà íå ìîæåò ïðåâûøàòü ñêîðîñòü ñâåòà, òî íàèáîëüøàÿ îáëàñòü åãî âëèÿíèÿ èìååò ðàçìåð ïîðÿäêà l ~ Dt »

h » 10-16 (cì). mW

Ýòî ñîâïàäàåò ñ ðåàëüíûì ðàññòîÿíèåì, íà êîòîðîì äåéñòâóåò ñëàáîå âçàèìîäåéñòâèå. Ìû âèäèì, ÷òî ñîîòíîøåíèå íåîïðåäåëåííîñòåé Ãåéçåíáåðãà ïîìîãàåò ïîíÿòü ñóùíîñòü ñàìûõ ðàçíûõ ÿâëåíèé.  äàëüíåéøåì îíî áóäåò èñïîëüçîâàíî äëÿ îöåíêè ýôôåêòà Õîêèíãà — êâàíòîâîãî èñïàðåíèÿ ÷åðíûõ äûð.  Ïðèëîæåíèè 1 ïðèâåäåíû îöåíêè ðàçìåðîâ àòîìîâ, îñíîâàííûå íà ïðèíöèïå íåîïðåäåëåííîñòè. Ðåçóëüòàòîì ýòîé îöåíêè ÿâëÿåòñÿ óäèâèòåëüíûé âûâîä, ÷òî àòîìû, îêàçûâàåòñÿ, ïðåäñòàâëÿþò ñîáîé ñðàâíèòåëüíî ðàçðåæåííóþ ñðåäó. Åñëè ÿäðî óâåëè÷èòü äî ðàçìåðà 1 ì, òî ýëåêòðîíû áóäóò íàõîäèòüñÿ íà ðàññòîÿíèè 100 êì. Ïîëó÷àåòñÿ, ÷òî ìû ñîñòîèì â îñíîâíîì èç ïóñòîòû. Ýëåêòðîíû, äàæå íàõîäÿñü íà òàêîì ðàññòîÿíèè îò ÿäðà, îáðàçóþò íåêîå îáëàêî è íå ïîçâîëÿþò

24

Ãëàâà 1. Èíãðåäèåíòû Âñåëåííîé

äðóãèì àòîìàì ïðîíèêàòü âíóòðü èõ «ñôåðû èíòåðåñîâ», ê ñâîåìó ÿäðó. Ïî÷åìó æå ìû íå îùóùàåì êâàíòîâîãî ïîâåäåíèÿ? Êîãäà áåãóí ïåðåñåêàåò ôèíèøíóþ ïðÿìóþ, ìû, êàçàëîñü áû, ìîæåì òî÷íî èçìåðèòü åãî ñêîðîñòü â ýòîò ìîìåíò âðåìåíè. Óâû, íå âñå ïîäâëàñòíî ÷åëîâåêó. Ñêîðîñòü ìîæíî èçìåðÿòü î÷åíü òî÷íî, íî ýòà òî÷íîñòü âñå-òàêè îãðàíè÷åíà ñíèçó ïðèíöèïîì íåîïðåäåëåííîñòè. Ïîó÷èòåëüíî îöåíèòü ïðåäåë íàøèõ âîçìîæíîñòåé. Ïóñòü ìàññà áåãóíà m = 100 êã (îí íå ïðåòåíäóåò íà ÷åìïèîíñêîå çâàíèå) è ìû õîòèì îïðåäåëèòü åãî ñêîðîñòü â ìîìåíò ôèíèøà. Ïóñòü ôèíèøíàÿ ëåíòî÷êà èìååò òîëùèíó Dx = 1 ìèêðîí — ýòî 10–6 ìåòðà, âïîëíå õîðîøàÿ òî÷íîñòü äëÿ ëþáèòåëüñêèõ ñîðåâíîâàíèé. Ó÷èòûâàÿ ñîîòíîøåíèå íåîïðåäåëåííîñòåé è òî, ÷òî ñêîðîñòü ñâÿçàíà ñ èìïóëüñîì îáû÷íûì îáðàçîì, v = p/m, ïîëó÷èì íåòî÷íîñòü â îïðåäåëåíèè ñêîðîñòè: Dv ~

h » 10-30 (ì/ñ). mDx

Íåóäèâèòåëüíî, ÷òî ìû íå çàìå÷àåì òàêèõ ìåëî÷åé. È ýòî õîðîøî. Íî åñëè ìàññó èçìåðÿåìîãî îáúåêòà ñèëüíî óìåíüøèòü — ñêàæåì, äî ìàññû òîãî æå ýëåêòðîíà, — òî íåîïðåäåëåííîñòü â ñêîðîñòè áóäåò óæå äðóãîé — Dv = 100 ì/c! Èòàê, åùå ðàç: åñëè ìû õîòèì èçìåðèòü ïîëîæåíèå ýëåêòðîíà ñ òî÷íîñòüþ 10–6 ìåòðà, òî ïîãðåøíîñòü â îïðåäåëåíèè åãî ñêîðîñòè íå ìîæåò áûòü ìåíüøå 100 ìåòðîâ â ñåêóíäó! Ýòî îäíîçíà÷íîå ïðåäñêàçàíèå êâàíòîâîé ìåõàíèêè, ñïðàâåäëèâîñòü êîòîðîé ïîäòâåðæäåíà ìíîãîêðàòíî. Åùå îäíî óäèâèòåëüíîå ÿâëåíèå ìèêðîìèðà — òóííåëüíûé ýôôåêò. Îêàçûâàåòñÿ, ÷àñòèöû ìîãóò ïðåîäîëåâàòü ýíåðãåòè÷åñêèå áàðüåðû, äàæå èìåÿ ýíåðãèþ, ãîðàçäî ìåíüøóþ, ÷åì ñàì áàðüåð. ×òîáû ïðåäñòàâèòü ñåáå ýòó óäèâèòåëüíóþ ñïîñîáíîñòü ÷àñòèö, ïðîâåäåì àíàëîãèþ â ìàêðîìèðå — ìèðå áîëüøèõ îáúåêòîâ, ê êîòîðîìó ìû ïðèâûêëè. Ïðåäñòàâèì ñåáå òþðüìó áóäóùåãî — îáíåñåííîå âûñîêîé ñòåíîé ïðîñòðàíñòâî. Ñòåíà äîñòàòî÷íî âûñîêàÿ è ãëàäêàÿ, ÷òîáû íå îñòàâëÿòü íèêàêèõ íàäåæä çàêëþ÷åííûì, îíè âñåãäà áóäóò îñòàâàòüñÿ Êâàíòîâàÿ òåîðèÿ

25

âíóòðè. Ýòî òèïè÷íàÿ äëÿ ìàêðîìèðà ñèòóàöèÿ. Òåïåðü äîáà âèì ê ýòîé áåçðàäîñòíîé êàðòèíå íà÷àëüíèêà, ñêëîííîãî ê ñàäèçìó. Ýòà ñêëîííîñòü ïðîÿâëÿåòñÿ â òîì, ÷òî çàêëþ÷åííûì äîñòóïíû ðàçëè÷íûå ñðåäñòâà ïðåîäîëåíèÿ ñòåíû — ðàêåòíûå ðàíöû, íàïðèìåð. Íî ó íèõ èìååòñÿ îäíà îñîáåííîñòü: êàê òîëüêî ýòè ïðåäìåòû ïîïàäàþò çà ïðåäåëû ñòåíû, îíè ÷åðåç ñåêóíäó âçðûâàþòñÿ. Ïðè ýòîì âçðûâ òàêîé ñèëû, ÷òî íàäåæä âûæèòü áåãëåöó íå îñòàåòñÿ. Òåì íå ìåíåå âîçìîæíîñòü ïðå îäîëåòü ñòåíó ïîÿâèëàñü. Ìîæíî, âîñïîëüçîâàâøèñü ðåàêòèâíûì ðàíöåì, âçëåòåòü íàä ñòåíîé è, îêàçàâøèñü ïî òó ñòîðîíó, áûñòðî ïåðåêèíóòü ðàíåö îáðàòíî âíóòðü. Ïîñëå ïàäåíèÿ âíå ñòåí òþðüìû çàêëþ÷åííûé ìîæåò ïîñòðàäàòü, íî òàê èëè

26

Ãëàâà 1. Èíãðåäèåíòû Âñåëåííîé

èíà÷å öåëü äîñòèãíóòà. Îí ïðåîäîëåë ñòåíó áëàãîäàðÿ òîìó, ÷òî èñïîëüçîâàë åäèíñòâåííóþ âîçìîæíîñòü — íà êîðîòêîå âðåìÿ âîñïîëüçîâàëñÿ óñòðîéñòâîì, êîòîðûì äîëãî ïîëüçîâàòüñÿ íåëüçÿ. Íó à â ìèêðîìèðå èìååòñÿ ôîðìóëà (1.4), êîòîðàÿ êàê ðàç è ãîâîðèò î òîì, ÷òî íà êîðîòêîå âðåìÿ, ðàâíîå ïðèìåðíî Dt = ž/DE, ýíåðãèÿ ÷àñòèöû ìîæåò ñïîíòàííî óâåëè÷èòüñÿ íà âåëè÷èíó DE. Åñëè, èìåÿ òàêóþ äîïîëíèòåëüíóþ ýíåðãèþ, ÷àñòèöà ïåðåéäåò ÷åðåç ýíåðãåòè÷åñêèé áàðüåð çà âðåìÿ, ìåíüøåå Dt, òî óæå çà áàðüåðîì îíà îòäàñò «îäîëæåííóþ» ýíåðãèþ â îêðóæàþùåå ïðîñòðàíñòâî. Êîíå÷íî, ðàññìîòðåííàÿ àíàëîãèÿ íå àáñîëþòíî òî÷íà. Ïîñìîòðèòå íà ðèñ. 1.5. Çäåñü ëåãêèå ÷àñòèöû îáìåíèâàþòñÿ òÿæåëîé — W-áîçîíîì. Êàðäèíàëüíîå îòëè÷èå ñîñòîèò â òîì, ÷òî ìîìåíò ïîáåãà çàêëþ÷åííîãî ìîæåò áûòü çàñíÿò ôîòîàïïàðàòîì èëè äàæå âèäåîêàìåðîé, à ìîìåíò ïåðåõîäà W-áîçîíà ïðèíöèïèàëüíî íåíàáëþäàåì. Òàêèì îáðàçîì, ñîãëàñíî êâàíòîâîé òåîðèè, äàæå ìàëîýíåðãè÷íûå ÷àñòèöû ìîãóò ïðåîäîëåâàòü âûñîêèå áàðüåðû. Ýòî ÿâëåíèå îáíàðóæåíî ýêñïåðèìåíòàëüíî. Îêàçûâàåòñÿ, â ìèêðîìèðå êâàíòîâàÿ òåîðèÿ ïîçâîëÿåò òî, ÷òî íåâîçìîæíî â ìàêðîìèðå.

Ïîëÿ Ìèð ÷àñòèö, êîíå÷íî èíòåðåñåí è ñëîæåí, íî åùå áîëåå èíòåðåñåí ìèð ïîëåé, óñïåøíî èñïîëüçóåìûõ äëÿ îïèñàíèÿ ðàçëè÷íûõ ÿâëåíèé. Áîëåå òîãî, ïîíÿòèå ïîëÿ ñòàëî êëþ÷åâûì â òåîðåòè÷åñêîé ôèçèêå. Ïðè óïîìèíàíèè ñëîâà «÷àñòèöà» êàæäûé íåâîëüíî ïðåäñòàâëÿåò ñåáå ìàëåíüêèé øàðèê, è ýòî ÷àñòî ïîìîãàåò ïîíÿòü ïðîèñõîäÿùåå ÿâëåíèå (õîòÿ èíîãäà è ìåøàåò). Ê ñîæàëåíèþ, ïðè ñëîâå «ïîëå» íèêàêèõ ïîëåçíûõ àññîöèàöèé îáû÷íî íå âîçíèêàåò, ïîñêîëüêó íàøå ñîçíàíèå íå èìåëî îïûòà âçàèìîäåéñòâèÿ ñ òàêèìè îáúåêòàìè. Òåì íå ìåíåå íåêîòîðûé îïûò óæå ïîÿâèëñÿ, è ìîæíî ïîïûòàòüñÿ ïðîÿñíèòü ýòî âàæíåéøåå ïîíÿòèå. Íåïëîõîé àíàëîãèåé ÿâëÿþòñÿ âîëíû íà ïîâåðõíîñòè îçåðà. Àáñîëþòíî ðîâíàÿ, çåðêàëüíàÿ ïîâåðõíîñòü âîäû íå ïðåäÏîëÿ

27

ñòàâëÿåò îñîáîãî èíòåðåñà, ïîñêîëüêó ñèòóàöèÿ áåäíà ñîáûòèÿìè. Ëèøü êîãäà ïîäóåò âåòåð, ïîÿâëÿþòñÿ âîëíû, ïîâåðõ íîñòü ïðèíèìàåò ïðè÷óäëèâûå, èçìåíÿþùèåñÿ ñî âðåìåíåì ôîðìû. Âíå âñÿêîãî ñîìíåíèÿ, äâèæóùèåñÿ îáëàñòè ïîâåðõíîñòè îáëàäàþò êèíåòè÷åñêîé ýíåðãèåé, êîòîðóþ ìîãóò ïåðåäàâàòü äðóã äðóãó è îêðóæàþùåé ñðåäå. Êñòàòè, ìû óæå äàâíî çíàêîìû ñ îäíèì èç ïîëåé — ýëåêòðîìàãíèòíûì. Âåäü ðàäèîâîëíû — ýòî íå ÷òî èíîå, êàê ðàñïðîñòðàíÿþùèåñÿ êîëåáàíèÿ ýòîãî ïîëÿ. Èìåííî èçìåíÿþùååñÿ ïîëå ñïîñîáíî ïåðåíîñèòü ñâîþ ýíåðãèþ è ïåðåäàâàòü åå ïðèåìíèêàì. Îòñóòñòâèå ýëåêòðîìàãíèòíûõ âîëí åùå íå îçíà÷àåò, ÷òî ñàìî ýëåêòðîìàãíèòíîå ïîëå òàêæå îòñóòñòâóåò: òàê, â êîíäåíñàòîðå ñîñðåäîòî÷åíî ïîñòîÿííîå ýëåêòðè÷åñêîå ïîëå, à íåïîäâèæíûé ìàãíèò îêðóæåí ñòàöèîíàðíûì ìàãíèòíûì ïîëåì. Îòìåòèì, ÷òî ïîëå èìååòñÿ â êàæäîé òî÷êå ïðîñòðàíñòâà. Íà ìàòåìàòè÷åñêîì ÿçûêå ýòî îçíà÷àåò, ÷òî ïîëå åñòü ôóíêöèÿ êîîðäèíàò. Êàêàÿ èìåííî ôóíêöèÿ — çàâèñèò îò ñâîéñòâ ïîëÿ è îáúåêòîâ, åãî ñîçäàþùèõ. Íó à ÷òî æå ñîáîé ïðåäñòàâëÿþò ÷àñòèöû — êâàíòû ýëåêòðîìàãíèòíîãî ïîëÿ (ôîòîíû)? Ýòîò âîïðîñ îáñóæäàëñÿ âûøå: êîëåáàíèÿ ýëåêòðîìàãíèòíîãî ïîëÿ — ñëîæíîå äâèæåíèå, êîòîðîå èíîãäà âûãëÿäèò êàê âîëíà, à èíîãäà — êàê ÷àñòèöà (ñì. ðèñ. 1.1). Âàæíûé âûâîä çàêëþ÷àåòñÿ â ñëåäóþùåì: ÷àñòèöû (ôîòîíû) ñóòü êîëåáàíèÿ ïîëÿ (ýëåêòðîìàãíèòíîãî), íî îòñóòñòâèå ÷àñòèö åùå íå îçíà÷àåò îòñóòñòâèÿ ñàìîãî ïîëÿ, íåêîåé ñóáñòàíöèè, ðàñïðåäåëåííîé â ïðîñòðàíñòâå. Ïîíÿòèå ýëåêòðîìàãíèòíîãî ïîëÿ îêàçàëîñü ÷ðåçâû÷àéíî ïëîäîòâîðíûì. Íà «ïîëåâîì» ÿçûêå ôîòîíû — êîëåáàíèÿ ýëåêòðîìàãíèòíîãî ïîëÿ — ýêâèâàëåíòíû ìåëêîé ðÿáè íà ïîâåðõíîñòè âîäû.  òî æå âðåìÿ îêàçûâàþòñÿ âîçìîæíûìè è äðóãèå, íå ìåíåå èíòåðåñíûå ÿâëåíèÿ — áîëüøèå âîëíû òèïà öóíàìè, «âîäîâîðîòû», «âîäîïàäû» è ò. ä. Êàê ìû âèäèì, ïîíÿòèå «ïîëå» áîëåå óíèâåðñàëüíî, ÷åì ïîíÿòèå «÷àñòèöà». Äî ñèõ ïîð ìû ãîâîðèëè îá ýëåêòðîìàãíèòíîì ïîëå, êàê íàèáîëåå ïðèâû÷íîì. Íî êðîìå ôîòîíîâ, èìåþòñÿ è äðóãèå ÷àñòèöû: ïðîòîíû, W-áîçîíû, ïè-ìåçîíû è ò. ä. Ñîâðåìåííàÿ ôèçèêà îñíîâûâàåòñÿ íà óòâåðæäåíèè, ÷òî êàæäûé ñîðò ÷àñ-

28

Ãëàâà 1. Èíãðåäèåíòû Âñåëåííîé

òèö ñîîòâåòñòâóåò êîëåáàíèÿì ñâîåãî ïîëÿ. Íî ñâîéñòâà êàæäîãî ñîðòà ÷àñòèö èíäèâèäóàëüíû. Ýëåêòðîíû îòëè÷àþòñÿ îò ïðîòîíîâ, íåéòðèíî è òåõ æå ôîòîíîâ ïî íåñêîëüêèì ïàðàìåòðàì — ìàññå, ñïèíó, çàðÿäó… Çíà÷èò, è ñîîòâåòñòâóþùèå èì ïîëÿ äîëæíû ðàçëè÷àòüñÿ ïî ñâîèì ñâîéñòâàì. Äàëüíåéøåå óòî÷íåíèå ñâîéñòâ ïîëåé óâåäåò íàñ äàëåêî â ñòîðîíó. Ñåé÷àñ æå íåîáõîäèìî ïîäâåñòè ïðîìåæóòî÷íûå èòîãè. Èòàê, ñóùåñòâîâàíèå ýëåêòðîìàãíèòíîãî ïîëÿ ñîìíåíèé íå âûçûâàåò. Ýòî ïîäòâåðæäàåòñÿ íàëè÷èåì ìàãíèòíîãî ïîëÿ ó ìàãíèòîâ è ýëåêòðè÷åñêîãî ïîëÿ ó çàðÿäîâ. Ñâÿçü ìåæäó ýòèìè ïîëÿìè äàâíî óñòàíîâëåíà â âèäå óðàâíåíèé Ìàêñâåëëà. Ýòè æå óðàâíåíèÿ ïðåäñêàçûâàþò ñóùåñòâîâàíèå ýëåêòðîìàãíèòíûõ âîëí. ×àñòî ýòè âîëíû âîñïðèíèìàþòñÿ äåòåêòîðàìè êàê ÷àñòèöû. Äàëåå äåëàåòñÿ îáðàòíûé âûâîä – åñëè ñóùåñòâóþò ÷àñòèöû êàêîãî-ëèáî ñîðòà, òî ýòî îçíà÷àåò, ÷òî äîëæíî ñóùåñòâîâàòü ïîëå, êîëåáàíèÿìè êîòîðîãî îíè ÿâëÿþòñÿ. Òðóäíî ñìèðèòüñÿ ñ ìûñëüþ, ÷òî ÷àñòèöû è âîëíû — êîëåáàíèÿ ýòîãî ïîëÿ — òàê òåñíî âçàèìîñâÿçàíû. Íî ýòî ýêñïåðèìåíòàëüíûé ôàêò. Òàê, íèêòî íå ñîìíåâàåòñÿ, ÷òî ýëåêòðîíû ÿâëÿþòñÿ ÷àñòèöàìè. Íî äàâíî èçâåñòíû ýêñïåðèìåíòû ïî ðàññåÿíèþ ýëåêòðîíîâ â êðèñòàëëàõ, êîãäà ïîëó÷àþùàÿñÿ äèôðàêöèîííàÿ êàðòèíà ìîæåò áûòü îáúÿñíåíà òîëüêî èñõîäÿ èç ïðåäïîëîæåíèÿ, ÷òî ïó÷îê ýëåêòðîíîâ îáëàäàåò âîëíîâûìè ñâîéñòâàìè. Îêàçûâàåòñÿ, ýëåêòðîí — ñëîæíûé îáúåêò, è ïðåäñòàâëåíèå î íåì êàê î «÷àñòèöå» íå âñåãäà êîððåêòíî. Èòàê, ïîëå — îñíîâíîé îáúåêò òåîðåòè÷åñêîé ôèçèêè. Îíî õàðàêòåðèçóåòñÿ ñâîåé âåëè÷èíîé (îäíî èëè íåñêîëüêî ÷èñåë), çàâèñÿùåé îò êîîðäèíàò, òî÷íî òàê æå, êàê ýëåêòðè÷åñêîå è ìàãíèòíîå ïîëÿ. Åñëè ìû çíàåì çàêîí âçàèìîäåéñòâèÿ êîíêðåòíîãî ïîëÿ ñ äðóãèìè îáúåêòàìè è çàêîíû åãî ðàñïðîñòðàíåíèÿ, òî ýòîãî âïîëíå äîñòàòî÷íî äëÿ êîíñòðóêòèâíîé ðàáîòû ñ íèì. Ïðè ýòîì ñîâåðøåííî íå íóæíî çíàòü, «÷òî æå ýòî òàêîå íà ñàìîì äåëå». Ýòî î÷åíü âàæíûé ìîìåíò. Íà÷íèòå îáúÿñíÿòü èíîïëàíåòÿíèíó, ÷òî òàêîå, íàïðèìåð, çàïèñíàÿ êíèæêà, íå ïîêàçûâàÿ åå. Ìàêñèìóì, ÷òî âàì óäàñòñÿ, ýòî ðàññêàçàòü î åå ñâîéñòâàõ è î òîì, çà÷åì îíà íóæíà. Òî÷íî òàê æå è â ôèçèêå: ìû ãîâîðèì î ñâîéñòâàõ ïîëÿ è î Ïîëÿ

29

òîì, êàê îíî âçàèìîäåéñòâóåò ñ äðóãèìè îáúåêòàìè, — áîëüøåãî ñäåëàòü íåâîçìîæíî. Ïîïðîáóéòå îáúÿñíèòü ðåáåíêó, ÷òî îçíà÷àåò òàêîå ïðèâû÷íîå ñâîéñòâî, êàê «ìàññà òåëà», è âàì îïÿòü ïðèäåòñÿ îïèñûâàòü ñâîéñòâà, è íè÷åãî áîëåå. Åñëè íàì ÷òî-òî êàæåòñÿ «ïîíÿòíûì», ýòî îçíà÷àåò, ÷òî ìû ïðîñòî ïðèâûêëè ýòèì ïîëüçîâàòüñÿ. Êñòàòè, à ÷òî æå òàêîå ìàññà ÷àñòèöû â äåéñòâèòåëüíîñòè? È âîîáùå, êàê óçíàòü, ÷òî ïåðåä íàìè ÷àñòèöà, à íå êàêîé-ëèáî äðóãîé îáúåêò, íàïðèìåð äâå ÷àñòèöû? Ñòàíäàðòíûé ïóòü òàêîâ. Èçìåðÿþòñÿ èëè âû÷èñëÿþòñÿ ýíåðãèÿ è èìïóëüñ ñèñòåìû. Çàòåì âû÷èñëÿåòñÿ ðàçíîñòü E 2 – p2. Åñëè ýòà ðàçíîñòü ñî âðåìåíåì íå ìåíÿåòñÿ, òî ìû ãîâîðèì îá îáúåêòå ìàññû m = E 2 - p 2 . Ýëåìåíòàðíûå ÷àñòèöû èìåþò ôèêñèðîâàííûå çíà÷åíèÿ ìàññ, êîòîðûå ïðèâîäÿòñÿ âî âñåõ ñïðàâî÷íèêàõ. Ïîíèìàíèå ÷àñòèö êàê âîëí ñîîòâåòñòâóþùåãî ïîëÿ ïîìîãàåò îòâå÷àòü íà ïðèíöèïèàëüíûå âîïðîñû. Äåéñòâèòåëüíî, åñëè, íàïðèìåð, ìþîí ðàñïàäàåòñÿ íà ýëåêòðîí, íåéòðèíî è àíòèíåéòðèíî: µ ® å + ne + nµ , òî ïî÷åìó ìþîí ñ÷èòàåòñÿ ýëåìåíòàðíîé ÷àñòèöåé? Êàçàëîñü áû, îí äîëæåí ñîñòîÿòü èç ýòèõ òðåõ, «áîëåå ýëåìåíòàðíûõ», ÷àñòèö. Íà ñàìîì äåëå ïåðåíîñèòü íàø ïîâñåäíåâíûé ìàêðîñêîïè÷åñêèé îïûò â ìèêðîìèð íóæíî ñ áîëüøîé îñòîðîæíîñòüþ. Ïðîöåññ ðàñïàäà ìþîíà áîëåå ïðàâèëüíî òðàêòîâàòü ñëåäóþùèì îáðàçîì: «êîëåáàíèÿ ìþîííîãî ïîëÿ âîçáóäèëè êîëåáàíèÿ ýëåêòðîííîãî è íåéòðèííûõ ïîëåé, ïðè ýòîì êîëåáàíèÿ ìþîííîãî ïîëÿ çàòóõëè». Èòàê, âîçâðàùàåìñÿ ê ïîíÿòèþ «ïîëå» â òåîðåòè÷åñêîé ôèçèêå. Íà ïðîòÿæåíèè âñåé êíèãè áóäåò äîñòàòî÷íî ïîíèìàòü, ÷òî ýòî íåêàÿ ôóíêöèÿ îò ïðîñòðàíñòâåííûõ êîîðäèíàò, êîòîðàÿ ìîæåò ìåíÿòüñÿ ñî âðåìåíåì.  êà÷åñòâå êîíñòðóêòèâíîãî ýëåìåíòà íåîáõîäèìî çàäàòü âçàèìîäåéñòâèå ýòîãî ïîëÿ ñ äðóãèìè ïîëÿìè, ôîðìó åãî êèíåòè÷åñêîé è ïîòåíöèàëüíîé ýíåðãèè, èç êîòîðûõ âûòåêàåò åãî äèíàìè÷åñêîå óðàâíåíèå. ×òî òàêîå êèíåòè÷åñêàÿ ýíåðãèÿ — áîëåå èëè ìåíåå ïîíÿòíî: ýòî ýíåðãèÿ, ñâÿçàííàÿ ñ èçìåíåíèåì ïîëÿ ñî âðåìåíåì. Åñëè âåëè÷èíà ïîëÿ â íåáîëüøîé îáëàñòè ïðîñòðàíñòâà çàâèñèò îò

30

Ãëàâà 1. Èíãðåäèåíòû Âñåëåííîé

âðåìåíè, òî êèíåòè÷åñêàÿ ýíåðãèÿ ýòîãî ïîëÿ íå ðàâíà íóëþ. Åñëè ðàññìàòðèâàòü êîëåáàíèÿ ïîëÿ êàê ÷àñòèöû, òî ïîñëåäíèå èìåþò êèíåòè÷åñêóþ ýíåðãèþ îáû÷íîãî âèäà. À ÷òî òàêîå ïîòåíöèàëüíàÿ ýíåðãèÿ ïîëÿ? Íà÷íåì ñ óæå ïðèâû÷íîé àíàëîãèè — ïîâåðõíîñòè îçåðà, íî óñëîæíèì ñèòóàöèþ. Ïðåäïîëîæèì, ÷òî íàä ïîâåðõíîñòüþ òàì è ñÿì âîçâûøàþòñÿ ÷àøè ñ âîäîé. ×àøè èìåþò ðàçíûé ðàçìåð è ðàñïîëîæåíû íà ðàçíûõ âûñîòàõ. ×òîáû çàïîëíèòü ÷àøè âîäîé, íàäî áûëî ñîâåðøèòü ðàáîòó. Çíà÷èò âîäà â ÷àøàõ îáëàäàåò äîïîëíèòåëüíîé ýíåðãèåé. Òàêàÿ ýíåðãèÿ íàçûâàåòñÿ ïîòåíöèàëüíîé. Êèíåòè÷åñêàÿ æå ýíåðãèÿ ðàâíà íóëþ, åñëè âîäà âíóòðè ÷àø ïîêîèòñÿ. Ïîòåíöèàëüíàÿ ýíåðãèÿ ïîâåðõíîñòè âîäû çàâèñèò îò âûñîòû, íà êîòîðóþ ïîäíÿòà ÷àøà. À îò ÷åãî çàâèñèò ïîòåíöèàëüíàÿ ýíåðãèÿ (èëè, êîðî÷å, ïîòåíöèàë) êàêîãî-ëèáî ïîëÿ? Î÷åâèäíî, îò âåëè÷èíû ñàìîãî ïîëÿ. Ñëåäîâàòåëüíî, çíàÿ âåëè÷èíó ïîëÿ â äàííîé îáëàñòè ïðîñòðàíñòâà, ìîæíî îïðåäåëèòü ïîòåíöèàëüíóþ ýíåðãèþ ýòîãî ïîëÿ. Îòñòóïëåíèå. Ïîëÿ è ïîòåíöèàëû

Âûáåðåì îáîçíà÷åíèå äëÿ ïîëÿ. Íàïðèìåð, òàêîå: j(x, t). Ýòî îçíà÷àåò, ÷òî â êàæäîé òî÷êå ïðîñòðàíñòâà çàäàíî ÷èñëî, çàâèñÿùåå îò âðåìåíè. Åñëè ýòî ïîëå êàê-òî ñâÿçàíî ñ ðåàëüíîñòüþ, òî îíî äîëæíî èìåòü ýíåðãèþ. Ïîñëåäíÿÿ äîëæíà çàâèñåòü îò ýòîãî ñàìîãî ïîëÿ j(x, t). Òî÷íåå, åñëè â î÷åíü ìàëåíüêîé îáëàñòè ïðîñòðàíñòâà îáúåìîì dV ìû çíàåì, ÷åìó ðàâíî ïîëå, òî ìû äîëæíû óêàçàòü, êàê âû÷èñëÿåòñÿ åãî ýíåðãèÿ â ýòîé îáëàñòè. Î÷åâèäíî, ÷òî ÷åì ìåíüøå îáúåì dV, òåì ìåíüøå äîëæíà áûòü ïîòåíöèàëüíàÿ ýíåðãèÿ, çàêëþ÷åííàÿ â íåì: dE = UdV (ò. å. dE ïðîïîðöèîíàëüíî dV). Êîýôôèöèåíò ïðîïîðöèîíàëüíîñòè U íàçûâàåòñÿ ïëîòíîñòüþ ïîòåíöèàëà, èëè, êðàòêî, ïîòåíöèàëîì, îí äîëæåí çàâèñåòü îò ïîëÿ, ò. å U(j(x, t)). Âûáîð êîíêðåòíîé ôóíêöèè U(j) — ïîëíîñòüþ â ðóêàõ èññëåäîâàòåëÿ. Íàèáîëåå ÷àñòî âñòðå÷àþùèåñÿ âàðèàíòû ïîêàçàíû íà ðèñ. 1.6.

Çäåñü ìîæíî âîçðàçèòü: «Êàê ýòî òàê: ÷òî õîòÿò, òî è ïîñòóëèðóþò (ïîäðàçóìåâàÿ ôîðìó ïîòåíöèàëà). Îòêóäà èì çíàòü, ÷òî ýòî ïðàâèëüíî?» Íà äàííîì ýòàïå îòâåòèòü, êîíå÷íî, òðóäíî. Íî âåäü ýòî òîëüêî íà÷àëî äëèííîãî ïóòè. Çàäàâ ôîðìó ïîòåíöèàëà, ó÷åíûé äîëæåí îáúÿñíèòü ìíîæåñòâî ÿâëåíèé, ïðîâåðèòü, íå ïðîòèâîðå÷àò ëè åãî âûâîäû ýêñïåðèìåíòàëüíûì äàííûì. È òîëüêî ïîñëå ýòîãî, â ñëó÷àå óñïåõà, îí ñêàæåò: Ïîëÿ

31

Ðèñ. 1.6. Ðàçëè÷íûå ôîðìû ïîòåíöèàëîâ. Ôîðìà ïåðâîãî ïîòåíöèàëà — ïðîñòåéøàÿ ìîäåëü, â êîòîðîé ÷àñòèöû ïðèîáðåòàþò ìàññó. Ôîðìà âòîðîãî ïîòåíöèàëà èñïîëüçóåòñÿ äëÿ ìîäåëåé ñ íàðóøåííîé ñèììåòðèåé, à ôîðìà òðåòüåãî äîïóñêàåò ôàçîâûå ïåðåõîäû ïåðâîãî ðîäà ñ îáðàçîâàíèåì ïóçûðåé èñòèííîãî âàêóóìà.

«ß íå çíàþ, ïî÷åìó ïîòåíöèàë òàêîâ, íî ÿ ñäåëàë ïðàâèëüíûé âûáîð». Âñïîìíèòå øêîëüíûå çàêîíû Íüþòîíà. Âåäü è ïðî íèõ ìîæíî áûëî çàäàòü òîò æå âîïðîñ: «Ïî÷åìó, ñîáñòâåííî, îíè òàêèå, êàê íàïèñàíî â ó÷åáíèêàõ?» À îòâåò âñå òîò æå: Íüþòîí äîãàäàëñÿ ïðàâèëüíî, ïîñêîëüêó ïðåäñêàçàíèÿ, ñäåëàííûå íà îñíîâå ýòèõ çàêîíîâ, ñîâïàäàþò ñ íàáëþäåíèÿìè. Î÷åíü ÷àñòî â íàó÷íîé ëèòåðàòóðå ìîæíî âñòðåòèòü óïîìèíàíèå î ñêàëÿðíûõ ïîëÿõ. Êàê áûëî ñêàçàíî âûøå, êàæäîå ïîëå äîëæíî õàðàêòåðèçîâàòüñÿ ñâîèì íàáîðîì ïàðàìåòðîâ, ÷òîáû ÷àñòèöû, ñîîòâåòñòâóþùèå ýòîìó ïîëþ, èìåëè íàáëþäàåìûå õàðàêòåðèñòèêè òèïà ìàññû, ñïèíà, çàðÿäà. Òàê âîò, ñêàëÿðíûå ïîëÿ ïðåäíàçíà÷åíû äëÿ îïèñàíèÿ ïðîñòåéøèõ ÷àñòèö, õàðàêòåðèçóþùèõñÿ âñåãî îäíèì ïàðàìåòðîì — ìàññîé. Ó òàêèõ, ñêàëÿðíûõ, ÷àñòèö îòñóòñòâóåò, íàïðèìåð, ñïèí. Ýòî ïðîñòåéøèå ÷àñòèöû. Ñóùåñòâóþò ëè îíè? Îòâåò íà ýòîò âîïðîñ íå òàê ïðîñò. Äåéñòâèòåëüíî, òàêîâûìè ÿâëÿþòñÿ, íàïðèìåð, õîðîøî èçâåñòíûå ïè-ìåçîíû. Ñ äðóãîé ñòîðîíû, êîãäà â ñîâðåìåííîé êîñìîëîãèè óïîìèíàþòñÿ ñêàëÿðíûå ÷àñòèöû, èìåþòñÿ â âèäó íå ïè-ìåçîíû, à äðóãèå ãèïîòåòè÷åñêèå ñêàëÿðíûå ÷àñòèöû. Ïî÷åìó ÷àùå âñåãî âûáèðàþòñÿ èìåííî ñêàëÿðíûå ïîëÿ è ÷àñòèöû? Âî-ïåðâûõ, èõ ñóùåñòâîâàíèå ïðåäñêàçûâàåòñÿ ñîâðåìåííûìè òåîðèÿìè (êîòîðûå, âïðî÷åì, ìîãóò îêàçàòüñÿ è

32

Ãëàâà 1. Èíãðåäèåíòû Âñåëåííîé

Ðèñ. 1.7. Îäèí èç âîçìîæíûõ ïîòåíöèàëîâ, èñïîëüçóåìûõ â êîñìîëîãèè. Ïëîòíîñòü ýíåðãèè â îïðåäåëåííîé òî÷êå ïðîñòðàíñòâà (ïîòåíöèàë) çàâèñèò â äàííîì ñëó÷àå îò ïîëåé j è s. Çàâèñèìîñòü îò íåñêîëüêèõ ãèïîòåòè÷åñêèõ ïîëåé ïðåäîñòàâëÿåò äîïîëíèòåëüíûå âîçìîæíîñòè äëÿ îáúÿñíåíèÿ ïðîèñõîæäåíèÿ òàêîé âñåëåííîé, êàê íàøà.

íåâåðíûìè). Âî-âòîðûõ, íåîáõîäèìîé ñîñòàâëÿþùåé ñòàíäàð òíîé ìîäåëè Âàéíáåðãà—Ñàëàìà ÿâëÿåòñÿ ñêàëÿðíîå ïîëå (íàçâàííîå â ÷åñòü ôèçèêà Õèããñà, ïðåäëîæèâøåãî íåòðèâèàëüíóþ ôîðìó ïîòåíöèàëà äëÿ ýòîãî ïîëÿ — ñì. ðèñ. 1.6, ñðåäíèé ãðàôèê). Èíòåðåñíî, ÷òî åäèíñòâåííîå òåìíîå ïÿòíî ýòîé â öeëîì óñïåøíîé ìîäåëè — êàê ðàç ÷àñòèöû Õèããñà. Îíè äî ñèõ ïîð íå íàéäåíû, íî àâòîðèòåò ìîäåëè Âàéíáåðãà—Ñàëàìà Ïîëÿ

33

íañòîëüêî âûñîê, ÷òî ìàëî êòî ñîìíåâàåòñÿ â èõ ñóùåñòâîâàíèè. Â-òðåòüèõ, íå ìåíåå óñïåøíàÿ ìîäåëü Áîëüøîãî âçðûâà (òàê íàçûâàåìàÿ èíôëÿöèîííàÿ ìîäåëü) òàêæå îñíîâûâàåòñÿ íà ñóùåñòâîâàíèè îñîáîãî ñêàëÿðíîãî ïîëÿ ïîä íàçâàíèåì «èíôëàòîí». È, â-÷åòâåðòûõ, ñîâðåìåííûå ìîäåëè íàñòîëüêî ñëîæíû, ÷òî ñêàëÿðíûå ïîëÿ èñïîëüçóþòñÿ êàê ïðîñòåéøèå, íà êîòîðûõ òåñòèðóåòñÿ íîâàÿ ìîäåëü. Åñëè ðåçóëüòàòû îêàçûâàþòñÿ îáíàäåæèâàþùèìè, òî ââîäÿòñÿ áîëåå ñëîæíûå ïîëÿ.

Ìàêðîîáúåêòû Îêðóæàþùàÿ íàñ ïðèðîäà åñòü ðåçóëüòàò ýâîëþöèè Âñåëåííîé. Íà íà÷àëüíîé ñòàäèè îñíîâíàÿ äîëÿ ýíåðãèè çàêëþ÷àëàñü â ïîëÿõ. Çàòåì, ïðè îõëàæäåíèè Âñåëåííîé, ýíåðãèÿ ïîëÿ ïåðåøëà â ýíåðãèþ ÷àñòèö. Äàëüíåéøåå óìåíüøåíèå òåìïåðàòóðû âåëî ê îáúåäèíåíèþ ÷àñòèö âî âñå áîëåå ñëîæíûå àãëîìåðàòû. Ñåé÷àñ ìû æèâåì â ìèðå ÿðêèõ êðàñîê áëàãîäàðÿ áëèçîñòè ê Ñîëíöó, à â íî÷íîå âðåìÿ ìîæåì íåâîîðóæåííûì ãëàçîì íàáëþäàòü íà íåáå îêîëî 6 òûñÿ÷ çâåçä.  òåëåñêîïû ìîæíî âèäåòü ìèëëèîíû ãàëàêòèê, èõ äâèæåíèå è ñëèÿíèå, âçðûâû ñâåðõíîâûõ çâåçä, ðîæäåíèå ìîëîäûõ çâåçä. Ãàëàêòèêè ñîäåðæàò ìèëëèàðäû çâåçä, ïðè ýòîì äëÿ íàáëþäåíèÿ äîñòóïíî ïîðÿäêà 1011 ãàëàêòèê, êîòîðûå è îáðàçóþò âèäèìóþ Âñåëåííóþ. Âñå ýòî îáèëèå ÿâëåíèé èçó÷àåò ôèçèêà, è â ÷àñòíîñòè êîñìîëîãèÿ. Êàê æå ó÷åíûì, çàíèìàþùèìñÿ àñòðîôèçèêîé è êîñìîëîãèåé, óäàåòñÿ ïðîâåðÿòü ñâîè èäåè? Âåäü çâåçäû íàõîäÿòñÿ äàëåêî. Êîíå÷íî, ñ ðàçâèòèåì òåõíèêè ïðèáîðû ñòàëè íàìíîãî òî÷íåå è ðàçíîîáðàçíåå. Íî ÷òî ýòèìè ïðèáîðàìè èçìåðÿòü? È êàê ïîëó÷åííûå ðåçóëüòàòû èíòåðïðåòèðîâàòü? ×òîáû ýòî ïîíÿòü, íàì ïðèäåòñÿ ñîâåðøèòü íåáîëüøîé ýêñêóðñ â òåîðèþ è âêðàòöå ïîçíàêîìèòüñÿ ñ îñíîâíûìè çàêîíàìè, íà êîòîðûå îïèðàþòñÿ ó÷åíûå. Îòñòóïëåíèå. Ñâÿçü òåìïåðàòóðû ñ äëèíîé âîëíû ñâåòà

Íàãðåòîå òåëî èñïóñêàåò âåñü ñïåêòð äëèí âîëí ýëåêòðîìàãíèòíîãî èçëó÷åíèÿ. Èçëó÷åíèå ñ äëèíîé âîëíû 410 íì âîñïðèíèìàåòñÿ ÷åëîâå÷åñêèì ãëàçîì êàê ñèíèé öâåò, 656 íì — êàê êðàñíûé. Äëÿ ñîçäàíèÿ òàêîãî ñïåêòðà â ëàáîðàòîðèè ìîæíî íàãðåòü ëàìïó, çàïîë-

34

Ãëàâà 1. Èíãðåäèåíòû Âñåëåííîé

íåííóþ âîäîðîäîì. Îíà èçëó÷àåò ôîòîíû, êîòîðûå, ïðîéäÿ ñêâîçü ïðèçìó, ïîïàäàþò íà ýêðàí è îòîáðàæàþòñÿ â âèäå öâåòíûõ ëèíèé. Ïî ÿðêîñòè ëèíèè ìîæíî ñóäèòü î ÷èñëå èçëó÷åííûõ ôîòîíîâ. Ðàññòîÿ íèÿ ìåæäó ëèíèÿìè ïðîïîðöèîíàëüíû ðàçíèöå äëèí âîëí.

Ðèñ. 1.8. Ñïåêòð àòîìà âîäîðîäà. Öèôðû — äëèíà âîëíû â íàíîìåòðàõ

Êîíå÷íî, ôîðìà ñïåêòðà, ïî êîòîðîìó ìîæíî ñóäèòü î âêëàäå îïðåäåëåííîé äëèíû âîëíû, çàâèñèò îò òåìïåðàòóðû è ñâîéñòâ òåëà. Ôèçèêè óæå äàâíî ââåëè ïîíÿòèå àáñîëþòíî ÷åðíîãî òåëà — ñèñòåìû, êîòîðàÿ ïîãëîùàåò âñå ïàäàþùåå íà íåãî èçëó÷åíèå. Îáðàòèòå âíèìàíèå: èçëó÷àòü-òî îíî ìîæåò, è, çíà÷èò, àáñîëþòíî ÷åðíîå òåëî ìîæíî âèäåòü. Ñîëíöå — ïðåêðàñíûé ïðèìåð. Äåéñòâèòåëüíî, ïðàêòè÷åñêè âñå ôîòîíû, ïàäàþùèå íà Ñîëíöå, ïîãëîùàþòñÿ èì. Íî è ñàìî îíî èçëó÷àåò ñâåò. Êîíå÷íî, êàêàÿ-òî, î÷åíü ìàëåíüêàÿ, äîëÿ ïàäàþùèõ ôîòîíîâ îòðàæàåòñÿ, ïîýòîìó Ñîëíöå ëèøü ïðèáëèæåííî ìîæíî ñ÷èòàòü àáñîëþòíî ÷åðíûì òåëîì. Ñïåêòð ôîòîíîâ àáñîëþòíî ÷åðíîãî òåëà çàâèñèò óæå òîëüêî îò åãî òåìïåðàòóðû. Äëÿ íàñ áóäåò âàæíîé íàèáîëåå âåðîÿòíàÿ äëèíà âîëíû ýëåêòðîìàãíèòíîãî èçëó÷åíèÿ òåëà. Îáîçíà÷èì åå lmax. Òîãäà ñâÿçü ñ òåìïåðàòóðîé âûãëÿäèò îñîáåííî ïðîñòî: b (1.5) lmax = , b = 2,90 · 10–3 (ì · K). T Ôîðìóëà (1.5) èçâåñòíà êàê çàêîí Âèíà. Èíòåðåñíî ïîäñ÷èòàòü, èçëó÷åíèå ñ êàêîé äëèíîé âîëíû â îñíîâíîì ïðèõîäèò ê íàì îò Ñîëíöà. Ó÷èòûâàÿ, ÷òî ïîâåðõíîñòü Ñîëíöà íàãðåòà äî òåìïåðàòóðû ïî÷òè 6 000 K, ïðîñòîé ðàñ÷åò ïî ôîðìóëå (1.5) äàåò äëèíó âîëíû 0,5 · 10–6 ì. Ýòî êàê ðàç òà äëèíà âîëíû, êîòîðóþ ëó÷øå âñåãî ðàçëè÷àþò íàøè ãëàçà. Ìû åå ÷óâñòâóåì êàê «çåëåíóþ». Òàê æèâàÿ ïðèðîäà ïðèñïîñàáëèâàåòñÿ, ïîäñòðàèâàåòñÿ ïîä âíåøíèå óñëîâèÿ.

Ðèñ. 1.9. Çàâèñèìîñòü èíòåíñèâíîñòè èçëó÷åíèÿ ñ ïîâåðõíîñòè Ñîëíöà (åå òåìïåðàòóðà ñîñòàâëÿåò ïðèáëèçèòåëüíî 5 700 K) îò äëèíû âîëíû. Èíòåíñèâíîñòü — ÷èñëî ôîòîíîâ, èçëó÷åííûõ â ñåêóíäó.

Ìàêðîîáúåêòû

35

Ýôôåêò Äîïëåðà

 1842 ã. àâñòðèéñêèé ôèçèê Êðèñòèàí Äîïëåð (Doppler) îòêðûë ýôôåêò, íàçâàííûé åãî èìåíåì. Îí çàêëþ÷àåòñÿ â òîì, ÷òî äëèíà âîëíû, èñïóñêàåìîé èñòî÷íèêîì, çàâèñèò íå òîëüêî îò ñâîéñòâ èñòî÷íèêà, íî è îò åãî ñêîðîñòè. Äëÿ ïîíèìàíèÿ äîñòàòî÷íî âíèìàòåëüíî ðàññìîòðåòü ðèñ. 1.10. Êàê òîëüêî î÷åðåäíîé «ãîðá» âîëíû ïîÿâëÿåòñÿ èç èñòî÷íèêà, îí ñðàçó íà÷èíàåò äâèãàòüñÿ îò íåãî ñ õàðàêòåðíîé ñêîðîñòüþ. Ñëåäóþùèé «ãîðá» ðîæäàåòñÿ, êîãäà ïåðâûé óæå ïðîëåòåë íåêîòîðîå ðàññòîÿíèå. Åñëè æå èñòî÷íèê äâèæåòñÿ â ñòîðîíó ðàñïðîñòðàíåíèÿ âîëíû, òî ðàññòîÿíèå ìåæäó ãîðáàìè óìåíüøèòñÿ. Íî ïðèåìíèê êàê ðàç è îòëè÷àåò îäíó âîëíó îò äðóãîé ïî ðàññòîÿíèþ ìåæäó ãîðáàìè! Ïîýòîìó äâà îäèíàêîâûõ èñòî÷íèêà ñîçäàþò ðàçíûå âîëíû ñ òî÷êè çðåíèÿ ïðèåìíèêà. Òîò èç èñòî÷íèêîâ, êîòîðûé äâèæåòñÿ ê ïðèåìíèêó, èçëó÷àåò âîëíû ìåíüøåé äëèíû, ÷åì ïîêîÿùèéñÿ. Íàîáîðîò, óäàëÿþùèéñÿ èñòî÷íèê ñîçäàåò âîëíû áîëüøåé äëèíû. Àíàëîãè÷íûå ðàññóæäåíèÿ ìîæíî ïðîâåñòè, ïðåäïîëàãàÿ äâèæóùèìñÿ ïðèåìíèê, à íå èñòî÷íèê. Êàæäûé ìîæåò óáåäèòüñÿ â ñóùåñòâîâàíèè ýòîãî ýôôåêòà. Ïîïðîñèòå çíàêîìîãî âîäèòåëÿ áûñòðî ïðîåõàòü íà ìàøèíå ìèìî âàñ, íåïðåðûâíî ãóäÿ. Âî âðåìÿ íàèáîëüøåãî ñáëèæåíèÿ âû ïî÷óâñòâóåòå ðåçêóþ ñìåíó òîíà ãóäêà — ñ âûñîêîãî íà íèçêèé. Ëþáàÿ ýëåêòðè÷êà, ïðîëåòàþùàÿ ìèìî ïëàòôîðìû, äàñò òîò æå ýôôåêò. Âûâîä òàêîâ: ÷àñòîòà âîñïðèíèìàåìûõ âîëí (â íàøåì ýêñïåðèìåíòå — çâóêîâûõ) çàâèñèò íå òîëüêî îò âíóòðåííèõ ñâîéñòâ èõ èñòî÷íèêà, íî è îò åãî ñêîðîñòè. Àñòðîôèçèêà èìååò äåëî â îñíîâíîì ñ ýëåêòðîìàãíèòíûìè âîëíàìè — ðåíòãåíîâñêèì èçëó÷åíèåì, ñâåòîì, ðàäèîâîëíàìè è ò. ä. Ýôôåêò Äîïëåðà ñïðàâåäëèâ è äëÿ íèõ (÷òî, ñîáñòâåííî, è èìåë â âèäó ñàì Äîïëåð). Íàøè ãëàçà óñòðîåíû òàê, ÷òî ðàçíûå äëèíû âîëí ìû âîñïðèíèìàåì êàê ðàçíûå öâåòà: ÷åì äëèííåå âîëíà, òåì áîëåå «êðàñíûì» íàì êàæåòñÿ ïðåäìåò. Òàê, äåâóøêà, îäåòàÿ â êðàñíîå, îòëè÷àåòñÿ îò ñòàðè÷êà, îäåòîãî â ñèíåå, â ÷àñòíîñòè, òåì, ÷òî îíà èñïóñêàåò ýëåêòðîìàãíèòíûå âîëíû áîëüøåé äëèíû.

36

Ãëàâà 1. Èíãðåäèåíòû Âñåëåííîé

Ðèñ. 1.10. Ïîÿñíåíèå ê ýôôåêòó Äîïëåðà.

Èñïîëüçóÿ ýôôåêò Äîïëåðà, ìîæíî, íàïðèìåð, îïðåäåëèòü ñêîðîñòü âðàùåíèÿ Ñîëíöà (ðèñ. 1.11). Èçìåðÿåì ñðåäíþþ äëèíó âîëíû ñâåòà, ëåòÿùåãî îò ëåâîãî êðàÿ, çàòåì — îò ïðàâîãî. Åñëè Ñîëíöå âðàùàåòñÿ, òî áóäåò çàìåòíî ðàçëè÷èå, ïî êîòîðîìó ìîæíî íàéòè ëèíåéíóþ ñêîðîñòü êðàéíèõ òî÷åê íà Ñîëíöå. Íó à çíàÿ åãî äèàìåòð, ëåãêî íàõîäèì óãëîâóþ ñêîðîñòü âðàùåíèÿ è ïåðèîä. Ñîëíöå ÿâëÿåòñÿ îáû÷íûì ïðåäñòàâèòåëåì çâåçä, êàêèõ ìíîãî. Íî è äâóõ â òî÷íîñòè îäèíàêîâûõ çâåçä òîæå íå íàéòè. Ãàëàêòèêè æå ñîäåðæàò ìèëëèàðäû çâåçä ñàìîãî ðàçíîãî òèïà, Ðèñ. 1.11. Äëèíû âîëí, ïðèõîäÿè ïîõîæèå ãàëàêòèêè äîëæ- ùèõ îò äèàìåòðàëüíî ïðîòèâîïîëîæíûõ òî÷åê Ñîëíöà, ðàçëè÷íû. íû èìåòü ïîõîæèå ñïåêòðû Ìàêðîîáúåêòû

37

Ðèñ. 1.12. Ñðàâíåíèå ñïåêòðîâ âîäîðîäà, ïîëó÷åííîãî â ëàáîðàòîðíûõ óñëîâèÿõ è îò äàëåêîé ãàëàêòèêè.

èçëó÷åíèÿ. Äëÿ ñàìûõ áëèçêèõ ê íàì ñîñåäíèõ ãàëàêòèê ýòî äåéñòâèòåëüíî òàê, íî íå äëÿ äàëåêèõ. ×åì äàëüøå îò íàñ íàõîäèòñÿ îáû÷íàÿ ãàëàêòèêà, ñîñòîÿùàÿ èç îáû÷íûõ çâåçä, òåì áîëüøå åå èçëó÷åíèå ñìåùàåòñÿ ê êðàñíîìó êðàþ ñïåêòðà. Ñ ýòîé òî÷êè çðåíèÿ îñîáåííî óäîáåí âîäîðîä, ñâîéñòâà êîòî ðîãî îäèíàêîâû âî âñåõ îáëàñòÿõ Âñåëåííîé. Ñïåêòð âîäîðîäà õîðîøî èçâåñòåí (ñì. ðèñ. 1.8). Ñâåò, èçëó÷åííûé âîäîðîäîì äàëåêèõ ãàëàêòèê, ñìåùåí â ñòîðîíó áîëåå äëèííûõ âîëí (êðàñíîå ñìåùåíèå), êàê ïîêàçàíî íà ðèñ. 1.12. Îáùåïðèíÿòîå îáúÿñíåíèå — ãàëàêòèêè îò íàñ óäàëÿþòñÿ. Ñêîðîñòü óäàëåíèÿ îïèñûâàåòñÿ çàêîíîì Õàááëà, îäíîìó èç âàæíåéøèõ äëÿ àñòðîôèçèêîâ çàêîíîâ.

Çàêîí Õàááëà Ýòîò çàêîí âïåðâûå ñôîðìóëèðîâàë Ýäâèí Õàááë (Edwin Hubble) â 1929 ã. Àíàëèçèðóÿ ñêîðîñòè áëèçëåæàùèõ ãàëàêòèê ïî êðàñíîìó ñìåùåíèþ èõ ñâåòà, îí îáíàðóæèë, ÷òî ÷åì äàëüøå îò íàñ íàõîäèòñÿ ãàëàêòèêà, òåì áûñòðåå îíà îò íàñ óäàëÿåòñÿ. Äðóãèìè ñëîâàìè, ñêîðîñòü ãàëàêòèê ïðÿìî ïðîïîðöèîíàëüíà ðàññòîÿíèþ äî íèõ îò Çåìëè: v = Hr. Êîýôôèöèåíò ïðîïîðöèîíàëüíîñòè — ýòî è åñòü çíàìåíèòàÿ «ïîñòoÿííàÿ Õàááëà».  íàñòîÿùåå âðåìÿ îíà ðàâíà 71 êì/(ñ · Ìïê) è îáîçíà÷àåòñÿ «Í0». Íàïðèìåð, ãàëàêòèêà, íàõîäÿùàÿñÿ íà ðàññòîÿíèè 100 Ìïê, óäàëÿåòñÿ îò íàñ ñî ñêîðîñòüþ 7,1 òûñ. êì/ñ.

38

Ãëàâà 1. Èíãðåäèåíòû Âñåëåííîé

Âîîáùå ãîâîðÿ, ãàëàêòèêè äâèæóòñÿ õàîòè÷íî, è â ÷àñòíîñòè ïîïåðåê ëèíèè íàáëþäåíèÿ. Ýòà òàê íàçûâàåìàÿ ïåêóëÿðíàÿ ñêîðîñòü íå äîëæíà ó÷èòûâàòüñÿ.  çàêîíå Õàááëà ïîäðàçóìåâàåòñÿ ðàäèàëüíàÿ ñêîðîñòü, óñðåäíåííàÿ ïî áîëüøîìó ÷èñëó ãàëàêòèê, íàõîäÿùèõñÿ íà îäèíàêîâîì ðàññòîÿíèè îò íàñ. Èíòåðåñíî, ÷òî åñëè ïðîñëåäèòü çà äâèæåíèåì ãàëàêòèê â ïðîøëîå («îáðàòíàÿ ïðîêðóòêà ôèëüìà»), òî îêàçûâàåòñÿ, ÷òî ðàññòîÿíèÿ ìåæäó íèìè áûëè ñîâñåì äðóãèìè — ÷åì äàëüøå â ïðîøëîå, òåì ìåíüøå: òàê áûë îòêðûò çíàìåíèòûé «Áîëüøîé âçðûâ». Çíàÿ ïîñòîÿííóþ Õàááëà, ìîæíî òàêæå óñòàíîâèòü ìîìåíò, êîãäà ýòî ïðîèçîøëî, ò. å. âîçðàñò íàøåé Âñåëåííîé: îí ñîñòàâëÿåò ïðèìåðíî 14 ìëðä. ëåò. Íà ðèñ. 1.13 ïðåäñòàâëåí ãðàôèê, îïóáëèêîâàííûé Õàááëîì â 1929 ã. Âèäíî, ÷òî ðàçáðîñ òî÷åê î÷åíü âåëèê, è êðèòè÷eñêè íàñòðîåííûé ÷åëîâåê âïîëíå ìîã áû óñîìíèòüñÿ â ïðàâîòå àâòîðà. Íåóäèâèòåëüíî, ÷òî êîíñòàíòà, êîòîðàÿ òåïåðü íîñèò åãî èìÿ, îêàçàëàñü äàëåêîé îò äåéñòâèòåëüíîñòè — Í0 = 464 êì/(ñ · Ìïê). Òåì áîëåå, ÷òî ïî ýòîé âåëè÷èíå âîññòàíàâëèâàåòñÿ âðåìÿ æèçíè Âñåëåííîé: ïîëó÷àëîñü 2 ìèëëèàðäà ëåò, íî óæå òîãäà áûëî èçâåñòíî, ÷òî âðåìÿ ñóùåñòâîâàíèÿ Çåìëè ãîðàçäî áîëüøå. Ëåã÷å ïîâåðèòü â òî, ÷òî Âñåëåííàÿ ñòàöèîíàðíà, ÷åì â òî, ÷òî Çåìëÿ ñòàðøå Âñåëåííîé. Âîîáùå-òî Õàááëó ïîâåçëî. Ñâîé çàêîí îí âûâåë èç íàáëþäåíèé ãàëàêòèê, îòñòîÿùèõ îò íàñ íà 1–2 Ìïê. Íî íà òàêèõ ðàññòîÿíèÿõ ãàëàêòèêè îáúåäèíåíû ãðàâèòàöèåé â ñêîïëåíèÿ, è ãîâîðèòü îá èõ ðàçáåãàíèè íåïðàâîìåðíî. Ïîïóòíî îòìå÷ó, ÷òî è Ñîëíå÷íàÿ ñèñòåìà, ðàâíî êàê è íàøà Ãàëàêòèêà, íå ðàñøèðÿþòñÿ, áóäó÷è åäèíûìè, ãðàâèòàöèîííî ñâÿçàííûìè ñèñòåìàìè. Íåóäèâèòåëüíî, ÷òî Õàááë ïîëó÷èë çíà÷åíèå ñâîåé êîíñòàíòû íà ïîðÿäîê áîëüøå ïðàâèëüíîãî, òåì áîëåå, ÷òî â òî âðåìÿ ðàçìåðû Âñåëåííîé ïðåäñòàâëÿëèñü ñèëüíî çàíèæåííûìè. Òàê ÷òî, ãîâîðÿ î çàêîíå Õàááëà, íàäî ïîíèìàòü, ÷òî ðàññòîÿíèÿ, äëÿ êîòîðûõ îí íàäåæíî âûïîëíÿåòñÿ, äîñòàòî÷íî âåëèêè — îò íåñêîëüêèõ ìåãàïàðñåê è áîëåå. Îáû÷íî ïîäðàçóìåâàåòñÿ óñðåäíåííîå äâèæåíèå ñêîïëåíèé ãàëàêòèê íà ðàññòîÿíèÿõ áîëüøå ñîòíè ìåãàïàðñåê. Çàêîí Õàááëà

39

Ðèñ. 1.13. Ãðàôèê, îïóáëèêîâàííûé Õàááëîì â 1929 ã. Ïî îñè àáñöèññ — ðàññòîÿíèå (Ìïê), ïî îñè îðäèíàò — ñêîðîñòü (êì/ñ).

Áîëåå òî÷íûå èçìåðåíèÿ íà ãîðàçäî áî2ëüøèõ ðàññòîÿíèÿõ ïîäòâåðäèëè ðåçóëüòàò Õàááëà. Íà ðèñ. 1.14 ïðåäñòàâëåíû äàííûå ïî ñâåðõíîâûì Ia, ïîëó÷åííûå Ðèñîì, Ïðåññîì è Êèðøíåðîì (Riess, Press, Kirshner) â 1996 ã. Îáðàòèòå âíèìàíèå íà ìàñøòàá ðàññòîÿíèé. Äà è ñêîðîñòè èñòî÷íèêîâ ñâåòà (ôàêòè÷åñêè — ãàëàêòèê) âïå÷àòëÿþò: â 30 òûñÿ÷ ðàç áûñòðåå ïóëè. Èòàê, çàêîí Õàááëà íå óíèâåðñàëåí: îòêëîíåíèÿ îò íåãî çàìåòíû íà ìàëûõ ðàññòîÿíèÿõ, ìåíüøå íåñêîëüêèõ ìåãàïàðñåê; îí âûïîëíÿåòñÿ ëèøü ïðèáëèæåííî òàêæå íà ðàññòîÿíèÿõ ïîðÿäêà ðàçìåðà Âñåëåííîé. Äî ñèõ ïîð ïîíÿòèÿ «ðàññòîÿíèå» è «âðåìÿ» óïîòðåáëÿëèñü â îáùåïðèíÿòîì, èíòóèòèâíî ïîíÿòíîì ñìûñëå. Íî íàø îïûò îñíîâàí íà î÷åíü óçêîì íàáîðå ÿâëåíèé, ñâÿçàííûõ â îñíîâíîì ñ Çåìëåé. Àñòðîôèçèêà æå èìååò äåëî ñ òàêèìè ìàñ-

40

Ãëàâà 1. Èíãðåäèåíòû Âñåëåííîé

Ðèñ. 1.14. Äàííûå ïî ñâåðõíîâûì Ia, ïîëó÷åííûå Ðèñîì, Ïðåññîì è Êèðøíåðîì. Ïî îñè àáñöèññ — ðàññòîÿíèå (Ìïê), ïî îñè îðäèíàò — ñêîðîñòü (êì/ñ).

øòàáàìè, ïðè êîòîðûõ ñóùåñòâåííû ýôôåêòû òåîðèè îòíîñèòåëüíîñòè. Ïîýòîìó íàäî ÷óòü áîëåå òî÷íî îïðåäåëèòü, êàê ìû èçìåðÿåì âðåìÿ è ðàññòîÿíèÿ. Áóäåì ñ÷èòàòü, ÷òî êàæäàÿ ãàëàêòèêà èìååò ñâîè ÷àñû, ïî êîòîðûì è äîëæíî îòñ÷èòûâàòüñÿ âðåìÿ â áëèçëåæàùèõ îáëàñòÿõ ïðîñòðàíñòâà. Êîíå÷íî, â íà÷àëüíûé ìîìåíò îíè áûëè ñèíõðîíèçèðîâàíû. Ñèíõðîíèçèðîâàííîå ïî âñåì ãàëàêòèêàì âðåìÿ íàçûâàåòñÿ êîñìîëîãè÷åñêèì. Êîñìîíàâò, ïðèáûâøèé èç äðóãîãî ñêîïëåíèÿ ãàëàêòèê, äîëæåí áóäåò íåìíîãî «ïîäâåñòè» ñâîè ÷àñû, ÷òîáû íå îïàçäûâàòü íà äåëîâûå âñòðå÷è â äàííîì ñêîïëåíèè. Ñòîèò îòìåòèòü, ÷òî ó ýòîãî îïðåäåëåíèÿ åñòü íåêèé äåôåêò: âåäü ñðàçó ïîñëå Áîëüøîãî âçðûâà ãàëàêòèê åùå íå áûëî — òîãäà ãäå ðàçìåùàòü ÷àñû? Èõ ìîæíî áûëî áû ðàçìåùàòü, íàïðèìåð, â ìåñòàõ ïîâûøåííîé êîíöåíòðàöèè Çàêîí Õàááëà

41

÷àñòèö, íî íàëåò íåîïðåäåëåííîñòè îñòàåòñÿ: âåäü åñëè íå âîçíèêëè äàæå ãàëàêòèêè, òî óæ ÷àñû — òåì áîëåå. Ðàññòîÿíèå äî êàêîé-ëèáî äàëåêîé ãàëàêòèêè — ýòî ïðîñòî ñóììà ðàññòîÿíèé ìåæäó ñîñåäíèìè ãàëàêòèêàìè, èçìåðåííûõ îäíîâðåìåííî (ïî êîñìîëîãè÷åñêîìó âðåìåíè). Äëÿ ýòîãî æèòåëè âñåõ ãàëàêòèê, ðàñïîëîæåííûõ ìåæäó íàøåé è òîé äàëåêîé, äîëæíû, ïðåäâàðèòåëüíî äîãîâîðèâøèñü, èçìåðèòü ðàññòîÿíèå äî ñîñåäíåé ñ íèìè ãàëàêòèêè è ñëîæèòü ðåçóëüòàòû. Èìåííî ýòî ðàññòîÿíèå ôèãóðèðóåò â çàêîíå ðàñøèðåíèÿ Õàááëà, õîòÿ âïîëíå âîçìîæíû è äðóãèå, íå ìåíåå ïîëåçíûå îïðåäåëåíèÿ.  ãëàâå 2 ìû ïîãîâîðèì îá ýòîì ïîäðîáíåå.

Êîìïàêòíûå îáúåêòû1 Çâåçäû

Ñîãëàñíî ñîâðåìåííûì ïðåäñòàâëåíèÿì, çâåçäû îáðàçóþòñÿ èç ïëîòíûõ ãàçîâûõ îáëàêîâ. Òàêîå, áîëåå ïëîòíîå, ÷åì îáû÷íî, îáëàêî ìîæåò áûòü, íàïðèìåð, ðåçóëüòàòîì ñòîëêíîâåíèÿ äâóõ ðàçðåæåííûõ îáëàêîâ ãàçà. Îíè áû è ðàçîøëèñü ñ ìèðîì, íî ãðàâèòàöèîííûå ñèëû óæå íà÷àëè ñâîþ ñîçèäàòåëüíóþ ðàáîòó. Ïîä èõ âîçäåéñòâèåì ÷àñòèöû ãàçà íà÷èíàþò ñîáèðàòüñÿ, öåíòðàëüíàÿ ÷àñòü îáëàêà óïëîòíÿåòñÿ. Ãðàâèòàöèîííîå ïðèòÿæåíèå âîçðàñòàåò. ×òî æå ìîæåò îñòàíîâèòü ýòîò ïðîöåññ? Îêàçûâàåòñÿ, âîçðàñòàåò íå òîëüêî êîíöåíòðàöèÿ ÷àñòèö, íî è èõ ñêîðîñòü, íàïîäîáèå ñêîðîñòè êàìíÿ, ïàäàþùåãî íà çåìëþ ïîä äåéñòâèåì ñèëû ïðèòÿæåíèÿ. Ïîñêîëüêó òåìïåðàòóðà ëþáîãî ãàçà ñâÿçàíà ñ êèíåòè÷åñêîé ýíåðãèåé åãî ÷àñòèö, òî îáëàêî â ðåçóëüòàòå ñæàòèÿ íàãðåâàåòñÿ. Ñîîòâåòñòâåííî, â ýòîì çâåçäíîì êîòëå âîçðàñòàåò è äàâëåíèå. Èìåííî îíî íå ïîçâîëÿåò ãðàâèòàöèîííûì ñèëàì ñæèìàòü ãàç åùå áîëüøå. Îáëàêà ãàçà ñ ìàññîé áîëåå 0,1 ìàññû Ñîëíöà (~1032 ã) ðàçîãðåâàþòñÿ äî âûñîêèõ òåìïåðàòóð, ñâûøå 107 K, ïðè êîòîðûõ âîçìîæíû ÿäåðíûå ðåàêöèè, òî åñòü âçàèìîäåéñòâèå ÿäåð àòîìîâ, â ðåçóëüòàòå êîòîðîãî îäíè ÿäðà ïðåâðàùàþòñÿ â äðóãèå. Ñàìè ÿäðà ïîÿâèëèñü ïîñëå òîãî, êàê àòîìû, èç êîòîðûõ ñîñòî1

Áîëåå ïîäðîáíî ýòà òåìà ðàññìàòðèâàåòñÿ â ãëàâå 3.

42

Ãëàâà 1. Èíãðåäèåíòû Âñåëåííîé

ÿë ãàç, ïîä âîçäåéñòâèåì âûñîêèõ òåìïåðàòóð ðàñïàëèñü íà ýëåêòðîíû è ÿäðà. Òåìïåðàòóðà è, ñëåäîâàòåëüíî, äàâëåíèå âíóòðè çâåçäû ïîääåðæèâàþòñÿ ÿäåðíûìè ðåàêöèÿìè, èãðàþùèìè äâîÿêóþ ðîëü. Îíè, âî-ïåðâûõ, îáîãàùàþò çâåçäó òÿæåëûìè ýëåìåíòàìè. Âî-âòîðûõ, â õîäå ÿäåðíûõ ðåàêöèé âûäåëÿåòñÿ ýíåðãèÿ, ðàçîãðåâàþùàÿ ïëàçìó çâåçäû. Äàâëåíèå è ïëîòíîñòü ïëàçìû âîçðàñòàþò ñ ïðèáëèæåíèåì ê öåíòðó: ñðåäíÿÿ ïëîòíîñòü Ñîëíöà ðàâíà 1,4 ã/ñì3, ò. å. ïðèìåðíî ñîâïàäàåò ñ ïëîòíîñòüþ âîäû, à â öåíòðå ñîñòàâëÿåò óæå 120–160 ã/ñì3. Âðåìÿ æèçíè çâåçäû îïðåäåëÿåòñÿ åå ìàññîé. ×åì áîëüøå ìàññà, òåì âûøå äàâëåíèå, ïëîòíîñòü è òåìïåðàòóðà âíóòðè è òåì ýôôåêòèâíåå ÿäåðíûå ðåàêöèè ñæèãàþò îñíîâíîå òîïëèâî — âîäîðîä. Çíà÷èò, áîëüøèå çâåçäû æèâóò ìåíüøå, íî ÿð÷å. Çíàêîìàÿ êàðòèíà. Îáðàòèòå âíèìàíèå íà òàáëèöó. Ìàññà çâåçäû, M¤

Âðåìÿ æèçíè, ëåò

50 10 1,5 1,0 0,1

3–5 ìèëëèîíîâ 30 ìèëëèîíîâ 3 ìèëëèàðäà 10 ìèëëèàðäîâ 1 òðèëëèîí

Öèôðû, êîíå÷íî, ïðèáëèçèòåëüíûå, íî ëþáîïûòíûå. Âèäíî, ÷òî ìàëåíüêèå çâåçäû, ðàñõîäóþùèå ýíåðãèþ ýêîíîìíî, äåéñòâèòåëüíî æèâóò ãîðàçäî äîëüøå. Êðîìå òîãî, èç ýòîé æå òàáëèöû âèäíî, êàê ñèëüíî íàì ïîâåçëî: áóäü íàøå Ñîëíöå âñåãî â 1,5 ðàçà ìàññèâíåå, îíî óæå äàâíî ïðåêðàòèëî áû ñóùåñòâîâàíèå, è ðàçóì íà Çåìëå íå óñïåë áû âîçíèêíóòü. ×òî æå ïðîèñõîäèò, êîãäà çàïàñû âîäîðîäà (ïðîòîíîâ) â çâåçäå ïîäõîäÿò ê êîíöó? Åñëè åå ìàññà íå î÷åíü âåëèêà, íå áîëåå 4 ñîëíå÷íûõ, òî îíà ïðåâðàùàåòñÿ â áåëûé êàðëèê. Áåëûå êàðëèêè

Èòàê, âîäîðîä èñ÷åðïàëñÿ, òåìï ÿäåðíûõ ðåàêöèé çàìåäëÿåòñÿ, è çâåçäà óæå íå ìîæåò ñîïðîòèâëÿòüñÿ ãðàâèòàöèîííîìó ñæàòèþ. Íà÷èíàåòñÿ íîâûé ýòàï â æèçíè çâåçäû, â ðåçóëüòàòå êîòîðîãî åå ðàçìåðû ñòðåìèòåëüíî óìåíüøàþòñÿ, òåìïåðàòóÊîìïàêòíûå îáúåêòû

43

ðà óâåëè÷èâàåòñÿ, à ÷àñòü ìàññû âûáðàñûâàåòñÿ â êîñìîñ. Ê ýòîìó ìîìåíòó â çâåçäå óæå èìååòñÿ â äîñòàòî÷íîì êîëè÷åñòâå ãåëèé, ïðîäóêò ïðåäûäóùèõ ÿäåðíûõ ïðîöåññîâ ñ ó÷àñòèåì ïðîòîíîâ. Íî òåìïåðàòóðû áåëîãî êàðëèêà, 11–15 òûñ. K, íåäîñòàòî÷íî äëÿ òîãî, ÷òîáû ãåëèé ó÷àñòâîâàë â ÿäåðíûõ ðåàêöèÿõ, âûäåëÿÿ ýíåðãèþ è îñòàíàâëèâàÿ äàëüíåéøåå ñæàòèå. Ïëîòíîñòü ïëàçìû âíóòðè áåëîãî êàðëèêà äîñòèãàåò âåëè÷èí 1010 êã/ì3 — îáðàòèòå âíèìàíèå: 1 ñì3 âåñèò 10 òîíí. ×åëîâåê âåñèë áû òûñÿ÷è òîíí, íàõîäÿñü íà ïîâåðõíîñòè òàêîé çâåçäû. Êàêèå æå ñèëû îñòàíàâëèâàþò ñæàòèå? Ïðè òàêèõ ïëîòíîñòÿõ ýëåêòðîíû îáðàçóþò òàê íàçûâàåìûé âûðîæäåííûé ýëåêòðîííûé ãàç — îñîáîå êâàíòîâîå ñîñòîÿíèå, ïðè êîòîðîì âñå ýëåêòðîíû áåëîãî êàðëèêà «÷óâñòâóþò» äðóã äðóãà è îáðàçóþò åäèíûé êîëëåêòèâ — èìåííî îí è ïðîòèâîñòîèò ãðàâèòàöèîííîìó ñæàòèþ. Ñî âðåìåíåì áåëûé êàðëèê îñòûâàåò àíàëîãè÷íî ðàñêàëåííîìó êóñêó ìåòàëëà, íî î÷åíü ìåäëåííî, ïîñêîëüêó åãî ïîâåðõíîñòü ìàëà. Îñòûâàÿ, îí ïîñòåïåííî ïðåâðàùàåòñÿ â îáúåêò ïîä íàçâàíèåì «êîðè÷íåâûé êàðëèê». Íó à åñëè íà÷àëüíàÿ ìàññà çâåçäû âåëèêà è êîëëåêòèâ ýëåêòðîíîâ íå ñïîñîáåí ïðåïÿòñòâîâàòü äàëüíåéøåìó ñæàòèþ ïîä äåéñòâèåì ãðàâèòàöèîííûõ ñèë? Òîãäà îáðàçóþòñÿ Íåéòðîííûå çâåçäû

 íåéòðîííûõ çâåçäàõ íàñòîëüêî òåñíî, ÷òî ðàññòîÿíèÿ ìåæäó ïðîòîíàìè è áîëåå ñëîæíûìè ÿäðàìè ñðàâíèìû ñ ðàçìåðîì ïðîòîíà. Ýëåêòðîíàì óæå íåãäå ïðîÿâëÿòü ñâîè êîëëåêòèâíûå êà÷åñòâà, è îíè «âäàâëèâàþòñÿ» â ïðîòîíû. Îáðàçîâàâøèåñÿ íåéòðîíû è ñîñòàâëÿþò, êàê íåòðóäíî äîãàäàòüñÿ, îñíîâíîå ñîäåðæèìîå íåéòðîííîé çâåçäû. Ïëîòíîñòü òàêîé ñóáñòàíöèè ñîñòàâëÿåò â ñðåäíåì 1017 êã/ì3. Ìîæíî ñêàçàòü, ÷òî íåéòðîííàÿ çâåçäà — ýòî àòîìíîå ÿäðî áîëüøèõ ðàçìåðîâ, õîòÿ íà ñàìîì äåëå ñîñòîÿíèå âåùåñòâà âíóòðè íåå î÷åíü ñëîæíî. È âñåòàêè óñèëèÿ ó÷åíûõ óæå ïîçâîëÿþò îïèñàòü â îáùèõ ÷åðòàõ âíóòðåííåå ñòðîåíèå íåéòðîííîé çâåçäû. Âíåøíèé ñëîé, ìàãíèòîñôåðà, ñîñòîèò èç ïëàçìû.  ýòîì ñëîå ðåëÿòèâèñòñêèå ÷àñòèöû, ïðèëåòàþùèå èç êîñìîñà, äâè-

44

Ãëàâà 1. Èíãðåäèåíòû Âñåëåííîé

Õàðàêòåðèñòèêè íåêîòîðûõ çâåçä Ïàðàìåòðû Ìàññà, M¤ Ðàäèóñ, R¤ Ñâåòèìîñòü, L¤ Ñðåäíÿÿ ïëîòíîñòü, ã/ñì3 Ïëîòíîñòü â öåíòðå, ã/ñì3 Òåìïåðàòóðà ïîâåðõíîñòè, K

Ñîëíöå

Áåëûé êàðëèê

Íåéòðîííàÿ çâåçäà

1,0 1,0 1,0 1,41 150 5 770

~1 ~0,01 ~0,002 ~106 ~107 ~30 000

~1–2 10 êì ~1014 ~1016 106

ãàþòñÿ ïî ñïèðàëÿì âäîëü ìàãíèòíûõ ñèëîâûõ ëèíèé íåéòðîííîé çâåçäû è èíòåíñèâíî èçëó÷àþò ýëåêòðîìàãíèòíûå âîëíû â ðåíòãåíîâñêîì äèàïàçîíå. Çàòåì èäåò ñëîé âåùåñòâà, ñîñòîÿùèé èç ìåëêèõ êðèñòàëëîâ.  ÿ÷åéêàõ êàæäîãî êðèñòàëëèêà ðàñïîëîæåíû ÿäðà ñ àòîìíûìè ìàññàìè â èíòåðâàëàõ 26–39 è 58–133, à ýëåêòðîíû íàõîäÿòñÿ ìåæäó íèìè. Ïëîòíîñòü â ýòîì ñëîå ðàâíà ïðèìåðíî 3 · 1012 ã/ñì3. Áëèæå ê öåíòðó íàõîäèòñÿ òðåòèé ñëîé, ñîñòîÿùèé èç òÿæåëûõ ÿäåð, íåéòðîíîâ è ýëåêòðîíîâ. Åãî ïëîòíîñòü â 103 ðàç áîëüøå, ÷åì ïëîòíîñòü ñëîÿ íàä íèì.  ñëåäóþùåì, ÷åòâåðòîì, ñëîå ÿäðà ðàñïàäàþòñÿ íà íåéòðîíû (â îñíîâíîì) — ïëþñ íåáîëüøàÿ äîáàâêà ïðîòîíîâ è ýëåêòðîíîâ. Íà êàæäûé ýëåêòðîí è ïðîòîí ïðèõîäèòñÿ ïî 8 íåéòðîíîâ.  ÿäðå çâåçäû ïðîèñõîäÿò ÿäåð íûå ðåàêöèè è ðîæäàþòñÿ ÿäðà âñåõ èçâåñòíûõ ýëåìåíòîâ. Åñëè ìàññà íåéòðîííîé çâåçäû ïðåâûøàåò 3 ñîëíå÷íûõ ìàññû, ãðàâèòàöèîííûå ñèëû ïðåîäîëåâàþò ïîñëåäíèé «ðåäóò îáîðîíû» — ñîñòîÿíèå, â êîòîðîì íàõîäèòñÿ íåéòðîííàÿ çâåçäà, — è ïðîèñõîäèò íåóäåðæèìîå ñæàòèå, ðîæäàåòñÿ ÷åðíàÿ äûðà. ×åðíûå äûðû

Î ÷åðíûõ äûðàõ íàïèñàíî è ïðîäîëæàåò ïèñàòüñÿ ñòîëüêî ñòàòåé, íàó÷íûõ è ïîïóëÿðíûõ, ÷òî êàæåòñÿ — îíè èññëåäîâàíû íå õóæå îáû÷íûõ çâåçä. Äåéñòâèòåëüíî, íà óðîâíå ïîïóëÿðíîãî èçëîæåíèÿ âñå âûãëÿäèò äîâîëüíî ïðîñòî. Èìååì «î÷åíü-î÷åíü ìàññèâíîå» òåëî, ó êîòîðîãî ñèëà ãðàâèòàöèè Êîìïàêòíûå îáúåêòû

45

òàê âåëèêà, ÷òî ñâåò íå ìîæåò âûëåòåòü ñ åãî ïîâåðõíîñòè. Ïîýòîìó îíî, òåëî, è «÷åðíîå». È ëþáûå òåëà, ïîïàâ íà íåãî, ïðîïàäàþò äëÿ íàñ íàâñåãäà. Ïîýòîìó îíî è «äûðà». Áîëåå ïðèñòàëüíûé âçãëÿä ïîêàçûâàåò, ÷òî íå âñå òàê ïðîñòî. Âî-ïåðâûõ, íåò íèêàêîé ïîâåðõíîñòè. È âîîáùå, ÷åðíàÿ äûðà — ïóñòàÿ âïëîòü äî ñàìîãî öåíòðà, ãäå âåùåñòâî èìååò ïðåäåëüíî äîïóñòèìóþ ïëîòíîñòü 1093 ã/ñì3 (ïëàíêîâñêàÿ ïëîòíîñòü). Ýòî îçíà÷àåò, ÷òî, íàïðèìåð, ìàññà ÷åðíîé äûðû â 10 M¤ ñîñðåäîòî÷åíà â îáúåìå 10–59 ñì3. Ðàçìåð ÷åðíîé äûðû îïðåäåëÿåòñÿ ñîâåðøåííî äðóãîé âåëè÷èíîé — ãðàâèòàöèîííûì ðàäèóñîì, êîòîðûé âèçóàëüíî íè÷åì â ïðîñòðàíñòâå íå âûäåëåí. Ïóòåøåñòâåííèê ïðè ïåðåñå÷åíèè ãðàâèòàöèîííîãî ðàäèóñà íå çàìåòèò íè÷åãî îñîáåííîãî. Íî ïîñëå ýòîãî îí óæå íèêîèì îáðàçîì íå ñìîæåò âûáðàòüñÿ íàðóæó è îáðå÷åí, ïîïàâ â öåíòð ÷åðíîé äûðû, óâåëè÷èòü ñîáîé åå ìàññó (êèëîãðàììîâ íà ñåìüäåñÿò). Êàçàëîñü áû, ÷åðíûå äûðû ñïîñîáíû òîëüêî ïîòðåáëÿòü, íè÷åãî íå îòäàâàÿ âçàìåí. Íî è ýòî íå òàê! Ñòèâåí Õîêèíã òåîðåòè÷åñêè ïðåäñêàçàë, ÷òî åñëè ó÷åñòü çàêîíû êâàíòîâîé ìåõàíèêè, òî îêàçûâàåòñÿ, ÷òî ÷åðíûå äûðû ñïîñîáíû èçëó÷àòü. Ïðàâäà, ýòî èçëó÷åíèå î÷åíü ñëàáî. Áîëåå òîãî, ÷åì áîëüøå ìàññà ÷åðíîé äûðû, òåì ìåíüøå ýíåðãèè îíà îòäàåò â îêðóæàþùåå ïðîñòðàíñòâî. È òåì íå ìåíåå ìíîãèå èç íèõ ÿðêî ñâåòÿòñÿ, ÿð÷å ìèëëèàðäîâ ñîëíö. ×åðíûå äûðû — ñàìûå ÿðêèå îáúåêòû âî Âñåëåííîé. Ïðîèñõîäèò ýòî ïîòîìó, ÷òî îêðóæàþùèå ÷åðíóþ äûðó ÷àñòèöû ïàäàþò íà íåå ñ êîëîññàëüíûì óñêîðåíèåì, èçëó÷àÿ ôîòîíû. Îòñòóïëåíèå. Èñïóñêàíèå ôîòîíîâ äâèæóùèìèñÿ ÷àñòèöàìè

Îáùåïðèíÿòà òî÷êà çðåíèÿ, ñîãëàñíî êîòîðîé ôîòîíû, ïðèëåòàþùèå ê íàì èç êîñìîñà, îáðàçóþòñÿ ïðè óñêîðåíèè çàðÿæåííûõ ÷àñòèö è èõ ñòîëêíîâåíèè äðóã ñ äðóãîì. Ìîæíî ëè ïîíÿòü, ïî÷åìó óñêîðÿþùèåñÿ ÷àñòèöû èçëó÷àþò ôîòîíû? Êîíå÷íî, ñòðîãîå äîêàçàòåëüñòâî îñíîâûâàåòñÿ íà óðàâíåíèÿõ Ìàêñâåëëà. Çäåñü æå ìû ïðîâåäåì àíàëîãèþ, êîòîðàÿ ïîçâîëèò õîòÿ áû äàòü íàãëÿäíóþ êàðòèíó ýòîãî ïðîöåññà. Ïóñòü èìååòñÿ êîñìè÷åñêèé êîðàáëü ñ î÷åíü áîëüøèì ýêèïàæåì. Êîñìîíàâòû íåïðåðûâíî ïîêèäàþò êîðàáëü è âîçâðàùàþòñÿ.

46

Ãëàâà 1. Èíãðåäèåíòû Âñåëåííîé

×òî ïðîèçîéäåò, åñëè êîðàáëü âäðóã íà÷íåò äâèãàòüñÿ ñ âîçðàñòàþùèì óñêîðåíèåì? ×àñòü êîñìîíàâòîâ îòñòàíåò îò êîðàáëÿ. Î÷åâèäíî, ÷òî ÷åì áîëüøå åãî óñêîðåíèå, òåì áîëüøåå êîëè÷åñòâî ÷ëåíîâ ýêèïàæà áóäåò ïîòåðÿíî.

Ýëåìåíòàðíûå ÷àñòèöû îêðóæåíû îáëàêàìè ôîòîíîâ, êîòîðûå íåïðåðûâíî èçëó÷àþòñÿ è çàòåì ïîãëîùàþòñÿ ýòèìè ÷àñòèöàìè. Ïðè óñêîðåíèè ÷àñòèöû-«êîðàáëÿ» íåêîòîðûå ôîòîíû-«êîñìîíàâòû» íå óñïåâàþò ïåðåñòðîèòüñÿ è îòäåëÿþòñÿ îò íåå. Äàëåå îíè ëåòÿò ñàìîñòîÿòåëüíî, è èìåííî èõ ìû âîñïðèíèìàåì êàê èçëó÷åíèå. Åñëè ÷àñòèöà äâèæåòñÿ ñ áî2ëüøèì óñêîðåíèåì, òî óæå áîëåå ýíåðãè÷íûå ôîòîíû íå óñïåâàþò âåðíóòüñÿ îáðàòíî. Íåêîòîðûå èç íèõ ñëó÷àéíî ëåòÿò â íàøó ñòîðîíó, è ìû íàáëþäàåì áîëåå æåñòêîå (êîðîòêîâîëíîâîå) èçëó÷åíèå.

Èòàê, ÷àñòèöû èç êîñìîñà, ïàäàÿ íà ÷åðíóþ äûðó è ñòàëêèâàÿñü, óñêîðÿþòñÿ è èçëó÷àþò ñâåò, âèäèìûé ñ Çåìëè. Êîìïàêòíûå îáúåêòû

47

Âäîáàâîê êî âñåìó, òåîðåòèêè ïðåäñêàçûâàþò, ÷òî íåêîòîðûå ÷åðíûå äûðû ìîãóò íå áûòü ïóñòûìè.  îòëè÷èå îò îáû÷íûõ ÷åðíûõ äûð, â êîòîðûõ âåùåñòâî ñîñðåäîòî÷åíî â öåíòðå, âíóòðè íåñòàíäàðòíûõ ÷åðíûõ äûð èìååòñÿ ïîëå, ðàâíîìåðíî ðàñïðåäåëåííîå ïî èõ âíóòðåííåìó ïðîñòðàíñòâó. Òàê ÷òî ÷åðíûå äûðû — èñòî÷íèê âàæíåéøåé èíôîðìàöèè è ñïîðîâ — áóäóò åùå äîëãî ñíàáæàòü íàñ óâëåêàòåëüíûìè ñþæåòàìè. Òåïåðü ïîçíàêîìèìñÿ êðàòêî ñ åùå îäíèì îáúåêòîì âî Âñåëåííîé, ñóùåñòâîâàíèå êîòîðîãî òâåðäî óñòàíîâëåíî. Êâàçàðû

Êàê ÿ óæå ïèñàë, ÷åðíûå äûðû ñïîñîáíû óñêîðÿòü îêðóæàþùèå ÷àñòèöû ñâîèì ãðàâèòàöèîííûì ïîëåì. Òàêàÿ ÷àñòèöà èçëó÷àåò ýëåêòðîìàãíèòíûå âîëíû, êîòîðûå è âûäàþò ìåñòîïîëîæåíèå ÷åðíîé äûðû. ßñíî, ÷òî ÷åì ìàññèâíåå ÷åðíàÿ äûðà è ÷åì áîëüøå âîêðóã íåå ÷àñòèö, òåì áîëåå ÿðêî áóäåò ñâåòèòüñÿ îêðóæàþùàÿ îáëàñòü. Òàê âîò, â öåíòðàõ ïðàêòè÷åñêè âñåõ ãàëàêòèê íàõîäÿòñÿ ñâåðõìàññèâíûå ÷åðíûå äûðû ñ ìàññàìè â èíòåðâàëå 106–109 ñîëíå÷íûõ ìàññ! Åñëè âäîáàâîê âîêðóã íèõ ìíîãî âåùåñòâà, òî èçëó÷åíèå ýëåêòðîìàãíèòíûõ âîëí ñòàíîâèòñÿ íåâåðîÿòíî èíòåíñèâíûì. Òàêèå îáúåêòû âèäíû íà ðàññòîÿíèè ìèëëèàðäîâ ñâåòîâûõ ëåò; îíè íàçûâàþòñÿ êâàçàðàìè. Èòàê, ìû ïîçíàêîìèëèñü ñ ãëàâíûìè, íî, êîíå÷íî, äàëåêî íå âñåìè äåéñòâóþùèìè ëèöàìè ãðàíäèîçíîãî ñïåêòàêëÿ ïîä íàçâàíèåì «Âñåëåííàÿ». Îñòàëèñü ìàëîçàìåòíûå «äåòàëè». È êàê ÷àñòî áûâàëî â ôèçèêå, èìåííî ýòè ìåëêèå øåðîõîâàòîñòè ïðèâîäÿò ê íàèáîëåå çíà÷èìûì ôèçè÷åñêèì òåîðèÿì.

Ñêðûòàÿ ìàññà (òåìíàÿ ìàòåðèÿ)  ñåðåäèíå ïðîøëîãî âåêà ñòàëî ïîíÿòíî, ÷òî âñÿ âèäèìàÿ, äèíaìè÷íî ðàçâèâàþùàÿñÿ çâåçäíàÿ ñòðóêòóðà ñîñòàâëÿåò ëèøü ìàëóþ äîëþ ìàññû âåùåñòâà Âñåëåííîé. Îáðàòèìñÿ æå ê îäíîìó èç äåéñòâèòåëüíî ãëàâíûõ äåéñòâóþùèõ ëèö — ñêðûòîé ìàññå. Îíà íå àôèøèðóåò ñâîåãî ïðèñóòñòâèÿ, íî âëèÿíèå åå òðóäíî ïåðåîöåíèòü. Çàãàäêà ñêðûòîé ìàññû âîëíóåò óìû ó÷åíûõ óæå íå îäèí äåñÿòîê ëåò. Âñå íà÷àëîñü ñ òîãî, ÷òî â 1933 ã. øâåéöàðñêèé

48

Ãëàâà 1. Èíãðåäèåíòû Âñåëåííîé

àñòðîíîì Ôðèö Öâèêêè (Zwicky) îïðåäåëèë ïîëíóþ ìàññó ãðóïïû ãàëàêòèê, èçìåðÿÿ èõ ñâåòèìîñòü. Ïðîùå ãîâîðÿ, îí ïîäñ÷èòàë êîëè÷åñòâî çâåçä â ýòîé ãðóïïå è óìíîæèë ýòî ÷èñëî íà ñðåäíþþ ìàññó çâåçäû. Êàçàëîñü áû, íàäåæíûé ìåòîä, îäíàêî äðóãîé ñïîñîá, îñíîâàííûé íà çàêîíå âñåìèðíîãî òÿãîòåíèÿ Íüþòîíà è èçìåðåíèè ñêîðîñòåé çâåçä, äàâàë ãîðàçäî áî2ëüøóþ âåëè÷èíó ìàññû! Ýòîò ôàêò â òî âðåìÿ íå âûçâàë îñîáîãî èíòåðåñà, è òîëüêî ÷åðåç ÷åòûðå äåñÿòêà ëåò ó÷åíûå ïîíÿëè âñþ åãî âàæíîñòü. Ñåãîäíÿ ñêðûòàÿ ìàññà ÿâëÿåòñÿ íåïðåìåííûì àòðèáóòîì âñåõ êîñìîëîãè÷åñêèõ ìîäåëåé ýâîëþöèè Âñåëåííîé. Äî ñèõ ïîð íå ÿñíî, ÷òî æå èìåííî íàõîäèòñÿ â ìåæçâåçäíîì ïðîñòðàíñòâå, õîòÿ ìàññà ýòîãî «÷åãî-òî» ïðèìåðíî â ïÿòü ðàç áîëüøå ñóììàðíîé ìàññû âñåõ çâåçä. Ýòî óäèâèòåëüíîå è ñòðàííîå ÿâëåíèå ïîêàçûâàåò, ÷òî ìû åùå äàëåêî íå âñå çíàåì îá îêðóæàþùåì ìèðå. Ðåøåíèå çàãàäêè ñêðûòîé ìàññû, íåñîìíåííî, áóäåò êðóïíåéøèì îòêðûòèåì, êîòîðîå ìîæåò ïðîèçîéòè â ëþáîé ìîìåíò. Åäèíñòâåííîå, ÷òî âûäàåò ñåãîäíÿ ñêðûòóþ ìàññó, — ãðàâèòàöèÿ. Èìåííî ãðàâèòàöèîííîå ïîëå ñêðûòîé ìàññû, âëèÿÿ íà äâèæåíèå çâåçä â ãàëàêòèêàõ, ïîçâîëÿåò îïðåäåëèòü åå äîëþ â âåùåñòâå, çàïîëíÿþùåì êîñìîñ. Êñòàòè, î íàçâàíèè. Àíãëèéñêîå íàçâàíèå ýòîãî ÿâëåíèÿ — dark matter, — êîòîðîå â ïåðåâîäå îçíà÷àåò «òåìíàÿ ìàòåðèÿ», íå î÷åíü óäà÷íî. Åñëè áû ýòà ìàòåðèÿ áûëà äåéñòâèòåëüíî «òåìíîé», òî îíà áû íå ïðîïóñêàëà ñâåò îò çâåçä. Ãðóñòíîå çðåëèùå ïðåäñòàâëÿëî áû íàøå íåáî, îñîáåííî äëÿ àñòðîëîãîâ. Ê ñ÷àñòüþ, ýòà ìàòåðèÿ, êàê ðàç íàîáîðîò, àáñîëþòíî ïðîçðà÷íà äëÿ ñâåòà. Ïîýòîìó íàçâàíèå «ñêðûòàÿ ìàññà» ïðåäñòàâëÿåòñÿ áîëåå êîððåêòíûì. Ñåé÷àñ óæå ïîíÿòíî, ÷òî îáû÷íîé ìàòåðèè, èç êîòîðîé ñîñòîÿò çâåçäû è ìåæçâåçäíûé ãàç, âî Âñåëåííîé âñåãî îêîëî 4%; 25% ïðèõîäèòñÿ íà ñêðûòóþ ìàññó è îñòàëüíûå ïðèìåðíî 71% — íà òåìíóþ ýíåðãèþ, î êîòîðîé ìû ïîãîâîðèì íèæå. Î ñîñòàâå ñêðûòîé ìàññû ìíåíèÿ ðàçäåëèëèñü. Íåêîòîðûå ó÷åíûå äóìàþò, ÷òî ñêðûòàÿ ìàññà ñîñòîèò èç ìàññèâíûõ îáúåêòîâ, íàïðèìåð ÷åðíûõ äûð èëè êîðè÷íåâûõ êàðëèêîâ ñ ìàññîé, íå ïðåâûøàþùåé ìàññó Ñîëíöà. Òàêèå îáúåêòû òðóäíî Ñêðûòàÿ ìàññà (òåìíàÿ ìàòåðèÿ)

49

îáíàðóæèòü, äàæå åñëè èõ îòíîñèòåëüíî ìíîãî â íàøåé Ãàëàê òèêå. Äðóãèå ó÷åíûå ïðåäïîëàãàþò, ÷òî ñêðûòàÿ ìàññà — ýòî ìàññèâíûå ÷àñòèöû íåèçâåñòíîãî òèïà, ïðàêòè÷åñêè íå âçàèìîäåéñòâóþùèå ñ îáû÷íûìè ïðîòîíàìè, ýëåêòðîíàìè, ôîòîíàìè è ò. ä. Íó à ðàç îíè íå âçàèìîäåéñòâóþò, òî íå óñêîðÿþò ñÿ è íå èçëó÷àþò ñâåòà, è, ñëåäîâàòåëüíî, íå âèäíû ñ Çåìëè. Ïîèñêè ñêðûòîé ìàññû

Ïðåæäå âñåãî íàäî îïðåäåëèòüñÿ c âîïðîñîì, ãäå è ÷òî èñêàòü. «×òî» èñêàòü, áîëåå èëè ìåíåå ïîíÿòíî — íåêóþ ìàòåðèþ, êîòîðàÿ âûäàåò ñåáÿ òîëüêî ñâîåé ãðàâèòàöèåé. À âîò ãäå åå èñêàòü è êàêèå ïðîñòðàíñòâåííûå îáëàñòè îíà çàíèìàåò — íå òàê î÷åâèäíî. Êàê îíà ðàñïðåäåëåíà ïî Âñåëåííîé? Ðàñïîëîæåíà ëè â ãàëàêòèêàõ èëè ðàâíîìåðíî ðàçáðîñàíà ïî âñåìó ïðîñòðàíñòâó? Äîëþ ñêðûòîé ìàññû â ãàëàêòèêå ìîæíî îïðåäåëèòü ïî ïîâåäåíèþ ñâåòÿùåéñÿ ìàòåðèè — çâåçä. Èìåííî ñêðûòàÿ ìàññà äèêòóåò âèäèìîé ìàòåðèè ïðàâèëà èãðû, à íå íàîáîðîò. Ýòî è ïîíÿòíî: åå íàìíîãî áîëüøå, à êòî áîëüøå, òîò è ïðàâ, êàê îáû÷íî. Ñêðûòàÿ ìàññà ñïîñîáíà êîíöåíòðèðîâàòüñÿ è òàì, ãäå âèäèìàÿ ìàòåðèÿ îòñóòñòâóåò. Óäèâèòåëüíî, íî è ýòó ÷àñòü ñêðûòîé ìàññû óäàëîñü îïðåäåëèòü. Î òîì, êàê ýòî áûëî ñäåëàíî, — ÷óòü ïîçæå. Èíòåðåñíî ñðàâíèòü ïîëíóþ ìàññó âî Âñåëåííîé è ìàññó åå âèäèìîé ÷àñòè, â îñíîâíîì çâåçä. Äèàìåòð âèäèìîé ÷àñòè Âñåëåííîé ñîñòàâëÿåò ïðèìåðíî 3 · 1028 ñì (~ 6 000 Ìïê, èëè 10 ìëðä. ñâåòîâûõ ëåò). Áîëüøàÿ ÷àñòü âèäèìîé ìàòåðèè óæå ñîáðàëàñü â ãàëàêòèêè, è, ÷òîáû îïðåäåëèòü ìàññó Âñåëåííîé, íàäî «âñåãî ëèøü» èçìåðèòü ìàññû âñåõ ãàëàêòèê, êîòîðûõ ïðèáëèçèòåëüíî 1011 øòóê è â êàæäîé ñâåðêàåò ïî íåñêîëüêî äåñÿòêîâ ìèëëèàðäîâ çâåçä. Áóäåì ñ÷èòàòü, ÷òî Ñîëíöå — õàðàêòåðíûé ïðåäñòàâèòåëü îáúåêòîâ òàêîãî òèïà. Åñòü ìåíåå ìàññèâíûå çâåçäû, åñòü è áîëåå ìàññèâíûå. Äëÿ îöåíêè áóäåì ñ÷èòàòü, ÷òî ñðåäíÿÿ ìàññà çâåçä ñîâïàäàåò ñ ìàññîé Ñîëíöà, à ýòî ïðèìåðíî 2 · 1030 êã.  ðåçóëüòàòå ïîëó÷àåì ïðèìåðíî 1052 êã: òàêîâà ìàññà âñåõ çâåçä â âèäèìîé ÷àñòè Âñåëåííîé. Íî ìàññà òåìíîé ìàòåðèè ðàç â 5 áîëüøå.

50

Ãëàâà 1. Èíãðåäèåíòû Âñåëåííîé

Òàêèì îáðàçîì, â ïðîñòðàíñòâå íàøåé Âñåëåííîé íàõîäèòñÿ îêîëî 1053 êã ìàòåðèè íåèçâåñòíîãî ïðîèñõîæäåíèÿ. Òàêàÿ ñèòóàöèÿ âîñïðèíèìàåòñÿ êàê âûçîâ ó÷åíûì, è ìíîãèå èç íèõ ðàáîòàþò íàä ðåøåíèåì ýòîé ïðîáëåìû. Ñïîñîáû ïîèñêà íåâèäèìîê îñíîâàíû íà õîðîøî èçâåñòíûõ ôèçè÷åñêèõ çàêîíàõ. Ýôôåêò ëèíçèðîâàíèÿ

Îêàçàëîñü, ÷òî ñêðûòàÿ ìàññà îáðàçóåò ñâîè ñîáñòâåííûå «îáëàêà-ãàëàêòèêè», êîòîðûå íè÷åãî äðóãîãî íå ñîäåðæàò. Êàê æå ìîæíî äîêàçàòü èõ ñóùåñòâîâàíèå?  îáû÷íûõ ãàëàêòèêàõ íàì ïîìîãàþò çâåçäû, ñâîèì ïîâåäåíèåì âûäàþùèå ïðèñóòñòâèå ñêðûòîé ìàññû. ×òî æå äåëàòü, åñëè â èíòåðåñóþùåé íàñ îáëàñòè ïðîñòðàíñòâà çâåçäû îòñóòñòâóþò? Ó÷åíûå âñïîìíèëè î ýôôåêòå ìèêðîëèíçèðîâàíèÿ. Ðàç ñêðûòàÿ ìàññà ñîçäàåò ãðàâèòàöèîííîå ïîëå, ýòî ïîëå äîëæíî âëèÿòü íà äâèæåíèå âñåõ îáúåêòîâ, îáëàäàþùèõ ýíåðãèåé. Ïîýòîìó ãðàâèòàöèîííîå ïîëå ñêðûòîé ìàññû èñêàæàåò òðàåêòîðèþ äâèæåíèÿ ñâåòà îò äàëåêèõ èñòî÷íèêîâ. Ãàëàêòèêè äîëæíû âûãëÿäåòü íåñêîëüêî èñêðèâëåííûìè, êàê ëèöî ÷åëîâåêà â ñëåãêà êðèâîì çåðêàëå. Ýôôåêò ëèíçèðîâàíèÿ ñîçäàåò ëîæíûå èçîáðàæåíèÿ è ïðåäñòàâëÿåò èõ â èñêàæåííîì âèäå. Åñëè ãðàâèòèðóþùàÿ ìàññà òåìíîãî îáúåêòà, îêàçàâøåãîñÿ íà ïóòè ëó÷à, ìàëà, òî îòêëîíåíèå ñëèøêîì íåçíà÷èòåëüíî, ÷òîáû ðàçëè÷èòü îòäåëüíûå ëîæíûå èçîáðàæåíèÿ.  ýòîì ñëó÷àå äåòåêòîð ðåãèñòðèðóåò íåáîëüøîé êðàòêîâðåìåííûé âñïëåñê. Èçó÷åíèå òàêèõ âñïëåñêîâ è èõ ñòàòèñòèêè ïðåäñòàâëÿåò ñîáîé îòäåëüíîå íàïðàâëåíèå èññëåäîâàíèé òåìíûõ îáúåêòîâ. Îäíèì èç ïðåïÿòñòâèé äëÿ ïîëó÷åíèÿ íàäåæíûõ ðåçóëüòaòîâ ïî ëèíçèðîâàíèþ áûëî òî, ÷òî èçîáðàæåíèå ãàëàêòèêè

Ðèñ. 1.15. Ýôôåêò ëèíçèðîâàíèÿ. Ñêðûòàÿ ìàññà (òåìíàÿ ìàòåðèÿ)

51

Ðèñ. 1.16. Ýôôåêò ëèíçèðîâàíèÿ ñîçäàåò ëîæíûå èçîáðàæåíèÿ è ïðåäñòàâëÿåò èõ â èñêàæåííîì âèäå. Èñòî÷íèê ñâåòà S â âèäå ìàëåíüêîãî êðóæêà, íàïðèìåð çâåçäà, èñêàæàåòñÿ ëîêàëüíûì òåìíûì ãðàâèòèðóþùèì îáúåêòîì D. Íàáëþäàòåëü âèäèò äâà «ëóííûõ ñåðïà» âìåñòî çâåçäû. Ôîðìà ñåðïîâ çàâèñèò îò òîãî, íàñêîëüêî îáúåêò D ñìåùåí ñ ïðÿìîé, ñîåäèíÿþùåé èñòî÷íèê ñâåòà è íàáëþäàòåëÿ. Ðèñóíîê èç ñòàòüè [18] .

èçìeíÿåòñÿ íå òîëüêî èç-çà âëèÿíèÿ ñêðûòîé ìàññû, íî è ïðè ïðîõîæäåíèè ëó÷åé ÷åðåç àòìîñôåðó Çåìëè. Äà è ñàìè îïòè ÷åñêèå ïðèáîðû âíîñÿò íåáîëüøèå èñêàæåíèÿ. Ýòîé ïðîáëåìîé çàíÿëèñü Äýâèä Âèòòìàí (David Wittman), Ýíòîíè Òàéñîí (Anthony Tyson) è Äýâèä Êèðêìàí (David Kirkman) èç ëàáîðàòîðèè Áåëë, ßí Äåëë’Àíòîíèî (Ian Dell’Antonio) èç Íàöèîíàëüíîé îïòè÷åñêîé àñòðîíîìè÷åñêîé îáñåðâàòîðèè è Óíèâåðñèòåòà Áðàóíà è Ãýðè Áåðíñòàéí (Gary Bernstein) èç Ìè÷èãàíñêîãî óíèâåðñèòåòà, èñïîëüçîâàâøèå 4-ìåòðîâûé òåëåñêîï Blanco (×èëè). È âûõîä áûë íàéäåí. Èçîáðàæåíèÿ áëèæàéøèõ çâåçä èçìåíÿþòñÿ àòìîñôåðîé è ïðèáîðàìè òî÷íî òàê æå, êàê è äàëåêèõ ãàëàêòèê, à âëèÿíèþ óäàëåííîé ñêðûòîé ìàññîé îíè íå ïîäâåðæåíû. Íà îñíîâå ñîâìåñòíûõ èçìåðåíèé áëèçêèõ çâåçä è äàëåêèõ ãàëàêòèê ó÷åíûå íàøëè ñïîñîá âûäåëÿòü íóæíóþ èíôîðìàöèþ èç âñåé ïîñòóïàþùåé è ïîëó÷àòü æåëàåìûé ðåçóëüòàò. Áûëè ïðîàíàëèçèðîâàíû èçîáðàæåíèÿ 145 000 î÷åíü äàëåêèõ ãàëàêòèê, ÷òîáû íàéòè èñêàæåíèÿ, ñîçäàâàåìûå ñêðûòîé ìàññîé. Ïî íèì áûëî âîññòàíîâëåíî ðàñïîëîæåíèå ñêðûòîé ìàññû íà áîëüøèõ ìåæãàëàêòè÷åñêèõ ìàñøòàáàõ.

52

Ãëàâà 1. Èíãðåäèåíòû Âñåëåííîé

Ýôôåêò Äîïëåðà Ýòîò ýôôåêò óæå îáúÿñíÿëñÿ âûøå. Íàïîìíþ ëèøü, ÷òî åñëè èñòî÷íèê ïðèáëèæàåòñÿ ê íàì, òî ìû âîñïðèíèìàåì ñâåò «áîëåå ãîëóáûì», ÷åì åñëè áû èñòî÷íèê ïîêîèëñÿ, åñëè æå îí óäàëÿåòñÿ — òî «áîëåå êðàñíûì». ×åì áîëüøå ñêîðîñòü, òåì áîëüøå ýôôåêò äîïëåðîâñêîãî ñäâèãà. Èññëåäóÿ ñïåêòðû çâåçä, ó÷åíûå îïðåäåëÿþò èõ ñêîðîñòè è íå òîëüêî ñóäÿò îá èõ äâèæåíèè âíóòðè ãàëàêòèêè, íî è àíàëèçèðóþò ïåðåìåùåíèÿ ãàëàêòèê âíóòðè ñêîïëåíèé. Íàïðèìåð, åñëè èçìåðåíèÿ ïîêàçûâàþò, ÷òî ñâåò îò îäíîãî êðàÿ êàêîé-ëèáî ãàëàêòèêè êðàñíåå, à îò äðóãîãî — ãîëóáåå, òî åäèíñòâåííîå ðàçóìíîå îáúÿñíåíèå ýòîãî — âðàùåíèå ãàëàêòèêè. Äåòàëüíûé àíàëèç ïîçâîëÿåò âû÷èñëèòü ñêîðîñòü îáúåêòà íà îñíîâå ýôôåêòà Äîïëåðà. Ïðè âíèìàòåëüíîì èçó÷åíèè âðàùåíèÿ ãàëàêòèê áûëà îáíàðóæåíà îäíà ñòðàííîñòü. Ñêîðîñòè äâèæåíèÿ çâåçä îêàçàëèñü ñëèøêîì áîëüøèìè! Ïðè òàêîé ñêîðîñòè îíè äîëæíû áûëè áû äàâíî ïîêèíóòü ãàëàêòèêó, ïîñêîëüêó ñóììàðíàÿ ãðàâèòàöèîííàÿ ñèëà âñåõ çâåçä, êàê ïîêàçûâàëè ðàñ÷åòû, áûëà íå ñïîñîáíà èõ óäåðæàòü. Åäèíñòâåííûì îáúÿñíåíèåì áûëî ïðåäïîëîæåíèå î ñóùåñòâîâàíèè íåêîåé íåâèäèìîé ìàòåðèè — ñêðûòîé ìàññû, êîòîðàÿ ñâîèì ãðàâèòàöèîííûì ïîëåì ïîìîãàëà óäåðæèâàòü çâåçäû îò ðàçëåòà. Ãîðÿ÷èå ãàçîâûå îáëàêà

Ñóùåñòâîâàíèå íåêîòîðûõ ãàçîâûõ îáëàêîâ, òàêèõ, íàïðèìåð, êàê íà ðèñ. 1.17, ìîæíî îáúÿñíèòü òîëüêî íàëè÷èåì ñêðûòîé ìàññû. Äåéñòâèòåëüíî, òåìïåðàòóðà ãàçà â îáëàêå îïðåäåëÿåòñÿ ïî ñïåêòðó åãî ýëåêòðîìàãíèòíîãî èçëó÷åíèÿ. Ðèñ. 1.17. Îáëàêî ãàçà íå ðàññåèâàåòñÿ òîëüêî èç-çà ãðàâèòàöèîííûõ ñèë ñêðûòîé ìàññû. Ñêðûòàÿ ìàññà (òåìíàÿ ìàòåðèÿ)

53

Ñ äðóãîé ñòîðîíû, êèíåòè÷åñêàÿ ýíåðãèÿ ìîëåêóë, à çíà÷èò, è ñêîðîñòü îäíîçíà÷íî ñâÿçàíû ñ òåìïåðàòóðîé: mv 2 3 = e = T. 2 2

Ñëåäîâàòåëüíî, ïðîàíàëèçèðîâàâ ñïåêòðàëüíûé ñîñòàâ èçëó÷åíèÿ îáëàêà, ìîæíî îïðåäåëèòü ñêîðîñòü ìîëåêóë ãàçà. Îêàçàëîñü, ÷òî îíà ñëèøêîì âûñîêà, ÷òîáû ãðàâèòàöèîííûå ñèëû âñåõ ìîëåêóë ìîãëè óäåðæàòü îáëàêî îò ðàçëåòà. Íåîáõîäèì äîïîëíèòåëüíûé èñòî÷íèê ãðàâèòàöèè — ñêðûòàÿ ìàññà. Íîñèòåëè ñêðûòîé ìàññû

Ñîâðåìåííàÿ íàóêà íàñòîëüêî ñëîæíà è ðàçðàáîòàíà, ÷òî áåññèñòåìíûå ïîèñêè «÷åãî-íèáóäü íîâåíüêîãî» çàâåäîìî îáðå÷åíû íà íåóäà÷ó. ×òîáû äîáèòüñÿ óñïåõà, íóæíî èìåòü õîòü êàêîå-òî ïðåäñòàâëåíèå î òîì, ÷òî èùåøü, íåîáõîäèìà òåîðåòè÷åñêàÿ ìîäåëü, ïðàâèëüíîñòü êîòîðîé è ïðîâåðÿåòñÿ ýêñïåðèìåíòàëüíî. Ïðåäïîëàãàåìûõ êàíäèäàòîâ íà ñêðûòóþ ìàññó íå òàê óæ ìàëî, íî èõ ìîæíî ðàçäåëèòü íà äâå îñíîâíûå êàòåãîðèè: àñòðîíîìè÷åñêèå îáúåêòû (MACHOs — Massive Astrophysical Compact Halo Objects — «ìàññèâíûå àñòðîôèçè÷åñêèå êîìïàêòíûå îáúåêòû â ãàëî Ãàëàêòèêè») è ýëåìåíòàðíûå ÷àñòèöû (WIMPs — Weakly Interacting Massive Particles — «ñëàáî âçàèìîäåéñòâóþùèå ìàññèâíûå ÷àñòèöû»). MACHOs — ýòî äåéñòâèòåëüíî ìàññèâíûå îáúåêòû, ñîñòîÿùèå èç îáû÷íûõ ýëåìåíòàðíûõ ÷àñòèö. WIMPs — ãèïîòåòè÷åñêèå ÷àñòèöû, êîòîðûå ïðàêòè÷åñêè íå âçàèìîäåéñòâóþò ñ ïðèâû÷íîé íàì ìàòåðèåé. Àñòðîíîìàì áëèçêà èäåÿ MACHOs, â òî âðåìÿ êàê ôèçèêàì, çàíèìàþùèìñÿ ìèêðîìèðîì, áîëüøå íðàâèòñÿ èäåÿ WIMPs, ÷òî åñòåñòâåííî. Ðàññìîòðèì áîëåå äåòàëüíî ýòè äâà îñíîâíûõ êëàññà. Ðàçíîîáðàçèå MACHOs

Ýòè ìàññèâíûå îáúåêòû ïðàêòè÷åñêè íå äîëæíû ñâåòèòüñÿ.  ïðîòèâíîì ñëó÷àå èõ áû äàâíî óâèäåëè. Êàíäèäàòàìè íà ðîëü MACHOs ÿâëÿþòñÿ ÷åðíûå äûðû, ñòàðûå íåéòðîííûå

54

Ãëàâà 1. Èíãðåäèåíòû Âñåëåííîé

çâåçäû, êîðè÷íåâûå (òåìíûå) êàðëèêè (brown dwarfs) è, âîçìîæíî, áåëûå êàðëèêè. ×åðíûå äûðû — äîñòîéíûé êàíäèäàò. Èõ ñóùåñòâîâàíèå ïðåäñêàçûâàåòñÿ òåîðèåé, è íåêîòîðûå èç íèõ óæå îáíàðóæåíû. Íåêîòîðàÿ îñòîðîæíîñòü òåì íå ìåíåå íåîáõîäèìà. Âîïåðâûõ, ýòè ÷åðíûå äûðû íå äîëæíû áûòü î÷åíü ìàññèâíûìè, èíà÷å èçëó÷åíèå îò ïàäàþùåãî íà íèõ âåùåñòâà âûäàñò èõ ñ ãîëîâîé. Âî-âòîðûõ, èõ äîëæíî áûòü ìíîãî, ÷òîáû ñóììàðíàÿ ìàññà ïðèìåðíî â 5 ðàç ïðåâûøàëà ñóììàðíóþ ìàññó çâåçä. È, â-òðåòüèõ, «ìàëåíüêèå» ÷åðíûå äûðû, ñ ìàññîé ìåíüøå ÷åì 1015 ã, ìîãóò ðîæäàòüñÿ ëèøü â ïåðâûå ìîìåíòû ñóùåñòâîâàíèÿ Âñåëåííîé. Èõ äîëæíî áûòü íå ñëèøêîì ìíîãî.  ïðîòèâíîì ñëó÷àå íàøà Âñåëåííàÿ áûëà áû ñîâåðøåííî äðóãîé. Îíè îñîáåííî ïîâëèÿëè áû íà ñèíòåç ÿäåð â ðàííåé Âñåëåííîé, è åå õèìè÷åñêèé ñîñòàâ ìîã áû ñèëüíî îòëè÷àòüñÿ îò íûíåøíåãî. Óäîâëåòâîðèòü ýòèì ñëåãêà ïðîòèâîðå÷àùèì äðóã äðóãó óñëîâèÿì íå òàê ïðîñòî, íî óæå ñóùåñòâóþò ìîäåëè, êîòîðûå ïîçâîëÿþò ñäåëàòü ýòî. Òåìíûå êàðëèêè — ýòî íå ñêàçî÷íûå òðîëëè, à ïëîòíûå ñãóñòêè îáû÷íîé ìàòåðèè, â îñíîâíîì âîäîðîäà, ñ ìàññîé çíà÷èòåëüíî ìåíüøå ñîëíå÷íîé. Èõ ñîáñòâåííûå ãðàâèòàöèîííûå ïîëÿ ïîçâîëÿþò èì ñóùåñòâîâàòü, íå ðàñïàäàÿñü. Îäíàêî ýòè ïîëÿ ñëèøêîì ñëàáû, ÷òîáû ñîçäàòü âûñîêîå äàâëåíèå è èíèöèèðîâàòü òåðìîÿäåðíûå ðåàêöèè, õàðàêòåðíûå äëÿ çâåçä. Íî ñâåò çâåçä — ýòî íå ÷òî èíîå, êàê ôîòîíû, èñïóñêàåìûå ñèëüíî íàãðåòûì ãàçîì. Ïîýòîìó îòñóòñòâèå ÿäåðíûõ ðåàêöèé îçíà÷àåò ñëàáóþ ñâåòèìîñòü òåìíûõ êàðëèêîâ, ÷òî ïîçâîëÿåò èì ëåãêî óñêîëüçàòü îò âíèìàíèÿ àñòðîíîìîâ. Íåéòðîííûå çâåçäû — òîæå âîçìîæíûé êàíäèäàò íà ñêðûòóþ ìàññó.  äàííîì ñëó÷àå èíòåðåñ ïðåäñòàâëÿþò ñòàðûå íåéòðîííûå çâåçäû, êîòîðûå ïðàêòè÷åñêè íå èçëó÷àþò ýíåðãèè. Äðóãîå äåëî, îòêóäà îíè ìîãëè â òàêîì êîëè÷åñòâå âçÿòüñÿ è êîãäà óñïåëè ñîñòàðèòüñÿ? Êàê îáíàðóæèòü MACHOs?

Åñëè MACHOs ïðàêòè÷åñêè íå ñâåòÿòñÿ, òî ìîæíî ëè èõ îáíàðóæèòü âîîáùå? Ñîâðåìåííûå ìåòîäû èññëåäîâàíèÿ ïîçâîëÿÑêðûòàÿ ìàññà (òåìíàÿ ìàòåðèÿ)

55

þò ýòî ñäåëàòü. Òàê, ñ ââåäåíèåì â ñòðîé òåëåñêîïà «Õàááë» (Hubble Space Telescope) àñòðîíîìàì óäàëîñü îáíàðóæèòü ìíîãî òåìíûõ êàðëèêîâ â íàøåé è ñîñåäíèõ ãàëàêòèêàõ. Íî èõ îêàçàëîñü âñåãî 6% îò îáùåé ìàññû ãàëàêòè÷åñêîãî ãàëî! Ìîæåò áûòü, äàëüíåéøèå èññëåäîâàíèÿ óâåëè÷àò ýòó öèôðy. Äðóãèì ñïîñîáîì îáíàðóæèòü MACHOs ÿâëÿåòñÿ õîðîøî èçó÷åííûé ýôôåêò ãðàâèòàöèîííîãî ëèíçèðîâàíèÿ.  äàííîì ñëó÷àå èìååòñÿ â âèäó ìèêðîëèíçèðîâàíèå: åñëè íåêîå íåñâåòÿùååñÿ òåëî ïåðåñåêàåò ïðÿìóþ ëèíèþ ìåæäó êàêîé-ëèáî çâåçäîé è Çåìëåé, òî ÿðêîñòü çâåçäû óâåëè÷èâàåòñÿ. Êîíå÷íî, âñå íåáåñíûå òåëà äâèæóòñÿ îòíîñèòåëüíî äðóã äðóãà, ïîýòîìó óâåëè÷åíèå ÿðêîñòè — êðàòêîâðåìåííûé ýôôåêò. Íî óæ åñëè îíî îáíàðóæåíî, òî ñîâåðøåííî î÷åâèäíî, ÷òî ýòî «äåëî ðóê» êàêîãî-òî íåñâåòÿùåãîñÿ îáúåêòà, MACHO. Ìåòîäû ãðàâèòàöèîííîãî ëèíçèðîâàíèÿ íàñòîëüêî óñîâåðøåíñòâîâàëèñü, ÷òî ïîçâîëÿþò îïðåäåëÿòü òàêæå è ìàññó òåìíîãî îáúåêòà. Óæå èìåþòñÿ ïðåäâàðèòåëüíûå äàííûå îò íåñêîëüêèõ íàó÷íûõ ãðóïï î ñóùåñòâîâàíèè îáúåêòîâ ñ ìàññîé â èíòåðâàëå îò ìàññû Þïèòåðà äî ìàññû Ñîëíöà. Åñòü è äðóãîé ñïîñîá îáíàðóæåíèÿ MACHOs, îïÿòü æå ñâÿçàííûé ñ èõ ãðàâèòàöèîííûì ïîëåì. Åñëè àñòðîíîì îáíàðóæèâàåò, ÷òî íåêîòîðàÿ çâåçäà âðàùàåòñÿ âîêðóã «÷åãî-òî íåâèäèìîãî», òî ñîâåðøåííî ÿñíî, ÷òî îáíàðóæåí MACHO. Èìåííî îí ñîçäàåò ãðàâèòàöèîííîå ïîëå, â êîòîðîì è äâèæåòñÿ åãî áîëåå ÿðêàÿ ñîñåäêà — çâåçäà. Áîëåå òîãî, îïðåäåëèâ ðàäèóñ îðáèòû è ñêîðîñòü âðàùåíèÿ (íàïðèìåð, ïðè ïîìîùè òîãî æå Äîïëåð-ýôôåêòà), ìîæíî íàéòè ìàññó äàííîãî îáúåêòà. Íåóëîâèìûå WIMPs

Äðóãîé ïóòü îáúÿñíåíèÿ íåäîñòàþùåé ìàññû âûáðàëè ôèçèêè, èçó÷àþùèå ýëåìåíòàðíûå ÷àñòèöû. Îíè ïðåäïîëîæèëè, ÷òî ãàëàêòè÷åñêîå ïðîñòðàíñòâî çàïîëíåíî ÷àñòèöàìè îñîáîãî âèäà. Èõ ñóììàðíàÿ ìàññà è åñòü êàê ðàç òà ñàìàÿ ñêðûòàÿ ìàññà. WIMPs ïðåäïîëîæèòåëüíî îáðàçîâàëèñü, êîãäà íàøà Âñåëåííàÿ áûëà åùå î÷åíü ìîëîäîé è ãîðÿ÷åé. Ïî÷åìó ýòè ÷àñòèöû íå ñîáèðàþòñÿ â ïëîòíûå îáúåêòû, òèïà òåìíûõ êàðëèêîâ? Ïî÷åìó ìû èõ íå âèäèì? Ïðèõîäèòñÿ

56

Ãëàâà 1. Èíãðåäèåíòû Âñåëåííîé

ïðåäïîëîæèòü, ÷òî ýòè ÷àñòèöû ïðàêòè÷åñêè íå âçàèìîäåéñòâóþò ñ äðóãèìè, îáû÷íûìè ÷àñòèöàìè è, â ÷àñòíîñòè, íå èçëó÷àþò ôîòîíîâ. Ïî ýòîé æå ïðè÷èíå îíè è íå ñîáèðàþòñÿ â ïëîòíûå îáúåêòû, íåñìîòðÿ íà ãðàâèòàöèîííîå ïðèòÿæåíèå.  ïëîòíûõ îáúåêòàõ ñêîðîñòè ÷àñòèö íå ìîãóò áûòü áîëüøèìè, íî ÷òîáû ñáðîñèòü ñêîðîñòü ïîñëå ðàçãîíà â ãðàâèòàöèîííîì ïîëå, íàäî îòäàòü ýíåðãèþ. Åñëè æå ÷àñòèöà íå âçàèìîäåéñòâóåò ñ äðóãèìè ÷àñòèöàìè è íå èçëó÷àåò ôîòîíû, òî îíà ýíåðãèþ íå òåðÿåò è â ðåçóëüòàòå ïðîëåòàåò öåíòðàëüíóþ îá ëàñòü, íå çàäåðæèâàÿñü â íåé. Íà ñóùåñòâîâàíèå WIMPs óêàçûâàåò òîëüêî ãðàâèòàöèîííîå âçàèìîäåéñòâèå. Ýòî íåîáû÷íîå ñâîéñòâî WIMPs ñîçäàåò áîëüøèå òðóäíîñòè äëÿ äîêàçàòåëüñò âà èõ ñóùåñòâîâàíèÿ. Åñëè ýòè ÷àñòèöû ñóùåñòâóþò, òî îíè çàïîëíÿþò âñþ íàøó ãàëàêòèêó è íåïðåðûâíî ïðîíèçûâàþò Çåìëþ. Îò îáû÷íûõ ÷àñòèö, ïðèëåòàþùèõ èç Êîñìîñà, íàñ ñïàñàåò àòìîñôåðà, êîòîðàÿ ïîãëîùàåò äàæå íàèáîëåå ýíåðãè÷íûõ ïðåäñòàâèòåëåé. Íî WIMPs íå âçàèìîäåéñòâóþò ñ îáû÷íîé ìàòåðèåé è, ñëåäîâàòåëüíî, íå çàäåðæèâàþòñÿ àòìîñôåðîé! Êàæäóþ ñåêóíäó íàñ, âîçìîæíî, ïðîíèçûâàåò ïðèìåðíî 1012 ýòèõ ÷àñòèö. Ê ñ÷àñòüþ, ýòè ÷àñòèöû íå ñòàëêèâàþòñÿ ñ ìîëåêóëàìè íàøåãî òåëà ïî òîé æå ïðè÷èíå, ÷òî è ñ ìîëåêóëàìè àòìîñôåðû, òàê ÷òî ìû èõ ïðîñòî íå çàìå÷àåì. Îíè ïðîëåòàþò ñêâîçü íàñ, íå îñòàâëÿÿ íèêàêîãî ñëåäà. Íàäåæäà îáíàðóæèòü WIMPs îñíîâàíà íà òîì, ÷òî, âîçìîæíî, îíè õîòü è ñëàáî, íî âñå-òàêè âçàèìîäåéñòâóþò ñ îáû÷íûìè ÷àñòèöàìè. Ïóñòü âåðîÿòíîñòü ñòîëêíîâåíèÿ êðàéíå ìàëà, íî åñëè ñîáðàòü ìíîãî îáû÷íûõ ÷àñòèö âìåñòå, òî, âîçìîæíî, ñ êàêîé-íèáóäü èç íèõ ýòà íåóëîâèìàÿ WIMP äà ïðîâçàèìîäåéñòâóåò. Âåäü èõ äîëæíî áûòü î÷åíü ìíîãî, è åñëè ïîäîëüøå ïîäîæäàòü, òî ñòîëêíîâåíèå ïðîèçîéäåò! Ïîäàâëÿþùåå áîëüøèíñòâî ýòèõ ÷àñòèö ïðîëåòÿò íåçàìå÷åííûìè íå òîëüêî ñêâîçü ìàòåðèàë äåòåêòîðà, íî è ñêâîçü Çåìëþ, îäíàêî, âîçìîæíî, îòäåëüíûå WIMPs âñå-òàêè ñòîëêíóòñÿ ñ àòîìàìè ìàòåðèàëà-ìèøåíè. Òàê, ïðîåêò Áåðíàðäà Ñýäîëå (Sadoulet) è Óîëòåðà Ñòîêâåëëà (Stockwell) èç Áåðêëè ïðåäóñìàòðèâàåò îõëàæäåíèå áîëüøîãî êóñêà êðèñòàëëè÷åñêîãî ìàòåðèàëà ïî÷òè äî Ñêðûòàÿ ìàññà (òåìíàÿ ìàòåðèÿ)

57

aáñîëþòíîãî íóëÿ. Åñëè ÷åðåç íåãî áóäóò ïðîëåòàòü ìèëëèàð äû WIMPs, òî êîãäà-íèáóäü ïðîèçîéäåò ñòîëêíîâåíèå òàêîé ÷àñòèöû ñ îäíèì èç ÿäåð êðèñòàëëà. Îæèäàåòñÿ, ÷òî íåáîëüøîå òåïëî, âûäåëèâøååñÿ ïðè ñòîëêíîâåíèè, áóäåò çàôèêñè ðîâàíî ïðèáîðàìè, ÷òî è äîêàæåò ñóùåñòâîâàíèå WIMPs. Î÷åâèäíî, ÷òî ÷åì áîëüøå êðèñòàëë, òåì áîëüøå â íåì àòîìîâ è òåì áûñòðåå ïðîèçîéäåò æåëàåìîå ñîáûòèå. Ïîýòîìó ïðîåêò AMANDA ïðåäïîëàãàåò èñïîëüçîâàíèå â êà÷åñòâå êðèñòàëëà-ìèøåíè àíòàðêòè÷åñêîãî ëüäà. Äåòåêòîðû áóäóò ïîìåùåíû ãëóáîêî â åãî òîëùó, ÷òî ñèëüíî óâåëè÷èò îáùèé ðàçìåð ìèøåíè è, çíà÷èò, ÷èñëî ñòîëêíîâåíèé. Íî çà âñå ïðèõîäèòñÿ ïëàòèòü: òåìïåðàòóðà òàêîé ìèøåíè, êîíå÷íî æå, íå ìîæåò áûòü ñèëüíî ïîíèæåíà, ÷òî óìåíüøèò ÷óâñòâèòåëüíîñòü âñåé ñèñòåìû. Ñêðûòàÿ ìàññà — õîëîäíàÿ èëè ãîðÿ÷àÿ?

Ñêðûòàÿ ìàññà ìîæåò, âîîáùå ãîâîðÿ, ñóùåñòâîâàòü â äâóõ ôîðìàõ — «ãîðÿ÷åé» è «õîëîäíîé». Ïîä õîëîäíîé ñêðûòîé ìàññîé (cold dark matter) ïîíèìàþòñÿ WIMPs, êîòîðûå äâèæóòñÿ ñ íåðåëÿòèâèñòñêèìè ñêîðîñòÿìè (ò. å. ìíîãî ìåíüøèìè ñêîðîñòè ñâåòà, òàê ÷òî èõ ìàññà ìíîãî áîëüøå èõ êèíåòè÷åñêîé ýíåðãèè).  ðàñïîðÿæåíèè ôèçèêîâ èìååòñÿ íåñêîëüêî òàêèõ ÷àñòèö — êàíäèäàòîâ íà WIMPs, è âñå îíè îáúåäèíåíû îäíèì íåäîñòàòêîì: ñóùåñòâóþò ëèøü â òåîðèè. Âîçìîæíî, ýòî íåéòðàëèíî — ÷àñòèöà, êîòîðàÿ ïðîñòî îáÿçàíà ñóùåñòâîâàòü, êàê ñ÷èòàþò ìíîãèå ôèçèêè, èëè àêñèîí — ÷àñòèöà ñ ÷ðåçâû÷àéíî ìàëîé ìàññîé è î÷åíü ñëàáûì âçàèìîäåéñòâèåì. Ãîðÿ÷àÿ ñêðûòàÿ ìàññà (hot dark matter) — ýòî ÷àñòèöû, êîòîðûå äâèæóòñÿ ñî ñêîðîñòÿìè, áëèçêèìè ê ñêîðîñòè ñâåòà. Èõ ìàññà òàê ìàëà, ÷òî îíè îñòàþòñÿ ðåëÿòèâèñòñêèìè äàæå ïðè íåâûñîêîé òåìïåðàòóðå Âñåëåííîé, íà÷èíàÿ ñ íåñêîëüêèõ ñîò ãðàäóñîâ Êåëüâèíà. Êàê ïîêàçûâàþò ðàñ÷åòû, ìàññà òàêèõ ÷àñòèö äîëæíà áûòü ìåíüøå 100 ýëåêòðîí-âîëüò. Ýòî çíà÷èò, ÷òî îíè ïî êðàéíåé ìåðå â 5 000 ðàç ëåã÷å ýëåêòðîíà. Ïîäõîäÿùèì êàíäèäàòîì íà ýòó ðîëü ÿâëÿþòñÿ íåéòðèíî. Ñî âðåìåí ñâîåãî îòêðûòèÿ â 1950-õ ãã. íåéòðèíî ñ÷èòàëèñü áåçìàññîâûìè. Íî ïðîøëî âðåìÿ, ñåìüÿ íåéòðèíî âûðîñëà (èõ

58

Ãëàâà 1. Èíãðåäèåíòû Âñåëåííîé

òåïåðü òðè âèäà) è «ïðèîáðåëà âåñ» — íåäàâíî áûëî äîêàçàíî, ÷òî ïî êðàéíåé ìåðå îäèí èç òðåõ âèäîâ íåéòðèíî îáëàäàåò íåíóëåâîé ìàññîé. È, íàêîíåö, îíî äåéñòâèòåëüíî êðàéíå ñëàáî âçàèìîäåéñòâóåò ñ äðóãèìè ÷àñòèöàìè. Êîíöåíòðàöèÿ íåéòðèíî â êîñìîñå ñîñòàâëÿåò ïðèìåðíî 100 ÷àñòèö â êóáè÷åñêîì ñàíòèìåòðå, è îíè âïîëíå ìîãëè áû èãðàòü ðîëü ñêðûòîé ìàññû. Ê ñîæàëåíèþ, ìîäåëü ãîðÿ÷åé ñêðûòîé ìàññû ñòàëêèâàåòñÿ ñ òðóäíîñòÿìè ïðè îáúÿñíåíèè òîãî, êàê îáëà êà òàêèõ íåéòðèíî ñæèìàþòñÿ â áîëåå ïëîòíûå îáúåêòû. Âñå, ÷òî áûñòðî äâèãàåòñÿ, â êó÷ó ñîáèðàåòñÿ ïëîõî. Íî âåðíåìñÿ ê õîëîäíîé ñêðûòîé ìàññå. Ïîñêîëüêó WIMPs èìåþò áîëüøóþ ìàññó, îíè åùå íà ðàííèõ ñòàäèÿõ ðàçâèòèÿ Âñåëåííîé ñòàíîâÿòñÿ íåðåëÿòèâèñòñêèìè è íà÷èíàþò îáðàçîâûâàòü îòäåëüíûå îáëàêà. Ãðàâèòàöèîííîå ïîëå ïîñëåäíèõ ñæèìàåò ñêðûòóþ ìàññó è, ÷òî áîëåå âàæíî, ïðèòÿãèâàåò áàðèîíû — ïðîòîíû è íåéòðîíû, òî åñòü îáû÷íîå âåùåñòâî, èç êîòîðîãî ñîñòîèò âèäèìûé ìèð. Ïîýòîìó ãàëàêòèêè ôîðìèðóþòñÿ äîâîëüíî ðàíî, ÷òî ñîîòâåòñòâóåò íàáëþäåíèÿì. Äåéñòâèòåëüíî, âñåãî ÷åðåç ìèëëèàðä ëåò ïîñëå Áîëüøîãî âçðûâà ãàëàêòèêè óæå ñóùåñòâîâàëè. Ýòî áûëî áû òðóäíî îáúÿñíèòü, èìåÿ â ñâîåì ðàñïîðÿæåíèè òîëüêî áàðèîíû. Îáðàäîâàííûå óñïåõîì, àñòðîôèçèêè ðåøèëè ïðîñ÷èòàòü äàëüíåéøóþ ýâîëþöèþ ýòèõ îáëàêîâ, ñîñòîÿùèõ ïðåèìóùåñòâåííî èç ñêðûòîé ìàññû. È òóò èõ æäàëî ðàçî÷àðîâàíèå. Ðàñïðåäåëåíèå ñêðûòîé ìàññû â êëàñòåðàõ ãàëàêòèê íå î÷åíü-òî ñîîòâåòñòâîâàëî ðàñ÷åòíîìó. Òåì íå ìåíåå ìîäåëü õîëîäíîé ñêðûòîé ìàññû, ïîõîæå, ãîðàçäî áëèæå ê èñòèíå, ÷åì ãîðÿ÷åé. Âîçìîæíî, åñëè ó÷åñòü âñå ýôôåêòû, íàáëþäàòåäüíûå äàííûå è ðàñ÷åòû ïðèäóò ê ñîãëàñèþ, ñ÷èòàþò îäíè ó÷åíûå. Äðóãèå æå ïîëàãàþò, ÷òî ðàçíîãëàñèé ñëèøêîì ìíîãî è íàäî ÷òîòî ñóùåñòâåííî ìåíÿòü. Íåîïðåäåëåííîñòü â ñâîéñòâàõ WIMPs ïîçâîëÿåò äåëàòü ðàçëè÷íûå ïðåäïîëîæåíèÿ îá èõ ñâîéñòâàõ, ÷òîáû ïîëó÷èòü ðàçóìíîå ñîãëàñèå ñ íàáëþäåíèÿìè. Òàê, Øòåéíõàðä (Steinhardt) è Ñïåðãåëü (Spergel) ïðåäïîëîæèëè, ÷òî ýòè ÷àñòèöû, õîòÿ è «íå âèäÿò» îáû÷íóþ ìàòåðèþ, î÷åíü õîðîøî âçàèìîäåéñòâóþò äðóã ñ äðóãîì. Èõ èíòåíñèâíûå Ñêðûòàÿ ìàññà (òåìíàÿ ìàòåðèÿ)

59

Ðèñ. 1.18. Ãàëàêòèêà UGC 10214 («Ãîëîâàñòèê»). «Õâîñò» èç âåùåñòâà, ïî îäíîé èç âåðñèé, îáðàçîâàëñÿ áëàãîäàðÿ ïðèòÿæåíèþ íåâèäèìîé «òåìíîé» ãàëàêòèêè. Ôîòî ñ èíòåðíåò-ñòðàíèöû http://nti.freewind.ru/Members/dagrs/life/dag

ñòîëêíîâåíèÿ äåëàþò îáëàêà ýòèõ ÷àñòèö áîëåå ðûõëûìè. Âïðî÷åì, ïîñëåäíèå íàáëþäåíèÿ îáñåðâàòîðèè «×àíäðà» ñòàâÿò ïîä ñîìíåíèå è ýòó ìîäåëü. Ðàñêðûòèå çàãàäêè ñêðûòîé ìàññû ÷ðåçâû÷àéíî âàæíî äëÿ ïîíèìàíèÿ ñâîéñòâ Âñåëåííîé. Íàïðèìåð, åñëè Âñåëåííàÿ ñ ñàìîãî íà÷àëà ïîñëå Áîëüøîãî âçðûâà ðàñøèðÿëàñü ðàâíîìåðíî âî âñå ñòîðîíû, òî íåïîíÿòíî, ïî÷åìó îòäåëüíûå åå ÷àñòè ñòàëè êîíäåíñèðîâàòüñÿ è çàòåì ïðåâðàùàòüñÿ â ãàëàêòèêè è çâåçäû. Ñóùåñòâóåò íåñêîëüêî ìîäåëåé ôîðìèðîâàíèÿ ãàëàêòèê, è ïðèñóòñòâèå ñêðûòîé ìàññû ÿâëÿåòñÿ íåîáõîäèìîé ñîñòàâëÿþùåé áîëüøèíñòâà èç íèõ. Ïðîáëåìà ñêðûòîé ìàññû èìååò è ôèëîñîôñêîé àñïåêò. Ïåðâîíà÷àëüíàÿ óñòàíîâêà î òîì, ÷òî Çåìëÿ åñòü öåíòð Âñåëåííîé, ïîñòåïåííî êîððåêòèðîâàëàñü. Ñíà÷àëà íàñ èíôîðìèðîâàëè, ÷òî Çåìëÿ — îáû÷íàÿ ïëàíåòà, îáðàùàþùàÿñÿ îêîëî îáû÷íîé çâåçäû. Ïîòîì âûÿñíèëîñü, ÷òî íàøå Ñîëíöå íàõîäèòñÿ íà ïåðèôåðèè ñàìîé îáû÷íîé ãàëàêòèêè. Òåïåðü æå âûÿñíÿåòñÿ, ÷òî ìû íå èìååì îòíîøåíèÿ ê îñíîâíîìó âåùåñòâó, çàïîëíÿþùåìó Âñåëåííóþ, — ñêðûòîé ìàññå. Ìû óæå ãîâîðèëè, ÷òî, ïî íåêîòîðûì äàííûì, ñóùåñòâóþò ãàëàêòèêè áåç çâåçä, ñîñòîÿùèå òîëüêî èç ñêðûòîé ìàññû (òåìíîé ìàòåðèè). Áîëåå òîãî, âïîëíå âîçìîæíî, ÷òî èõ ãîðàçäî áîëüøå, ÷åì îáû÷íûõ ãàëàêòèê, ïðîñòî ìû èõ ïîêà íå âèäèì. Êñòàòè, â ýòîì àñïåêòå î÷åíü èíòåðåñíà ãàëàêòèêà

60

Ãëàâà 1. Èíãðåäèåíòû Âñåëåííîé

UGC 10214, ïîòîê âåùåñòâà èç êîòîðîé çàðåãèñòðèðîâàí íàáëþäàòåëÿìè (ðèñ. 1.18). Âåùåñòâî â ñîñòîÿíèè ïðåîäîëåòü ãðàâèòàöèîííîå ïîëå ãàëàêòèêè, òîëüêî åñëè åìó â ýòîì «ïîìîæåò» ñîñåäíÿÿ ãàëàêòèêà: «âîðîâñòâî» ìàòåðèàëà — îáû÷íîå äåëî ñðåäè íèõ. Íî â äàííîì ñëó÷àå ïîáëèçîñòè íèêàêèõ ãàëàêòèê íå âèäíî! Âîçìîæíî, ÷òî ãàëàêòèêà ðÿäîì âñå-òàêè åñòü, íî ñîñòîèò îíà èç òåìíîãî âåùåñòâà, òàê ÷òî ïðîÿâëÿåò ñåáÿ òîëüêî ïîñðåäñòâîì ãðàâèòàöèè.

Òåìíàÿ ýíåðãèÿ — ýíåðãèÿ âàêóóìà?  ïðåäñòàâëåíèè ëþäåé, íå ñâÿçàííûõ ñ ôèçèêîé, âàêóóì — «ýòî êîãäà íè÷åãî íåò». Ýòî íå ñîâñåì òàê. Ñîãëàñíî áîëåå òî÷íîìó îïðåäåëåíèþ, âàêóóì — ýòî ñîñòîÿíèå, â êîòîðîì îòñóòñòâóþò ÷àñòèöû. Åñòü îòäåëüíàÿ ïðîáëåìà, ñâÿçàííàÿ ñ êîððåêòíîñòüþ îïðåäåëåíèÿ ñàìîãî ïîíÿòèÿ «÷àñòèöà», íî â ïðîñòðàíñòâå Ìèíêîâñêîãî, â êîòîðîì ìû æèâåì, îá ýòîì ìîæíî íå áåñïîêîèòüñÿ. Ïîñêîëüêó ýíåðãèÿ çàêëþ÷åíà èìåííî â ÷àñòèöàõ, òî, ðåçîííî ïîëàãàëè âñå, âêëþ÷àÿ è ó÷åíûõ, íåò ÷àñòèö — íåò è ýíåðãèè. Çíà÷èò, ýíåðãèÿ âàêóóìà äîëæíà áûòü ðàâíîé íóëþ. Âñÿ ýòà áëàãîñòíàÿ êàðòèíà ðóõíóëà â 1998 ã., êîãäà àñòðîíîìè÷åñêèå íàáëþäåíèÿ ïîêàçàëè, ÷òî ðàçáåãàíèå ãàëàêòèê íåìíîãî îòêëîíÿåòñÿ îò çàêîíà Õàááëà. Âûçâàííûé ýòèì øîê ó êîñìîëîãîâ äëèëñÿ íåäîëãî, î÷åíü ñêîðî ñòàëè ïîÿâëÿòüñÿ ñòàòüè ñ îáúÿñíåíèåì ñòðàííîãî ôàêòà. Ñàìîé ïðîñòîé è åñòåñòâåííîé ÿâëÿåòñÿ èäåÿ î ñóùåñòâîâàíèè ïîëîæèòåëüíîé ýíåðãèè âàêóóìà.  êîíöå êîíöîâ, âàêóóì îçíà÷àåò îòñóòñòâèå ÷àñòèö, íî ïî÷åìó òîëüêî ÷àñòèöû äîëæíû îáëàäàòü ýíåðãèåé? Âîçìîæíû è áîëåå ýêçîòè÷íûå îáúÿñíåíèÿ. Òàê, ìîäåëü êâèíòýññåíöèè ïðåäïîëàãàåò, ÷òî ìû ïðîäîëæàåì ìåäëåííî ïðèáëèæàòüñÿ ê ìèíèìóìó ïîòåíöèàëüíîé ýíåðãèè íåêîåãî ãèïîòåòè÷åñêîãî ïîëÿ, íî åùå íå äîñòèãëè åãî. Äî ñèõ ïîð âîïðîñ î ïðîèñõîæäåíèè ýòîé ýíåðãèè îñòàåòñÿ îòêðûòûì, à ïîëîæåíèå äåë — òåìíûì. Ìîæåò áûòü, ïîýòîìó, à òàêæå ïî àíàëîãèè ñ òåìíîé ìàòåðèåé, ýòó ýíåðãèþ òîæå íàçâàëè «òåìíîé». Ýòà òåìíàÿ ýíåðãèÿ ðàñïðåäåëåíà â ïðîñòðàíñòâå íà óäèâëåíèå îäíîðîäíî. Ïîäîáíóþ îäíîðîäíîñòü, êñòàòè, òðóäíî Òåìíàÿ ýíåðãèÿ — ýíåðãèÿ âàêóóìà?

61

áûëî áû ðåàëèçîâàòü, åñëè áû ýíåðãèÿ áûëà çàêëþ÷åíà â êàêèõ-òî íåâåäîìûõ ÷àñòèöàõ: ãðàâèòàöèîííîå âçàèìîäåéñòâèå òàêèõ ÷àñòèö çàñòàâëÿëî áû èõ ñîáèðàòüñÿ â ãðàíäèîçíûå êîìêè, ïîäîáíî ãàëàêòèêàì. Íàáëþäàòåëüíûå äàííûå óêàçûâàþò íà òî, ÷òî äîëÿ òåìíîé ýíåðãèè ñîñòàâëÿåò ïðèìåðíî 70% îò ïîëíîé ýíåðãèè. Çíà÷åíèå îòêðûòèÿ òåìíîé ýíåðãèè òðóäíî ïåðåîöåíèòü, íî îá ýòîì ìû ïîãîâîðèì â ñëåäóþùèõ ãëàâàõ.

Òîïîëîãè÷åñêèå äåôåêòû Ïåðå÷èñëåííûìè ÿâëåíèÿìè íå èñ÷åðïûâàþòñÿ âîçìîæíûå ñþðïðèçû Ïðèðîäû. Íàì íàäî áûòü ãîòîâûìè ê âîñïðèÿòèþ òàê íàçûâàåìûõ «òîïîëîãè÷åñêèõ äåôåêòîâ». ×òîáû ïîíÿòü, î ÷åì èäåò ðå÷ü, ðàññìîòðèì àíàëîãèþ. Ïðåäñòàâüòå ñåáå äâå ïîâåðõíîñòè, îäíà èç êîòîðûõ — ïëîñêîñòü, à âòîðàÿ — ñôåðà. Îáå ïîâåðõíîñòè ðàâíîìåðíî ïîêðûòû âîëîñàìè, è íàøà çàäà÷à ñîñòîèò â ïðè÷åñûâàíèè êàæäîé ïîâåðõíîñòè. Ñ ïëîñêîñòüþ ñïðàâèòüñÿ íåñëîæíî, à âîò ñî ñôåðîé âîçíèêíóò ïðîáëåìû. Âî-ïåðâûõ, çàðàíåå ÿñíî, ÷òî íà âñåé ñôåðå îäíîâðåìåííî ýòîãî ñäåëàòü íå óäàñòñÿ. Ïðè÷åñàòü âîëîñû â îäíó ñòîðîíó ìîæíî òîëüêî ëîêàëüíî, íà íåáîëüøîì ó÷àñòêå. Âòîðàÿ òðóäíîñòü ñîñòîèò â òîì, ÷òî äàæå ëîêàëüíî ïðè÷åñàòü âñå ó÷àñòêè ïîâåðõíîñòè îäíîâðåìåííî íå óäàñòñÿ. Âñåãäà îñòàíåòñÿ õîòÿ áû îäíà «ìàêóøêà», èç êîòîðîé âîëîñû íàïðàâëåíû â ðàçíûå ñòîðîíû. Åñëè âåðíóòüñÿ ê ôèçèêå, òî âïîëíå ìîãóò ñóùåñòâîâàòü ïîëÿ, êîòîðûå íåâîçìîæíî «ïðè÷åñàòü» âî âñåõ ëîêàëüíûõ ïðîñòðàíñòâåííûõ îáëàñòÿõ îäíîâðåìåííî. Ìíîæåñòâî ïîäîáíûõ ãèïîòåòè÷åñêèõ ïðèìåðîâ ðàññìîòðåíî â íàó÷íîé ëèòåðàòóðå. Ïîëÿ, êàê è ëþáûå äðóãèå ìàòåðèàëüíûå îáúåêòû, îáëàäàþò ýíåðãèåé. Ðàçíûå êîíôèãóðàöèè ïîëÿ î÷åâèäíî îáëàäàþò ðàçíîé ýíåðãèåé. Ïîýòîìó â ëîêàëüíîé ïðîñòðàíñòâåííîé îáëàñòè, ñîäåðæàùåé ïîëåâóþ «ìàêóøêó», ïëîòíîñòü ýíåðãèè îòëè÷àåòñÿ îò ïëîòíîñòè ýíåðãèè îáû÷íûõ îáëàñòåé. Òàêîé îáúåêò ÷àñòî íàçûâàþò «åæîì», ïî ïîíÿòíûì ïðè÷èíàì. Âîçìîæíû è áîëåå ñëîæíûå òîïîëîãè÷åñêèå êîíôèãóðàöèè ïîëåé. Ýòî ìîãóò áûòü, íàïðèìåð, «ñòðóíû» èëè «ñòåíêè».

62

Ãëàâà 1. Èíãðåäèåíòû Âñåëåííîé

Ðèñ. 1.19. Îäíà ãàëàêòèêà è äâà èçîáðàæåíèÿ — èëè äâå ãàëàêòèêè ñ àáñîëþòíî îäèíàêîâûìè ñâîéñòâaìè? Ðèñóíîê èç ñòàòüè [34]

Ñòðóíû è ñòåíêè íåáîëüøèõ ðàçìåðîâ åñëè è ñóùåñòâîâàëè, òî äàâíî èñ÷åçëè, îñòàâèâ ïîñëå ñåáÿ ïîñòåïåííî çàòóõàþùèå êîëåáàíèÿ ïîëÿ, èç êîòîðîãî áûëè «ñäåëàíû». Âïðî÷åì, åñòü ïðåäïîëîæåíèÿ î òîì, ÷òî òàêèå îáúåêòû, ñîñòîÿùèå ñïëîøü èç ïîëÿ, ñóùåñòâóþò è âíîñÿò âêëàä â ñêðûòóþ ìàññó. Òåì íå ìåíåå, êàê ïîêàçûâàþò ðàñ÷åòû, ñîçäàòü óñòîé÷èâûå îáúåêòû èç ïîëåâûõ ñòåíîê, à òåì áîëåå ñòðóí, äîâîëüíî ñëîæíî. Ïîìî÷ü ìîãëî áû ñèëüíîå ãðàâèòàöèîííîå ïîëå, íî òîãäà î÷åíü âåðîÿòíî ôîðìèðîâàíèå ÷åðíîé äûðû. Ñòåíêè áîëüøèõ ðàçìåðîâ âðÿä ëè áóäóò íàéäåíû â íàøåé Âñåëåííîé: óæ ñëèøêîì

Ðèñ. 1.20. Ñïåêòðû äâóõ ñîñåäíèõ ãàëàêòèê. Íå ñëèøêîì ëè îíè ïîõîæè? Ðèñóíîê èç ñòàòüè [34]. Òîïîëîãè÷åñêèå äåôåêòû

63

îíè çàìåòíû è áûëè áû íàéäåíû óæå äàâíî. Ñóùåñòâîâàíèå äëèííûõ ñòðóí áîëåå ðåàëèñòè÷íî. Íåñêîëüêî ëåò íàçàä áûëè ïîëó÷åíû íåîáû÷íûå èçîáðàæåíèÿ äâóõ ãàëàêòèê, òåñíî ïðèìûêàþùèõ äðóã ê äðóãó, ïðè÷åì èõ ôîðìû êàçàëèñü Ðèñ. 1.21. Ñòðóíà ïîðîæäàåò äâà çåðêàëüíûì îòðàæåñëàáî èñêàæåííûõ îáúeêòà. íèåì äðóã äðóãà (ðèñ. 1.19). Ïðè àíàëèçå ñïåêòðîâ ýòèõ ãàëàêòèê âûÿñíèëîñü, ÷òî îíè òàêæå î÷åíü ïîõîæè (ðèñ. 1.20). Ýòî óæå ñåðüåçíî. Ñïåêòð êàæäîé ãàëàêòèêè óíèêàëåí, êàê ïëàòåæíàÿ êàðòî÷êà. Äâà ñîâåðøåííî îäèíàêîâûõ ñïåêòðà, êàê è äâå êàðòî÷êè, îäíîâðåìåííî ñóùåñòâîâàòü íå ìîãóò. Âûâîä íàïðàøèâàåòñÿ ñàì: ýòî èçîáðàæåíèÿ ëèáî äâóõ î÷åíü ïîõîæèõ ãàëàêòèê, ëèáî îäíîé. Ýôôåêò, äåëàþùèé òàêîå âîçìîæíûì, íàçûâàåòñÿ ìèêðîëèíçèðîâàíèåì è õîðîøî èçâåñòåí óæå î÷åíü äàâíî. Íî îáû÷íîå ìèêðîëèíçèðîâàíèå íà òî÷å÷íûõ îáúåêòàõ îáÿçàòåëüíî èñêàæàåò ôîðìó ãàëàêòèêè.  äàííîì æå ñëó÷àå ôîðìà ñîõðàíÿëàñü! Ëåãêî ïîíÿòü, ÷òî ýòî âîçìîæíî, òîëüêî åñëè ìåæäó ãàëàêòèêîé è Çåìëåé íàõîäèòñÿ îäíîìåðíûé ïðîòÿæåííûé îáúåêò.  òåîðèè òàêîé îáúåêò èçâåñòåí — ýòî ñòðóíà (ðèñ. 1.21). Óâû, íà ýòîò ðàç íàäåæäû ó÷åíûõ íå îïðàâäàëèñü: áîëåå äåòàëüíûå èññëåäîâàíèÿ ïîêàçàëè, ÷òî ýòî âñå-òàêè äâå ïîõîæèå ãàëàêòèêè.

Ïðî êðîòîâûå íîðû Êîíå÷íî, ýòî íå ðåàëüíûå õîäû â çåìëå, ïðîðûòûå êðîòàìè, à «ïîýòè÷åñêîå» íàçâàíèå, ïðèäóìàííîå ôèçèêàìè äëÿ îáîçíà÷åíèÿ ñëîæíûõ ñòðóêòóð, îïèñûâàåìûõ óðàâíåíèÿìè Ýéíøòåéíà. Àíãëèéñêèé âàðèàíò òîæå íå áëåùåò èçûñêàííîñòüþ — «÷åðâîòî÷èíû» (wormholes). Ïðîèçîøåë îí îò îáðàçà íàøåé

64

Ãëàâà 1. Èíãðåäèåíòû Âñåëåííîé

Âñåëåííîé êàê êîæóðû ÿáëîêà. Ìèêðîáû ïóòåøåñòâóþò ïî ïîâåðõíîñòè, à ÷åðâÿêè — ïî òîííåëÿì âíóòðè ÿáëîêà. Âïåðâûå î íèõ ñåðüåçíî çàãîâîðèë Äæ. Óèë ëåð, à ïåðâûé ìàòåìàòè÷åñêè ñòðîãèé ðåçóëüòàò áûë ïîëó÷åí Ðèñ. 1.22. «Êðîòîâàÿ íîðà», ñîåäèíÿþùàÿ Ê. Áðîííèêîâûì. Ñðàçó äâà ïðîñòðàíñòâà (äâå âñåëåííûå). áóäåì èìåòü â âèäó, ÷òî êðîòîâûå íîðû åùå íå îáíàðóæåíû, ïîýòîìó îíè — ñóùíîñòè ãèïîòåòè÷åñêèå. ×òî îíè ñîáîé ïðåäñòàâëÿþò? Ïî ôîðìå îíè ïîõîæè íà äâà âîäîâîðîòà íà ïîâåðõíîñòè âîäû, ñîåäèíåííûå «õâîñòàìè» ïîä ïîâåðõíîñòüþ. Àíàëîãè÷íî è íàñòîÿùàÿ êðîòîâàÿ íîðà ïðåäñòàâëÿåò ñîáîé íåêóþ ïðîñòðàíñòâåííóþ âîðîíêó, ñîåäèíåííóþ ñ äðóãîé âîðîíêîé òîííåëåì. Âîðîíêè ìîãóò íàõîäèòüñÿ â ðàçíûõ ïðîñòðàíñòâàõ, êàê íà ðèñ. 1.22, à ìîãóò ñîåäèíÿòü ðàçíûå ÷àñòè îäíîãî ïðîñòðàíñòâà, êàê íà ðèñ. 1.23. Ïðè ïåðâîì æå çíàêîìñòâå ñ ýòèìè íåîáû÷íûìè îáúåêòàìè ïîÿâëÿåòñÿ èñêóøåíèå èñïîëüçîâàòü èõ äëÿ äàëüíèõ ïóòåøåñòâèé, ìîæåò áûòü, äàæå â äðóãîå ïðîñòðàíñòâî. Òåîðåòè÷åñêè ýòî âîçìîæíî, íî ïðàêòè÷åñêè òðóäíîîñóùåñòâèìî. Âîïåðâûõ, âåðîÿòíîñòü îáðàçîâàíèÿ áîëüøèõ êðîòîâûõ íîð, ãäå

Ðèñ. 1.23 «Êðîòîâàÿ íîðà», ñîåäèíÿþùàÿ äâå ëîêàëüíûå îáëàñòè îäíîãî è òîãî æå ïðîñòðàíñòâà. Ïóòü ìåæäó íèìè â îáû÷íîì ïðîñòðàíñòâå ìîæåò áûòü ãîðàçäî äëèííåå ïóòè ÷åðåç êðîòîâóþ íîðó. Äëÿ íàãëÿäíîñòè íàøå ïðîñòðàíñòâî èçîãíóòî. Ïðî êðîòîâûå íîðû

65

ìîã áû ïîìåñòèòüñÿ ÷åëîâåê, êðàéíå ìàëà. Âî-âòîðûõ, åñòü ñèëüíîå ïîäîçðåíèå, ÷òî îíè è ñàìè ïî ñåáå íåóñòîé÷èâû. Âõîä æå ÷åëîâåêà â òîííåëü ìîæåò íàðóøèòü ðàâíîâåñèå è ïðèâåñòè ê ðàñïàäó êðîòîâîé íîðû. Îòäåëüíûé âîïðîñ — ãäå è â êàêîì àãðåãàòíîì ñîñòîÿíèè îêàæåòñÿ ïóòåøåñòâåííèê â ýòîì ñëó÷àå. Îòñòóïëåíèå. Ìàøèíà âðåìåíè

Ïðåäïîëîæèì, ÷òî ÷åëîâåê ìîæåò ïåðåìåùàòüñÿ ïî êðîòîâîé íîðå. Òîãäà äàëåêèå ïðîñòðàíñòâåííûå ïåðåìåùåíèÿ äåéñòâèòåëüíî áóäóò çàíèìàòü ìàëî âðåìåíè. Çàêîíû ôèçèêè ïðè ýòîì íàðóøàòüñÿ íå áóäóò. Åùå áîëåå çàõâàòûâàþùåå ðàçâèòèå ñîáûòèé âîçìîæíî, åñëè ïîìåñòèòü îäèí èç âõîäîâ êðîòîâîé íîðû îêîëî íåéòðîííîé çâåçäû, ñèëüíîå ãðàâèòàöèîííîå ïîëå êîòîðîé çàìåäëÿåò õîä âðåìåíè. Îêàçûâàåòñÿ, ÷òî ïðè ýòîì ñáûâàåòñÿ ñàìàÿ ôàíòàñòè÷åñêàÿ èäåÿ – âîçìîæíîñòü ïîñòðîåíèÿ «ìàøèíû âðåìåíè». Ïðîéäÿ êðîòîâóþ íîðó, ÷åëîâåê îêàçûâàåòñÿ â ñâîåì ïðîøëîì. Íó à ÷òî æå ñ ïðèíöèïîì ïðè÷èííîñòè (âîøåë â ïåðâûé âõîä êðîòîâîé íîðû — âûøåë èç âòîðîãî — ïîïàë â ñâîå ïðîøëîå – çàñòðåëèë ñåáÿ — íåêîìó âõîäèòü â ïåðâûé âõîä)? Ýòó ïðîáëåìó íåáåçóñïåøíî èçó÷àåò È. Ä. Íîâèêîâ. Ïîñêîëüêó ÷åëîâåê — ñèñòåìà ÷ðåçâû÷àéíî ñëîæíàÿ, îí óïðîñòèë ñèòóàöèþ, çàìåíèâ ÷åëîâåêà áîìáîé. Ïàðàäîêñ âñå ðàâíî îñòàåòñÿ: áîìáà, âûëåòåâ èç âòîðîãî âõîäà â ñâîåì ïðîøëîì, âçðûâàåòñÿ, óíè÷òîæàÿ ñåáÿ åùå äî âëåòà â ïåðâûé âõîä. Ýòà ñèòóàöèÿ óæå ìîæåò áûòü ïðîàíàëèçèðîâàíà íà îñíîâå èçâåñòíûõ çàêîíîâ ôèçèêè, ïðåäñòàâëåííûõ â âèäå ñîîòâåòñòâóþùèõ óðàâíåíèé. Îòâåò îêàçàëñÿ î÷åíü èíòåðåñíûì: ýòî ïðîñòî íåâîçìîæíî, ïîñêîëüêó ïðîòèâîðå÷èò óðàâíåíèÿì ôèçèêè. Ãðóáàÿ àíàëîãèÿ: íåëüçÿ ïîòðåáîâàòü, íàïðèìåð, ÷òîáû áðîøåííûé âàìè êàìåíü â ïîëå òÿæåñòè Çåìëè ïðîëåòåë íåñêîëüêî ðàç ïî îêðóæíîñòè: òàêàÿ òðàåêòîðèÿ ïðîòèâîðå÷èò ñîîòâåòñòâóþùèì óðàâíåíèÿì.  ñèëó ïðèâû÷êè ìû ýòîìó íå óäèâëÿåìñÿ. Åñëè âåðíóòüñÿ ê íàøåé áîìáå, òî ïðîöåññ åå ñàìîóíè÷òîæåíèÿ íå îïèñûâàåòñÿ èçâåñòíûìè óðàâíåíèÿìè è ïîýòîìó íåîñóùåñòâèì. À ÷òî æå ìîæíî? Íàïðèìåð, èç âòîðîãî âõîäà âûëåòàåò íå áîìáà, à åå îñêîëîê, êîòîðûé, ïîïàäàÿ â áîìáó, íàïðàâëÿþùóþñÿ ê ïåðâîìó îòâåðñòèþ êðîòîâîé íîðû, âçðûâàåò åå.  ïåðâîå îòâåðñòèå âëåòàåò óæå îñêîëêè áîìáû, îäèí èç êîòîðûõ âûëåòèò èç âòîðîãî âõîäà. Ïàðàäîêñà íåò. Òàê ÷òî ñàìîóáèéöà ïðîéòè ñêâîçü êðîòîâóþ íîðó â ñâîå ïðîøëîå íå ìîæåò…

Ãëàâà 2

ÏÐÎØËÎÅ, ÍÀÑÒÎßÙÅÅ È ÁÓÄÓÙÅÅ ÂÑÅËÅÍÍÎÉ

Êàê èç èñêðû âîçãîðåëîñü ïëàìÿ Ñóùåñòâóþò «âå÷íûå âîïðîñû», êîòîðûå çàäàþò ñåáå íå òîëüêî ó÷åíûå, íî è áîëüøèíñòâî äóìàþùèõ ëþäåé. Îäíèì èç òàêèõ ãëîáàëüíûõ âîïðîñîâ ÿâëÿåòñÿ ïðîáëåìà ïðîèñõîæäåíèÿ íàøåé Âñåëåííîé ñî âñåìè åå ñâîéñòâàìè, êîòîðûå óæå îòêðûëè è åùå îòêðîþò â áóäóùåì. Ñî âðåìåíè îáíàðóæåíèÿ êîñìîëîãè÷åñêîãî ðàñøèðåíèÿ ñòàëî î÷åâèäíî, ÷òî íàøà Âñåëåííàÿ ðîäèëàñü ïðèìåðíî 14 ìëðä. ëåò íàçàä â ðåçóëüòàòå «Áîëüøîãî âçðûâà». Íî ÷òî èìåííî âçîðâàëîñü? È ÷òî áûëî äî âçðûâà? Ñåé÷àñ êîñìîëîãè ïðîäâèíóëèñü â ïîíèìàíèè ýòèõ, êàçàëîñü áû, íåðàçðåøèìûõ âîïðîñîâ è äðóãèõ òåñíî ñâÿçàííûõ ñ íèìè ïðîáëåì. Îíè òàêæå ïûòàþòñÿ ïîíÿòü, êàê íàøà Âñåëåííàÿ ðàçâèâàëàñü ñðàçó ïîñëå Áîëüøîãî âçðûâà è ÷òî ïðîèçîéäåò ñ íåé â äàëåêîì áóäóùåì. Òåîðåòèêè ðàçðàáàòûâàþò ñàìûå ðàçíûå è óäèâèòåëüíûå ìîäåëè è òåîðèè, àñòðîíîìû îòêðûâàþò íîâûå ÿâëåíèÿ â êîñìîñå è óòî÷íÿþò ñòàðûå. È âñå âìåñòå ïûòàþòñÿ ïðèâåñòè ê ñîãëàñèþ ïðåäñêàçàíèÿ òåîðèè è íàáëþäåíèÿ. Îáùàÿ êàðòèíà óæå âûðèñîâûâàåòñÿ, õîòÿ ìíîãèå ïðîáëåìû æäóò ñâîåãî îáúÿñíåíèÿ.

Îñíîâíûå ïðîáëåìû Áîëüøîãî âçðûâà  1964 ã. ôèçèêè Àðíî Ïåíçèàñ è Ðîáåðò Âèëñîí, ñîòðóäíèêè ëàáîðàòîðèè Áåëë, çàíèìàâøèåñÿ îáñëóæèâàíèåì ðàäèîàíòåííû ñëåæåíèÿ çà àìåðèêàíñêèì êîñìè÷åñêèì ñïóòíèêîì «Ýõî» â Õîëìäåëå (Íüþ-Äæåðñè), ðåøèëè ïðîâåðèòü ñâîè íàó÷íûå ãèïîòåçû î ðàäèîèçëó÷åíèè íåêîòîðûõ îáúåêòîâ Âñåëåííîé. Îñíîâíûå ïðîáëåìû Áîëüøîãî âçðûâà

67

Àíòeííà áûëà ñàìûì ÷óâñòâèòåëüíûì íà òîò ìîìåíò äåòåêòîðîì ÑÂ×-âîëí, à ïîòîìó ñíà÷àëà åå íàäî áûëî ïðàâèëüíî íàñòðîèòü, ÷òîáû èñêëþ÷èòü âîçìîæíûå ïîìåõè. Äëÿ òåñòèðîâàíèÿ áûëà âûáðàíà äëèíà âîëíû 7,35 ñì, íà êîòîðîé íå èçëó÷àë íè îäèí èç èçâåñòíûõ èñòî÷íèêîâ. Ðàáîòà ÿâíî íå êëåèëàñü, ïîòîìó ÷òî àíòåííà ïîñòîÿííî ôèêñèðîâàëà äîïîëíèòåëüíûé íåîáúÿñíèìûé ïîñòîðîííèé øóì, îò êîòîðîãî íèêàê íå óäàâàëîñü èçáàâèòüñÿ. Ïðîâåðêà âñåõ êîìïîíåíòîâ è äàæå óäàëåíèå èç äîðîãîñòîÿùåé àïïàðàòóðû íåèçâåñòíî êàê òóäà ïîïàâøåãî ãîëóáèíîãî ïîìåòà (!) íå èçìåíèëè ñèòóàöèþ. Øóì íå çàâèñåë íè îò íàïðàâëåíèÿ àíòåííû — ýòî îçíà÷àëî, ÷òî åãî èñòî÷íèê íàõîäèòñÿ çà ïðåäåëàìè Çåìëè è çåìíîé àòìîñôåðû; íè îò âðåìåíè ñóòîê — òî åñòü íå ìîã áûòü ñâÿçàí ñ Ñîëíöåì èëè ïëàíåòàìè. Åñëè áû ïðè÷èíà êðûëàñü â íàøåé Ãàëàêòèêå, òî èíòåíñèâíîñòü èçëó÷åíèÿ èçìåíÿëàñü áû èç-çà âðàùåíèÿ Çåìëè âîêðóã ñâîåé îñè è âîêðóã Ñîëíöà, èçìåíÿþùåãî íàïðàâëåíèå àíòåííû íà òå èëè èíûå ó÷àñòêè êîñìîñà. Øóì áûë âåçäå è âñåãäà. Èçìåðåííàÿ íà äëèíå âîëíû 7,35 ñì èíòåíñèâíîñòü ýòîãî ðàäèîñèãíàëà îêàçàëàñü ðàâíîé èíòåíñèâíîñòè èçëó÷åíèÿ àáñîëþòíî ÷åðíîãî òåëà ñ òåìïåðàòóðîé îêîëî 3 K. Ïîòðàòèâ îêîëî ãîäà íà óñòðàíåíèå íåóñòðàíèìîé ïîìåõè, Ïåíçèàñ è Âèëñîí ïîíÿëè, ÷òî íàøëè òî, ÷åãî íå òåðÿëè, — ðåëèêòîâîå èçëó÷åíèå ðàííåé Âñåëåííîé, ñóùåñòâîâàíèå êîòîðîãî áûëî ïðåäñêàçàíî åùå â 1948 ã. Çàáàâíî, ÷òî â òî æå âðåìÿ Ðîáåðò Äèêêå è Äæèì Ïèáëç èç Ïðèíñòîíñêîãî óíèâåðñèòåòà, ðàñïîëîæåííîãî ïî ñîñåäñòâó ñ ëàáîðàòîðèåé Áåëë, âû÷èñëèëè, ÷òî òàêîå èçëó÷åíèå, åñëè îíî äåéñòâèòåëüíî ñóùåñòâóåò, äîëæíî áûòü èçîòðîïíûì (íå çàâèñåòü îò íàïðàâëåíèÿ) è ñîîòâåòñòâîâàòü òåìïåðàòóðå èçëó÷åíèÿ àáñîëþòíî ÷åðíîãî òåëà ñ òåìïåðàòóðîé íå áîëåå 10 K, î ÷åì Ïèáëç è ðàññêàçàë íà ñâîåé ëåêöèè â íà÷àëå 1965 ã. Óçíàâøèé îá ýòîì Ïåíçèàñ ïîçâîíèë â Ïðèíñòîí, êîãäà òàì óæå ïî÷òè ñìîíòèðîâàëè àïïàðàòóðó äëÿ ïðàêòè÷åñêîãî ïîèñêà èçëó÷åíèÿ. Âêëþ÷àòü åå óæå íå áûëî ñìûñëà. Òåîðåòè÷åñêîå îáîñíîâàíèå îòêðûòèÿ âçÿëè íà ñåáÿ ïðèíñòîíöû, íî, òåì íå ìåíåå, èìåííî çà ïðàêòè÷åñêîå îáíàðóæå-

68

Ãëàâà 2. Ïðîøëîå, íàñòîÿùåå è áóäóùåå Âñåëåííîé

íèå èçëó÷åíèÿ Ïåíçèàñó è Âèëñîíó áûëà ïðèñóæäåíà Íîáåëåâñêàÿ ïðåìèÿ 1978 ã. ×òî æå òàêîå ðåëèêòîâîå èçëó÷åíèå? Ñîãëàñíî òåîðèè Áîëüøîãî âçðûâà, Âñåëåííàÿ âîçíèêëà ïðèáëèçèòåëüíî 14 ìëðä. ëåò íàçàä â ðåçóëüòàòå ãðàíäèîçíîãî âçðûâà, ñîçäàâøåãî ïðîñòðàíñòâî, âðåìÿ è âñþ ìàòåðèþ, êîòîðàÿ ñóùåñòâóåò â íàøåé Âñåëåííîé. Äî âîçðàñòà ïðèáëèçèòåëüíî 300 òûñÿ÷ ëåò ìîëîäàÿ Âñåëåííàÿ áûëà «êèïÿùèì êîòëîì» èç ýëåêòðîíîâ, ïðîòîíîâ, íåéòðèíî è èçëó÷åíèÿ, êîòîðûå âçàèìîäåéñòâîâàëè ìåæäó ñîáîé è ñîñòàâëÿëè åäèíóþ ñðåäó, ðàâíîìåðíî çàïîëíÿâøóþ âñþ ðàííþþ Âñåëåííóþ. Îáùåå ðàñøèðåíèå Âñåëåííîé ïîñòåïåííî îõëàæäàëî ýòó ñðåäó, è êîãäà òåìïåðàòóðà óïàëà äî íåñêîëüêèõ òûñÿ÷ ãðàäóñîâ, íàñòóïèëî âðåìÿ ôîðìèðîâàíèÿ ñòàáèëüíûõ àòîìîâ. Ïîñëå ýòîé ýïîõè ïåðâîíà÷àëüíîå èçëó÷åíèå ðàñïðîñòðàíÿëîñü ñâîáîäíî, ïîñêîëüêó îíî ïî÷òè íå âçàèìîäåéñòâóåò ñ îáðàçîâàâøèìèñÿ íåéòðàëüíûìè àòîìàìè.  ðåçóëüòàòå êîñìè÷åñêîãî ðàñøèðåíèÿ ýòî èçëó÷åíèå ñòàëî êóäà ìåíåå èíòåíñèâíûì, íî íå ïðîïàëî ñîâñåì. Èìåííî åãî è îáíàðóæèëè áóäóùèå íîáåëåâñêèå ëàóðåàòû. Ðåëèêòîâîå èçëó÷åíèå ðàâíîìåðíî çàïîëíÿåò âñþ Âñåëåííóþ, è åñëè áû ìû ìîãëè âèäåòü ìèêðîâîëíû, âñå íåáî ïûëàëî áû ñ óäèâèòåëüíî îäèíàêîâîé ÿðêîñòüþ âî âñåõ íàïðàâëåíèÿõ. Îäíîðîäíîñòü ýòîãî èçëó÷åíèÿ ÿâëÿåòñÿ îäíîé èç ãëàâíûõ ïðè÷èí, ïî êîòîðîé åãî ñ÷èòàþò òåïëîì, îñòàâøèìñÿ îò Áîëüøîãî âçðûâà. Íî êàê ìîã ëîêàëüíûé èñòî÷íèê, êàêîâûì ÿâëÿëàñü òîãäà Âñåëåííàÿ, ñîçäàòü ïîäîáíóþ îäíîðîäíîñòü? Îêàçûâàåòñÿ, «ñãëàæèâàíèþ» ñïîñîáñòâóåò ñàì ïðîöåññ ðàñøèðåíèÿ ïðîñòðàíñòâà. ×òîáû íàãëÿäíî ïîíÿòü, êàê ýòî ïðîèñõîäèò, ïðåäñòàâüòå ñåáå òàêóþ áîëüøóþ è î÷åâèäíóþ íåîäíîðîäíîñòü, êàê ãîðà Äæîìîëóíãìà. Òåïåðü íà÷íèòå ìûñëåííî ðàñòÿãèâàòü ýòó ãîðó â øèðèíó, îñòàâëÿÿ âûñîòó íåèçìåííîé. Åñëè êàê ñëåäóåò ïîñòàðàòüñÿ è ðàñòÿíóòü åå â øèðèíó, ñêàæåì, íà ìèëëèîí êèëîìåòðîâ, òî ïîëó÷èòñÿ ïî÷òè èäåàëüíî ïëîñêàÿ ïîâåðõíîñòü: ïåðåïàä âûñîò â 8 êì (âûñoòà ãîðû) ïðàêòè÷åñêè íåçàìåòåí íà òàêîì êîëîññàëüíîì ìàñøòàáå, ïîñêîëüêó óãîë íàêëîíà ïîâåðõíîñòè — ïðèìåðíî 10–4 ãðàäóñà. Èìåííî ýòî è ïðîèñõîäèò ïðè ðàñøèðåíèè Îñíîâíûå ïðîáëåìû Áîëüøîãî âçðûâà

69

ïðoñòðàíñòâà ïîñëå Áîëüøîãî âçðûâà — âñå íåîäíîðîäíîñòè ñãëàæèâàþòñÿ. Íîâîðîæäåííàÿ Âñåëåííàÿ ïðîøëà ñòàäèþ ÷ðåçâû÷àéíî áûñòðîãî ðàñøèðåíèÿ, íàçâàííîãî èíôëÿöèåé, êîòîðàÿ ðàäèêàëüíî èçìåíèëà ïåéçàæ. Âîçíèêøèå ïîñëå èíôëÿöèè êðîøå÷íûå èçìåíåíèÿ â ïëîòíîñòè ìàòåðèè â ðàííåé Âñåëåííîé äîëæíû áûëè îñòàâèòü «îòïå÷àòîê» íà ðåëèêòîâîì èçëó÷åíèè â ôîðìå òåìïåðàòóðíûõ êîëåáàíèé ìåæäó ðàçëè÷íûìè òî÷êàìè ïðîñòðàíñòâà. È ýòè êîëåáàíèÿ óäàëîñü îáíàðóæèòü ñ ïîìîùüþ íàáëþäåíèé íà ñïóòíèêàõ COBE («Cosmic Background Explorer», ÑØÀ) è «Ðåëèêò-1» (Ðîññèÿ), èçìåðåííûå çíà÷åíèÿ òåìïåðàòóðû ñîñòàâëÿëè îò 2,7251 äî 2,7249 K, òî åñòü îòêëîíåíèå íå ïðåâûøàëî 0,01% îò ñðåäíåãî. Òåìïåðàòóðíûå êîëåáàíèÿ ñîîòâåòñòâóþò ñëàáûì ñãóùåíèÿì ìàòåðèè â ðàííåé Âñåëåííîé, êîòîðûå, êàê ñ÷èòàþò, ÿâèëèñü ïðàðîäèòåëÿìè çâåçäíûõ ñòðóêòóð, âèäèìûõ íàìè ñåãîäíÿ. Òåîðèÿ òåìïåðàòóðíûõ ôëóêòóàöèé ñëîæíà, ïîñêîëüêó âêëþ÷àåò ìíîæåñòâî ýôôåêòîâ. Èçëó÷åíèå îò êðóïíûõ ïðîñòðàíñòâåííûõ ôëóêòóàöèé ïëîòíîñòè áóäåò èìåòü íåìíîãî ìåíüøóþ òåìïåðàòóðó, òàê êàê ôîòîíû òåðÿþò ýíåðãèþ, âûáèðàÿñü èç ãðàâèòàöèîííîé ÿìû, ñîçäàííîé ïîâûøåííîé ïëîòíîñòüþ. Áîëåå ìåëêèå ôëóêòóàöèè ïëîòíîñòè óñïåâàþò ñëåãêà «ïîäæàòüñÿ» çà ñ÷åò ãðàâèòàöèîííûõ ñèë. Êèíåòè÷åñêàÿ ýíåðãèÿ ÷àñòèö íåìíîãî âîçðàñòàåò (êàê ó êàìíÿ, ïàäàþùåãî íà Çåìëþ). À ïîñêîëüêó òåìïåðàòóðà ïðîïîðöèîíàëüíà êèíåòè÷åñêîé ýíåðãèè ÷àñòèö, òî áîëåå ìåëêèå îáëàñòè îêàçûâàþòñÿ íàãðåòûìè.  åùå áîëåå ìåëêèõ ïðîñòðàíñòâåííûõ ôëóêòóàöèÿõ ïëîòíîñòè äàâëåíèå ðàñøèðÿåò ýòè ãðàâèòàöèîííî ñæàòûå îáëàñòè, ÷òî ïðèâîäèò ê èõ îõëàæëåíèþ. Ýòè êîëåáàíèÿ ïëîòíîñòè è òåìïåðàòóðû ïðîèñõîäÿò íåñêîëüêî ðàç.

70

Ãëàâà 2. Ïðîøëîå, íàñòîÿùåå è áóäóùåå Âñåëåííîé

Òåîðåòè÷åñêèé ó÷åò âñåõ ýôôåêòîâ äàëåêî íå ïðîñò, íî ðåçóëüòàòû ðàñ÷åòîâ, âûïîëíåííûõ íà áàçå èíôëÿöèîííîãî ñöåíàðèÿ, äàþò ïðåêðàñíîå ñîãëàñèå ñ íàáëþäàòåëüíûìè äàííûìè. Åñëè æå ïðåäïîëîæèòü, ÷òî èíôëÿöèîííûé ïåðèîä â æèçíè íàøåé Âñåëåííîé — ôèêöèÿ, òî ñîãëàñèÿ òåîðèè è ýêñïåðèìåíòà äîáèòüñÿ íå óäàñòñÿ. Òåì íå ìåíåå ñîâðåìåííûå íàáëþäàòåëüíûå äàííûå óêàçûâàþò íà òî, ÷òî èíôëÿöèîííàÿ ìîäåëü íóæäàåòñÿ â äîðàáîòêå. Íàñêîëüêî ñåðüåçíûìè äîëæíû áûòü èçìåíåíèÿ, ïîêàæåò âðåìÿ.  ôåâðàëå 2003 ã. èññëåäîâàòåëè ñ ïîìîùüþ êîñìè÷åñêîé îáñåðâàòîðèè «Âèëêèíñîí» (WMAP) ïðåäñòàâèëè íîâóþ, ãîðàçäî áîëåå ïîäðîáíóþ êàðòó òî÷íîãî ðàñïðåäåëåíèÿ òåìïåðàòóðû ðåëèêòîâîãî èçëó÷åíèÿ ïî âñåìó íåáó (ðèñ. 2.1; îáðàòèòå âíèìàíèå, íàñêîëüêî ïîëíåå èíôîðìàöèÿ 2003 ã. ïî ñðàâíåíèþ ñ ïîëó÷åííîé âñåãî ëèøü äåñÿòèëåòèå íàçàä). Èñïîëüçóÿ âñå èìåþùèåñÿ äàííûå è êîìïüþòåðíîå ìîäåëèðîâàíèå, èññëåäîâàòåëè âîññîçäàëè êàðòèíó çàðîæäåíèÿ è ðàçâèòèÿ Âñåëåííîé, óñòàíîâèëè åå âîçðàñò è ñîñòàâ. Ïî èõ ìíåíèþ, Âñåëåííîé ñåé÷àñ 13,7 ìëðä. ëåò (ñ òî÷íîñòüþ äî 200 ìëí. ëåò). Äîëãîå âðåìÿ Âñåëåííàÿ, îñòûâ ïîñëå Áîëüøîãî âçðûâà, îñòàâàëàñü òåìíîé è õîëîäíîé, íè÷òî íå îñâåùàëî åå. Ýòîò ïåðèîä çàêîí÷èëñÿ, êîãäà íà÷àëè ôîðìèðîâàòüñÿ çâåçäû. Òîò ôàêò, ÷òî ïåðâîå ïîêîëåíèå çâåçä, âïåðâûå îñâåòèâøèõ êîñìîñ, íà÷àëî ôîðìèðîâàòüñÿ íà î÷åíü ðàííåé ñòàäèè ýâîëþöèè Âñåëåííîé (ñïóñòÿ âñåãî 200–500 ìèëëèîíîâ ëåò ïîñëå Áîëüøîãî âçðûâà), ëèøíèé ðàç ïîäòâåðæäàåò ñóùåñòâîâàíèå ñêðûòîé ìàññû, êîòîðàÿ ñâîèì ãðàâèòàöèîííûì ïîëåì ïîìîãàëà ìàòåðèè êîíöåíòðèðîâàòüñÿ è âïîñëåäñòâèè ôîðìèðîâàòü ïåðâûå çâåçäû è ãàëàêòèêè. Ðàñøèðåíèå Âñåëåííîé áûëî îáíàðóæåíî 70 ëåò íàçàä, êîãäà íàáëþäåíèÿ ïîêàçàëè, ÷òî ñâåò îò áîëåå äàëåêèõ ãàëàêòèê «êðàñíåå» ñâåòà îò áîëåå áëèçêèõ. Îáùåïðèíÿòûì îáúÿñíåíèåì ýòîãî ôàêòà ÿâëÿåòñÿ ïðåäïîëîæåíèå î ðàçáåãàíèè ãàëàêòèê. Ñêîðîñòü ãàëàêòèê ïðîïîðöèîíàëüíà ðàññòîÿíèþ îò Çåìëè (çàêîí ðàñøèðåíèÿ Õàááëà). Êñòàòè, ðàçáåãàþòñÿ íå çâåçäû è äàæå íå îòäåëüíûå ãàëàêòèêè, à ñêîïëåíèÿ ãàëàêòèê. Áëèæàéøèå îò íàñ çâåçäû è ãàëàêòèêè ñâÿçàíû äðóã ñ Îñíîâíûå ïðîáëåìû Áîëüøîãî âçðûâà

71

Ðèñ. 2.1. Êàðòû ðàñïðåäåëåíèÿ òåìïåðàòóðû ðåëèêòîâîãî èçëó÷åíèÿ. Èëëþñòðàöèÿ ñ ñàéòà http://map.gsfc.nasa.gov/m_mm.html

äðóãîì ãðàâèòàöèîííûìè ñèëàìè è îáðàçóþò óñòîé÷èâûå îáúåêòû. Ýòî òåì áîëåå îòíîñèòñÿ ê îêðóæàþùèì íàñ ïðåäìåòàì, êîòîðûå ÿâëÿþòñÿ åùå áîëåå ïðî÷íûìè îáúåêòàìè. Âîçíèêàåò ðåçîííûé âîïðîñ: åñëè, â êàêîì íàïðàâëåíèè íè ïîñìîòðè, ñêîïëåíèÿ ãàëàêòèê ðàçáåãàþòñÿ îò Çåìëè, òî íå ÿâëÿåòñÿ ëè íàøà Çåìëÿ öåíòðîì Âñåëåííîé?! Óâû, ýòî íå òàê. Ãäå áû íè íàõîäèëñÿ íàáëþäàòåëü, îí áóäåò âèäåòü âñå òó æå êàðòèíó: âñå ãàëàêòèêè ðàçáåãàþòñÿ îò íåãî.  íàøåé Âñåëåííîé âñå íàáëþäàòåëè ðàâíû! Ïîíÿòü, ïî÷åìó ýòî òàê, ïîìîãàåò õîðîøî èçâåñòíàÿ êàðòèíêà (ðèñ. 2.2).

72

Ãëàâà 2. Ïðîøëîå, íàñòîÿùåå è áóäóùåå Âñåëåííîé

Ðèñ. 2.2. Âñå ðàññòîÿíèÿ ìåæäó ïðîñòðàíñòâåííûìè òî÷êàìè âîçðàñòàþò ïðîïîðöèîíàëüíî.  íàøå âðåìÿ òàêèìè òî÷êàìè ÿâëÿþòñÿ ãàëàêòèêè è ñêîïëåíèÿ ãàëàêòèê, êîòîðûå, áóäó÷è ãðàâèòàöèîííî ñâÿçàííûìè ñèñòåìàìè, íå ðàñøèðÿþòñÿ.

Íî òàêîé îäíîðîäíûé ðàçëåò âåùåñòâà äîëæåí èìåòü íà÷àëî. Çíà÷èò, âñå ãàëàêòèêè äîëæíû áûëè ðîäèòüñÿ â îäíîé òî÷êå! Ðàñ÷åòû ïîêàçûâàþò, ÷òî ýòî ïðîèçîøëî ïðèìåðíî 13–14 ìëðä. ëåò íàçàä. Ýòîò óäèâèòåëüíûé âûâîä òðåáóåò ñåðüåçíîé ïðîâåðêè. Íàïðèìåð, â ìîìåíò òàêîãî âçðûâà òåìïåðàòóðà äîëæíà áûëà áûòü î÷åíü áîëüøîé. Êîíå÷íî, ñ âîçðàñòîì îñòûâàåò âñå, íå ÿâëÿåòñÿ èñêëþ÷åíèåì è íàøà Âñåëåííàÿ. Òåì íå ìåíåå êàêàÿ-òî, ïóñòü íåáîëüøàÿ, òåìïåðàòóðà äîëæíà îñòàâàòüñÿ è â íàøè äíè. Êàê âû óæå çíàåòå, äîêàçàòåëüñòâî ïðèøëî â 1964 ã., êîãäà áûëî îáíàðóæåíî ðåëèêòîâîå ýëåêòðîìàãíèòíîå èçëó÷åíèå ñ òåìïåðàòóðîé îêîëî 3 K. Àâòîðû îòêðûòèÿ, À. Ïåíçèàñ è Ð. Óèëñîí, òåì ñàìûì ïîäòâåðäèëè èäåþ Ã. Ãàìîâà î òîì, ÷òî íà ðàííåé ñòàäèè íàøà Âñåëåííàÿ ìîãëà áûòü î÷åíü ãîðÿ÷åé, íàñòîëüêî, ÷òî áûëè âîçìîæíû ÿäåðíûå ðåàêöèè. Èìåííî ýòî îòêðûòèå, íåîæèäàííîå äëÿ ìíîãèõ ó÷åíûõ, óáåäèëî èõ, ÷òî Áîëüøîé âçðûâ äåéñòâèòåëüíî èìåë ìåñòî. Èìåííî Ãàìîâ â 1946 ã. ïåðâûì ïîíÿë, ÷òî â ìîìåíò ðîæäåíèÿ Âñåëåííàÿ áûëà ãîðÿ÷åé. Íà ýòó ìûñëü åãî íàòîëêíóë ðåÎñíîâíûå ïðîáëåìû Áîëüøîãî âçðûâà

73

çóëüòàò ðàñ÷åòà äîëè ãåëèÿ, îáðàçîâàâøåãîñÿ â ðåçóëüòàòå çâåçäíûõ ðåàêöèé. Îí ïðåêðàñíî çíàë î òîì, ÷òî Âñåëåííàÿ âîçíèêëà ïðèìåðíî 14 ìëðä. ëåò íàçàä. Ñòîëüêî æå âðåìåíè (ïðèìåðíî) çâåçäû ïðîèçâîäèëè ãåëèé. Ïîëó÷åííûé ðåçóëü òàò åãî ñèëüíî óäèâèë: ãåëèÿ âî Âñåëåííîé ãîðàçäî áîëüøå, ÷åì ìîãëè ïðîèçâåñòè çâåçäû! Ãàìîâ ïðåäïîëîæèë, ÷òî äîë æåí áûòü åùå îäèí ìåõàíèçì ñèíòåçà ãåëèÿ, è åäèíñòâåííûì ðàçóìíûì ïðåäïîëîæåíèåì áûëà èäåÿ ïåðâè÷íîãî íóêëåîñèíòåçà: îáðàçîâàíèå ãåëèÿ øëî åùå äî ïîÿâëåíèÿ ïåðâûõ çâåçä. Íî ÿäåðíàÿ ðåàêöèÿ, â ðåçóëüòàòå êîòîðîé îáðàçóåòñÿ ãåëèé, òðåáóåò âûñîêèõ òåìïåðàòóð. Çíà÷èò, ðîæäåíèå Âñåëåííîé ïðoèñõîäèëî ñ îäíîâðåìåííûì ñèëüíûì íàãðåâîì åå ñîäåð æèìîãî. Òåîðèÿ Áîëüøîãî âçðûâà ïîçâîëèëà îáúÿñíèòü ìíîæåñòâî ïðîáëåì, ñòîÿâøèõ ïåðåä êîñìîëîãàìè. Ê ñîæàëåíèþ, à ìîæåò áûòü, è ê ñ÷àñòüþ, ýòà òåîðèÿ ïîñòàâèëà ïåðåä êîñìîëîãàìè íîâûå âîïðîñû. Âîò íåáîëüøîé èõ ïåðå÷åíü. T ×òî áûëî äî Áîëüøîãî âçðûâà? T Ïî÷åìó íàøå ïðîñòðàíñòâî ïëîñêîå? Ïîä «ïëîñêèì» îáû÷íî ïîíèìàåòñÿ ïðîñòðàíñòâî ëþáîãî ÷èñëà èçìåðåíèé, îïèñûâàåìîå ãåîìåòðèåé Åâêëèäà, êîòîðóþ ìû èçó÷àëè â øêîëå. T Åñëè òåîðèÿ Áîëüøîãî âçðûâà ñïðàâåäëèâà, òî ðàçìåð Âñåëåííîé ñåé÷àñ äîëæåí áûë áûòü íèêàê íå áîëåå 1 ñì. Òåñíîâàòî áûëî áû â òàêîé Âñåëåííîé! T Âî âðåìÿ ëþáîãî âçðûâà âåùåñòâî ðàçëåòàåòñÿ â ðàçíûå ñòîðîíû êðàéíå íåðàâíîìåðíî: â îäíó ñòîðîíó — áîëüøå, â äðóãóþ — ìåíüøå. Íî íàáëþäåíèÿ ïîêàçûâàþò, ÷òî Âñåëåííàÿ íà óäèâëåíèå îäíîðîäíà. Íàïðèìåð, îòêëîíåíèå òåìïåðàòóðû ðåëèêòîâîãî èçëó÷åíèÿ îò ñðåäíåãî çíà÷åíèÿ, êàê óæå ãîâîðèëîñü, ñîñòàâëÿþò îäíó ñîòóþ ïðîöåíòà! Ýòî âñå ðàâíî, êàê åñëè áû íàøà Çåìëÿ èìåëà èäåàëüíóþ ôîðìó øàðà ñ «ãîðàìè» íå áîëåå 40 ìåòðîâ âûñîòîé. Äëÿ ñðàâíåíèÿ: äèàìåòð Çåìëè ïðèìåðíî 1,2 · 107 ìåòðîâ. Òðóäíî áûëî áû òîãäà ïîâåðèòü â ñëó÷àéíîñòü åå ïðîèñõîæäåíèÿ. Òåìïåðàòóðà â ïåðâûé ìîìåíò äîëæíà áûòü ÷ðåçâû÷àéíî âûñîêîé, íèêàê íå ìåíåå 1013 K. ×òî ïðèâåëî ê òàêîìó íaãðåâó?

74

Ãëàâà 2. Ïðîøëîå, íàñòîÿùåå è áóäóùåå Âñåëåííîé

Ýòè è íåêîòîðûå äðóãèå ïðîáëåìû óêàçûâàëè íà òî, ÷òî òåîðèÿ Áîëüøîãî âçðûâà íåïîëíà. Äîëãîå âðåìÿ êàçàëîñü, ÷òî ïðîäâèíóòüñÿ äàëåå íåâîçìîæíî. Òåì íå ìåíåå ïðèìåðíî 25 ëåò íàçàä áëàãîäàðÿ ðàáîòàì ñîâåòñêèõ ôèçèêîâ Å. Ãëèíåðà, À. Ñòàðîáèíñêîãî è àìåðèêàíñêîãî ôèçèêà À. Ãóñà áûëî îòêðûòî íîâîå ÿâëåíèå — âîçìîæíîñòü ñâåðõáûñòðîãî ðàñøèðåíèÿ Âñåëåííîé. Òåïåðü ñ÷èòàåòñÿ îáùåïðèíÿòûì, ÷òî òàêîé ïåðèîä, ïîëó÷èâøèé íàçâàíèå «èíôëÿöèÿ», èìåë ìåñòî íà íà÷àëüíîé ñòàäèè ðàçâèòèÿ íàøåé Âñåëåííîé. Îáúÿñíåíèå ýòîãî ÿâëåíèÿ îñíîâûâàåòñÿ íà óæå õîðîøî èçó÷åííûõ ðàçäåëàõ òåîðåòè÷åñêîé ôèçèêè — îáùåé òåîðèè îòíîñèòåëüíîñòè Ýéíøòåéíà è êâàíòîâîé òåîðèè ïîëÿ. Ñ îäíîé ñòîðîíû, ýòî âñåëÿåò óâåðåííîñòü â ïðàâèëüíîñòè âûâîäîâ. Ñ äðóãîé ñòîðîíû, îñòàþòñÿ íåðåøåííûìè íåêîòîðûå âîïðîñû (÷òî, âïðî÷åì, òoæå õîðîøî). Íàïðèìåð, íåò îêîí÷àòåëüíûõ îòâåòîâ íà âîïðîñû, ÷òî òàêîå âðåìÿ è ïî÷åìó íàøå ïðîñòðàíñòâî òðåõìåðíîå.

Ïåðèîä ñâåðõáûñòðîãî ðàñøèðåíèÿ Âñåëåííîé Çäåñü ÿ ïîïûòàþñü äàòü ïðåäñòàâëåíèå î ñóùíîñòè íà÷àëüíîãî ïåðèîäà æèçíè Âñåëåííîé. Ñëîæíîñòü çàêëþ÷àåòñÿ â òîì, ÷òî ïðèõîäèòñÿ îïåðèðîâàòü òàêèìè ñâåðõìàëûìè è ñâåðõáîëüøèìè ÷èñëàìè, ÷òî íàøå âîîáðàæåíèå ñ òðóäîì èõ âîñïðèíèìàåò.  ñâîå âðåìÿ âåëèêèé ìàòåìàòèê Ä. Ãèëüáåðò ñ ãðóñòüþ ñêàçàë î ñâîåì áûâøåì ó÷åíèêå: «Åìó íå õâàòèëî âîîáðàæåíèÿ, ÷òîáû ñòàòü ìàòåìàòèêîì. Îí ñòàë ïîýòîì». Êîíå÷íî, ñîâðåìåííûå êîñìîëîãè îïèðàþòñÿ íà óðàâíåíèÿ, íî, òåì íå ìåíåå, âîîáðàæåíèå èãðàåò âñå áîëüøóþ ðîëü. Ìû æå ñ âàìè áóäåì èñïîëüçîâàòü àíàëîãèè äëÿ òîãî, ÷òîáû ðàçîáðàòüñÿ ñ íà÷àëüíûì ïåðèîäîì Áîëüøîãî âçðûâà, êîòîðûé íàçâàëè «èíôëÿöèåé». Èç äàëüíåéøåãî áóäóò ïîíÿòíû ïðè÷èíû òàêîãî ñòðàííîãî íàçâàíèÿ1. Áîëåå ñòðîãèé àíàëèç èíôëÿöèîííîãî ðàñøèðåíèÿ ïðîñòðàíñòâà ñîäåðæèòñÿ â Ïðèëîæåíèè 6. Èòàê, ïðåäñòàâüòå ñåáå ãîðíûé ñêëîí. Îí ïîêðûò ñíåãîì, â êîòîðûé âêðàïëåíû ðàçíîðîäíûå ìåëêèå ïðåäìåòû — êàìåøêè, âåòêè, ïûëü è ò. ä. È âîò âû, íàõîäÿñü íà ýòîì ñêëîíå, 1

Ëàò. inflatio — ðàçäóâàíèå.

Ïåðèîä ñâåðõáûñòðîãî ðàñøèðåíèÿ Âñåëåííîé

75

ñäåëàëè íåáîëüøîé ñíåæîê è áðîñèëè åãî âíèç. Ñêàòûâàÿñü, ñíåæîê óâåëè÷èâàåòñÿ â ðàçìåðàõ, òàê êàê íà íåãî íàëèïàþò íîâûå ñëîè ñíåãà ñî âñåìè âêëþ÷åíèÿìè. ×åì áîëüøå ðàçìåð ñíåæêà, òåì áûcòðåå îí óâåëè÷èâàåòñÿ. Î÷åíü ñêîðî èç ìàëåíüêîãî è ñèìïàòè÷íîãî ñíåæêà îí ïðåâðàòèòñÿ â îãðîìíûé êîì. Åñëè íàø ñêëîí çàêàí÷èâàåòñÿ ïðîïàñòüþ, òî ýòîò êîì, êîíå÷íî, ïîëåòèò â íåå ñ íàðàñòàþùåé ñêîðîñòüþ. Äîñòèãíóâ äíà, îí óäàðèòñÿ î íåãî, è åãî ñîñòàâíûå ÷àñòè ðàçëåòÿòñÿ âî âñå ñòîðîíû. Èç øêîëüíîé ôèçèêè èçâåñòíî, ÷òî êèíåòè÷åñêàÿ ýíåðãèÿ êîìà ÷àñòè÷íî ïîéäåò íà íàãðåâ îêðóæàþùåé ñðåäû. Ýòî çàìå÷àíèå ñêîðî íàì ïîíàäîáèòñÿ. Òåïåðü ìû ãîòîâû ê âîñïðèÿòèþ ïðîöåññà èíôëÿöèè. Ïðåæäå âñåãî ôèçèêàì Ðèñ. 2.3. Ñíåæíûé êîì êàòèòñÿ ïðè øëîñü ââåñòè åùå îäíî ñ ãîðû è ïàäàåò â äîëèíó. ãèïîòåòè÷åñêîå ïîëå. Íàçâàëè åãî, åñòåñòâåííî, «èíôëàòîííûì». Îïðàâäàíèåì ñëóæèëî òî, ÷òî ìû âñå ðàâíî íå çíàåì ñîñòàâ ñêðûòîé ìàññû è òåìíîé ýíåðãèè, à çíà÷èò, íîâûå ïîëÿ ïðèäåòñÿ ââîäèòü ïî÷òè íàâåðíÿêà. Òàê âîò, ýòî èíôëàòîííîå ïîëå çàïîëíÿëî ñîáîé âñå ïðîñòðàíñòâî (ñíåã íà ñêëîíå). Áëàãîäàðÿ ñëó÷àéíûì ôëóêòóàöèÿì îíî ïðèíèìàëî ñàìûå ðàçëè÷íûå çíà÷åíèÿ â ðàçëè÷íûõ îáëàñòÿõ. Íè÷åãî èíòåðåñíîãî íå ïðîèñõîäèò, ïîêà ñëó÷àéíî íå

76

Ãëàâà 2. Ïðîøëîå, íàñòîÿùåå è áóäóùåå Âñåëåííîé

îáðàçóåòñÿ îäíîðîäíàÿ êîíôèãóðàöèÿ ýòîãî ïîëÿ ðàçìåðîì íå ìåíåå 10–33 ñì. Ïðåäïîëàãàåòñÿ, ÷òî íà òàêèõ ðàçìåðàõ óæå ñïðàâåäëèâû îñíîâíûå çàêîíû ôèçèêè, èçâåñòíûå ó÷åíûì, ÷òî ïîçâîëÿåò ïðåäñêàçàòü äàëüíåéøåå ïîâåäåíèå ñèñòåìû. Îêàçûâàåòñÿ, ÷òî ñðàçó ïîñëå ðîæäåíèÿ ïðîñòðàíñòâåííàÿ îáëàñòü, çàíÿòàÿ ôëóêòóàöèåé, íà÷èíàåò î÷åíü áûñòðî óâåëè÷èâàòüñÿ, à èíôëàòîííîå ïîëå ñòðåìèòñÿ çàíÿòü ïîëîæåíèå, â êîòîðîì åãî ýíåðãèÿ ìèíèìàëüíà (ñíåæíûé êîì ïîêàòèëñÿ âíèç, óâåëè÷èâàÿñü â ðàçìåðàõ). Òàêîå ðàñøèðåíèå ïðîäîëæàåòñÿ ïðèìåðíî 10–35 ñåêóíäû, íî ýòîãî îêàçûâàåòñÿ äîñòàòî÷íî, ÷òîáû ðàçìåð Âñåëåííîé âîçðîñ êàê ìèíèìóì â 1027 ðàç, è ê îêîí÷àíèþ èíôëÿöèîííîãî ïåðèîäà íàøà Âñåëåííàÿ èìååò ðàçìåð ïîðÿäêà 0,1 ñì. Èíôëÿöèÿ çàêàí÷èâàåòñÿ, êîãäà èíôëàòîííîå ïîëå äîñòèãàåò ìèíèìóìà ýíåðãèè — äàëüøå ïàäàòü íåêóäà. Ïðè ýòîì íàêîïèâøàÿñÿ êèíåòè÷åñêàÿ ýíåðãèÿ ïåðåõî äèò â êèíåòè÷åñêóþ ýíåðãèþ ðîæäàþùèõñÿ è ðàçëåòàþùèõñÿ ÷àñòèö, ïðîèñõîäèò íàãðåâ Âñåëåííîé. Êàê ðàç ýòîò ìîìåíò âîñïðèíèìàåòñÿ íàìè êàê Áîëüøîé âçðûâ. Ãîðêà, î êîòîðîé ãîâîðèëîñü âûøå, ìîæåò èìåòü ãîðàçäî áîëåå ñëîæíûé ðåëüåô — íåñêîëüêî ðàçíûõ ìèíèìóìîâ, äîëèíû âíèçó è âñÿêèå êî÷êè. Ñíåæíûå êîìêè ðàñïîëîæåíû íà âñåõ ñêëîíàõ ãîðû, âûøå è íèæå. Êàæäûé êîìîê ìîæåò ñëó÷àéíûì îáðàçîì ñêàòèòüñÿ â ëþáîé èç ìèíèìóìîâ, íàïðèìåð ïî äðóãóþ ñòîðîíó ñêëîíà. Òî÷íî òàê æå è êâàíòîâûå ôëóêòóàöèè, çàðîäûøè áóäóùèõ âñåëåííûõ, âîçíèêàþò, èìåÿ ðàçëè÷íûå íà÷àëüíûå ñâîéñòâà. Åñòåñòâåííî, è ñâîéñòâà âñåëåííûõ òàêæå ñïåöèôè÷íû, ìîãóò îòëè÷àòüñÿ äðóã îò äðóãà, è ñâîéñòâà íàøåé Âñåëåííîé óäèâèòåëüíåéøèì îáðàçîì ïðèñïîñîáëåíû ê òîìó, ÷òîáû â íåé âîçíèêëà ðàçóìíàÿ æèçíü. Äðóãèì âñåëåííûì ïîâåçëî ìåíüøå. Ýòà òåìà îáñóæäàåòñÿ â ïîñëåäíèõ ãëàâàõ. Åùå ðàç õîòåëîñü áû ïîä÷åðêíóòü, ÷òî îïèñàííûé óäèâèòåëüíûé ïðîöåññ ðîæäåíèÿ íàøåé Âñåëåííîé «ïðàêòè÷åñêè èç íè÷åãî» îïèðàåòñÿ íà ñòðîãî íàó÷íûå ðàñ÷åòû. Òåì íå ìåíåå ó âñÿêîãî ÷åëîâåêà, âïåðâûå çíàêîìÿùåãîñÿ ñ èíôëÿöèîííûì ìåõàíèçìîì, îïèñàííûì âûøå, âîçíèêàþò âîïðîñû. Íèæå ÿ ïîïûòàþñü ïðîÿñíèòü ïîëîæåíèå äåë. Ïåðèîä ñâåðõáûñòðîãî ðàñøèðåíèÿ Âñåëåííîé

77

Îñíîâíûå âîïðîñû ê èíôëÿöèè

w

¹ 1. Íàøà Âñåëåííàÿ ñîñòîèò èç ìíîæåñòâà çâåçä, íå ãîâîðÿ óæ î ñêðûòîé ìàññå. Çíà÷èò, ïîëíàÿ ýíåðãèÿ Âñåëåííîé ñåé÷àñ î÷åíü âåëèêà. Êàê âñÿ ýòà ýíåðãèÿ ìîãëà ñîñðåäîòî÷èòüñÿ â ïåðâîíà÷àëüíîì îáúåìå ïîðÿäêà 10–99 ñì3? Èëè çàêîí ñîõðàíåíèÿ ýíåðãèè íå ðàáîòàåò? Î ò â å ò. Âî Âñåëåííîé ñóùåñòâóþò íå òîëüêî ìàòåðèÿ, íî è ãðàâèòàöèîííîå ïîëå. Èçâåñòíî, ÷òî ýíåðãèÿ ïîñëåäíåãî îòðèöàòåëüíà è â òî÷íîñòè óðàâíîâåøèâàåò ýíåðãèþ, çàêëþ÷åííóþ â ÷àñòèöàõ, ïëàíåòàõ, çâåçäàõ è ò. ä. Çàêîí ñîõðàíåíèÿ ýíåðãèè âûïîëíÿåòñÿ, è ñóììàðíàÿ ýíåðãèÿ òàêîâà, êàêîé áûëà â ñàìîì íà÷àëå, êîãäà íàøà Âñåëåííàÿ òîëüêî ÷òî ðîäèëàñü, ò. å. ïðàêòè÷åñêè ðàâíà íóëþ. ¹ 2. Êàê âñå ýòè ÷àñòèöû, èç êîòîðûõ ñîñòîÿò çâåçäû, ìîãëè ïîìåñòèòüñÿ â ñòîëü ìàëîì ïåðâîíà÷àëüíîì îáúåìå? Î ò â å ò. À îíè è íå ïîìåùàëèñü. ×àñòèöû èíòåíñèâíî ðîæäàëèñü â òîò ïåðèîä, êîãäà èíôëàòîííîå ïîëå äîñòèãëî ìèíèìóìà ñâîåé ïîòåíöèàëüíîé ýíåðãèè, ò. å. êàê ðàç â ìîìåíò Áîëüøîãî âçðûâà. ¹ 3. Íåòðóäíî ïîäñ÷èòàòü, ÷òî ïîëå ðàñøèðÿëîñü ñî ñêîðîñòüþ, áîëüøåé ñêîðîñòè ñâåòà. Êàê æå òàê? Èëè ìû íàêîíåö îïðîâåðãëè Ýéíøòåéíà? Î ò â å ò. Íè÷åãî ñòðàøíîãî íå ñëó÷èëîñü. Áûñòðåå ñêîðîñòè ñâåòà íå ìîãóò äâèãàòüñÿ ëèøü ìàòåðèàëüíûå òåëà â íåïîñðåäñòâåííîé áëèçîñòè îò íàáëþäàòåëÿ.  äàííîì æå ñëó÷àå ïåðåìåùàëàñü âîîáðàæàåìàÿ, íåìàòåðèàëüíàÿ ãðàíèöà òîé îáëàñòè, ãäå ðîäèëàñü ôëóêòóàöèÿ. ¹ 4. Ïî÷åìó îêðóæàþùàÿ ñðåäà íå ñîïðîòèâëÿåòñÿ ðàñøèðåíèþ îáëàñòè, â êîòîðîé ìû æèâåì? Äîëæíû áûëè âîçíèêíóòü êîëîññàëüíûå ñèëû ïðîòèâîäåéñòâèÿ, è â ðåçóëüòàòå ðàñøèðåíèå îêàæåòñÿ íåçíà÷èòåëüíûì! Î ò â å ò íà ýòîò âîïðîñ — ñàìûé ñëîæíûé è íåîæèäàííûé. Îáùàÿ òåîðèÿ îòíîñèòåëüíîñòè óòâåðæäàåò, ÷òî ôèçè÷åñêàÿ êàðòèíà, êîòîðóþ âèäèò íàáëþäàòåëü, êàðäèíàëüíî çàâèñèò îò òîãî, ãäå îí íàõîäèòñÿ è êàê äâèæåòñÿ. Òàê âîò, îïèñàííàÿ âûøå êàðòèíà ñïðàâåäëèâà òîëüêî äëÿ íàáëþäàòåëÿ, íàõîäÿùåãîñÿ âíóòðè ýòîé îáëàñòè. Ýòîò íàáëþäàòåëü íèêîãäà

w w

w

78

Ãëàâà 2. Ïðîøëîå, íàñòîÿùåå è áóäóùåå Âñåëåííîé

íå óçíàåò, ÷òî ïðîèñõîäèò âíå ïðîñòðàíñòâåííîé îáëàñòè, â êîòîðîé îí íàõîäèòñÿ. Äðóãîé íàáëþäàòåëü, ñìîòðÿùèé íà ýòó îáëàñòü ñíàðóæè, íèêàêîãî ðàñøèðåíèÿ íå îáíàðóæèò.  ëó÷øåì ñëó÷àå îí óâèäèò ëèøü íåáîëüøóþ ôëóêòóàöèþ, êîòîðàÿ ïî åãî ÷àñàì èñ÷åçíåò ïî÷òè ìãíîâåííî! Äàæå ñàìîå èçîùðåííîå âîîáðàæåíèå îòêàçûâàåòñÿ âîñïðèíèìàòü òàêóþ êàðòèíó. È âñå-òàêè îíà âåðíà! Ïî êðàéíåé ìåðå, òàê ñ÷èòàþò ñîâðåìåííûå ó÷åíûå, ÷åðïàÿ ýòó óâåðåííîñòü â óæå îòêðûòûõ çàêîíàõ ïðèðîäû, ïðàâèëüíîñòü êîòîðûõ ìíîãîêðàòíî ïðîâåðåíà. Ýòè æå ðàññóæäåíèÿ ÿâëÿþòñÿ îñíîâîé îòâåòà è íà ñëåäóþùèé âîïðîñ. ¹ 5. À êóäà æå äåëîñü ýòî ïîëå, ñî âñåìè ñâîèìè ôëóêòóàöèÿìè, ñåé÷àñ? Î ò â å ò. Íèêóäà íå äåëîñü. Ïðîäîëæàåò ñóùåñòâîâàòü è ôëóêòóèðîâàòü. Íî òîëüêî ìû, âíóòðåííèå íàáëþäàòåëè, íå â ñîñòîÿíèè ýòîãî óâèäåòü: âåäü äëÿ íàñ ìàëåíüêàÿ îáëàñòü ïðåâðàòèëàñü â êîëîññàëüíóþ Âñåëåííóþ, ãðàíèö êîòîðîé íå ìîæåò äîñòèãíóòü íè îäèí ñèãíàë ñ Çåìëè!  íàøåé Âñåëåííîé ýòî ïîëå òàêæå ïðèñóòñòâóåò. Âïîëíå âîçìîæíî, ÷òî òåìíàÿ ýíåðãèÿ êàê ðàç è ñîñòîèò èç èíôëàòîííîãî ïîëÿ, íàõîäÿùåãîñÿ â ìèíèìóìå ñâîåãî ïîòåíöèàëà.

w

Ñòðàííûå íàáëþäàòåëè Èòàê, íàøà Âñåëåííàÿ âîçíèêëà â êàêîé-òî ìîìåíò âðåìåíè â âèäå êðîøå÷íîé, íî î÷åíü áûñòðî ðàñøèðÿþùåéñÿ îáëàñòè. Ðàçìåð Âñåëåííîé èçíà÷àëüíî äîëæåí áûòü áîëüøå 10–33 ñì äëÿ òîãî, ÷òîáû âûïîëíÿëèñü èçâåñòíûå íàì ôèçè÷åñêèå çàêîíû, äà è ñàìè ïîíÿòèÿ ïðîñòðàíñòâà è âðåìåíè èìåëè ñìûñë.  ýòîì ñëó÷àå ìû ìîæåì (ìûñëåííî!) ïðîíóìåðîâàòü òî÷êè ïðîñòðàíñòâà, íàõîäÿùèåñÿ íà îäèíàêîâîì ðàññòîÿíèè.  äàëüíåéøåì, êîíå÷íî, íóìåðàöèÿ òî÷åê ñîõðàíÿåòñÿ. Íàïðèìåð, òî÷êà íîìåð 1923 âñåãäà áóäåò òî÷êîé íîìåð 1923. Òåïåðü ïîñàäèì â êàæäóþ òî÷êó ïî íàáëþäàòåëþ (îïÿòü æå ìûñëåííî — âåäü â òîò ìîìåíò òåìïåðàòóðà áûëà îêîëî 1033 K) è ïîïðîñèì îäíîãî èç íèõ, îñíîâíîãî, ïîñûëàòü â îêðóæàþùåå ïðîñòðàíñòâî ñèãíàëû ñî ñêîðîñòüþ ñâåòà. Îñòàëüíûõ æå ïîïðîñèì ïðèñûëàòü ñèãíàëû â îòâåò. Ñòðàííûå íàáëþäàòåëè

79

 ïåðâûé ìîìåíò îñíîâíîé íàáëþäàòåëü, ïîñëàâ ñèãíàë, ïîëó÷èò îòâåò îò âñåõ íàáëþäàòåëåé. Óäîâëåòâîðåííûé ðåçóëüòàòîì, îí äåëàåò ïåðåðûâ íà îáåä, ïîñëå ÷åãî ðàññûëàåò ñèãíàëû åùå ðàç. Ê ñâîåìó óäèâëåíèþ îí îáíàðóæèò, ÷òî ñàìûå äàëüíèå íàáëþäàòåëè íå îòâåòèëè! Õîòÿ îáåäàë îí íåäîëãî — âñåãî-òî îêîëî 10–43 ñåêóíäû. Ìûñëåííî ïðîêëèíàÿ õàëàòíîñòü äàëüíèõ íàáëþäàòåëåé, îí ïîñûëàåò ñèãíàë åùå ðàç. Òåïåðü ÷èñëî îòâåòèâøèõ åùå óìåíüøèëîñü! Îñíîâíîé íàáëþäàòåëü, íà÷èíàÿ ïîíèìàòü, ÷òî äåëî íå â õàëàòíîñòè, ïîñûëàåò ñèãíàëû ñíîâà è ñíîâà. È êàæäûé ðàç ñ ãðóñòüþ îòìå÷àåò, ÷òî îáëàñòü, èç êîòîðîé ïðèõîäèò îòâåò, ñòàíîâèòñÿ âñå ìåíüøå. Êîíå÷íî, ìû íå â ñîñòîÿíèè ïðîâåñòè ðåàëüíûé ýêñïåðèìåíò, íî óðàâíåíèÿ, ïðàâèëüíîñòü êîòîðûõ ïðîâåðÿëàñü íåîäíîêðàòíî, äàþò èìåííî òàêóþ êàðòèíó. Êàêîé æå âûâîä íàø íàáëþäàòåëü ìîæåò ñäåëàòü? Âàðèàíòîâ äëÿ âûáîðà ó íåãî íå ìíîãî. Íàïðèìåð, íàïðàøèâàåòñÿ çàêëþ÷åíèå, ÷òî ðàññòîÿíèÿ ìåæäó ýòèìè ïðîíóìåðîâàííûìè òî÷êàìè âîçðàñòàþò. Îêàçûâàåòñÿ, ÷òî òàêîé íåîæèäàííûé âûâîä íå ïðîòèâîðå÷èò íèêàêèì çàêîíàì ïðèðîäû. Áîëåå òîãî, îí ïîäòâåðæäàåòñÿ ñîâðåìåííûìè íàáëþäåíèÿìè — âåäü ðàçáåãàíèå ãàëàêòèê — ýòî íå ÷òî èíîå, êàê óâåëè÷åíèå ðàññòîÿíèÿ ìåæäó ïðîíóìåðîâàííûìè îáúåêòàìè. ×òî æå ìû èìååì â ðåçóëüòàòå? Ðàññòîÿíèå ìåæäó ïðîíóìåðîâàííûìè òî÷êàìè âîçðàñòàåò, â òî âðåìÿ êàê íîìåðà òî÷åê îñòàþòñÿ, êîíå÷íî, íåèçìåííûìè. Ïîýòîìó â êîñìîëîãèè ïîíÿòèå ðàññòîÿíèÿ ìåæäó òî÷êàìè-îáúåêòàìè ìîæíî õàðàêòåðèçîâàòü êàê ôèçè÷åñêèì ðàññòîÿíèåì, óâåëè÷èâàþùèìñÿ ñî âðåìåíåì, òàê è êîñìè÷åñêèì, èëè êîîðäèíàòíûì, ïîä êîòîðûì ïîäðàçóìåâàåòñÿ ïðîñòî èñõîäíàÿ íóìåðàöèÿ òî÷åê. ×òîáû ïîíÿòü ðàçíèöó ìåæäó ôèçè÷åñêèì è êîîðäèíàòíûì ðàññòîÿíèåì, ðàññìîòðèì àíàëîãèþ, êîòîðàÿ íåïëîõî ñîîòâåòñòâóåò äåéñòâèòåëüíîñòè. Ïðåäïîëîæèì, ÷òî â îêåàíå äèñëîöèðóåòñÿ ãðóïïà êîðàáëåé, è èõ öåëü — èññëåäîâàòü îêðóæàþùåå ïðîñòðàíñòâî. Êîðàáëü ¹ 0 îñòàåòñÿ íà ìåñòå, îñòàëüíûå ðàñïëûâàþòñÿ ïî ðàçëè÷íûì íàïðàâëåíèÿì êàê ìîæíî áûñòðåå. Êàïèòàíó îäíîãî èç êîðàáëåé õî÷åòñÿ ïðîèçâåñòè áëàãîïðèÿòíîå âïå÷àòëåíèå íà íà÷àëüñòâî, è îí ðåâíèâî

80

Ãëàâà 2. Ïðîøëîå, íàñòîÿùåå è áóäóùåå Âñåëåííîé

ñëåäèò çà óñïåõàìè äðóãèõ êîðàáëåé. Îí ïðîñèò ñâîåãî ïîä÷èíåííîãî äîêëàäûâàòü îá èõ ìåñòîïîëîæåíèè, ïðè÷åì åìó âàæíî íå ñàìî ðàññòîÿíèå, à âî ñêîëüêî ðàç ïóòè, ïðîéäåííûå ñîïåðíèêàìè, áîëüøå èëè ìåíüøå åãî ïóòè, ò. å. ðàññòîÿ íèÿ äî êîðàáëÿ ¹ 0. Ïîýòîìó åìó äîñòàòî÷íî ïîëó÷èòü ñîîáùåíèå òèïà «êîðàáëü ¹ 6 — íà ðàññòîÿíèè 0,9», ÷òîáû ïîíÿòü, íàñêîëüêî îòñòàë ñîïåðíèê. Ýòî è åñòü ïîëíûé àíàëîã ñîïóòñòâóþùåé (êîîðäèíàòíîé) ñèñòåìû îòñ÷åòà. Íî âîò ñèòóàöèÿ èçìåíèëàñü: óâëåêøèñü áîðüáîé, êàïèòàí ïåðåñòàë ñìîòðåòü âïåðåä è íàëåòåë íà ñêàëó. Êîðàáëü çàòîíóë, êîìàíäà ñ êàïèòàíîì — íà øëþïêàõ, íàäâèãàåòñÿ ãðîçà. Òåïåðü óæå êàïèòàíó íå äî ñîïåðíèêîâ, íàîáîðîò, åìó íàäî çíàòü, ê êàêîìó èç êîðàáëåé áëèæå âñåãî ãðåñòè. È âîò çäåñü åìó ïîíàäîáèòñÿ óæå ðàññòîÿíèå â ìåòðàõ. Èìåííî ýòî ðàññòîÿíèå íàçûâàåòñÿ «ôèçè÷åñêèì». Ìû âèäèì, ÷òî îäíî è òî æå ïðîñòðàíñòâî óäîáíî îïèñûâàòü â ðàçíûõ ñèñòåìàõ îòñ÷åòà, â çàâèñèìîñòè îò êîíêðåòíîé çàäà÷è. Âåðíåìñÿ òåïåðü ê ðàñøèðÿþùåéñÿ Âñåëåííîé. Êîîðäèíàòíîå ðàññòîÿíèå ôèêñèðîâàíî ðàç è íàâñåãäà è íå ìåíÿåòñÿ ñî âðåìåíåì. Çàäàòü åãî ìîæíî, íàïðèìåð, òàê: òî÷êà 0 — â ïðîèçâîëüíîì ìåñòå ïðîñòðàíñòâà, êîòîðîå çàòåì ñ÷èòàåòñÿ öåíòðîì, òî÷êà 1 — íà íåáîëüøîì ïðîèçâîëüíîì ðàññòîÿíèè Dr îò íåå, òî÷êà 2 — íà òàêîì æå ðàññòîÿíèè Dr îò òî÷êè 1 è ò. ä. Îáîçíà÷èì êîîðäèíàòíîå ðàññòîÿíèå áóêâîé r, à ôèçè÷åñêîå — áóêâîé R. Êîîðäèíàòíîå ðàññòîÿíèå áåçðàçìåðíî — ýòî ïðîñòî íàáîð ïðîíóìåðîâàííûõ òî÷åê.  ïåðâûé ìîìåíò ýòè ðàññòîÿíèÿ ñâÿçàíû ñîîòíîøåíèåì R = a0 r, ãäå âåëè÷èíà a0 çàâèñèò îò âûáðàííûõ åäèíèö èçìåðåíèÿ ôèçè÷åñêîãî ðàññòîÿíèÿ — ñàíòèìåòðû, ïàðñåêè è ò. ä. Íî ñî âðåìåíåì ôèçè÷åñêîå ðàññòîÿíèå èçìåíÿåòñÿ, êàê ìîã áû ñîîáùèòü íàì íàø íàáëþäàòåëü.  ýòîì ñëó÷àå ñâÿçü ìåæäó R è r ìîæåò áûòü çàïèñàíà â âèäå R (t) = a(t) r.

(2.1)

Êîýôôèöèåíò ïðîïîðöèîíàëüíîñòè a(t) íàçûâàåòñÿ ìàñøòàáíûì ôàêòîðîì è èãðàåò âàæíåéøóþ ðîëü â êîñìîëîãèè.  íà÷àëüíûé ìîìåíò âðåìåíè a(t=0) = a0. Ñòðàííûå íàáëþäàòåëè

81

Ñ ìîìåíòà ðîæäåíèÿ Âñåëåííàÿ óâåëè÷èëàñü ïðèìåðíî â 1060 ðàç. Ýòà öèôðà — ïðèáëèæåííàÿ. Ïîýòîìó è ðàñ÷åòû, îñíîâàííûå íà íåé, ìîãóò ðàçëè÷àòüñÿ íà äâà-òðè ïîðÿäêà, â çàâèñèìîñòè îò âûáðàííîé ìîäåëè è íåêîòîðûõ íåîïðåäåëåííîñòåé â äåòàëÿõ ðîæäåíèÿ. Åñëè äëÿ ãåðîèíè ìûëüíîé îïåðû ýòî îáû÷íîå äåëî, òî â êîñìîëîãèè, íàóêå, ïðåòåíäóþùåé íà öåíòðàëüíóþ ðîëü â ñîâðåìåííîé ôèçèêå, òàêàÿ íåîïðåäåëåííîñòü — äîñàäíûé äåôåêò. Ìîæíî ëè êàê-òî óëó÷øèòü ñèòóàöèþ? Îêàçûâàåòñÿ — äà, è äîâîëüíî ïðîñòûì ñïîñîáîì. Ìîæíî âîñïîëüçîâàòüñÿ òåì, ÷òî ñîâðåìåííûé ðàçìåð Âñåëåííîé îïðåäåëåí ñ íåïëîõîé òî÷íîñòüþ è ñîñòàâëÿåò ïpèìåðíî R0 = 1028 ñì. Êàê âèäíî èç ôîðìóëû (2.1), R0 º R (t0) = a (t0) r, è, ñëåäîâàòåëüíî a (t ) . R (t ) = R 0 × a (t 0 ) Çäåñü t0 — ýòî ïðîñòî ñîâðåìåííûé âîçðàñò Âñåëåííîé, ïðèìåðíî 14 ìëðä. ëåò. Òåïåðü ìû èçáàâèëèñü îò íåîïðåäåëåííîé âåëè÷èíû r è, çíàÿ çàâèñèìîñòü ìàñøòàáíîãî ôàêòîðà îò âðåìåíè, ìîæåì îïðåäåëÿòü ôèçè÷åñêèé ðàçìåð Âñåëåííîé íà ëþáîé ìoìåíò. Óäîáíî ââåñòè áåçðàçìåðíóþ âåëè÷èíó a(t) = a(t)/a(t0), êîòîðóþ ÷àñòî íàçûâàþò òàêæå ìàñøòàáíûì ôàêòîðîì.  äàííûé ìîìåíò âðåìåíè t0, êîãäà ÷èòàåòñÿ ýòà êíèãà, a(t) = 1. Èòàê, ðàçìåðû íàøåé Âñåëåííîé ìåíÿëèñü ïî çàêîíó R (t) = R0 · a(t).

(2.2)

Çàâèñèìîñòü ìàñøòàáíîãî ôàêòîðà îò âðåìåíè ðàçëè÷íà â ðàçíûå ïåðèîäû æèçíè Âñåëåííîé. Âî âðåìåíà, êîãäà îáðàçîâûâàëèñü çâåçäû, ìàñøòàáíûé ôàêòîð âîçðàñòàë ñî âðåìåíåì 2 êàê æt ö 3 (2.3) a (t ) = çç ÷÷ . è t0 ø Ïðîèñõîäèëî ýòî íà òàê íàçûâàåìîé «ïûëåâîé» ñòàäèè, êîòîðàÿ õàðàêòåðèçóåòñÿ ïðàêòè÷åñêè íóëåâûì äàâëåíèåì â êîñìè÷åñêîì ïðîñòðàíñòâå. Ïëîòíîñòü ýíåðãèè ïðè ýòîì îïðåäåëÿåòñÿ ìàññîé ÷àñòèö. Ñëåäóåò ïîìíèòü, ÷òî âñå áåç èñêëþ÷åíèÿ ôîðìóëû ñïðàâåäëèâû äëÿ ñëó÷àÿ îäíîðîäíîé ñðåäû. Íà

82

Ãëàâà 2. Ïðîøëîå, íàñòîÿùåå è áóäóùåå Âñåëåííîé

ïûëåâîé ñòàäèè, îñîáåííî ïîñëå ïîÿâëåíèÿ ãàëàêòèê, êîñìîñ îäíîðîäåí ëèøü â ñðåäíåì, ïðè÷åì óñðåäíÿòü íàäî ïî ìàñøòàáàì ïîðÿäêà 100 Ìïê. Íî áûëà è áîëåå ðàííÿÿ ñòàäèÿ, êîãäà ÷àñòèöû äâèãàëèñü ñî ñêîðîñòÿìè, áëèçêèìè ê ñêîðîñòè ñâåòà. Íà ýòîé, ðàäèàöèîííî-äîìèíèðîâàííîé, ñòàäèè ðàñøèðåíèå øëî ïîìåäëåííåå, ïî çàêîíó 1

æt ö 2 a (t ) = çç ÷÷ . è t0 ø

(2.4)

Ðàäèàöèîííî-äîìèíèðîâàííàÿ ñòàäèÿ óñòóïèëà ìåñòî ïûëåâîé, êîãäà Âñåëåííîé èñïîëíèëîñü ïðèìåðíî 5 · 1011 ñåêóíä. Ïî ôîðìóëàì (2.2–2.4) ÷èòàòåëü âñåãäà ìîæåò îïðåäåëèòü ðàçìåð Âñåëåííîé â òðåáóåìûé ìîìåíò âðåìåíè. Ñ îòêðûòèåì â 1998 ã. òåìíîé ýíåðãèè ñòàëî ïîíÿòíî, ÷òî ìû æèâåì â ïåðèîä, êîãäà äîìèíèðóåò ýíåðãèÿ â ÷èñòîì âèäå. Ýòî îçíà÷àåò, ÷òî ñâîéñòâà íàøåãî ïðîñòðàíñòâà íà áîëüøèõ ðàññòîÿíèÿõ ñîâåðøåííî íåîáû÷íû, — ñì. Ïðèëîæåíèå 2, à òàêæå îáñóæäåíèå â ðàçäåëå «Ïðîãíîçû íà áóäóùåå».

Êðàñíîå ñìåùåíèå Íåïîñðåäñòâåííî íàáëþäàòü ðàñøèðåíèå ïðîñòðàíñòâà ìîæíî áëàãîäàðÿ ãàëàêòèêàì. Ãàëàêòèêè — ýòî òå ñàìûå íàáëþäàòåëè, êîòîðûõ ìû ïîìåñòèëè âíóòðü Âñåëåííîé ïî÷òè ñðàçó ïîñëå åå ðîæäåíèÿ. Òîëüêî, â îòëè÷èå îò âûìûøëåííûõ íàáëþäàòåëåé, ãàëàêòèêè — ðåàëüíûå îáúåêòû. Îíè èçëó÷àþò ýëåêòðîìàãíèòíûå âîëíû, êîòîðûå äåòåêòèðóþòñÿ è àíàëèçèðóþòñÿ íà Çåìëå.  ÷àñòíîñòè, êàê óæå ãîâîðèëîñü, ÷åì äàëüøå îò íàñ ðàñïîëîæåíà ãàëàêòèêà, òåì ñèëüíåå ñïåêòð èçëó÷àåìûõ åþ ýëåêòðîìàãíèòíûõ âîëí ñìåùåí ê êðàñíîìó êðàþ. Åñòåñòâåííûì îáúÿñíåíèåì ýòîãî ÿâëåíèÿ ÿâëÿåòñÿ ðàçáåãàíèå ãàëàêòèê. Âåäü åñëè èñòî÷íèê ñâåòà óäàëÿåòñÿ îò íàñ, òî, ñîãëàñíî ýôôåêòó Äîïëåðà, äëèíà âîëíû ñâåòà âîçðàñòàåò, ÷òî èíòåðïðåòèðóåòñÿ íàìè êàê «ïîêðàñíåíèå» îáúåêòà. Êîíå÷íî, çàêîí ðàçáåãàíèÿ ãàëàêòèê âûïîëíÿåòñÿ ëèøü â ñðåäíåì.  òå÷åíèå ñâîåé æèçíè êàæäàÿ ãàëàêòèêà âçàèìîäåéñòâîâàëà ñ ñîñåäêàìè, è ïîýòîìó ñêîðîñòè ó íèõ îòëè÷àþòñÿ Êðàñíîå ñìåùåíèå

83

äðóã îò äðóãà è îò ñðåäíåãî çíà÷åíèÿ. Ñòîëêíîâåíèå ñ ñîñåäÿìè, êàê ìû çíàåì, ìîæåò ïðèâîäèòü è ê ãîðàçäî áîëåå ñåðüåçíûì ïîñëåäñòâèÿì, íî î íèõ — â äðóãîé ãëàâå. Ïîýòîìó, êðîìå ñðåäíåé ñêîðîñòè, ãàëàêòèêè èìåþò ñîáñòâåííóþ ñêîðîñòü â ïðîñòðàíñòâå, êîòîðàÿ íàçûâàåòñÿ ïåêóëÿðíîé. È îíà íå òàêàÿ óæ ìàëåíüêàÿ. Íàïðèìåð, íàøà ãàëàêòèêà íåñåòñÿ â ïðîñòðàíñòâå ñî ñêîðîñòüþ 620 êì/ñ. Äëÿ ñðàâíåíèÿ: ñêîðîñòü ïóëè îáû÷íî íå ïðåâûøàåò 1 êì/ñ. Çàîäíî íàïîìíþ, ÷òî ñêîðîñòü äâèæåíèÿ íàøåãî Ñîëíöà âîêðóã ãàëàêòè÷åñêîãî öåíòðà ïðèìåðíî âäâîå ìåíüøå — 370 êì/ñ, à ñêîðîñòü íàøåé ïëàíåòû ïîä íàçâàíèåì Çåìëÿ — è òîãî ìåíüøå: îíà (è ìû âìåñòå ñ íåé) ïëåòåòñÿ âîêðóã Ñîëíöà ñî ñêîðîñòüþ 29 êì/ñ. Åñòü è äðóãàÿ èíòåðïðåòàöèÿ «ïîêðàñíåíèÿ» ýëåêòðîìàãíèòíîãî èçëó÷åíèÿ — ñ èñïîëüçîâàíèåì âñå òîãî æå ðàñøèðåíèÿ ôèçè÷åñêîãî ïðîñòðàíñòâà. Äëÿ äàëåêèõ ãàëàêòèê èìåííî îíà ÿâëÿåòñÿ ôèçè÷åñêè áîëåå êîððåêòíîé ïî ñðàâíåíèþ ñ îáúÿñíåíèåì, èñïîëüçóþùèì ýôôåêò Äîïëåðà. Âñïîìíèì, ÷òî äëèíà âîëíû îïpåäåëÿåòñÿ ðàññòîÿíèåì ìåæäó ñîñåäíèìè ãðåáíÿìè. Íî èç-çà ôèçè÷åñêîãî ðàñøèðåíèÿ ïðîñòðàíñòâà ýòî ðàññòîÿíèå äîëæíî òî÷íî òàê æå óâåëè÷èâàòüñÿ ïðîïîðöèîíàëüíî âñå òoìó æå ìàñøòàáíîìó ôàêòîðó a(t)! Ñëåäîâàòåëüíî, äëèíà âîëíû ýëåêòðîìàãíèòíîãî èçëó÷åíèÿ ìåíÿåòñÿ ïî çàêîíó l(t) = l0/a(t). Àñòðîíîìû îáû÷íî ïîëüçóþòñÿ âåëè÷èíîé l - l (t ) , (2.5) z = 0 l (t ) íàçûâàåìîé «êðàñíûì ñìåùåíèåì». Î÷åâèäíî, ÷òî îíà îäíîçíà÷íî âûðàæàåòñÿ ÷åðåç ìàñøòàáíûé ìíîæèòåëü z =

1 -1. a (t )

(2.6)

Ïîñêîëüêó ìàñøòàáíûé ìíîæèòåëü è òåìïåðàòóðà ñðåäû, à òî÷íåå, òåìïåðàòóðà ðåëèêòîâîãî èçëó÷åíèÿ, òàêæå ñâÿçàíû ïðîñòîé ôîðìóëîé T (2.7) a = 0 , T

84

Ãëàâà 2. Ïðîøëîå, íàñòîÿùåå è áóäóùåå Âñåëåííîé

òî çíàíèå îäíîãî òîëüêî ìàñøòàáíîãî ôàêòîðà z äàåò ìíîãî ïîëåçíîé èíôîðìàöèè. Ýòî è ðàçìåð Âñåëåííîé íà òîò ìîìåíò, è åå òåìïåðàòóðà, è ñðåäíÿÿ ïëîòíîñòü âåùåñòâà. Ýòî òàêæå è ðàññòîÿíèå äî îáúåêòà, èñïóñòèâøåãî ñâåò, êîòîðûé äîøåë äî íàñ òîëüêî ñåé÷àñ.  2004 ã. áûë îáíàðóæåí êâàçàð ïðè z = 6. Èñïîëüçóÿ ïðèâåäåííûå âûøå ôîðìóëû, íåòðóäíî óáåäèòüñÿ, ÷òî êâàçàð, ÷òî áû ïîä ýòèì ñëîâîì íè ñêðûâàëîñü, èñïóñòèë ñâåò, êîãäà Âñåëåííàÿ áûëà â 7 ðàç ìåíüøå ïî ðàçìåðó, â 7 ðàç «ãîðÿ÷åå». Ïëîòíîñòü Âñåëåííîé áûëà ñîîòâåòñòâåííî â 73 = 343 ðàçà âûøå íûíåøíåé. Ñàìûé äàëåêèé íà äàííûé ìîìåíò êâàçàð íàéäåí ïðè âåëè÷èíå z = 6,43, âîçðàñò Âñåëåííîé íà ìîìåíò èçëó÷åíèÿ èì ñâåòà áûë ðàâåí 0,88 ìëðä. ëåò, ðàçìåð Âñåëåííîé òîãäà ñîñòàâëÿë 0,14 îò ñîâðåìåííîãî, ñåé÷àñ æå ðàññòîÿíèå äî ýòîãî êâàçàðà ñîñòàâëÿåò öåëûõ 13 ìëðä. ñâåòîâûõ ëåò. Êðîìå êðàñíîãî ñìåùåíèÿ, âûçâàííîãî ëèíåéíûì ïåðåìåùåíèåì èñòî÷íèêà, àñòðîíîìàì èçâåñòíî è ãðàâèòàöèîííîå êðàñíîå ñìåùåíèå, îáóñëîâëåííîå «ïîêðàñíåíèåì» êâàíòîâ â ïðîöåññå ïðåîäîëåíèÿ ìîùíîãî ãðàâèòàöèîííîãî ïîëÿ çâåçäû. Äëÿ îáû÷íûõ çâåçä åãî âåëè÷èíà ñîâñåì íåçíà÷èòåëüíà è ýêâèâàëåíòíà ñêîðîñòè óáåãàíèÿ âñåãî â íåñêîëüêî äåñÿòêîâ êèëîìåòðîâ â ñåêóíäó. Îäíàêî äëÿ íåéòðîííûõ çâåçä ýòîò ýôôåêò óæå ñóùåñòâåí.  ÷àñòíîñòè, äëÿ èñòî÷íèêà EXO 0748-676, ïî äàííûì ðåíòãåíîâñêîé îáñåðâàòîðèè XMMNewton, ãðàâèòàöèîííîå êðàñíîå ñìåùåíèå z äîñòèãàåò 0,35. Êñòàòè, ó îòêðûòîãî ïåðâûì è ïîýòîìó çíàìåíèòîãî êâàçàðà 3C 273 âåëè÷èíà z ñîñòàâëÿåò âñåãî 0,158. Ôîðìóëû, ïðèâåäåííûå âûøå, ïðîñòû, íî î÷åíü ïîëåçíû ïðè êà÷åñòâåííîì àíàëèçå. Íàïðèìåð, îíè ïîçâîëÿþò îöåíèòü âðåìÿ, êîãäà îáðàçîâûâàëèñü ãàëàêòèêè, à òî÷íåå, èõ ñêîïëåíèÿ. Õàðàêòåðíûé ðàçìåð ñêîïëåíèÿ — ïðèìåðíî 3 Ìïê, ðàññòîÿíèå ìåæäó íèìè — ïîðÿäêà 30 Ìïê. Ðàíüøå, ñîãëàñíî çàêoíó Õàááëà, äèñòàíöèÿ ìåæäó ñêîïëåíèÿìè ãàëàêòèê áûëà ìåíüøå, è ïðè z » 10 îíè ñëèâàëèñü â åäèíîå öåëîå. Çíà÷èò, èìåííî ïðè z » 10 ñêîïëåíèÿ ãàëàêòèê íà÷àëè ôîðìèðîâàòüñÿ. Çäåñü ìîæíî áûëî áû âîçðàçèòü: åñëè çàêîí ðàñøèðåíèÿ Õàááëà ñïðàâåäëèâ, òî è ðàçìåðû ñàìèõ ñêîïëåíèé ãàëàêòèê â Êðàñíîå ñìåùåíèå

85

ïðîøëîì äîëæíû áûòü ìåíüøå, è ïðåäûäóùàÿ îöåíêà ñîìíèòåëüíà. Íî — è ñ ýòèì òîæå íå ïîñïîðèøü — çàêîíû âûïîëíÿþòñÿ äàëåêî íå âñåìè. Ñêîïëåíèÿ ãàëàêòèê íå ïîä÷èíÿþòñÿ çàêîíó ðàñøèðåíèÿ Õàááëà, ïîñêîëüêó ÿâëÿþòñÿ ãðàâèòàöèîííî ñâÿçàííûìè îáúåêòàìè, òàê æå êàê íå ðàñøèðÿþòñÿ Ñîëíå÷íàÿ ñèñòåìà, ïëàíåòû è àòîìû.

Ìîëîäûå ãîäû Èç æàðåíûõ áàðàíüèõ êîñòåé, îñòàþùèõñÿ îò ïåðåäíåé èëè çàäíåé ëîïàòêè, õîðîøî âàðèòü íà äðóãîé äåíü ñóï ñ êîðåíüÿìè, áðþêâîé è ïåðëîâîé êðóïîé. Å. Ìîëîõîâåö

Ñðàçó ïîñëå ðîæäåíèÿ Âñåëåííàÿ ïðîäîëæàëà ðàñòè è îõëàæäàòüñÿ. Êñòàòè, à ïî÷åìó Âñåëåííàÿ îõëàæäàåòñÿ? Âñïîìíèì, ÷òî ýëåêòðîìàãíèòíîå èçëó÷åíèå õàðàêòåðèçóåòñÿ ñâîåé äëèíîé âîëíû. Ïîñëåäíÿÿ ñâÿçàíà ñ òåìïåðàòóðîé: ÷åì áîëüøå ñðåäíÿÿ äëèíà âîëíû èçëó÷åíèÿ, òåì ìåíüøå òåìïåðàòóðà — ñì. ôîðìóëó Âèíà è òåêñò â Îòñòóïëåíèè íà ñ. 35. Íî íåìíîãî âûøå óæå ãîâîðèëîñü î òîì, ÷òî ðàñøèðåíèå ïðîñòðàíñòâà «ðàñòÿãèâàåò» ýëåêòðîìàãíèòíóþ âîëíó. Çíà÷èò, â ðàñøèðÿþùåìñÿ ïðîñòðàíñòâå è òåìïåðàòóðà äîëæíà óìåíüøàòüñÿ. Ïîêà òåìïåðàòóðà âûñîêà, íèêàêèå èíòåðåñíûå ñòðóêòóðû îáðàçîâàòüñÿ íå ìîãóò. Ñ óìåíüøåíèåì òåìïåðàòóðû ïîñòåïåííî ïîÿâëÿþòñÿ âñå áîëåå ñëîæíûå îáúåêòû — áàðèîíû, ÿäðà àòîìîâ, àòîìû, ïðîòîçâåçäû, ïëàíåòû, ðàçóìíàÿ æèçíü — âîò òàêàÿ öåïî÷êà âûñòðàèâàåòñÿ ïðè îõëàæäåíèè Âñåëåííîé ñî âðåìåíåì. Ðîæäåíèå áàðèîíîâ

Âíà÷àëå âåùåñòâî èìåëî ñòîëü âûñîêóþ òåìïåðàòóðó, ÷òî êâàðêè íå ìîãëè îáúåäèíèòüñÿ â àäðîíû. Ê ìîìåíòó âðåìåíè 10–4 ñ Âñåëåííàÿ îõëàäèëàñü íàñòîëüêî (T = 1012 K), ÷òî ñëèÿíèå êâàðêîâ â àäðîíû ñòàëî âîçìîæíûì. Ïðîèçîøåë êâàðê-àäðîííûé ôàçîâûé ïåðåõîä ñ îáðàçîâàíèåì àäðîíîâ è àíòèàäðîíîâ, èíòåíñèâíî âçàèìîäåéñòâóþùèõ ìåæäó ñîáîé. Îñíîâíûìè ñîñòàâëÿþùèìè Âñåëåííîé â ýòî âðåìÿ, ïîìèìî ëåïòîíîâ (â îñ-

86

Ãëàâà 2. Ïðîøëîå, íàñòîÿùåå è áóäóùåå Âñåëåííîé

íîâíîì ýëåêòðîíîâ è ìþîíîâ) è ôîòîíîâ, ñòàëè íóêëîíû (ïðîòîíû è íåéòðîíû), à òàêæå àíòè÷àñòèöû âñåõ ïåðå÷èñëåííûõ. Ýòè îïàñíûå àíòè÷àñòèöû

Êâàðêè îáúåäèíÿþòñÿ â ïðîòîíû è íåéòðîíû (áàðèîñèíòåç), è ïðîñòðàíñòâî îêàçûâàåòñÿ çàïîëíåííûì óæå çíàêîìûìè ÷àñòèöàìè — ïðîòîíàìè, íåéòðîíàìè, ýëåêòðîíàìè, íåéòðèíî è ôîòîíàìè, à òàêæå, ÷òî âàæíî, èõ àíòè÷àñòèöàìè. Ñâîéñòâà ÷àñòèö è àíòè÷àñòèö ïðàêòè÷åñêè èäåíòè÷íû. Êàçàëîñü áû, è êîëè÷åñòâî èõ äîëæíî áûòü îäèíàêîâûì ñðàçó ïîñëå èíôëÿöèè. Íî òîãäà âñå ÷àñòèöû è àíòè÷àñòèöû âçàèìíî óíè÷òîæèëèñü áû, è ñòðîèòåëüíîãî ìàòåðèàëà äëÿ ãàëàêòèê è äëÿ íàñ ñ âàìè íå îñòàëîñü! Îäíàêî çäåñü íàì, ðàçóìíûì (õî÷åòñÿ âåðèòü) îáèòàòåëÿì Âñåëåííîé, ñèëüíî ïîâåçëî. Ïðèðîäà ïîçàáîòèëàñü î òîì, ÷òîáû ÷àñòèö áûëî íåìíîãî áîëüøå, ÷åì àíòè÷àñòèö. Ìû ñóùåñòâóåì òîëüêî áëàãîäàðÿ ýòîé ìèçåðíîé ðàçíèöå, ìåíüøåé íà 9 ïîðÿäêîâ ïî ñðàâíåíèþ ñ ÷èñëîì ÷àñòèö! À ðåëèêòîâîå èçëó÷åíèå — ýòî êàê ðàç ñëåäñòâèå àííèãèëÿöèè ÷àñòèö è àíòè÷àñòèö. Íà íà÷àëüíîì ýòàïå ýíåðãèÿ èçëó÷åíèÿ áûëà î÷åíü âåëèêà, íî áëàãîäàðÿ âñå òîìó æå ðàñøèðåíèþ ïðîñòðàíñòâà è, êàê ñëåäñòâèå, åãî îõëàæäåíèþ ýòà ýíåðãèÿ áûñòðî óáûâàëà. Ñåé÷àñ ïëîòíîñòü ýíåðãèè ðåëèêòîâîãî èçëó÷åíèÿ ñîñòàâëÿåò 0,25 ýÂ/ñì3, ÷òî íà 4 ïîðÿäêà ìåíüøå ýíåðãèè, çàêëþ÷åííîé â ìàòåðèàëüíûõ ÷àñòèöàõ. Åñòü ìíîæåñòâî ìîäåëåé è ìåõàíèçìîâ, îáúÿñíÿþùèõ, êàê òàêîå íàðóøåíèå ñèììåòðèè ìåæäó ÷àñòèöàìè è àíòè÷àñòèöàìè ìîãëî ïîÿâèòüñÿ. Âñå îíè òðåáóþò ïðèìåíåíèÿ ìàòåìàòè÷åñêîãî àïïàðàòà, íåóìåñòíîãî çäåñü. Ïîýòîìó ðàññìîòðèì ìîäåëü, êîòîðàÿ ñëèøêîì ïðîñòà, ÷òîáû ïîëíîñòüþ ñîîòâåòñòâîâàòü èñòèíå, îäíàêî ïîçâîëÿåò ïîíÿòü îñíîâíóþ èäåþ. Èòàê, ìû õîòèì ðàçîáðàòüñÿ, êàêèì îáðàçîì çàêîíû, îäèíàêîâûå äëÿ ÷àñòèö è àíòè÷àñòèö, ïðèâîäÿò â êîíå÷íîì èòoãå ê ðàçëè÷íîé èõ êîíöåíòðàöèè. Çàîäíî íåïëîõî áû ïîíÿòü, êàêèì îáðàçîì ïåðâîíà÷àëüíàÿ ðàçíèöà îêàçàëàñü òàêîé ìaëåíüêîé: ðàçíèöà ìåæäó ÷èñëîì áàðèîíîâ è ÷èñëîì àíòèáàðèîíîâ íà 9 ïîðÿäêîâ ìåíüøå ÷èñëà áàðèîíîâ. Îáû÷íûå, Ìîëîäûå ãîäû

87

Ðèñ. 2.4. à) Áàðèîíû ðîæäàþòñÿ òàì, ãäå ïîëå q < 0, à àíòèáàðèîíû — ãäå q > 0. Åñëè ïîëå âíóòðè íåáîëüøîé ïðîñòðàíñòâåííîé îáëàñòè èìååò âåëè÷èíó, îòìå÷åííóþ òî÷êîé a, òî, ñêàòûâàÿñü, îíî äîñòèãíåò òî÷êè b, ðàñïîëîæåííîé íèæå òî÷êè a; á) çàòóõàþùèå ñî âðåìåíåì êîëåáàíèÿ ïîëÿ ïîðîæäàþò êàê ÷àñòèöû, òàê è àíòè÷àñòèöû.

óæå óñòàíîâëåííûå çàêîíû íå ïîçâîëÿþò ýòîãî ñäåëàòü, ïîýòîìó ïðèõîäèòñÿ ââîäèòü íîâîå ïîëå, êîòîðîå îäèíàêîâî âçàèìîäåéñòâóåò êàê ñ ÷àñòèöàìè, òàê è ñ àíòè÷àñòèöàìè. Îáîçíà÷èì åãî áóêâîé q. Ïîòåíöèàëüíóþ ýíåðãèþ ýòîãî ïîëÿ âûáåðåì â ïðîñòåéøåé ôîðìå: V(q) = a · q2 (ðèñ. 2.4). Åùå îäíî çàìå÷àíèå. Ïîëå äîëæíî âçàèìîäåéñòâoâàòü ñ îáû÷íûìè ÷àñòèöàìè, òàêèìè, íàïðèìåð, êàê ýëåêòðîíû è èõ àíòè÷àñòèöû — ïîçèòðîíû. Òîãäà íè÷òî íå çàïðåùàåò ýòîìó ïîëþ ïîðîæäàòü êàê ÷àñòèöû, òàê è àíòè÷àñòèöû.  ãëàâå 1 ìû óæå îáñóæäàëè âîïðîñ î òîì, ÷òî ÷àñòèöà (íàïðèìåð, ìþîí) ìîæåò èñ÷åçíóòü, îñòàâèâ ïîñëå ñåáÿ íåñêîëüêî äðóãèõ. Òî æå ñàìîå ïðîèñõîäèò è ñ ïîëåì: îíî ìîæåò îòäàòü ÷àñòü ñâîåé ýíåðãèè ÷àñòèöàì, êîòîðûå è îñòàþòñÿ ñóùåñòâîâàòü äàëåå. Ýíåðãèÿ ïîëÿ ïðè ýòîì ñëåãêà óìåíüøàåòñÿ. Íó à òåïåðü âñïîìíèì, ÷òî â ìîìåíò ðîæäåíèÿ íàøåé Âñåëåííîé åå ïëîòíîñòü ýíåðãèè áûëà î÷åíü âåëèêà. Çíà÷èò, è íàøå ïðåäïîëàãàåìîå ïîëå äîëæíî èìåòü âûñîêóþ ýíåðãèþ, íàïðèìåð òàêóþ, êàê â òî÷êàõ a èëè b. Êîíå÷íî, ýíåðãèÿ ïîëÿ ñðàçó íà÷íåò óìåíüøàòüñÿ, ñòðåìÿñü ê ìèíèìóìó. Òî÷íî òàê æå øàðèê íå ëåæèò íåïîäâèæíî íà ñòåíêå ÿìû, à ñòðåìèòñÿ ïîïàñòü íà åå äíî. Íè÷òî íå çàïðåùàåò ÷àñòè ýíåðãèè ïîëÿ ïåðåéòè â ðîæäàþùèåñÿ ÷àñòèöû. À ôèçèêà — íàóêà ïðîñòàÿ: âñå, ÷òî ÿâíî íå çàïðåùåíî, òî èìååò ïðàâî íà ñóùåñòâîâàíèå.

88

Ãëàâà 2. Ïðîøëîå, íàñòîÿùåå è áóäóùåå Âñåëåííîé

Íó õîðîøî, ÷àñòèöû ìîãóò ðîæäàòüñÿ ñðàçó ïîñëå ðîæäåíèÿ Âñåëåííîé. Íî êàê ñäåëàòü, ÷òîáû àíòè÷àñòèö áûëî íåìíîãî ìåíüøå? Îêàçûâàåòñÿ, ÷òî ñîâñåì íåñëîæíî îðãàíèçîâàòü âçàèìîäåéñòâèå òàêèì îáðàçîì, ÷òîáû ÷àñòèöû ðîæäàëèñü ïðè äâèæåíèè ïîëÿ ïî ëåâîé âåòâè ïàðàáîëû, à àíòè÷àñòèöû — ïî ïðàâîé. Ñèòóàöèÿ ïðîäîëæàåò áûòü ñèììåòðè÷íîé: íè ÷àñòèöû, íè àíòè÷àñòèöû íå èìåþò èçíà÷àëüíîãî, çàëîæåííîãî â ìîäåëè ïðåèìóùåñòâà. Êâàíòîâàÿ ôëóêòóàöèÿ, çàðîäûø íàøåé Âñåëåííîé, ìîæåò âîçíèêíóòü êàê íà ëåâîé âåòâè, òàê è íà ïðàâîé ñ îäèíàêîâîé âåðîÿòíîñòüþ. Ìîìåíò èñòèíû íàñòóïàåò èìåííî ïðè ðîæäåíèè íàøåé Âñåëåííîé. Åñëè ìû æèâåì âî Âñåëåííîé, ñëó÷àéíî ðîäèâøåéñÿ íà ëåâîé âåòâè, òî ïðîèñõîäèëî ñëåäóþùåå. Ïîëå íà÷èíàåò äâèãàòüñÿ âíèç è ïîðîæäàòü ÷àñòèöû. Çàòåì îíî «ïðîñêàêèâàåò» ïîëîæåíèå ìèíèìóìà è çàáèðàåòñÿ íà ïðàâóþ âåòâü ïàðàáîëû, íî ÷àñòü åãî ýíåðãèè óæå îòäàíà ÷àñòèöàì, è îíî ïîäíèìàåòñÿ íèæå íà÷àëüíîãî çíà÷åíèÿ. Ïîýòîìó, êîãäà íà÷èíàåòñÿ äâèæåíèå îáðàòíî ê ìèíèìóìó ïîòåíöèàëüíîé ýíåðãèè, ïîëå ïîðîæäàåò àíòè÷àñòèöû â ìåíüøåì êîëè÷åñòâå. Ýòè çàòóõàþùèå êîëåáàíèÿ ïðîäîëæàþòñÿ äîâîëüíî äîëãî, è ñóììàðíîå êîëè÷åñòâî ÷àñòèö, êîíå÷íî, íå áóäåò ñîâïàäàòü ñ êîëè÷åñòâîì àíòè÷àñòèö — ïðîñòî ïîòîìó, ÷òî ñâîèì ðîæäåíèåì íà ëåâîé âåòâè ïîòåíöèàëà Âñåëåííàÿ íàðóøèëà ñèììåòðèþ òåîðèè. Ýòî èìåííî òî, ÷åãî ìû è äîáèâàëèñü! Êñòàòè, åñëè áû Âñåëåííàÿ ñëó÷àéíî ðîäèëàñü íà ïðàâîé âåòâè, òî ó íàñ äîìèíèðîâàëè áû àíòè÷àñòèöû. Ìû ñîcòîÿëè áû èç àíòè÷àñòèö, íî, êîíå÷íî, íàçûâàëè áû èõ «÷àñòèöàìè». Ìû âèäèì, ÷òî ñëó÷àéíîå íàðóøåíèå ñèììåòðèè ìåæäó ÷àñòèöàìè è àíòè÷àñòèöàìè — Âñåëåííàÿ ñëó÷àéíî ðîäèëàñü íà ëåâîé âåòâè, à íå íà ïðàâîé — ïðèâîäèò ê àñèììåòðè÷íûì ðåçóëüòàòàì, äàæå åñëè çàêîíû îäèíàêîâû. Îêàçûâàåòñÿ, âàæíû íå òîëüêî çàêîíû, íî è íà÷àëüíûå óñëîâèÿ. Åñëè áû íàøà Âñåëåííàÿ ñëó÷àéíî ðîäèëàñü â ìèíèìóìå ïîòåíöèàëà, íèêàêîãî äâèæåíèÿ ïîëÿ íå áûëî áû, áàðèîíû è àíòèáàðèîíû íå ðîæäàëèñü, è ñåé÷àñ ïðîñòðàíñòâî áûëî áû ïóñòûì. Íàïîñëåäîê — äâà íåáîëüøèõ çàìå÷àíèÿ. Âûøåîïèñàííûé ñöåíàðèé äåéñòâèòåëüíî ìîæåò áûòü ðåàëèçîâàí, íî ñ íåñêîëüÌîëîäûå ãîäû

89

êî áîëåå ñëîæíûì ïîòåíöèàëîì [17; 28]. Òåì íå ìåíåå îñíîâ íàÿ èäåÿ èìåííî òàêîâà. È, êîíå÷íî æå, ýòî íå åäèíñòâåííûé ìåõàíèçì íàðóøåíèÿ ñèììåòðèè ìåæäó ÷àñòèöàìè è àíòè÷àñòèöàìè. Çà ïîñëåäíèå ïàðó äåñÿòèëåòèé îòêðûòî ìíîãî äðóãèõ âàðèàíòîâ. Êàêîé èç íèõ ðåàëèçîâàëñÿ â íàøåé Âñåëåííîé — ïîêàæåò áóäóùåå. Ïîÿâëåíèå ãåëèÿ

Ïîñòåïåííî òåìïåðàòóðà Âñåëåííîé óïàëà äî 109–1010 K. Ê ýòîìó ìîìåíòó âîçðàñò Âñåëåííîé ñîñòàâëÿë ïðèìåðíî 1 ìèíóòó. Òîëüêî òåïåðü ïðîòîíû è íåéòðîíû, îñòàâøèåñÿ ïîñëå àííèãèëÿöèè ñ àíòèïðîòîíàìè è ïîçèòðîíàìè, ìîãóò îáúåäèíÿòüñÿ â ÿäðà äåéòåðèÿ, òðèòèÿ, ãåëèÿ è ëèòèÿ. Ýòî ïðîèñõîäèò áëàãîäàðÿ ÿäåðíûì ðåàêöèÿì, õîðîøî èçó÷åííûì â ýêñïåðèìåíòå. Ñ÷èòàåòñÿ, ÷òî ôèçè÷åñêèå ïðîöåññû îäèíàêîâû âî âñå âðåìåíà è âî âñåé íàáëþäàåìîé ÷àñòè Âñåëåííîé, ïîýòîìó ìû ìîæåì óâåðåííî ïðåäñêàçûâàòü, ñêîëüêî è êàêèõ ýëåìåíòîâ ïîÿâèòñÿ â äàëüíåéøåì. Òàê, îêàçàëîñü, ÷òî îêîëî 98% ãåëèÿ, ñóùåñòâóþùåãî â ïðèðîäå, îáðàçîâàëîñü â ïåðâûå ñåêóíäû ïîñëå Áîëüøîãî âçðûâà (ïåðâè÷íûé íóêëåîñèíòåç). Ñîãëàñíî ðàñ÷åòàì Ã. Ãàìîâà, êîëè÷åñòâî ãåëèÿ, êîòîðîå ìîãëè âûðàáîòàòü âñå çâåçäû çà âðåìÿ ñóùåñòâîâàíèÿ Âñåëåííîé, ñîñòàâëÿåò ìåíåå 1% îò ñóììàðíîé ìàññû îñòàëüíûõ ÿäåð, ÷òî íèêàê íå ïîõîæå íà òå 24–25%, î êîòîðûõ ãîâîðÿò âñå íàáëþäåíèÿ. Êîñìîëîãè÷åñêèé íóêëåîñèíòåç

Èç ñàìîãî íàçâàíèÿ ñëåäóåò, ÷òî ýòî ïðîöåññ îáðàçîâàíèÿ ÿäåð ðàçëè÷íûõ õèìè÷åñêèõ ýëåìåíòîâ.  ìîìåíò çàðîæäåíèÿ Âñåëåííîé òåìïåðàòóðà áûëà íàñòîëüêî âûñîêîé, ÷òî áûëè âîçìîæíû ëþáûå ÿäåðíûå ðåàêöèè.  ÷àñòíîñòè, ÿäðà òÿæåëûõ õèìè÷åñêèõ ýëåìåíòîâ, íàïðèìåð êèñëîðîäà, íèêåëÿ, æåëåçà, ðîæäàëèñü, ïðàâäà ñ ìàëîé âåðîÿòíîñòüþ, ïðè ñëèÿíèè ëåãêèõ àòîìíûõ ÿäåð. Íî ïðè âûñîêèõ òåìïåðàòóðàõ ýíåðãèÿ îêðóæàþùèõ ÷àñòèö âåëèêà, è ïðè ñòîëêíîâåíèÿõ îíè ñ ëåãêîñòüþ ðàçðóøàëè òîëüêî ÷òî ïîÿâèâøèåñÿ ÿäðà. Ïðè íèçêèõ òåìïåðàòóðàõ ÿäðà ñòàíîâÿòñÿ ñòàáèëüíûìè — ýíåðãèè íàëå-

90

Ãëàâà 2. Ïðîøëîå, íàñòîÿùåå è áóäóùåå Âñåëåííîé

òàþùèõ ÷àñòèö íåäîñòàòî÷íî äëÿ èõ ðàçðóøåíèÿ. Íî òîãäà ýíåðãèè ïðîòîíîâ è íåéòðîíîâ ìîæåò îêàçàòüñÿ íåäîñòàòî÷íî, ÷òîáû ñîçäàâàòü äàæå ëåãêèå ÿäðà! Ïîýòîìó â èñòîðèè Âñåëåííîé ïåðèîä, êîãäà áîëåå ëåãêèå ÿäðà îáðàçîâûâàëèñü, íî íå ðàçðóøàëèñü, ìîã îòñóòñòâîâàòü âîîáùå. Òåì íå ìåíåå òà êîé ïåðèîä ñóùåñòâîâàë. Äëèëñÿ îí íåäîëãî, õîòÿ è ýòîãî âïîëíå õâàòèëî: çà ïåðâûå 3 ìèíóòû áûëî ñîçäàíî áîëüøèíñòâî ÿäåð ãåëèÿ, îêðóæàþùåãî íàñ. Òåïåðü ïîíÿòíî, ïî÷åìó îñíîâíûìè ïðîäóêòàìè ÿäåðíûõ ðåàêöèé â ðàííåé Âñåëåííîé áûëè âîäîðîä, ÿäðî êîòîðîãî ñîñòîèò ïðîñòî èç îäíîãî ïðîòîíà, è ãåëèé, ÿäðî êîòîðîãî ñîäåðæèò 2 ïðîòîíà è 2 íåéòðîíà. Îáðàçîâàëîñü òàêæå íåìíîãî äåéòåðèÿ, ãåëèÿ-3 è ëèòèÿ. Íà áîëüøåå ó ìîëîäîé Âñåëåííîé ñèë íå õâàòèëî. Îõëàæäåíèå ïðèâåëî íå òîëüêî ê òîìó, ÷òî ýíåðãèè ÷àñòèö îêàçûâàëîñü íåäîñòàòî÷íî äëÿ îáðàçîâàíèÿ áîëåå òÿæåëûõ ÿäåð, íî è ê óìåíüøåíèþ âåðîÿòíîñòè ñëèÿíèÿ ÷àñòèö â ÿäðà: ñ ðàñøèðåíèåì ïðîñòðàíñòâà êîíöåíòðàöèÿ ÷àñòèö óìåíüøàåòñÿ è âåðîÿòíîñòü èõ ñòîëêíîâåíèÿ ñòàíîâèòñÿ ìàëîé. Êñòàòè, ýòî îçíà÷àåò, ÷òî ïåðâûå çâåçäû äîëæíû áûëè ñîñòîÿòü â îñíîâíîì èç âîäîðîäà è ãåëèÿ. Ïîõîæå, ÷òî ýòîò âûâîä ïîäòâåðæäàåòñÿ íàáëþäåíèÿìè: ñàìûå ñòàðûå çâåçäû ñîäåðæàò ìåíåå 0,001% îñòàëüíûõ ýëåìåíòîâ. Äîëÿ òÿæåëûõ ýëåìåíòîâ â áîëåå ìîëîäûõ çâåçäàõ òèïà Ñîëíöà ñîñòàâëÿåò îêîëî 2%. Íåñêîëüêî ñëîâ î ãåëèè, 4Íå. Ñîçäàòü åãî â òàêîì êîëè÷åñòâå áûëî íå òàê ïðîñòî. Äëÿ ýòîãî íåîáõîäèìî, ÷òîáû ñòîëêíóëèñü îäíîâðåìåííî 4 ÷àñòèöû — 2 ïðîòîíà è 2 íåéòðîíà, ÷òî ìàëîâåðîÿòíî, ëèáî äâà ÿäðà äåéòåðèÿ. Èìåííî äåéòåðèé ñëóæèò èñòî÷íèêîì ïåðâè÷íîãî ãåëèÿ, êîòîðûé ðîæäàåòñÿ ñîãëàñíî ðåàêöèè D + D ® 4He + g. Ó äåéòåðèÿ, â îòëè÷èå îò ãåëèÿ, íåáîëüøàÿ ýíåðãèÿ ñâÿçè, 2,2 ÌýÂ, è åãî ëåãêî íå òîëüêî ñîçäàòü, íî è ðàçðóøèòü ñîãëàñíî ðåàêöèè, èäóùåé â îáå ñòîðîíû: p + n « D + g. Ìîëîäûå ãîäû

91

Îòñòóïëåíèå. Ýíåðãèÿ ñâÿçè

Ðàçîáðàòüñÿ â ýòîì ïîíÿòèè ïîìîæåò ñëåäóþùàÿ àíàëîãèÿ. Ïðåäñòàâüòå ñåáå óïðóãóþ ãîðèçîíòàëüíóþ ïîâåðõíîñòü òèïà áàòóòà. Íà íåé ðàñïîëîæåíû äâà ìàññèâíûõ øàðà. Íà ðèñ 2.5 à øàðû íàõîäÿòñÿ íà áîëüøîì ðàññòîÿíèè äðóã îò äðóãà è ïî÷òè íå âçàèìîäåéñòâóþò. Êàæäûé ñîçäàåò ñâîþ ÿìêó. ×åì ãëóáæå ÿìêà, òåì ìåíüøå ýíåðãèÿ øàðà. Åñëè æå îáà øàðà îêàæóòñÿ â íåïîñðåäñòâåííîé à áëèçîñòè (ðèñ. 2.5 á), òî èõ ñîâìåñòíûå óñèëèÿ ñîçäàäóò áîëåå ãëóáîêóþ îáùóþ ÿìêó. Ñëåäîâàòåëüíî, îíè áóäóò èìåòü ýíåðãèþ, îòëè÷íóþ îò ñóììàðíîé ýíåðãèè â ñëó÷àå, êîãäà îíè íå âçàèìîäåéñòâîâàëè. Ðàçíèöà ýòèõ ýíåðãèé á è íàçûâàåòñÿ ýíåðãèåé ñâÿçè. Îíà ìîæåò áûòü êàê ïîëîæèòåëüíîé, òàê è îòðèöàòåëüíîé. Ïîñêîëüêó ýíåðãèÿ ñèñòåìû îáû÷íî ñòðåìèòñÿ ê ìèíèìóìó, âî âòîðîì ñëó÷àå ÷àñòèöû ñòðåìÿòñÿ Ðèñ. 2.5. Íåðåäêî ÷àñòèöû ñòðåìÿòñÿ ñâàîáðàçîâàòü åäèíóþ ñèñòåìó — ëèòüñÿ â îáùóþ ÿìó, «âûêîïàííóþ» èìè ñòàáèëüíîå ÿäðî. ñàìèìè. Äëÿ îñâîáîæäåíèÿ èç ïëåíà èì Ìèð ÷àñòèö è àòîìíûõ ÿäåð íåîáõîäèìà äîïîëíèòåëüíàÿ ýíåðãèÿ, êîíå òàê ïðîñò, êàê ìèð øàðîâ íà òîðàÿ íàçûâàåòñÿ ýíåðãèåé ñâÿçè. áaòóòå. ×àñòèöû, íàõîäÿñü â ñâÿçàííîì ñîñòîÿíèè, â ÿäðå, îêðóæåíû îáëàñòüþ ïîâûøåííîé ïëîòíîñòè ïîòåíöèàëüíîé ýíåðãèè, êàê íà ðèñ. 2.6. Íà ðèñ. 2.6 á èçîáðàæåíî íåóñòîé÷èâîå ÿäðî. ×àñòèöû ïðåîäîëåâàþò ïîòåíöèàëüíûé áàðüåð çà ñ÷åò ñâîèõ êâàíòîâûõ ñâîéñòâ, ÿäðî ðàñïàäàåòñÿ.

Ðèñ. 2.6. Óñòîé÷èâîå è íåóñòîé÷èâîå (ìåòàñòàáèëüíîå) ÿäðî.

92

Ãëàâà 2. Ïðîøëîå, íàñòîÿùåå è áóäóùåå Âñåëåííîé

Ðèñ. 2.7. Âçàèìîäåéñòâèå ÷àñòèö ðàçíûõ ýíåðãèé ñ ÿäðàìè.

Íà ðèñ. 2.7 ïîÿñíÿåòñÿ ñâÿçü ýíåðãèè íàëåòàþùèõ ÷àñòèö ñ ðåçóëüòàòîì ÿäåðíîé ðåàêöèè. Ðèñ. 2.7à èëëþñòðèðóåò ïðîöåññ ñ ìàëîýíåðãè÷íîé íàëåòàþùåé ÷àñòèöåé, êîãäà ðåàêöèÿ íå ìåíÿåò ñòðóêòóðû ñòàëêèâàþùèõñÿ îáúåêòîâ. Íà ðèñ. 2.7á èçîáðàæåíà ÷àñòèöà, èìåþùàÿ äîñòàòî÷íî ýíåðãèè, ÷òîáû ïðåîäîëåòü ïîòåíöèàëüíûé áàðüåð. Îòäàâ ÷àñòü ñâîåé ýíåðãèè ÷àñòèöàì ÿäðà, îíà óæå íå â ñîñòîÿíèè âûëåòåòü. ßäðî èçìåíèëîñü êà÷åñòâåííî. Ðèñ. 2.77â ïðåäñòàâëÿåò ñèòóàöèþ, êîãäà íàëåòàþùàÿ ÷àñòèöà èìååò ñëèøêîì áîëüÌîëîäûå ãîäû

93

øóþ ýíåðãèþ. Èçâåñòíî, ÷òî ÷ðåçìåðíî ýíåðãè÷íûå äåéñòâèÿ ìîãóò ïðèâåñòè ê íåæåëàòåëüíîìó ðåçóëüòàòó.  ìèðå ÷àñòèö — àíàëîãè÷ íàÿ ñèòóàöèÿ: âìåñòî ñîçäàíèÿ íîâîãî, áîëåå ñëîæíîãî ÿäðà ðàçðó øåíî ÿäðî, ñîçäàííîå ðàíåå.

Ïîýòîìó òåìïåðàòóðà Âñåëåííîé äîëæíà îïóñòèòüñÿ íèçêî, äî 0,1 ÌýÂ, ÷òîáû îáðàçóþùèéñÿ äåéòåðèé íå ðàçðóøàëñÿ. Êàçàëîñü áû, òåìïåðàòóðå äîñòàòî÷íî áûòü ìåíüøå ýíåðãèè ñâÿçè äåéòåðèÿ, ÷òîáû îñíîâíàÿ äîëÿ ôîòîíîâ áûëà íå â ñîñòîÿíèè åãî ðàçðóøèòü. Íî òåìïåðàòóðà õàðàêòåðèçóåò òîëüêî ñðåäíþþ ýíåðãèþ ôîòîíîâ. Äîëÿ ýíåðãè÷íûõ ôîòîíîâ ìîæåò áûòü î÷åíü ìàëîé, íî íèêîãäà íå ðàâíà íóëþ. Êîíå÷íî, ÷åì ìåíüøå òåìïåðàòóðà, òåì ìåíüøå äîëÿ ýíåðãè÷íûõ ôîòîíîâ, íî â íàøåì ñëó÷àå ýíåðãè÷íûõ ôîòîíîâ âñå åùå ñëèøêîì ìíîãî. Ïðè òåìïåðàòóðàõ âûøå 2,2 Ìý èõ êîëè÷åñòâà õâàòàåò, ÷òîáû ïðîäîëæàòü ðàçðóøàòü äåéòåðèé è ïîääåðæèâàòü åãî íèçêóþ êîíöåíòðàöèþ. Ñðàçó âîçíèêàåò åùå îäíà ïðîáëåìà. Äåéòåðèé îáðàçóåòñÿ ïðè ñòîëêíîâåíèÿõ ïðîòîíîâ è íåéòðîíîâ. Íî ïîñëåäíèå íåñòàáèëüíû. Åñëè áû âðåìÿ æèçíè íåéòðîíîâ áûëî ïîðÿäêà 10–6 ñ — õàðàêòåðíîå âðåìÿ æèçíè íåñòàáèëüíûõ ÷àñòèö, — òî ê íóæíîìó ìîìåíòó îíè äàâíî áû ðàñïàëèñü. Êàê ñëåäñòâèå, íå îáðàçîâàëèñü áû äåéòåðèé è ãåëèé. Âñåëåííàÿ ñåé÷àñ âûãëÿäåëà áû ïî-äðóãîìó. Íàì ïîâåçëî, ÷òî íåéòðîí ðàñïàäàåòñÿ çà ñ÷åò ñëàáîãî âçàèìîäåéñòâèÿ ïî ñõåìå n ® p + e– + n e è âðåìÿ åãî æèçíè — îêîëî 15 ìèíóò. Ïîýòîìó îí â ñîñòîÿíèè äîæèòü äî òîãî âðåìåíè, êîãäà Âñåëåííàÿ îõëàäèòñÿ íàñòîëüêî, ÷òîáû äåéòåðèé íå ðàçðóøàëñÿ. Åñòü è äðóãàÿ ïðè÷èíà óìåíüøåíèÿ êîíöåíòðàöèè íåéòðîíîâ ñ òåìïåðàòóðîé. Äåéñòâèòåëüíî, ñîîòíîøåíèå ìåæäó ÷èñëîì ïðîòîíîâ è íåéòðîíîâ â ðàííåé Âñåëåííîé îïðåäåëÿåòñÿ ðàçíîñòüþ èõ ìàññ Dm = mn – mð » 1,3 Ìý è ñèëüíî çàâèñèò îò òåìïåðàòóðû. Ýòà çàâèñèìîñòü îïðåäåëÿåòñÿ ðàñïðåäåëåíèåì Áîëüöìàíà, õîðîøî èçâåñòíûì è ïðîâåðåííûì â ñòàòèñòè÷åñêîé ôèçèêå: np æ Dm ö . = exp ç ÷ nn è T ø

94

Ãëàâà 2. Ïðîøëîå, íàñòîÿùåå è áóäóùåå Âñåëåííîé

Ðèñ. 2.8. Èçìåíåíèå ñî âðåìåíåì êîíöåíòðàöèè ïðîòîíîâ ð, íåéòðîíîâ n è ãåëèÿ 4Íå.

Ïðè âûñîêèõ òåìïåðàòóðàõ, êîãäà Dm mÒ, ÷èñëî íåéòðîíîâ è ïðîòîíîâ ïðèìåðíî îäèíàêîâî, êàê ñëåäóåò èç ôîðìóëû. Ðàçíèöà â èõ ïëîòíîñòÿõ íà÷èíàåò ïðîÿâëÿòüñÿ, êîãäà Dm l T, è êîíöåíòðàöèÿ íåéòðîíîâ ñòðåìèòñÿ ê íóëþ ñ óìåíüøåíèåì òåìïåðàòóðû. Ïîýòîìó ãåëèé äîëæåí óñïåòü îáðàçîâàòüñÿ äî òîãî, êàê íåéòðîíîâ ñòàíåò ñëèøêîì ìàëî. Ðèñ. 2.8 èëëþñòðèðóåò êà÷åñòâåííóþ ñòîðîíó âcåãî ñêàçàííîãî. Íàèáîëåå ýôôåêòèâíî ÿäåðíûå ðåàêöèè ñ îáðàçîâàíèåì ëåãêèõ ÿäåð íà÷èíàþò ïðîòåêàòü, êîãäà òåìïåðàòóðà óïàäåò äî 109 K. Ïðèðîäå ïðèøëîñü ïðîÿâëÿòü èçîùðåííóþ âûäóìêó, ÷òîáû ñîçäàòü íàáëþäàåìîå êîëè÷åñòâî ãåëèÿ, òàê ÷òî âðÿä ëè òàêîå åãî îáèëèå ÿâëÿåòñÿ ñëó÷àéíîñòüþ. Íî ñ äðóãîé ñòîðîíû, ãäå ãåëèé òàê óæ íåîáõîäèì? Åäèíñòâåííîå, ãäå îí ìîæåò ïîòðåáîâàòüñÿ, — ýòî ÿäåðíûå ðåàêöèè âíóòðè çâåçä. Êîíå÷íî, ãåëèé ïîÿâëÿåòñÿ òàêæå â ðåçóëüòàòå ñàìèõ ýòèõ ÿäåðíûõ ðåàêöèé, íî åãî íà÷àëüíàÿ êîíöåíòðàöèÿ ìîæåò ñèëüíî ïîâëèÿòü íà âåñü õîä ïðîöåññà âíóòðè çâåçä, à çíà÷èò, è íà ñâîéñòâà çâåçä. À ýòî óæå âàæíî äëÿ íàñ ñ âàìè. Èòàê, Ïðèðîäà ñåðüåçíî ïîòðóäèëàñü, ÷òîáû çàïàñòèñü ãåëèåì ïîðàíüøå, äî ïîÿâëåíèÿ çâåçä. Êàê ìû óâèäèì â ãëàâå 5, ýòî íå åäèíè÷íûé ñëó÷àé.  ðàííåé Âñåëåííîé ÷àñòèöû âçàèìîäåéñòâîâàëè äðóã ñ äðóãîì èíòåíñèâíî, ïðÿìûå è îáðàòíûå ðåàêöèè, ïðèìåð Ìîëîäûå ãîäû

95

êoòîðûõ ïðèâåäåí âûøå, áûëè îäèíàêîâî ÷àñòû, è êîëè÷åñòâî ÷àñòèö êàæäîãî ñîðòà ñîõðàíÿëîñü â òå÷åíèå íåêîòîðîãî âðåìåíè. Ïî ìåðå îñòûâàíèÿ Âñåëåííîé ñèòóàöèÿ ìåíÿëàñü, è ìåíÿëàñü ïî-ðàçíîìó äëÿ ðàçíûõ ÷àñòèö. Îñòàíîâèìñÿ íà ýòîì âîïðîñå ïîäðîáíåå. Èíòåíñèâíîñòü âçàèìîäåéñòâèÿ ÷àñòèö îïðåäåëÿåòñÿ ÷àñòîòîé ñòîëêíîâåíèé ìåæäó íèìè, êîòîðàÿ, â ñâîþ î÷åðåäü, çàâèñèò îò ñêîðîñòè ÷àñòèö è èõ êîíöåíòðàöèè. Íî ýòî åùå íå âñå. Äàæå íàõîäÿñü ðÿäîì, ÷àñòèöû ìîãóò è íå âñòóïèòü âî âçàèìîäåéñòâèå: âåðîÿòíîñòü ðåàêöèè çàâèñèò òàêæå îò âèäîâ ÷àñòèö è îò èõ ýíåðãèè. Âîçüìåì äëÿ ïðèìåðà íåéòðèíî. Âåðîÿòíîñòü ðåàêöèè ñ íèì î÷åíü ìàëà. Çíà÷èò, íåéòðèíî äîëæíî ïðîëåòåòü áîëüøîå ðàññòîÿíèå è ïîâñòðå÷àòü íà ñâîåì ïóòè ìíîæåñòâî ÷àñòèö, ÷òîáû íàêîíåö âñòóïèòü â ðåàêöèþ ñ îäíîé èç íèõ. Íà ðàííåé ñòàäèè ýâîëþöèè Âñåëåííîé, êîãäà åå ðàçìåðû åùå ìàëû è, ñëåäîâàòåëüíî, êîíöåíòðàöèÿ ÷àñòèö âûñîêà, íåéòðèíî ñ ëåãêîñòüþ íàõîäèò ïàðòíåðîâ äëÿ ó÷àñòèÿ â ðåàêöèè. Ñ ðàñøèðåíèåì Âñåëåííîé êîíöåíòðàöèÿ ÷àñòèö, ðàâíî êàê è èõ ýíåðãèÿ, óìåíüøàþòñÿ, âåðîÿòíîñòü ðåàêöèè òàêæå ñòàíîâèòñÿ âñå ìåíüøå. Íàñòóïàåò ìîìåíò, êîãäà ðåàêöèè ñ íåéòðèíî ïðàêòè÷åñêè ïðåêðàùàþòñÿ. Êîíå÷íî, ïðîèñõîäèò ýòî íå ìãíîâåííî, íî äîñòàòî÷íî ðåçêî. Âñïîìíèì: âåäü çà ñ÷åò âñå òîãî æå ðàñøèðåíèÿ Âñåëåííîé ÷àñòèöû ðàçáåãàþòñÿ (êàê ñêîïëåíèÿ ãàëàêòèê ñåé÷àñ). Ïîýòîìó, ïîêà íåéòðèíî äîëåòèò äî ÷àñòèöû, ñ êîòîðîé åìó ñóæäåíî âñòóïèòü â ðåàêöèþ, òà óñïååò óäàëèòüñÿ îò íåãî çà ñ÷åò ðàñøèðåíèÿ ïðîñòðàíñòâà. Åñëè ýòè äâà ðàññòîÿíèÿ ðàâíû, òî íåéòðèíî íèêîãäà íå äîãîíèò ÷àñòèöó.  ðàñøèðÿþùåéñÿ Âñåëåííîé Àõèëë äåéñòâèòåëüíî ìîæåò íå äîãíàòü ÷åðåïàõó! Íó à ðàç ðåàêöèè ñ íåéòðèíî ïðåêðàòèëèñü, òî èõ ÷èñëî ñ ýòîãî ìîìåíòà íå ìåíÿåòñÿ. Ãîâîðÿò, ÷òî ïðîèñõîäèò «îòùåïëåíèå» íåéòðèíî. Äëÿ íåéòðèíî òàêîå îòùåïëåíèå ïðîèçîøëî ðàíüøå, ÷åì äëÿ ôîòîíîâ, ïîýòîìó òåìïåðàòóðà ðåëèêòîâûõ íåéòðèíî ñåé÷àñ ÷óòü ìåíüøå — 2 K. Ôîòîíû ïðàêòè÷åñêè ïåðåñòàþò «çàìå÷àòü» ÷àñòèöû ïîñëå îáðàçîâàíèÿ íåéòðàëüíûõ àòîìîâ. Íà÷èíàÿ ñ ýòîãî ìîìåíòà ÷àñòèöû è ôîòî-

96

Ãëàâà 2. Ïðîøëîå, íàñòîÿùåå è áóäóùåå Âñåëåííîé

íû æèâóò íåçàâèñèìî äðóã îò äðóãà. Âñåëåííàÿ ñòàíîâèòñÿ ïðîçðà÷íîé äëÿ ýëåêòðîìàãíèòíûõ âîëí, êàêîâûìè è ÿâëÿþòñÿ ôîòîíû. Êîãäà ãîâîðÿò î òåìïåðàòóðå Âñåëåííîé, ïîä ðàçóìåâàåòñÿ òåìïåðàòóðà èìåííî ýòèõ — ðåëèêòîâûõ — ôîòîíîâ.

Ïåðâè÷íûå ôëóêòóàöèè — ïðè÷èíà çàðîæäåíèÿ ãàëàêòèê Èòàê, ñðàçó ïîñëå ðîæäåíèÿ Âñåëåííàÿ ïðîøëà èíôëÿöèîííûé ïåðèîä ðàçâèòèÿ: âñå ðàññòîÿíèÿ ñòðåìèòåëüíî óâåëè÷èâàëèñü (ñ òî÷êè çðåíèÿ âíóòðåííåãî íàáëþäàòåëÿ). Ñ äðóãîé ñòîðîíû, ïîíÿòíî òàêæå, ÷òî ïëîòíîñòü ýíåðãèè â ðàçíûõ òî÷êàõ íå ìîæåò áûòü â òî÷íîñòè îäèíàêîâîé — êàêèå-òî íåîäíîðîäíîñòè âñåãäà ïðèñóòñòâóþò. Ïðåäïîëîæèì, ÷òî â îäíîé èç îáëàñòåé ýíåðãèÿ íåìíîãî áîëüøå, ÷åì â ñîñåäíèõ. Ñíà÷àëà ýòà îáëàñòü íåâåëèêà, íî ðàç âñå ðàçìåðû áûñòðî ðàñòóò, òî è ðàçìåð ýòîé îáëàñòè òîæå äîëæåí ðàñòè! Ïîñëå îêîí÷àíèÿ èíôëÿöèîííîãî ïåðèîäà ýòà ðàçðîñøàÿñÿ îáëàñòü áóäåò èìåòü ÷óòü áîëüøå ÷àñòèö, ÷åì îêðóæàþùåå åå ïðîñòðàíñòâî, à åå òåìïåðàòóðà áóäåò îòëè÷àòüñÿ îò ñðåäíåé. (Ïðè÷èíû îòëè÷èÿ îáúÿñíÿþòñÿ íà ñ. 70. Ïîâûøåííàÿ ïëîòíîñòü ÷àñòèö ñîçäàåò ãðàâèòàöèîííóþ ÿìó, èç êîòîðîé ôîòîíû âûáèðàþòñÿ, ïîòðàòèâ ÷àñòü ñâîåé ýíåðãèè.) Èìåííî ñ îòêðûòèåì ôëóêòóàöèé òåìïåðàòóðû, à çíà÷èò, è ïëîòíîñòè âåùåñòâà ïîÿâèëàñü åùå îäíà çàõâàòûâàþùàÿ âîçìîæíîñòü — îáúÿñíèòü, êàê íà÷àëè ôîðìèðîâàòüñÿ ãàëàêòèêè. Åñëè ìàòåðèÿ ðàñïðåäåëåíà â ïðîñòðàíñòâå ðàâíîìåðíî, òî ãðàâèòàöèÿ, êàê áóðèäàíîâ îñåë, íå áóäåò «çíàòü», â êàêîì íàïðàâëåíèè ïðèìåíèòü ñâîè ñèëû. ×òîáû ãðàâèòàöèÿ ñæèìàëà ìàòåðèþ, íåîáõîäèì èñõîäíûé çàðîäûø — îáëàñòü ñ ïîâûøåííîé ïëîòíîñòüþ ìàòåðèè. Íî êàê ðàç îáëàñòè ñ èçáûòêîì ýíåðãèè è ïîðîæäàåò èíôëÿöèÿ! Òåïåðü ãðàâèòàöèîííûå ñèëû «çíàþò», íà ÷òî âîçäåéñòâîâàòü, — íà áîëåå ïëîòíûå îáëàñòè, ñîçäàííûå âî âðåìÿ èíôëÿöèîííîãî ïåðèîäà. Ïîä äåéñòâèåì ãðàâèòàöèè ýòè, èçíà÷àëüíî ÷óòü-÷óòü áîëåå ïëîòíûå, îáëàñòè áóäóò ñæèìàòüñÿ, è èìåííî èç íèõ â áóäóùåì îáðàçóþòñÿ çâåçäû è ãàëàêòèêè. Ïåðâè÷íûå ôëóêòóàöèè — ïðè÷èíà çàðîæäåíèÿ ãàëàêòèê

97

Ïðèäÿ ê âûâîäó î íåèçáåæíîñòè ïîÿâëåíèÿ òàêèõ îáëàñòåé, ñòîðîííèêè èíôëÿöèîííîé òåîðèè îáðàòèëèñü ê ýêñïåðèìåíòàòîðàì. «Íàäî áû îáíàðóæèòü ôëóêòóàöèè òåìïåðàòóðû», — òðåáîâàëè îíè. È â 1992 ã. ýòî áûëî ñäåëàíî! Êàê óæå ãîâîðèëîñü, ïðàêòè÷åñêè îäíîâðåìåííî ðîññèéñêèé ñïóòíèê «Ðåëèêò-1» è àìåðèêàíñêèé COBE îáíàðóæèëè ôëóêòóàöèè òåìïåðàòóðû. Ìû çíåì, ÷òî ñîâðåìåííàÿ Âñåëåííàÿ èìååò òåìïåðàòóðó 2,7 K, à íàéäåííûå ó÷åíûìè îòêëîíåíèÿ òåìïåðàòóðû îò ñðåäíåãî ñîñòàâëÿëè ïðèìåðíî 0,00003 K! Íåóäèâèòåëüíî, ÷òî òàêèå îòêëîíåíèÿ áûëî òðóäíî îáíàðóæèòü ðàíüøå. Òàê èíôëÿöèîííàÿ òåîðèÿ ïîëó÷èëà îäíî èç ñâîèõ ïîäòâåðæäåíèé. Åñëè áû Âñåëåííàÿ ðàñøèðÿëàñü â òî÷íîì ñîîòâåòñòâèè ñ ôðèäìàíîâñêèìè ìîäåëÿìè, îíà áûëà áû èäåàëüíî îäíîðîäíîé è èçîòðîïíîé.  ñîâðåìåííîé òåîðèè ïðîèñõîæäåíèÿ êðóïíîìàñøòàáíîé ñòðóêòóðû ïðåäïîëàãàåòñÿ, ÷òî â ðàííåé Âñåëåííîé êîñìîëîãè÷åñêèé ïðèíöèï âûïîëíÿëñÿ ïî÷òè ñòðîãî íå òîëüêî íà ñàìûõ áîëüøèõ, íî è íà ìàëûõ ìàñøòàáàõ, ñóùåñòâîâàëè ëèøü ñëaáûå îòêëîíåíèÿ îò îäíîðîäíîñòè è èçîòðîïèè: â íåêîòîðûõ ìåñòàõ ïëîòíîñòü áûëà ÷óòü âûøå èëè ÷óòü íèæå, ÷åì â ñðåäíåì. Ïî ìåðå ðàñøèðåíèÿ Âñåëåííîé êîíòðàñò ìåæäó ïëîòíûìè è ðàçðåæåííûìè îáëàñòÿìè âîçðàñòàë, ÷òî â êîíå÷íîì èòîãå è ïðèâåëî ê ôîðìèðîâàíèþ ñîâðåìåííîé ñòðóêòóðû. Ìåõàíèçì, ïðèâîäÿùèé ê óñèëåíèþ íåîäíîðîäíîñòåé, íàçûâàåòñÿ ãðàâèòàöèîííîé íåóñòîé÷èâîñòüþ. Âïåðâûå îí áûë èçó÷åí âûäàþùèìñÿ àíãëèéñêèì ôèçèêîì è àñòðîôèçèêîì Äæåéìñîì Äæèíñîì åùå â íà÷àëå ÕÕ â. Èäåÿ ñâîäèòñÿ ê ñëåäóþùåìó. Ðàññìîòðèì îäíó èç íåîäíîðîäíîñòåé, ãäå ïëîòíîñòü âåùåñòâà ñëåãêà ïîâûøåíà ïî ñðàâíåíèþ ñî ñðåäíåé ïëîòíîñòüþ ìîëåêóëÿðíîãî îáëàêà. Íà ìàòåðèþ, íàõîäÿùóþñÿ íà ãðàíèöå ýòîãî ñãóùåíèÿ, äåéñòâóþò äâå ñèëû (ðèñ. 2.9). Îäíà èç íèõ — íàïðàâëåííàÿ âíóòðü ñãóùåíèÿ ñèëà òÿãîòåíèÿ, ñòðåìÿùàÿñÿ ñæàòü ñãóñòîê âåùåñòâà. Âòîðàÿ — ñèëà óïðóãîñòè, íàïðàâëåííàÿ âîâíå; åå ñîçäàåò ïåðåïàä äàâëåíèÿ âíóòðè è âíå ñãóñòêà (ðàçóìååòñÿ, âíóòðè ñãóñòêà äàâëåíèå ïîâûøåíî). Ýâîëþöèÿ íåîäíîðîäíîñòè îïðåäåëÿåòñÿ òåì, êàêàÿ èç

98

Ãëàâà 2. Ïðîøëîå, íàñòîÿùåå è áóäóùåå Âñåëåííîé

ýòèõ äâóõ ñèë áîëüøå. Åñëè ñèëà óïðóãîñòè ïðåâûøàåò ñèëó òÿãîòåíèÿ, äëÿ êà÷åñòâåííîãî ðàññìîòðåíèÿ ýâîëþöèè ñãóùåíèÿ òÿãîòåíèåì ìîæíî ïðåíåáðå÷ü. Äåéñòâèå íåñêîìïåíñèðîâàííîé ñèëû óïðóãîñòè ïðèâîäèò ê òîìó, ÷òî ñãóùåíèå íà÷èíàåò ðàñøèðÿòüñÿ. Ýòî ðàñøèÐèñ. 2.9. Ãðàâèòàöèîííûå ñèëû ðåíèå íå ïðåêðàùàåòñÿ, ïûòàþòñÿ ñæàòü îáëàêî ãàçà. êîãäà ïëîòíîñòü âåùåñòâà âíóòðè è âíå íåîäíîðîäíîñòè âûðàâíèâàåòñÿ, òàê êàê âåùåñòâî ïðîäîëæàåò äâèãàòüñÿ âîâíå ïî èíåðöèè, ñæèìàÿ âåùåñòâî âîêðóã, è ñ òå÷åíèåì âðåìåíè íà ìåñòå ñãóùåíèÿ îêàæåòñÿ ðàçðåæåíèå âåùåñòâà, à âîêðóã íåãî îáðàçóåòñÿ îáëàñòü ïîâûøåííîé ïëîòíîñòè. Ýòî âòîðè÷íîå ñãóùåíèå òàêæå ñî âðåìåíåì íà÷íåò ðàñøèðÿòüñÿ, ñæèìàÿ îêðóæàþùåå âåùåñòâî, è ò. ä. Òàêèì îáðàçîì, íåîäíîðîäíîñòü ïëîòíîñòè ïðåâðàùàåòñÿ â âîëíó ñæàòèÿ è ðàñøèðåíèÿ âåùåñòâà, ò. å. â çâóê. Åñëè æå ïîáåæäàåò ñèëà òÿãîòåíèÿ, òî ñãóùåíèå íà÷èíàåò ñæèìàòüñÿ. Çà÷àñòóþ åäèíîå ãàçîâîå îáëàêî ñïîíòàííî ðàñïàäàåòñÿ íà íåñêîëüêî îòäåëüíûõ ñæèìàþùèõñÿ îáëàêîâ ìåíüøåãî ðàçìåðà. Áîëåå ïîäðîáíî ýòîò âîïðîñ îáñóæäàåòñÿ â Ïðèëîæåíèè 3.

Ñîñòàâ Âñåëåííîé äî ïåðâûõ çâåçä Íà ñîëåíóþ âîäó, ïðèãîòîâëåííóþ äëÿ âàðêè â íåé êîëäóíîâ, âàðåíèêîâ, ìàêàðîí, ëàçàíîê, îâîùåé, ðûáû áåðåòñÿ íà êàæäûå 3 ñòàêàíà âîäû ïî ïîëíîé ÷àéíîé ëîæå÷êå ñîëè. Å. Ìîëîõîâåö

Êàê æå âûãëÿäåëà Âñåëåííàÿ äî ïîÿâëåíèÿ ïåðâûõ çâåçä, êàêèå îáúåêòû ñîäåðæàëà? Î÷åâèäíî, ÷òî áëàãîäàðÿ ïåðâè÷íîìó íóêëåîñèíòåçó îíà áûëà çàïîëíåíà ÷àñòèöàìè. Êðîìå òîãî, âïîëíå âîçìîæíû è áîëåå ñëîæíûå îáúåêòû. Êðàòêàÿ èíôîðìàöèÿ î ñîñòàâå ñîñòîèò â ñëåäóþùåì. Ñîñòàâ Âñåëåííîé äî ïåðâûõ çâåçä

99

1. Êîëè÷åñòâî áàðèîíîâ (â îñíîâíîì ýòî ïðîòîíû, íåéòðîíû, à òàêæå íåáîëüøàÿ äîëÿ ëèòèÿ) âî Âñåëåííîé ñîñòàâëÿåò ~1080 øòóê, ò. å. íàøà Âñåëåííàÿ «âåñèò» ~1056 ã. Ýëåêòðîíîâ ðîâíî ñòîëüêî æå, ñêîëüêî è ïðîòîíîâ, — ñóììàðíûé çàðÿä Âñåëåííîé ñ÷èòàåòñÿ ðàâíûì íóëþ. Íåéòðîíîâ ïðèìåðíî â÷åòâåðî ìåíüøå, ÷åì ïðîòîíîâ. 2. Àíòèâåùåñòâî åñëè è ïðèñóòñòâóåò, òî â ãîìåîïàòè÷åñêèõ äîçàõ, åãî äîëÿ ìåíüøå 10–4 ïî ñðàâíåíèþ ñ âåùåñòâîì. Òåì íå ìåíåå íå èñêëþ÷åíà âîçìîæíîñòü, ÷òî íåñêîëüêî òûñÿ÷ çâåçä íàøåé Ãàëàêòèêè ñîñòîÿò èç àíòèâåùåñòâà [25]. Ïðîâåðèòü ýòî íà ðàññòîÿíèè î÷åíü òðóäíî — âåäü «àíòèçâåçäû» ñâåòÿò òåì æå ñâåòîì, ÷òî è îáû÷íûå. Íåáîëüøîå êîëè÷åñòâî àíòèïðîòîíîâ è ïîçèòðîíîâ ðåãèñòðèðóåòñÿ äåòåêòîðàìè êîñìè÷åñêèõ ëó÷åé. Òàêèå ïðîñòûå ÷àñòèöû àíòèìàòåðèè âïîëíå ìîãóò ðîæäàòüñÿ âî âçðûâàõ ñâåðõíîâûõ, è ïîýòîìó èõ ïîÿâëåíèå íèêîãî íå óäèâëÿåò. Âîò åñëè áû îáíàðóæèëîñü õîòÿ áû îäíî ÿäðî, ïóñòü ñàìîå ëåãêîå, — àíòèãåëèÿ! Îáðàçîâàíèå ÿäåð èç àíòè÷àñòèö îáû÷íûì îáðàçîì ñëèøêîì ìàëîâåðîÿòíî, è ïîýòîìó îáíàðóæåíèå äàæå îäíîãî ÿäðà àíòèãåëèÿ áóäåò îçíà÷àòü, ÷òî àíòèçâåçäû ñóùåñòâóþò. Ñåé÷àñ ïðåäïðèíèìàåòñÿ ïîïûòêà ïîñòðîèòü äåòåêòîð, ñïîñîáíûé îáíàðóæèòü àíòèãåëèé â êîñìè÷åñêèõ ëó÷àõ. 3. Êîñìè÷åñêèé âàêóóì çàïîëíåí ðåëèêòîâûìè ôîòîíàìè, ò. å. ôîòîíàìè, êîòîðûå îñòàëèñü îò òåõ æàðêèõ äåíå÷êîâ, êîãäà Âñåëåííàÿ áûëà ìîëîäîé è ãîðÿ÷åé. ×èñëî ðåëèêòîâûõ ôîòîíîâ â 109 áîëüøå, ÷åì ÷èñëî íóêëîíîâ. 4. Ñêðûòàÿ ìàññà (òåìíàÿ ìàòåðèÿ) — ïî ìàññå â íåñêîëüêî ðàç áîëüøå, ÷åì ìàññà íóêëîíîâ. Ïðîÿâëÿåòñÿ òîëüêî çà ñ÷åò ãðàâèòàöèè. Åå îñíîâíàÿ ðîëü — ïîìî÷ü íîðìàëüíûì ÷àñòèöàì (ïðîòîíàì, ýëåêòðîíàì è ò. ä.) ñîáðàòüñÿ â ãàëàêòèêè è çâåçäû. 5. Ñòðóíû ñàìîãî ðàçíîãî òèïà — âïîëíå âîçìîæíû. ×åì ìåíüøå ðàçìåð ñòðóí, òåì áîëüøåå èõ êîëè÷åñòâî èìååòñÿ ïîñëå îêîí÷àíèÿ èíôëÿöèè. Ñòðóíû — îáúåêòû íåóñòîé÷èâûå. Îíè î÷åíü áûñòðî ðàñïàäàþòñÿ, â îñíîâíîì íà âîëíû òîãî ïîëÿ, èç êîòîðîãî áûëè «ñäåëàíû». Ê íàøåìó âðåìåíè âûæèâàþò ëèøü ñòðóíû êîñìîëîãè÷åñêèõ ìàñøòàáîâ, ò. å. ðàçìåðîì

100

Ãëàâà 2. Ïðîøëîå, íàñòîÿùåå è áóäóùåå Âñåëåííîé

ñî Âñåëåííóþ.  îòëè÷èå îò ÷àñòèö, íàçâàííûõ âûøå, ñòðó íû — îáúåêò ãèïîòåòè÷åñêèé. Ñîãëàñíî ìíîãèì ìîäåëÿì, îíè ìîãóò áûòü â êîñìè÷åñêîì ïðîñòðàíñòâå, íî íå îáÿçàòåëüíî. 6. Äîìå2ííûå ñòåíêè — ýòî ñëîæíûå ïîëåâûå êîíôèãóðàöèè, êîòîðûå ìîãóò ðîäèòüñÿ â ïåðèîä èíôëÿöèè, ñîãëàñíî ìíîãèì ñîâðåìåííûì ìîäåëÿì. Ñòåíêè, òàê æå êàê è ñòðóíû, áûñòðî ðàñïàäàþòñÿ, è ìû èõ âðÿä ëè îáíàðóæèì. Âïðî÷åì, çàìêíóòûå ñòåíêè áîëüøèõ ðàçìåðîâ â ñëó÷àå èõ ïîÿâëåíèÿ êîëëàïñèðîâàëè â ïåðâè÷íûå ÷åðíûå äûðû [22]. 7. Ïåðâè÷íûå ÷åðíûå äûðû. Ðàíüøå ìíîãèå ïîëàãàëè, ÷òî ÷åðíûå äûðû ìîãóò ïîÿâëÿòüñÿ òîëüêî â ðåçóëüòàòå êîëëàïñà çâåçä. Åñòåñòâåííî, ìàññà òàêèõ ÷åðíûõ äûð äîëæíà áûòü ñðàâíèìà ñ ìàññîé êîëëàïñèðîâàâøåé çâåçäû. Ïîòîì ñòàëî ïîíÿòíî, ÷òî ìàëåíüêèå ÷åðíûå äûðû ìîãóò ðîæäàòüñÿ ïðè ñæàòèè ñëó÷àéíûõ ñãóñòêîâ ñêðûòîé ìàññû çàäîëãî äî îáðàçîâàíèÿ çâåçä. Íî ÷åì áîëüøå ìàññà ñãóñòêà, òåì ìåíüøå âåðîÿòíîñòü åãî ñëó÷àéíîãî ïîÿâëåíèÿ. Ïîýòîìó-òî òàêèå ïåðâè÷íûå ÷åðíûå äûðû ñ÷èòàëèñü ìàëåíüêèìè. Çäåñü êðèòè÷åñêèì ñòàíîâèòñÿ ýôôåêò, îòêðûòûé Ñ. Õîêèíãîì: ÷åðíûå äûðû ìåäëåííî èñïàðÿþòñÿ. Ïðè÷åì ÷åì áîëüøå ìàññà, òåì ìåäëåííåå. Ðàñ÷åòû ïîêàçûâàþò, ÷òî ÷åðíûå äûðû ìàññîé 1015 ã èñïàðÿþòñÿ çà 14 ìëðä. ëåò, ò. å. çà âðåìÿ æèçíè Âñåëåííîé. Ýòî îçíà÷àåò, ÷òî ïåðâè÷íûå ÷åðíûå äûðû ìåíüøèõ ìàññ óæå èñïàðèëèñü, à áîëüøèõ — åùå ñóùåñòâóþò â êðàéíå ìàëûõ êîëè÷åñòâàõ. Íî îêàçûâàåòñÿ, ÷òî çàìêíóòûå ïîëåâûå ñòåíêè òàêæå ñïîñîáíû êîëëàïñèðîâàòü â ÷åðíûå äûðû, ïðè ýòîì ìàññà ïîñëåäíèõ òåîðåòè÷åñêè íè÷åì íå îãðàíè÷åíà. Âîçìîæíî, ÷òî ÷àñòü ÷åðíûõ äûð, íàõîäÿùèõñÿ â öåíòðàõ ãàëàêòèê, êàê ðàç òàêîãî ïðîèñõîæäåíèÿ. 8. Êàêóþ æå êàðòèíó óâèäåë áû íàáëþäàòåëü, îêàæèñü îí â òå âðåìåíà â íàøåé Âñåëåííîé? Îêàçûâàåòñÿ — íè÷åãî, êðîìå ÿðêîãî, îäíîðîäíîãî ôîíà! Ïîêà ïðîòîíû è ýëåêòðîíû íå îáúåäèíèëèñü (ðåêîìáèíèðîâàëè) â àòîìû âîäîðîäà, Âñåëåííàÿ íåïðîçðà÷íà äëÿ ôîòîíîâ. Ôîòîí, èñïóùåííûé â êàêîìëèáî ïðîöåññå, íà÷èíàåò, êîíå÷íî, äâèãàòüñÿ ïðÿìîëèíåéíî, íî âñòðå÷àåò íà ñâîåì ïóòè ìíîæåñòâî çàðÿæåííûõ ÷àñòèö — ïðîòîíîâ è ýëåêòðîíîâ — è îõîòíî âçàèìîäåéñòâóåò ñ íèìè. Ñîñòàâ Âñåëåííîé äî ïåðâûõ çâåçä

101

Ïðè ýòîì èìïóëüñ ôîòîíà, à çíà÷èò, è íàïðàâëåíèå åãî äâè æåíèÿ ñëó÷àéíûì îáðàçîì ìåíÿåòñÿ. Äâèæåíèå ôîòîíà ñòàíîâèòñÿ ïîõîæèì íà äâèæåíèå áðîóíîâñêîé ÷àñòèöû, è ôîòîí äâèæåòñÿ âíóòðè îãðàíè÷åííîé îáëàñòè, òàì, ãäå îí áûë ðîæäåí. Íî ñî âðåìåíåì ïðîèñõîäÿò äâå âåùè — òåìïåðàòóðà Âñå ëåííîé ïàäàåò, è ïðè 4 000 K ýëåêòðîíû è ïðîòîíû ðåêîìáè íèðóþò â íåéòðàëüíûå àòîìû. Êðîìå òîãî, äëèíà âîëíû ôîòîíîâ ñî âðåìåíåì óâåëè÷èâàåòñÿ, è ê ìîìåíòó îáðàçîâàíèÿ àòîìîâ ïîñëåäíèå âçàèìîäåéñòâóþò ñ ôîòîíàìè êàê åäèíûå íåéòðàëüíûå îáúåêòû. Ôîòîíû æå êðàéíå íåîõîòíî âçàèìî äåéñòâóþò ñ íåéòðàëüíûìè îáúåêòàìè, ïîýòîìó èõ ïðÿìîëèíåéíîìó äâèæåíèþ óæå íè÷åãî íå ìåøàåò. Âñåëåííàÿ ñòàíî âèòñÿ ïðîçðà÷íîé.

Çàêîí Õàááëà Èñïîëüçóÿ ôîðìóëó (2.1), ìû ìîæåì îáîñíîâàòü çàêîí Õàááëà. Ïðåäïîëîæèì, ÷òî äâà íàáëþäàòåëÿ íàõîäÿòñÿ íà êîîðäèíàòíîì ðàññòîÿíèè r è ïîñìîòðèì, ñ êàêîé ñêîðîñòüþ îäèí óäàëÿåòñÿ îò äðóãîãî. Ôèçè÷åñêîå ðàññòîÿíèå åñòü R(t) = a(t)r, è, çíà÷èò, ñêîðîñòü èõ ðàçáåãàíèÿ âû÷èñëÿåòñÿ ïðîñòî: v (t ) =

dR (t ) da (t ) = × r = H (t ) × a (t ) × r = H (t ) × R (t ). dt dt

Âèäíî, ÷òî ñêîðîñòü óäàëåíèÿ íàáëþäàòåëåé äåéñòâèòåëüíî ïðîïîðöèîíàëüíà ôèçè÷åñêîìó ðàññòîÿíèþ, íî êîýôôèöèåíò ïðîïîðöèîíàëüíîñòè, èçìåðÿåìûé â êì/(ñ · Ìïê), çàâèñèò îò âðåìåíè. Ëèøü ïðèáëèæåííî ýòó âåëè÷èíó ìîæíî ñ÷èòàòü ïîñòîÿííîé è ðàâíîé ñîâðåìåííîìó çíà÷åíèþ: H(t) » H(t0) « 71. Çäåñü, êàê îáû÷íî, t0 »14 ìëðä. ëåò — âðåìÿ æèçíè Âñåëåííîé. Ìîæíî ëè íàéòè âðåìåííóþ çàâèñèìîñòü «ïîñòîÿííîé» Õàááëà, à òî÷íåå, ïàðàìåòðà Õàááëà? Çíàÿ çàêîí, ïî êîòîðîìó èçìåíÿåòñÿ ìàñøòàáíûé ôàêòîð ñî âðåìåíåì 2

a (t ) = C ¢ × t 3(1 + w )

102

Ãëàâà 2. Ïðîøëîå, íàñòîÿùåå è áóäóùåå Âñåëåííîé

Ðèñ. 2.10. Ñõåìàòè÷íûé ãðàôèê, èëëþñòðèðóþùèé ðàñøèðåíèå Âñåëåííîé ñî âðåìåíåì. Èíòåðâàë 0–1: èíôëÿöèîííàÿ ñòàäèÿ, ðîñò îò 10–27 ñì äî 0,1 ñì çà 10–35 ñ. Èíòåðâàë 1–2: ñòàäèÿ äîìèíèðîâàíèÿ èçëó÷åíèÿ, ðàçìåðû ðàñòóò ïðîïîðöèîíàëüíî t1/2. Òî÷êà 2 îòâå÷àåò ïåðèîäó 10 òûñ. ëåò, ðàçìåð Âñåëåííîé â 10 000 ðàç ìåíüøå íûíåøíåãî. Èíòåðâàë 2–3: ñòàäèÿ äîìèíèðîâàíèÿ ìàòåðèè (âêëàä ôîòîíîâ â ñðåäíþþ ïëîòíîñòü ýíåðãèè ìàë ïî ñðàâíåíèþ ñ âêëàäîì îò ÷àñòèö). Ðàçìåðû ðàñòóò ïðîïîðöèîíàëüíî t2/3. Òî÷êà 3 îáîçíà÷àåò âðåìÿ ~9 ìëðä. ëåò. Ðàçìåð Âñåëåííîé ïðèìåðíî â 1,5 ðàçà ìåíüøå íûíåøíåãî. Èíòåðâàë 3–4: ñòàäèÿ äîìèíèðîâàíèÿ òåìíîé ýíåðãèè. Ðàçìåðû ðàñòóò ïî ýêñïîíåíòå ñ î÷åíü ìàëåíüêèì ïîêàçàòåëåì.

(âûâîä ïðèâåäåí â Ïðèëîæåíèè 4), ìîæíî ëåãêî íàéòè òàêóþ çàâèñèìîñòü: H (t ) º

1 da (t ) 2 . × = a (t ) dt 3 (1 + w ) t

Ïàðàìåòð Õàááëà óìåíüøàåòñÿ ñî âðåìåíåì. Äðóãîé ïàðàìåòð, w, òîæå ìåíÿåòñÿ ñî âðåìåíåì, íî äîâîëüíî ìåäëåííî. Ñíà÷àëà îí ðàâíÿëñÿ 1/2, çàòåì 2/3, à â äàííûé ïåðèîä — ïðèìåðíî –0,8. Îïðåäåëèâ ïàðàìåòð Õàááëà â íàñòîÿùèé ìîìåíò, ïî ýòîé ôîðìóëå ìîæíî âû÷èñëèòü âðåìÿ æèçíè Âñåëåííîé. Ñòîèò íàïîìíèòü, ÷òî ýòà ôîðìóëà ñïðàâåäëèâà, êîãäà ìîæíî ïðåíåáðå÷ü âêëàäîì òåìíîé ýíåðãèè. Êàê óæå îáñóæäàëîñü âûøå, ýíåðãèÿ çàêëþ÷åíà íå òîëüêî â ÷àñòèöàõ, íî è â òàêèõ îáúåêòàõ, êàê ïîëÿ. Ïîýòîìó íå äoëæíî áûòü îñîáåííî óäèâèòåëüíûì, ÷òî ïðîñòðàíñòâî áåç Çàêîí Õàááëà

103

÷añòèö, ò. å. òî, ÷òî ìû îáû÷íî íàçûâàåì âàêóóìîì, ìîæåò îá ëàäàòü ýíåðãèåé, ñîäåðæàùåéñÿ â ðàâíîìåðíî ðàñïðåäåëåííûõ ïîëÿõ.  òàêîì ïðîñòðàíñòâå, ïðîñòðàíñòâå äå Ñèòòåðà, ñâÿçü ïëîòíîñòè ýíåðãèè è èìïóëüñà èìååò íåîáû÷íûé âèä: p = –r, ò. å. äàâëåíèå îòðèöàòåëüíî è ïàðàìåòð w = –1. Ñåé÷àñ èäåò èíòåíñèâíûé ñáîð íàáëþäàòåëüíûõ äàííûõ, êîòîðûå ïîìîãëè áû îïðåäåëèòü èñòèííîå çíà÷åíèå ïàðàìåòðà w. Åñëè w = 0, òî ìû íàõîäèìñÿ â «ïûëåâîé» ñòàäèè, êîãäà ñðåäíÿÿ ïëîòíîñòü ýíåðãèè âî Âñåëåííîé îáóñëîâëåíà ñóììàðíîé ìàññîé ÷àñòèö. Èìåííî ýòî è ïðåäïîëàãàëîñü âåñü ïðîøëûé âåê. Åñëè æå w = –1, òî íàøà Âñåëåííàÿ ïðåäñòàâëÿåò ñîáîé ïðîñòðàíñòâî äå Ñèòòåðà. Ñîãëàñíî íàáëþäàòåëüíûì äàííûì, åñòü âñå îñíîâàíèÿ ñ÷èòàòü, ÷òî w < –0,8. Íèêàêîå îáû÷íîå âåùåñòâî íå â ñîñòîÿíèè îáåñïå÷èòü òàêóþ ñòðàííóþ ñâÿçü ïëîòíîñòè ýíåðãèè è äàâëåíèÿ. Ýòîìó óñëîâèþ óäîâëåòâîðÿåò ïðåäïîëîæåíèå î òîì, ÷òî îñíîâíîé âêëàä â ýíåðãèþ âíîñèò ãèïîòåòè÷åñêîå ñòàöèîíàðíîå ïîëå, äëÿ êîòîðîãî w = –1. Âïðî÷åì, ó êîñìîëîãîâ çàãîòàâëèâàþòñÿ âàðèàíòû íà ñëó÷àé, åñëè îêàæåòñÿ, ÷òî w < –1.

Ðåëèêòîâîå èçëó÷åíèå Ñ îòêðûòèåì ðåëèêòîâîãî èçëó÷åíèÿ íà÷àëàñü íîâàÿ ýðà â êîñìîëîãèè, è ïîýòîìó áûëî áû ñïðàâåäëèâî ïîãîâîðèòü îá ýòîì ôåíîìåíå ïîäðîáíåå. Èç ïðåäûäóùåãî îáñóæäåíèÿ ìû çíàåì, ÷òî ðåëèêòîâîå èçëó÷åíèå — ýòî ýëåêòðîìàãíèòíûå âîëíû, ðàâíîìåðíî çàïîëíÿþùèå âñå ïðîñòðàíñòâî. Ðàñïðåäåëåíèå ýòîãî èçëó÷åíèÿ ïî äëèíàì âîëí òàêîâî, êàê åñëè áû îíî ñîçäàâàëîñü àáñîëþòíî ÷åðíûì òåëîì ñ òåìïåðàòóðîé Ò = 2,73 K. À êàê ìåíÿëàñü òåìïåðàòóðà â ïðîøëûå ýïîõè è íà ÷òî ìû ìîæåì ðàññ÷èòûâàòü â áóäóùåì? Îêàçûâàåòñÿ, ÷òî òåìïåðàòóðà ðåëèêòîâîãî èçëó÷åíèÿ è ìàñøòàáíûé ôàêòîð ñâÿçàíû ïðîñòîé ôîðìóëîé: 1 . (2.26) T (t ) ~ a (t ) Ýòî çíà÷èò, ÷òî êîãäà Âñåëåííàÿ áûëà, íàïðèìåð, â 3,62 ðàçà ìåíüøå, òî îíà áûëà â 3,62 ðàçà ãîðÿ÷åå. Ôîðìóëà âûãëÿäèò ïðîñòî, íî çà íåé ñêðûâàåòñÿ ìíîãî èíòåðåñíîé ôèçèêè.

104

Ãëàâà 2. Ïðîøëîå, íàñòîÿùåå è áóäóùåå Âñåëåííîé

Îòñòóïëåíèå. Òåìïåðàòóðà è ðàñøèðåíèå Âñåëåííîé

Ïðåæäå âñåãî ðåøèì, ìîæíî ëè èñïîëüçîâàòü ïîíÿòèå òåìïåðàòóðû â äàííîì ñëó÷àå. Âåäü Âñåëåííàÿ ðàñøèðÿåòñÿ, à çíà÷èò, íåñòàöèîíàðíà, â òî âðåìÿ êàê ïîíÿòèå òåìïåðàòóðû ìîæíî êîððåêòíî ââåñòè òîëüêî äëÿ ñòàöèîíàðíûõ ñèñòåì.  ñòàòèñòè÷åñêîé ôèçèêå îáû÷íî ðàññìàòðèâàåòñÿ ñèñòåìà, ñîñòîÿùàÿ èç ìíîãèõ ïîäñèñòåì, íàõîäÿùèõñÿ â ðàâíîâåñèè. Ýòî îçíà÷àåò, ÷òî äèíàìè÷åñêèå ìàêðîñêîïè÷åñêèå ïàðàìåòðû ñèñòåìû íå ìåíÿþòñÿ ñî âðåìåíåì. Òîãäà ðàâíîâåñíîå ðàñïðåäåëåíèå ïîäñèñòåì, â íàøåì ñëó÷àå ôîòîíîâ, ïî ýíåðãèÿì îïèñûâàåòñÿ êàíîíè÷åñêèì ðàñïðåäåëåíèåì P µ e–E/T, (2.27) êîòîðîå äàåò âåðîÿòíîñòü îáíàðóæèòü ôîòîí ñ ýíåðãèåé Å è îò âðåìåíè, åñòåñòâåííî, íå çàâèñèò. Íàïîìíþ, ÷òî ñ ñàìîãî íà÷àëà ïîñòîÿííàÿ Áîëüöìàíà k = 1, è òåìïåðàòóðà èçìåðÿåòñÿ â ýëåêòðîí-âîëüòàõ. Ê ñ÷àñòüþ, Âñåëåííàÿ ðàñøèðÿåòñÿ â îñíîâíîì íå òàê áûñòðî, è ôîòîíû, èíòåíñèâíî âçàèìîäåéñòâóÿ, óñïåâàþò ïåðåéòè â (ïî÷òè) ðàâíîâåñíîå ñîñòîÿíèå. Èñêëþ÷åíèå ñîñòàâëÿåò ëèøü ñàìûé ðàííèé è êîðîòêèé ýòàï ýâîëþöèè Âñåëåííîé, êîòîðûé ñåé÷àñ íå âàæåí. Çíà÷èò, êàíîíè÷åñêèì ðàñïðåäåëåíèåì ïîëüçîâàòüñÿ ìîæíî íà ïðîòÿæåíèè ïî÷òè âñåé ýâîëþöèè Âñåëåííîé, â ëþáîé ìîìåíò âðåìåíè. Ýòî îçíà÷àåò, ÷òî âåðîÿòíîñòü íàéòè ôîòîí ñ ýíåðãèåé Å(t) âñåãäà áóäåò èìåòü âèä - E (t )

P ~e

T (t )

,

(2.27à)

ãäå T(t) — òåìïåðàòóðà â ìîìåíò âðåìåíè t. Ñóùåñòâóåò íåñêîëüêî îïðåäåëåíèé ïîíÿòèÿ òåìïåðàòóðû, è âñå îíè, êîíå÷íî, ñîãëàñóþòñÿ äðóã ñ äðóãîì. Îáùåïðèíÿòûì îïðåäåëåíèåì ÿâëÿåòñÿ òàêîå: òåìïåðàòóðà — ýòî ìåðà êèíåòè÷åñêîé ýíåðãèè, ñâÿçàííîé ñ õàîòè÷åñêèì äâèæåíèåì àòîìîâ è ìîëåêóë òåëà. Áåäà â òîì, ÷òî â íàøåì ñëó÷àå òåëî êàê òàêîâîå îòñóòñòâóåò. Áîëåå òîãî, ìîãóò îòñóòñòâîâàòü àòîìû è ìîëåêóëû. Ïîýòîìó ïðèäåòñÿ ïîëüçîâàòüñÿ äðóãèì, ïðîñòûì è äîñòàòî÷íî êîððåêòíûì îïðåäåëåíèåì: òåìïåðàòóðîé íàçûâàåòñÿ òî, íà ÷òî äåëèòñÿ ýíåðãèÿ â ïîêàçàòåëå ýêñïîíåíòû. ×èòàòåëþ ïðèäåòñÿ ïîâåðèòü, ÷òî ýòî áîëåå àáñòðàêòíîå îïðåäåëåíèå ýêâèâàëåíòíî ïðåäûäóùåìó â ïðîñòûõ ñëó÷àÿõ. Íàøåé çàäà÷åé ÿâëÿåòñÿ äîêàçàòåëüñòâî ñâÿçè (2.26). Äëÿ ýòîãî ïîñìîòðèì, ÷òî ïðîèñõîäèò ñ ýíåðãèåé ôîòîíà ñ òå÷åíèåì âðåìåíè. Ïðîùå âñåãî ïðåäñòàâèòü âìåñòî ôîòîíîâ ñ ýíåðãèåé Å ýëåêòðîìàãíèòíóþ âîëíó ñ äëèíîé âîëíû l è îáû÷íîé ñâÿçüþ:

E=

Ðåëèêòîâîå èçëó÷åíèå

2phc . l

105

Âñïîìèíàåì, ÷òî ðàññòîÿíèå ìåæäó ëþáûìè äâóìÿ òî÷êàìè óâåëè÷èâàåòñÿ ïðîïîðöèîíàëüíî ìàñøòàáíîìó ôàêòîðó à(t). Çíà÷èò, è äëèíà âîëíû (ò. å. ðàññòîÿíèå ìåæäó äâóìÿ åå «ãîðáàìè») èçìåíÿåòñÿ òàê æå: l(t) = a(t)l. Ñëåäîâàòåëüíî, ýíåðãèÿ ôîòîíà Å(t) óìåíüøàåòñÿ ïðîïîðöèîíàëü2phc E . Ïîäñòàâëÿÿ ýòî âûðàæåíî ìàñøòàáíîìó ôàêòîðó: Å(t) = = l (t ) a( t ) íèå â ôîðìóëó (2.27à), ïîëó÷àåì -

P ~e

E a (t ) T (t )

.

Ñðàâíèâàÿ ýòó ôîðìóëó ñ ôîðìóëîé (2.27), âèäèì, ÷òî T(t) = T/a(t), ò. å. ôîðìóëà (2.26) äîêàçàíà. Íà÷àëüíûé ìîìåíò âðåìåíè, ïðè êîòîðîì âûáèðàåòñÿ òåìïåðàòóðà Ò, äîâîëüíî ïðîèçâîëåí, íî óäîáíî âûáèðàòü ïåðèîä ðåêîìáèíàöèè, êîãäà Âñåëåííàÿ ñòàíîâèòñÿ ïðîçðà÷íîé, íî òåìïåðàòóðà ðåëèêòîâûõ ôîòîíîâ, ò. å. òåìïåðàòóðà èçëó÷åíèÿ, åùå ñîâïàäàåò ñ òåìïåðàòóðîé ïëàçìû.  ýòîò ïåðèîä òåìïåðàòóðà ñîñòàâëÿëà 3 000–4 000 K, à êîíöåíòðàöèÿ ðåëèêòîâûõ ôîòîíîâ — ïðèìåðíî 4 × 1011 ñì–3.  íàñòîÿùåå âðåìÿ êîíöåíòðàöèÿ ðåëèêòîâûõ ôîòîíîâ ðàâíà â ñðåäíåì 411 ñì–3, à ðàñïðåäåëåíèå ôîòîíîâ ïî ýíåðãèÿì ïðåêðàñíî îïèñûâàåòñÿ îáû÷íûì ðàñïðåäåëåíèåì Ïëàíêà ñ òåìïåðàòóðîé 2,73 K.

Èòàê, êîãäà ãîâîðÿò î òåìïåðàòóðå Âñåëåííîé, èìååòñÿ â âèäó òåìïåðàòóðà èçëó÷åíèÿ, à òî÷íåå — òåìïåðàòóðà òåëà, íàõîäÿùåãîñÿ ñ ýòèì èçëó÷åíèåì â òåïëîâîì ðàâíîâåñèè. Òåìïåðàòóðà ãàçîâûõ îáëàêîâ ìîæåò áûòü ñàìîé ðàçíîé, â çàâèñèìîñòè îò îáñòîÿòåëüñòâ. Ñ ðàñøèðåíèåì ïðîñòðàíñòâà òåìïåðàòóðà èçëó÷åíèÿ, çàïîëíÿþùåãî âñå ïðîñòðàíñòâî, ïàäàåò. Íà ÿçûêå ÷àñòèö — ïðîèñõîäèò óìåíüøåíèå ýíåðãèè è èìïóëüñà ôîòîíîâ. À êàê æå âåäóò ñåáÿ ýíåðãèÿ è èìïóëüñ îáû÷íûõ ÷àñòèö — ýëåêòðîíîâ, ïðîòîíîâ, äà è ëþáûõ äðóãèõ ìàññèâíûõ òåë? Ñî øêîëüíîé ñêàìüè ìû çíàåì, ÷òî íåâçàèìîäåéñòâóþùàÿ ÷àñòèöà (èëè òåëî) áóäåò äâèãàòüñÿ ñ ïîñòîÿííîé ñêîðîñòüþ ïî ïðÿìîé. Îêàçûâàåòñÿ, ýòî ñïðàâåäëèâî òîëüêî â ñòàòè÷åñêîì ïðîñòðàíñòâå!  ðàñøèðÿþùåìñÿ ïðîñòðàíñòâå ñêîðîñòü ÷àñòèöû óìåíüøàåòñÿ, äàæå åñëè íà íåå íå äåéñòâóþò íèêàêèå ñèëû. Ïîäðîáíîå îáîñíîâàíèå ìîæíî íàéòè â Ïðèëîæåíèè 5.

106

Ãëàâà 2. Ïðîøëîå, íàñòîÿùåå è áóäóùåå Âñåëåííîé

Ñåé÷àñ æå ïîïûòàåìñÿ ðàçîáðàòüñÿ ñ ñîõðàíåíèåì ýíåðãèè. Äåéñòâèòåëüíî, åñëè ýíåðãèÿ ìàññèâíûõ ÷àñòèö è ôîòîíîâ ñî âðåìåíåì óìåíüøàåòñÿ, òî êóäà ïðîïàäàåò èõ ýíåðãèÿ? Êàê îáû÷íî, ïîëåçíî ïðîâåñòè àíàëîãèþ ñ èçâåñòíûì ÿâëåíèåì. Ïðåäñòàâüòå ñåáå ìàññèâíîå îáëàêî ãàçà â ìåæçâåçäíîì ïðîñòðàíñòâå, ìàññà êîòîðîãî, ñêàæåì, íåñêîëüêî ñîò ìàññ Ñîëíöà. Âíóòðè íàõîäÿòñÿ çâåçäû. Ãäå-òî â ñåðåäèíå îáëàêà ïðîèñõîäèò âçðûâ çâåçäû (ýòî ó íèõ, çâåçä, îáû÷íîå äåëî), è ÷àñòèöû ãàçà íà÷èíàþò ðàçëåòàòüñÿ âî âñå ñòîðîíû. Ñíà÷àëà îíè ëåòÿò îò öåíòðà ñ áîëüøîé ñêîðîñòüþ, èíèöèèðîâàííîé âçðûâîì. Ïðè ýòîì ãðàâèòàöèîííûå ñèëû îáëàêà êàê öåëîãî òîðìîçÿò ÷àñòèöû, â òî÷íîñòè òàê æå, êàê òîðìîçèòñÿ êàìåíü, áðîøåííûé ñ Çåìëè ââåðõ. Ãðàâèòàöèîííîå ïîëå ñîâåðøàåò ðàáîòó, è ýíåðãèÿ ÷àñòèö óìåíüøàåòñÿ, êàê è ýíåðãèÿ ïîäáðîøåííîãî êàìíÿ. Ýíåðãèÿ æå ãðàâèòàöèîííîãî ïîëÿ óâåëè÷èâàåòñÿ, òàê ÷òî ñóììàðíàÿ ýíåðãèÿ ñîõðàíÿåòñÿ. Ïîõîæàÿ ñèòóàöèÿ — â ñëó÷àå ðàñøèðÿþùåéñÿ Âñåëåííîé. Áîëüøîé âçðûâ ïðèäàë ýíåðãèþ ÷àñòèöàì è áåçìàññîâûì ôîòîíàì, îáóñëîâèâ èõ ðàçëåò, à ãðàâèòàöèîííûå ñèëû òîðìîçÿò èõ. Ïðîèñõîäèò ïåðåêà÷êà ýíåðãèè ÷àñòèö â ýíåðãèþ ãðàâèòàöèîííîãî ïîëÿ. Ïî÷åìó æå ìû íå çàìå÷àåì ýòîãî ýôôåêòà â ïîâñåäíåâíîé æèçíè? Ïî÷åìó, íàïðèìåð, ñàìîïðîèçâîëüíî íå òîðìîçÿòñÿ ñïóòíèêè? Ïðè÷èí äâå. Âî-ïåðâûõ, ñåé÷àñ ðàñøèðåíèå ïðîñòðàíñòâà ïðîèñõîäèò ñëèøêîì ìåäëåííî, ÷òîáû çàìåòíî âëèÿòü íà ñêîðîñòü ÷àñòèö. Âî-âòîðûõ, íàøå ïðîñòðàíñòâî ìîæíî ñ÷èòàòü îäíîðîäíûì ëèøü ïðèáëèæåííî. Íà ìàñøòàáàõ ïîðÿäêà 100 Ìïê è ìåíåå ðàñïðåäåëåíèå âåùåñòâà íåîäíîðîäíî. Îíî îáðàçóåò ãèãàíòñêèå ãðàâèòàöèîííî ñâÿçàííûå îáúåêòû òèïà ñêîïëåíèé è ñâåðõñêîïëåíèé ãàëàêòèê, âíóòðåííåå ïðîñòðàíñòâî êîòîðûõ, êîíå÷íî, íå ðàñøèðÿåòñÿ. Òàê ÷òî âòîðîé çàêîí Íüþòîíà ñïðàâåäëèâ íà ìàñøòàáàõ ñêîïëåíèé ãàëàêòèê è ìåíåå. Ìîæíî ñïðîñèòü: ãäå ó Âñåëåííîé íàõîäèòñÿ òîò öåíòð, èç êîòîðîãî ïîâûëåòàëè ÷àñòèöû? Íî îòâåò ïðîñò, è ðå÷ü îá ýòîì ó íàñ óæå øëà. Ïîñìîòðèòå íà ðàçäóâàþùèéñÿ øàð íà ðèñ. 2.2 è ìûñëåííî ïðîñëåäèòå äâèæåíèå òî÷åê íàçàä ïî Ðåëèêòîâîå èçëó÷åíèå

107

âðåìåíè: âñå òî÷êè ñáëèæàþòñÿ.  íà÷àëå ýòîé ãëàâû ðàññêàçàíî î ìîìåíòå çàðîæäåíèÿ Âñåëåííîé è óêàçàí äàæå åå ïåðâîíà÷àëüíûé ðàçìåð — ïðèìåðíî 1 ìì (âåùåñòâî ïðè ýòîì åùå íå ðîäèëîñü). Òàê ÷òî êàæäûé ìîæåò ñ÷èòàòü, ÷òî Âñåëåí íàÿ ðîäèëàñü èìåííî âíóòðè íåãî, è áóäåò ïðàâ. Âïðî÷åì, êàê è âñå îñòàëüíûå.

Ïðîãíîçû íà áóäóùåå ×åì æåëàòü ñìåðòè âðàãó, ëó÷øå ïîæåëàé äîëãîé æèçíè ñåáå. Òóðêìåíñêàÿ ïîñëîâèöà

×òî æå æäåò íàøó Âñåëåííóþ â äàëüíåéøåì? Åùå íåñêîëüêî ëåò íàçàä èìåëîñü âñåãî äâå âîçìîæíîñòè. Åñëè ïëîòíîñòü ýíåðãèè âî Âñåëåííîé ìàëà, òî Âñåëåííàÿ áóäåò âå÷íî ðàñøèðÿòüñÿ è ïîñòåïåííî îñòûâàòü. Åñëè æå ïëîòíîñòü ýíåðãèè áîëüøå íåêîòîðîãî êðèòè÷åñêîãî çíà÷åíèÿ, òî ñòàäèÿ ðàñøèðåíèÿ ñìåíèòñÿ ñòàäèåé ñæàòèÿ. Âñåëåííàÿ áóäåò ñæèìàòüñÿ â ðàçìåðàõ è íàãðåâàòüñÿ. Çíà÷èò, îäíèì èç êëþ÷åâûõ ïàðàìåòðîâ, îïðåäåëÿþùèõ ðàçâèòèå Âñåëåííîé, ÿâëÿåòñÿ ñðåäíÿÿ ïëîòíîñòü ýíåðãèè. Èíôëÿöèîííûå ìîäåëè ïðåäñêàçûâàëè, ÷òî ïëîòíîñòü ýíåðãèè äîëæíà áûòü ðàâíà êðèòè÷åñêîé. À àñòðîôèçè÷åñêèå íàáëþäåíèÿ äî 1998 ã. ãîâîðèëè î òîì, ÷òî ïëîòíîñòü ýíåðãèè ñîñòàâëÿåò ïðèìåðíî 30% îò êðèòè÷åñêîé. Àïîëîãåòîâ èíôëÿöèîííîé òåîðèè ýòî íå î÷åíü ñìóùàëî. Îíè îòìàõèâàëèñü îò îïïîíåíòîâ è ãîâîðèëè, ÷òî íåäîñòàþùèå 70% «êàê-íèáóäü íàéäóòñÿ». È îíè äåéñòâèòåëüíî íàøëèñü! Ýòî áîëüøàÿ ïîáåäà òåîðèè èíôëÿöèè, õîòÿ íàéäåííàÿ ýíåðãèÿ îêàçàëàñü òàêîé ñòðàííîé, ÷òî âûçâàëà áîëüøå âîïðîñîâ, ÷åì ðàçðåøèëà ïðîáëåì. Êàê ìû óæå çíàåì, ïîõîæå, ÷òî ýòà ýíåðãèÿ çàêëþ÷åíà â (ïî÷òè) ñòàòè÷åñêîì ïîëå. Êàê æå áûëà îáíàðóæåíà ýòà íåîáû÷íàÿ ýíåðãèÿ?  àñòðîíîìèè èñïîëüçóþòñÿ òàê íàçûâàåìûå ñòàíäàðòíûå ñâå÷è — îáúåêòû, ñâåòèìîñòü êîòîðûõ õîðîøî èçâåñòíà. Òî÷íåå, îïðåäåëåíà ñâåòèìîñòü áîëüøîãî ÷èñëà îáúåêòîâ ýòîãî òèïà. Íàèáîëåå ÷àñòî èñïîëüçóåòñÿ êëàññ ñâåðõíîâûõ çâåçä. Åñëè òàêàÿ ñâåðõíîâàÿ îáíàðóæåíà, òî ðàññòîÿíèå äî íåå ìîæíî îïðåäåëèòü, ñðàâíèâàÿ åå íàáëþäàåìóþ ñâåòèìîñòü ñ èç-

108

Ãëàâà 2. Ïðîøëîå, íàñòîÿùåå è áóäóùåå Âñåëåííîé

âåñòíûì ñðåäíèì çíà÷åíèåì. Ñâåðõíîâûå — î÷åíü ÿðêèå îáúåêòû, âèäèìûå íà áîëüøèõ ðàññòîÿíèÿõ. Îêàçàëîñü, ÷òî èçìåðåííàÿ ñ ïîìîùüþ ñâåðõíîâûõ ñêîðîñòü ðàñøèðåíèÿ ïðîñòðàíñòâà íà áîëüøèõ ðàññòîÿíèÿõ ñëèøêîì âåëèêà! Èç óæå ñêàçàííîãî ìû çíàåì, ÷òî ñêîðîñòü ðàñøèðåíèÿ ïðîñòðàíñòâà çàâèñèò îò ñâîéñòâ âåùåñòâà, åãî çàïîëíÿþùåãî. Íî â äàííîì ñëó÷àå íèêàêîå îáû÷íîå âåùåñòâî íå â ñîñòîÿíèè èñïðàâèòü ñèòóàöèþ. ×òî-òî î÷åíü íåîáû÷íîå äîëæíî çàïîëíÿòü íàøó Âñåëåííóþ. Ýòó ñóáñòàíöèþ íàçâàëè òåìíîé ýíåðãèåé. Íà äàííûé ìîìåíò íåò ÿñíîñòè, ÷òî æå ïðåäñòàâëÿåò ñîáîé òåìíàÿ ýíåðãèÿ. Âàæíûì ïàðàìåòðîì, ïî êîòîðîìó ìîæíî ñóäèòü îá îñíîâíûõ åå ñâîéñòâàõ, ÿâëÿåòñÿ âåëè÷èíà w = p/e — îòíîøåíèå äàâëåíèÿ ê ïëîòíîñòè ýíåðãèè. Êîãäà, ãîâîðÿ î ñâîéñòâàõ âñåëåííîé, ïðîèçíîñÿò ñëîâî «ïûëü», ïîäðàçóìåâàþò òàêîå ñîñòîÿíèå ñðåäû, â êîòîðîì äàâëåíèå ðàâíî íóëþ.  ýòîì ñëó÷àå w = 0. Ó âñåõ ìàòåðèàëüíûõ îáúåêòîâ, îêðóæàþùèõ íàñ, äàâëåíèå áîëüøå íóëÿ. Ýòî ïðîñòî îçíà÷àåò, ÷òî åñëè â ãåðìåòè÷íóþ æåñòÿíóþ áàíêó äîáàâëÿòü êàêîé-ëèáî ãàç èëè æèäêîñòü, îíà â êîíöå êîíöîâ ëîïíåò. Åñëè áû äàâëåíèå áûëî îòðèöàòåëüíûì, òî áàíêà â êîíå÷íîì ñ÷åòå ñìÿëàñü áû. Êàêîâ æå ïàðàìåòð w äëÿ òåìíîé ýíåðãèè? Âûøå (ñ. 104) óæå ïðèâîäèëîñü îãðàíè÷åíèå, ïîëó÷åííîå èç íàáëþäàòåëüíûõ äàííûõ: w < –0,8. Äàëüíåéøèå óñèëèÿ àñòðîôèçèêîâ ïîçâîëÿò ñóçèòü ýòîò èíòåðâàë è âûäåëèòü ïîäõîäÿùèå êîñìîëîãè÷åñêèå ìîäåëè èç ìíîæåñòâà ñóùåñòâóþùèõ. Òàê, åñëè w = –1, òî ýòî áóäåò îçíà÷àòü, ÷òî ìèíèìàëüíî âîçìîæíàÿ ïëîòíîñòü ýíåðãèè â íàøåé Âñåëåííîé íå ðàâíà íóëþ. Òàêàÿ ñèòóàöèÿ ðåàëèçóåòñÿ, åñëè ïðåäïîëîæèòü, ÷òî ïðîñòðàíñòâî çàïîëíåíî îäíîðîäíûì ñòàöèîíàðíûì ïîëåì. Òàêîå ñîñòîÿíèå ÷àñòî íàçûâàþò «âàêóóìîì», ïîñêîëüêó ÷àñòèöû, ò. å. êîëåáàíèÿ ýòîãî ïîëÿ, îòñóòñòâóþò. Êîíå÷íî, ÷àñòèöû äðóãèõ âèäîâ — ýëåêòðîíû, ïðîòîíû… — ìîãóò ïðèñóòñòâîâàòü, íî âêëàä èõ â ïëîòíîñòü ýíåðãèè ìàë. Èíòåðâàë —1 < w < –0,8 ìîæåò áûòü îáúÿñíåí ìîäåëÿìè ñ îáùèì ýêçîòè÷åñêèì íàçâàíèåì «êâèíòýññåíöèÿ». Åñëè æå îêàæåòñÿ, ÷òî w < –1, òî ïðèäåòñÿ âïëîòíóþ çàíÿòüñÿ èññëåäîâàíèåì òàê íàçûâàåìûõ ôàíòîìíûõ ïîëåé, êèíåòè÷åñêàÿ ýíåðãèÿ êîòîðûõ îòðèöàòåëüíà. Ïðîãíîçû íà áóäóùåå

109

Çäåñü íàçðåëî îáñóæäåíèå ñòðàòåãèè, êîòîðîé ïî îáûêíîâåíèþ ïðèäåðæèâàåòñÿ ñîâðåìåííàÿ êîñìîëîãèÿ. ×èòàòåëþ ìîæåò ïîêàçàòüñÿ, ÷òî êîñìîëîãèÿ, äà è âñÿ òåîðåòè÷åñêàÿ ôèçèêà, èç íàóêè ïðåâðàùàåòñÿ â íàáîð ñïîíòàííûõ, ñëàáî ñâÿçàííûõ ìåæäó ñîáîé ïðåäïîëîæåíèé. Îòñóòñòâóþò ñòðîéíîñòü è ïîñëåäîâàòåëüíîñòü, ïðèñóùèå, íàïðèìåð, êâàíòîâîé ìåõàíèêå è îáåèì òåîðèÿì îòíîñèòåëüíîñòè. Ñ ýòèì òðóäíî íå ñîãëàñèòüñÿ. Åäèíñòâåííîå, ÷òî ìîæíî ñêàçàòü â ïîëüçó òàêîé «ñòðàòåãèè», — òîëüêî îíà è ýôôåêòèâíà â ñëîæíûõ ñèòóàöèÿõ!  òîì, ÷òî ñåé÷àñ ñèòóàöèÿ â êîñìîëîãèè ñëîæíà è ïîýòîìó êðàéíå èíòåðåñíà, ÷èòàòåëü, íàäåþñü, óæå íå ñîìíåâàåòñÿ. Êñòàòè, ñàìà Ïðèðîäà íåïðåðûâíî èñïîëüçóåò ýòó ñòðàòåãèþ. Òàê, âñå îñîáè îïðåäåëåííîãî âèäà æèâîòíûõ õîòü íåìíîãî, äà îòëè÷àþòñÿ äðóã îò äðóãà. Îñîáè ñ ïîçèòèâíûìè íà äàííûé ìîìåíò îòëè÷èÿìè ðàçìíîæàþòñÿ áûñòðåå. Ñìåíà âíåøíèõ óñëîâèé íå çàñòàíåò äàííûé âèä âðàñïëîõ — â åãî ðàñïîðÿæåíèè âñåãäà íàéäóòñÿ îñîáè ñ ïîçèòèâíûìè ñâîéñòâàìè, îòâå÷àþùèìè íîâûì óñëîâèÿì. Òàêèì îáðàçîì, âèä ñîõðàíÿåòñÿ è ðàçâèâàåòñÿ áëàãîäàðÿ íàëè÷èþ îñîáåé ñ ðàçíûìè ñâîéñòâàìè â êàæäûé êîíêðåòíûé ìîìåíò. Âòîðîé ïðèìåð. Åñëè âû ïîñëåäèòå â ìèêðîñêîï çà äâèæåíèåì àìåáû, òî óâèäèòå, ÷òî îíà íåïðåðûâíî âûäâèãàåò ñâîè ëîæíîíîæêè â ðàçíûå ñòîðîíû. Ïîñëå àíàëèçà ñîáðàííîé èíôîðìàöèè îíà âûáèðàåò íàïðàâëåíèå äâèæåíèÿ. Ìíîãî ëîæíîíîæåê áûëî âûäâèíóòî çðÿ, íî åñëè áû íå îíè, òî àìåáà äâèãàëàñü áû, ñêîðåå âñåãî, â íåâåðíîì íàïðàâëåíèè. Àáñîëþòíî òî æå ñàìîå ïðîèñõîäèò è ñ íàó÷íîé ñòðàòåãèåé: ñîçäàåòñÿ ìíîæåñòâî ìîäåëåé, òåîðèé è ñöåíàðèåâ, êàæäûé èç êîòîðûõ ìîæåò îêàçàòüñÿ êàê ïðàâèëüíûì, òàê è íåïðàâèëüíûì. Ïðàâèëüíîé òåîðèåé îêàæåòñÿ òîëüêî îäíà, âñå îñòàëüíûå êàíóò â íåáûòèå âñëåä çà ôëîãèñòîíîì è ìîäåëüþ Ñîëíå÷íîé ñèñòåìû Ïòîëåìåÿ. Âñÿ èíòðèãà ñîñòîèò â òîì, ÷òî íèêòî íå çíàåò àïðèîðè, êîòîðàÿ èç òåîðèé îêàæåòñÿ âåðíîé. Íî åñëè íå ñîçäàòü íàáîð ðàçíûõ òåîðèé, òî íå áóäåò ñîçäàíà è òà åäèíñòâåííàÿ, êîòîðàÿ ðåàëèçîâàëàñü â íàøåé Âñåëåííîé. Ó÷åíûì ïðèõîäèòñÿ ïåðåðàáîòàòü òîííû ðóäû, ÷òîáû íàé-

110

Ãëàâà 2. Ïðîøëîå, íàñòîÿùåå è áóäóùåå Âñåëåííîé

òè åäèíñòâåííûé äðàãîöåííûé êàìåíü. Òàêàÿ ñòðàòåãèÿ óæå ïðèíîñèò óñïåõ. Îòäåëüíûå ôðàãìåíòû òåîðèè ïîñòåïåííî ïðåâðàùàþòñÿ èç «âîçìîæíûõ» â «âåðîÿòíûå» è (áîëåå èëè ìåíåå) «íàäåæíûå». Èñòèííûé ó÷åíûé, ñîçäàâàÿ ñâîþ ñîáñòâåííóþ òåîðèþ, îñîçíàåò âñå ñêàçàííîå âûøå è ïðåäëàãàåò ñïîñîáû ïðîâåðêè è îïðîâåðæåíèÿ ñâîåé òåîðèè, ÷åì è îòëè÷àåòñÿ îò ëæåó÷åíûõ. Íî âåðíåìñÿ ê îáñóæäåíèþ òåìíîé ýíåðãèè. Âñå íîâûå òåîðèè áàçèðóþòñÿ íà íàáëþäàòåëüíûõ äàííûõ, êîòîðûå íå îáÿçàòåëüíî âåðíû íà ñòî ïðîöåíòîâ. Íàïðèìåð, âîçìîæíî, ÷òî áëèæíèå è óäàëåííûå ñâåðõíîâûå ïðèíöèïèàëüíî ðàçëè÷àþòñÿ ïî ñâîéñòâàì, è ïîýòîìó ñðàâíåíèå èõ ñâåòèìîñòåé íåòî÷íî. Äåéñòâèòåëüíî, ñâåò îò äàëåêèõ ñâåðõíîâûõ, êîòîðûå ìû âèäèì ñåé÷àñ, áûë èñïóùåí ìèëëèàðäû ëåò íàçàä, êîãäà ñîñòàâ îêðóæàþùåé ìàòåðèè áûë íåñêîëüêî äðóãèì — íå áûëî òÿæåëûõ ýëåìåíòîâ, íàïðèìåð. Äà è ñàìè ñâåðõíîâûå èìåëè äðóãîé õèìè÷åñêèé ñîñòàâ. Íå èñêëþ÷åíî òàêæå, ÷òî óðàâíåíèÿ Ýéíøòåéíà âñå-òàêè íå ñîâñåì òî÷íû, è ìû êàê ðàç è íàáëþäàåì ýôôåêò îòêëîíåíèÿ îò íèõ. Îäíàêî ïðåäïîëîæèì íàèáîëåå âåðîÿòíîå: òåìíàÿ ýíåðãèÿ ñóùåñòâóåò. Òîãäà âàðèàíòîâ îòâåòà íà âîïðîñ î áóäóùåì íàøåé Âñåëåííîé ñòàíîâèòñÿ áîëüøå. Îòâåò ñèëüíî çàâèñèò îò òîãî, êàêàÿ òåîðèÿ, îáúÿñíÿþùàÿ ñêðûòóþ ýíåðãèþ, ÿâëÿåòñÿ ïðàâèëüíîé. Åñëè ïðàâèëüíûì ÿâëÿåòñÿ ïðîñòåéøåå îáúÿñíåíèå è ýíåðãèÿ âàêóóìà ïîëîæèòåëüíà è íå ìåíÿåòñÿ ñî âðåìåíåì, òî Âñåëåííàÿ óæå íèêîãäà íå ñîæìåòñÿ, è íàì íå ãðîçèò ïåðåãðåâ. Íî çà âñå õîðîøåå ïðèõîäèòñÿ ïëàòèòü.  ýòîì ñëó÷àå, êàê ïîêàçûâàþò ðàñ÷åòû, ìû â áóäóùåì íèêîãäà íå ñìîæåì äîñòè÷ü âñåõ çâåçä. Áîëåå òîãî, êîëè÷åñòâî çâåçä, âèäèìûõ ñ Çåìëè, áóäåò óìåíüøàòüñÿ, è ÷åðåç 10–20 ìèëëèàðäîâ ëåò â ðàñïîðÿæåíèè ÷åëîâå÷åñòâà îñòàíåòñÿ âñåãî íåñêîëüêî ñîñåäíèõ ãàëàêòèê, âêëþ÷àÿ íàøó ãàëàêòèêó Ìëå÷íûé Ïóòü è ñîñåäíþþ òóìàííîñòü Àíäðîìåäû. ×åëîâå÷åñòâî óæå íå ñìîæåò óâåëè÷èâàòüñÿ êîëè÷åñòâåííî, è ïðèäåòñÿ çàíÿòüñÿ ñâîåé êà÷åñòâåííîé ñîñòàâëÿþùåé.  óòåøåíèå ìîæíî ñêàçàòü, ÷òî íåñêîëüêî ñîòåí ìèëëèàðäîâ çâåçä, êîòîðûå áóäóò äîñòóïíû íàì â áóäóùåì, — ýòî òîæå íåìàëî. Ïðîãíîçû íà áóäóùåå

111

Âïðî÷åì, ïîíàäîáÿòñÿ ëè íàì çâåçäû? 20 ìèëëèàðäîâ ëåò — áîëüøîé ñðîê. Âåäü çà êàêèå-íèáóäü íåñêîëüêî ñîò ìèëëèîíîâ ëåò æèçíü ðàçâèëàñü îò òðèëîáèòîâ äî ñîâðåìåííîãî ÷åëîâåêà. Òàê ÷òî íàøè äàëåêèå ïîòîìêè áóäóò ïî âíåøíåìó âèäó è âîçìîæíîñòÿì îòëè÷àòüñÿ îò íàñ åùå áîëüøå, ÷åì ìû îò òðèëîáèòîâ. ×òî æå ñóëèò èì åùå áîëåå îòäàëåííîå áóäóùåå, ïî ïðîãíîçàì ó÷åíûõ? ßñíî, ÷òî çâåçäû áóäóò òåì èëè èíûì ñïîñîáîì «óìèðàòü», íî áóäóò îáðàçîâûâàòüñÿ è íîâûå çâåçäû. Ýòîò ïðîöåññ òîæå íå áåñêîíå÷åí: ïðèìåðíî ÷åðåç 1014 ëåò âî Âñåëåííîé îñòàíóòñÿ ëèøü ñëàáîñâåòÿùèåñÿ îáúåêòû — áåëûå è òåìíûå êàðëèêè, íåéòðîííûå çâåçäû è ÷åðíûå äûðû. Îíè ïðåâðàòÿòñÿ â áåçæèçíåííûå îáúåêòû ñ ïî÷òè íóëåâîé òåìïåðàòóðîé. Äà è òå áóäóò ïîíåìíîãó èñïàðÿòüñÿ áëàãîäàðÿ êâàíòîâûì ýôôåêòàì (ñì. íèæå), èñ÷åðïàâ âñå çàïàñû ñâîåé ýíåðãèè. Èñïàðåíèå ÷àñòèö ïðîèñõîäèò áëàãîäàðÿ òóííåëüíîìó ýôôåêòó, îáñóæäàâøåìñÿ â ãëàâå 1. ×àñòèöû áóäóò âûëåòàòü ñ îñòûâøåãî îáúåêòà òàê æå, êàê îíè âûëåòàþò èç ÿäåð, ïðåîäîëåâàÿ ïîòåíöèàëüíûé áàðüåð. Âåðîÿòíîñòü âûëåòà êðàéíå ìàëà, íî ýòî îçíà÷àåò ëèøü áîëüøóþ äëèòåëüíîñòü ïðîöåññà. Êðîìå òîãî, îñòûâøèå îáúåêòû áóäóò òîðìîçèòüñÿ çà ñ÷åò òðåíèÿ î ÷àñòèöû, çàïîëíÿþùèå êîñìè÷åñêîå ïðîñòðàíñòâî. Îïÿòü æå, ýôôåêò íåçíà÷èòåëåí, íî íà áîëüøèõ èíòåðâàëàõ âðåìåíè ñóùåñòâåí.  êîíöå êîíöîâ ïðàêòè÷åñêè âñå îáúåêòû îêàæóòñÿ âíóòðè ÷åðíûõ äûð. ×òî ìîæåò ðàçðóøèòü ÷åðíóþ äûðó? Ëþáûå íàøè ïîïûòêè ñäåëàòü ýòî ëèøü óâåëè÷àò åå ìàññó. Íî «íè÷òî íå âå÷íî ïîä ëóíîé»! Êâàíòîâûå ïðîöåññû ïðèâîäÿò ê òîìó, ÷òî ÷åðíûå äûðû õîòÿ è ìåäëåííî, íî èçëó÷àþò ÷àñòèöû. Çíà÷èò, èõ ìàññà ïîñòåïåííî óìåíüøàåòñÿ. ×åðíûå äûðû äîëæíû èñ÷åçíóòü ÷åðåç 10100 ëåò. ×òî æå îñòàíåòñÿ? Îñòàíóòñÿ ýëåìåíòàðíûå ÷àñòèöû, ðàññòîÿíèå ìåæäó êîòîðûìè áóäåò íàìíîãî ïðåâîñõîäèòü ðàçìåðû ñîâðåìåííîé Âñåëåííîé — âåäü âñå ýòî âðåìÿ Âñåëåííàÿ ðàñøèðÿëàñü! Òàê ÷òî íàøèì ïîòîìêàì ïðåäñòîèò ëèáî èçìåíèòü ôèçè÷åñêèå çàêîíû Âñåëåííîé, ëèáî ïåðåáðàòüñÿ â äðóãèå âñåëåííûå. Ñåé÷àñ ýòî êàæåòñÿ íåâåðîÿòíûì, íî õî÷åòñÿ

112

Ãëàâà 2. Ïðîøëîå, íàñòîÿùåå è áóäóùåå Âñåëåííîé

âåðèòü â âîçìîæíîñòè ÷åëîâå÷åñòâà, êàê áû îíî, ÷åëîâå÷åñòâî, íè âûãëÿäåëî â áóäóùåì. Âðåìåíè ó íåãî äîñòàòî÷íî. Êñòàòè, âîçìîæíî, óæå ñåé÷àñ ìû, íå âåäàÿ òîãî, ñîçäàåì íîâûå âñåëåííûå! Äåéñòâèòåëüíî, äëÿ òîãî, ÷òîáû â î÷åíü ìàëåíüêîé îáëàñòè âîçíèêëà âñåëåííàÿ, íåîáõîäèìî, ÷òîáû íà ïåðâîé ñòàäèè ïðîøåë èíôëÿöèîííûé ïðîöåññ. À îí, â ñâîþ î÷åðåäü, âîçìîæåí òîëüêî ïðè âûñîêèõ ïëîòíîñòÿõ ýíåðãèé. Íî âñïîìíèì, ÷òî ýêñïåðèìåíòàòîðû óæå äàâíî ñîçäàþò òàêèå îáëàñòè, ñòàëêèâàÿ ÷àñòèöû íà óñêîðèòåëÿõ… È õîòÿ èñêóññòâåííî ñîçäàâàåìûå ïëîòíîñòè ýíåðãèè åùå î÷åíü äàëåêè îò èíôëÿöèîííûõ, âåðîÿòíîñòü ñîçäàíèÿ âñåëåííîé íà óñêîðèòåëå óæå íå ðàâíà íóëþ. Ìîæåò áûòü, ëþäè óæå ñîçäàëè ìíîãî âñåëåííûõ, íå âåäàÿ òîãî. Ê ñîæàëåíèþ, ìû ÿâëÿåìñÿ òåì ñàìûì «óäàëåííûì íàáëþäàòåëåì», äëÿ êîòîðîãî âðåìÿ æèçíè âîçíèêøåé âñåëåííîé ìàëî, è «âëåçòü è ïîñìîòðåòü», ÷òî òàì ïðîèñõîäèò, íåâîçìîæíî. Íî íå èñêëþ÷åíî, ÷òî òà âñåëåííàÿ ïî ñâîéñòâàì áóäåò ïîõîæà íà íàøó. È òàì óæå íàïèñàí òåêñò, ñõîäíûé ñ òåì, êîòîðûé âû äåðæèòå â ðóêàõ. Ïîõîæå, ÷òî íàñòóïàåò «çîëîòîé âåê» êîñìîëîãèè. Ó÷åíûå â ñîñòîÿíèè îáúÿñíèòü áîëüøèíñòâî ñâîéñòâ íàøåé Âñåëåííîé, íà÷èíàÿ ñ ìîìåíòà 10–42 ñåêóíäû äî íàñòîÿùåãî âðåìåíè è äàëåå. Îíè ìîãóò òàêæå ïðîñëåäèòü îáðàçîâàíèå ãàëàêòèê è äîâîëüíî óâåðåííî ïðåäñêàçàòü áóäóùåå Âñåëåííîé. Òåì íå ìåíåå ðÿä «ìåëêèõ» ïðîáëåì åùå îñòàåòñÿ íåðåøåííûì. Ýòî ïðåæäå âñåãî ñóùíîñòü ñêðûòîé ìàññû (òåìíîé ìàòåðèè) è òåìíîé ýíåðãèè. Êðîìå òîãî, ñóùåñòâóåò ñëèøêîì ìíîãî ìîäåëåé, îáúÿñíÿþùèõ, ïî÷åìó íàøà Âñåëåííàÿ ñîäåðæèò áîëüøå ÷àñòèö, ÷åì àíòè÷àñòèö. Õîòåëîñü áû îïðåäåëèòüñÿ â êîíöå êîíöîâ ñ âûáîðîì ìîäåëè. Êàê ó÷èò íàñ èñòîðèÿ íàóêè, îáû÷íî èìåííî «ìåëêèå íåäîäåëêè» è îòêðûâàþò äàëüíåéøèå ïóòè ðàçâèòèÿ, òàê ÷òî áóäóùèì ïîêîëåíèÿì áóäåò ÷åì çàíÿòüñÿ. Êðîìå òîãî, áîëåå ãëóáîêèå âîïðîñû óæå ñòîÿò íà ïîâåñòêå äíÿ. Ïî÷åìó íàøå ïðîñòðàíñòâî òðåõìåðíî? Ïî÷åìó âñå êîíñòàíòû â ïðèðîäå ñëîâíî «ïîäîãíàíû» òàê, ÷òîáû âîçíèêëà ðàçóìíàÿ æèçíü? È ÷òî æå òàêîå ãðàâèòàöèÿ è êàê åå îáúåäèíèòü ñ êâàíòîâîé ìåõàíèêîé? Ó÷åíûå óæå ïûòàþòñÿ îòâåòèòü è íà ýòè âîïðîñû. Ïðîãíîçû íà áóäóùåå

113

Èñòîðèÿ Âñåëåííîé: îñíîâíûå âåõè

Âðåìÿ

Òåìïåðàòóðà èçëó÷åíèÿ, K

Ïðèìå÷àíèÿ

10–43–10–37 ñ

Áîëüøå 1026 Èíôëÿöèÿ.

10–6 ñ

Áîëüøå 1012 Ïëàçìà èç êâàðêîâ, ãëþîíîâ, ýëåêòðîíîâ è èõ àíòè÷àñòèö.

3 · 10–5 ñ

1012–109

Êâàðêè è ãëþîíû îáðàçóþò ïðîòîíû è íåéòðîíû.

10–4 ñ — 3 ìèí

1012–109

Îáðàçîâàíèå ÿäåð äåéòåðèÿ, ãåëèÿ è ëèòèÿ.

15 òûñ. ëåò

104

Ðàâåíñòâî ïëîòíîñòè ýíåðãèè ìàòåðèè è èçëó÷åíèÿ.

300 òûñ. ëåò

4 000

Îáðàçîâàíèå àòîìîâ èç ëåãêèõ ÿäåð è ýëåêòðîíîâ. Âñåëåííàÿ ñòàíîâèòñÿ ïðîçðà÷íîé äëÿ ôîòîíîâ.

300

Íè÷åãî îñîáî ïðèìå÷àòåëüíîãî, êðîìå òîãî, ÷òî òåìïåðàòóðà êîñìîñà áûëà êîìíàòíîé, êîìôîðòíîé äëÿ ÷åëîâåêà.

1–3 ìëðä. ëåò

20

Îáðàçîâàíèå ïåðâûõ çâåçä è ãàëàêòèê

3 ìëðä. ëåò

10

Îáðàçîâàíèå òÿæåëûõ ÿäåð âî âçðûâàõ ïåðâûõ çâåçä; ïîÿâëåíèå çâåçä ñëåäóþùåãî ïîêîëåíèÿ.

3

Ïîÿâëåíèå ïëàíåò è ðàçóìíîé æèçíè.

15 ìëí. ëåò

3–15 ìëðä. ëåò 1014 ëåò 37

10 ëåò

10100 ëåò

Äàëåå î÷åíü õîëîäíî

Ïåðåñòàëè ðîæäàòüñÿ íîâûå çâåçäû. Âñå ñëàáîñâåòÿùèåñÿ îáúåêòû èñòîùèëè ñâîþ ýíåðãèþ. Îñòàëèñü ÷åðíûå äûðû è ýëåìåíòàðíûå ÷àñòèöû. Âñå ÷åðíûå äûðû èñïàðèëèñü. Ðàçðåæåííûé ãàç ñòàáèëüíûõ ýëåìåíòàðíûõ ÷àñòèö — ýëåêòðîíû, òðè ñîðòà íåéòðèíî è, âîçìîæíî, ïðîòîíû.

Íó è, êîíå÷íî, îñòàâèì ìåñòî äëÿ íåîæèäàííîñòåé! Íå íàäî çàáûâàòü, ÷òî òàêèå îñíîâîïîëàãàþùèå îòêðûòèÿ, êàê ðàñøèðåíèå Âñåëåííîé, íàëè÷èå ðåëèêòîâûõ ôîòîíîâ è ýíåðãèÿ âàêóóìà, áûëè îòêðûòû, ìîæíî ñêàçàòü, ñëó÷àéíî è íå îæèäàëèñü ó÷åíûì ñîîáùåñòâîì.

114

Ãëàâà 2. Ïðîøëîå, íàñòîÿùåå è áóäóùåå Âñåëåííîé

Ìíîãîìåðíîå ïðîñòðàíñòâî Îäíèì èç ìíîãîîáåùàþùèõ íàïðàâëåíèé â òåîðåòè÷åñêîé ôèçèêå ÿâëÿåòñÿ èäåÿ ìíîãîìåðíîñòè íàøåãî ìèðà. Íà ïåðâûé âçãëÿä, âîïðîñ «ïî÷åìó ïðîñòðàíñòâî, â êîòîðîì ìû æèâåì, ÷åòûðåõìåðíî (òðè ïðîñòðàíñòâåííûå êîîðäèíàòû + îäíà âðåìåííà2ÿ)?» âûãëÿäèò ñòðàííûì. Ó÷åíûå, êàçàëîñü áû, äîëæíû èçó÷àòü ïðèðîäó, à íå êîïàòüñÿ â ïðè÷èíàõ ïîÿâëåíèÿ åå ñâîéñòâ. Òåì íå ìåíåå íà äàííîì ýòàïå ðàçâèòèÿ íàóêè îêàçûâàþòñÿ îñìûñëåííûìè è òàêèå âîïðîñû. Îñîáåííî îñòðî ïðîáëåìà âîçíèêíîâåíèÿ Âñåëåííîé ñ çàäàííûìè ñâîéñòâàìè âñòàëà ïîñëå îñîçíàíèÿ ÷ðåçâû÷àéíî ìàëîé âåðîÿòíîñòè çàðîæäåíèÿ ðàçóìíîé æèçíè. Ýòà òåìà ïîäðîáíî îáñóæäàåòñÿ â ãëàâå 5. Çäåñü æå ìû êîñíåìñÿ îäíîé ïðîáëåìû — ÷èñëà èçìåðåíèé íàøåãî ïðîñòðàíñòâà. Êàê óæå îáñóæäàëîñü â íà÷àëå êíèãè, â ôèçèêå ïëîäîòâîðíûì ÿâëÿåòñÿ ñëåäóþùèé ïîäõîä. Âûäâèãàåòñÿ íåêîå íåòðèâèàëüíîå ïðåäïîëîæåíèå — Í. Áîð ñ÷èòàë, ÷òî èäåÿ äîëæíà áûòü äîñòàòî÷íî áåçóìíîé, ÷òîáû îêàçàòüñÿ ïåðñïåêòèâíîé. Çàòåì èç íà÷àëüíîãî ïîñòóëàòà âûâîäÿòñÿ ñëåäñòâèÿ, ïðîâåðÿåìûå ýêñïåðèìåíòàëüíî. Åñëè ïðîòèâîðå÷èé íå âîçíèêàåò, òî èäåÿ èìååò ïðàâî íà ñóùåñòâîâàíèå. Åñëè îíà ïðè ýòîì åùå è ïðîëèâàåò ñâåò íà óæå èçâåñòíûå ÿâëåíèÿ è ïðåäñêàçûâàåò íîâûå, òî âíèìàíèå ó÷åíîãî ñîîáùåñòâà ê íåé âîçðàñòàåò. Ñ èäååé ìíîãîìåðíîñòè íàøåãî ïðîñòðàíñòâà ñèòóàöèÿ èìåííî òàêîâà. Èòàê, áóäåì èñõîäèòü èç ïðåäïîëîæåíèÿ, ÷òî íàøå ïðîñòðàíñòâî ìíîãîìåðíî, ò. å. ê îáû÷íûì ÷åòûðåì èçìåðåíèÿì èìååòñÿ íåêîå êîëè÷åñòâî äîïîëíèòåëüíûõ èçìåðåíèé. Ïîëíîå ÷èñëî èçìåðåíèé ôèêñèðîâàòü íå áóäåì, îñòàâëÿÿ ñâîáîäó äëÿ ìàíåâðà. Ñðàçó âîçíèêàåò âîïðîñ: ïî÷åìó ìû íå ÷óâñòâóåì äîïîëíèòåëüíûõ èçìåðåíèé? Ñóùåñòâóåò äâà îòâåòà íà íåãî. Îäèí îòâåò èçâåñòåí äàâíî, ñ ìîìåíòà ïîÿâëåíèÿ ïåðâîé, ïÿòèìåðíîé, ìîäåëè Êàëóöû—Êëåéíà â 1920-å ãã., è ñîñòîèò â î÷åâèäíîì ïðåäïîëîæåíèè î êîìïàêòíîñòè (ìàëîñòè) äîïîëíèòåëüíûõ èçìåðåíèé. Òàê, ñóùåñòâà, ïðîæèâàþùèå â ïðîñòðàíñòâå, èçîáðàæåííîì íà ðèñ. 2.11, áóäóò óâåðeíû, ÷òî æèâóò â ñêó÷íîì äâóìåðíîì ïðîñòðàíñòâå, åñëè Ìíîãîìåðíîå ïðîñòðàíñòâî

115

Ðèñ. 2.11. Ëåíòà Ìåáèóñà âîñïðèíèìàåòñÿ ìåëêèìè ñóùåñòâàìè íà åå ïîâåðõíîñòè êàê îáû÷íàÿ ïëîñêîñòü.

òîëùèíà ëåíòû ìàëà ïî ñðàâíåíèþ ñ èõ ñîáñòâåííûì ðàçìåðîì. Äðóãàÿ âîçìîæíîñòü áûëà ïðèäóìàíà îêîëî 20 ëåò íàçàä è ñîñòîèò â ñëåäóþùåì. Ïðåäïîëîæèì, ÷òî äîïîëíèòåëüíûå èçìåðåíèÿ — «áîëüøèå», íî ìû æèâåì íà íåêîòîðîé ÷åòûðåõìåðíîé ïîâåðõíîñòè, «÷óâñòâóÿ» ëèøü ñâîè ÷åòûðå èçìåðåíèÿ (ðèñ. 2.12). Òàêèå ïîäïðîñòðàíñòâà íàçûâàþòñÿ «áðàíàìè». Îáå ãèïîòåçû èñïûòûâàþò â äàííûé ïåðèîä ñòàíîâëåíèÿ íåêîòîðûå òðóäíîñòè, îòâåò íà êîòîðûå áóäåò êðèòè÷íûì äëÿ íèõ.  êîìïàêòíûõ òåîðèÿõ òèïà Êàëóöû—Êëåéíà íå ÿñåí ìåõàíèçì êîìïàêòèôèêàöèè äîïîëíèòåëüíûõ ïðîñòðàíñòâåííûõ èçìåðåíèé. Ïî÷åìó èìåííî ÷åòûðå èçìåðåíèÿ ðàçðîñëèñü äî êîëîññàëüíûõ ðàçìåðîâ, à îñòàëüíûå òàê è îñòàëèñü ìàëåíüêèìè?  ìîäåëÿõ ìèðà íà áðàíå — öåëûõ äâå ïðîáëåìû, âîçìîæíî, ñâÿçàííûõ äðóã ñ äðóãîì. Ïåðâàÿ — êàêîé ìåõàíèçì âûäåëÿåò ïîäïðîñòðàíñòâî (áðàíó) èç îñòàëüíîãî ïðîñòðàíñòâà? Âòîðàÿ — êàê óäåðæàòü ÷àñòèöû, èç êîòîðûõ ìû ñîñòîèì, îò âûëåòà ñ áðàíû? Åñëè ýòî íåâîçìîæíî, òî ÷àñòèöû ðàíî èëè ïîçäíî âûëåòÿò ñ áðàíû â îñíîâíîå ïðîñòðàíñòâî, è íàøà Âñåëåííàÿ èñ÷åçíåò â áóêâàëüíîì ñìûñëå ýòîãî ñëîâà. Èäåÿ ìíîãîìåðíîñòè ïðîñòðàíñòâà àêòèâíî èñïîëüçóåòñÿ è ïðè ïîñòðîåíèè äðóãèõ òåîðèé. Íàïðèìåð, Ì-òåîðèÿ, ÿâëÿþùàÿñÿ íàñëåäíèöåé ðàçëè÷íûõ òåîðèé ñóïåðñòðóí, íå ñîäåðæèò ÿâíûõ äåôåêòîâ ëèøü â ïðîñòðàíñòâå 11 èçìåðåíèé. Ýòà ìàòåìàòè÷åñêè ñëîæíàÿ è êðàñèâàÿ òåîðèÿ ñ÷èòàåòñÿ îñíîâíûì ïðåòåíäåíòîì íà áóäóùóþ ñâåðõòåîðèþ. Ïî êðàéíåé ìåðå òàê ñ÷èòàþò òå, êòî åå ðàçâèâàåò. Îñíîâíûì îáúåêòîì

116

Ãëàâà 2. Ïðîøëîå, íàñòîÿùåå è áóäóùåå Âñåëåííîé

çäåñü ÿâëÿþòñÿ íå ÷àñòèöû, à ñòðóíû — îäíîìåðíûå îáúåêòû — è òå æå áðàíû. Ñîãëàñíî ýòîé òåîðèè, çàìêíóòûå ìèêðîñêîïè÷åñêèå ñòðóíû ìû âîñïðèíèìàåì êàê ýëåìåíòàðíûå ÷àñòèöû ïðîñòî ïîòîìó, ÷òî ýòè îáúåêòû ñëèøêîì ìàëû è ìû íå ìîæåì ðàçãëÿäåòü èõ ñòðóêòóðó. Ñòîëêíîâåíèå äâóõ çàìêíóòûõ ñòðóí ìû îïèñûâàåì êàê âçàèìîäåéñòâèå ÷àñòèö. Ðèñ. 2.12. Ìèð íà áðàíå. Íî òåîðåòè÷åñêè âîçìîæíû è äðóãèå, áîëåå ñëîæíûå êîíôèãóðàöèè, òàêèå, êàê ìàêðîñêîïè÷åñêèå ñòðóíû. Îáùåå, ÷òî îáúåäèíÿåò äâà, êàçàëîñü áû, íå ñâÿçàííûõ íàïðàâëåíèÿ òåîðåòè÷åñêîé ìûñëè — «ñòðóííîå» è «áðàííîå», — ìíîãîìåðíîñòü ïðîñòðàíñòâà, â êîòîðîì îíè äåéñòâóþò. Áîëåå òîãî, ïîõîæå, ÷òî ýòè äâà íàïðàâëåíèÿ ïîñòåïåííî ñáëèæàþòñÿ. Ýòî è ïîíÿòíî, åñëè ïðåäñòàâëÿòü ñåáå ñòðóíó êàê îäíîìåðíóþ áðàíó. Ðàññìàòðèâàþòñÿ ñòðóíû, âçàèìîäåéñòâóþùèå ñ áðàíàìè â ìíîãîìåðíîì ïðîñòðàíñòâå. Âïîëíå âoçìîæíî, ÷òî îñíîâíîé áàçîé áóäóùåé òåîðèè áóäåò ñëóæèòü èñêëþ÷èòåëüíî èäåÿ ìíîãîìåðèÿ, à «ñòðóííîå» è «áðàííîå» íaïðàâëåíèÿ îêàæóòñÿ ïëîäîòâîðíûìè è âàæíûìè, íî ÷àñòíûìè ñëåäñòâèÿìè. Åñòü è åùå ïî êðàéíåé ìåðå îäíà ïðèâëåêàòåëüíàÿ ñòîðîíà èäåè ìíîãîìåðíîãî ïðîñòðàíñòâà. Îíà ïîçâîëÿåò ïîíÿòü, êàêèì îáðàçîì â ïðèðîäå ïîÿâèëèñü ðàçëè÷íûå âèäû ÷àñòèö. Ïî÷åìó, íàïðèìåð, èìååòñÿ òðè è òîëüêî òðè ñîðòà ëåïòîíîâ? Ïî÷åìó èìååòñÿ òîëüêî îäíî ýëåêòðîìàãíèòíîå ïîëå, à íå íåñêîëüêî? È ïî÷åìó îíî âîîáùå ñóùåñòâóåò? Êîíå÷íî, ìîæíî íå çàäàâàòüñÿ ýòèìè âîïðîñàìè, à ïðîñòî îãðàíè÷èòüñÿ èçó÷åíèåì èõ ñâîéñòâ. Íî çíà÷èò, íàäî ñîçäàâàòü äîïîëíèòåëüíûå èñõîäíûå ïîñòóëàòû, â òî âðåìÿ êàê íàóêà ñòðåìèòñÿ ìèíèìèçèðîâàòü èõ ÷èñëî. È çäåñü ìîæåò ïîìî÷ü ïðåäïîëîæåíèå î ìíîãîìåðíîñòè ïðîñòðàíñòâà. Äî Ìíîãîìåðíîå ïðîñòðàíñòâî

117

ïîëíîãî ïîíèìàíèÿ åùå äàëåêî, íî ïîÿñíèòü ñêàçàííîå ìîæíî íà ïðèìåðå ïåðâîé ìîäåëè — ìîäåëè Êàëóöû—Êëåéíà. Îòñòóïëåíèå. Ìîæíî ëè ìàòåðèþ ñäåëàòü èç ãåîìåòðèè?

Îáû÷íî ãåîìåòðèÿ ïðîñòðàíñòâà îïèñûâàåòñÿ ìåòðè÷åñêèì òåíçîðîì, ïðè ïîìîùè êîòîðîãî ìîæíî îïðåäåëÿòü èíòåðâàë ìåæäó ñîáûòèÿìè.  ÷åòûðåõìåðíîì ïðîñòðàíñòâå îí ïðåäñòàâëÿåò ñîáîé ñèììåòðè÷íóþ êâàäðàòíóþ ìàòðèöó 4´4, ò. å. ñ 4 ñòîëáöàìè è 4 ñòðîêàìè, âîò òàêóþ:

æ g11 ç ç g21 çg çç 31 è g41

g12 g22 g32 g42

g13 g23 g33 g43

g14 ö ÷ g24 ÷ g34 ÷ ÷ g44 ÷ø

Èìåííî êîìïîíåíòû ìåòðè÷åñêîãî òåíçîðà, íàïðèìåð g23, îïèñûâàþò ðàçëè÷íûå ãðàâèòàöèîííûå ýôôåêòû. Åñëè æå ïðîñòðàíñòâî èìååò 5 èçìåðåíèé, òî åãî ìåòðè÷åñêèé òåíçîð ÿâëÿåòñÿ óæå ìàòðèöåé 5 ´ 5: æ g15 ö ç ÷ g25 ÷ ç 4´4 ç g35 ÷ ç ÷ g45 ÷ ç çg ÷ è 51 g52 g53 g54 g55 ø Ïðåäïîëàãàåòñÿ, ÷òî «êóñîê» òåíçîðà, îáîçíà÷åííûé êàê 4´4, ïîïðåæíåìó îïèñûâàåò ãðàâèòàöèîííûå ýôôåêòû. À ÷òî æå äåëàþò êîìïîíåíòû g15, g25, g35, g45, g55? (Ïðî âåëè÷èíû òèïà g51 ìîæíî íå áåñïîêîèòüñÿ, ïîñêîëüêó ìàòðèöà ñèììåòðè÷íà.) Îíè, êîíå÷íî, îòâå÷àþò çà ãðàâèòàöèþ â äîïîëíèòåëüíîì èçìåðåíèè, íî åñëè ýòî èçìåðåíèå êîìïàêòíî, òî ìû åãî ïðîñòî íå çàìå÷àåì è âîñïðèíèìàåì íîâûå êîìïîíåíòû g15, g25, g35, g45, g55 ïðîñòî êàê íîâûå ïîëÿ. Íî ÷àñòèöû — ýòî êîëåáàíèÿ ïîëåé, òàê ÷òî, âîçìîæíî, ÷àñòèöû ñóòü ïðîÿâëåíèå äîïîëíèòåëüíûõ êîìïàêòíûõ èçìåðåíèé. Êñòàòè, êîìïîíåíòû g15, g25, g35, g45 ïðåäñòàâëÿþò ñîáîé 4-âåêòîð è ìîãóò èíòåðïðåòèðîâàòüñÿ êàê âåêòîðíîå ïîëå. Êîìïîíåíòà g55 èíòåðïðåòèðóåòñÿ êàê ñêàëÿðíîå ïîëå. ×àñòèöû ñêàëÿðíîãî ïîëÿ èíòåíñèâíî èùóò íà ñîâðåìåííûõ óñêîðèòåëÿõ, ïîñêîëüêó íà íèõ áàçèðóþòñÿ ñòàíäàðòíàÿ ìîäåëü ýëåìåíòàðíûõ ÷àñòèö (Ìîäåëü Âàéíáåðãà — Ñàëàìà íóæäàåòñÿ â ñêàëÿðíûõ ÷àñòèöàõ Õèããñà), à òàêæå ñòàíäàðòíàÿ êîñìîëîãè÷åñêàÿ ìîäåëü (âêëþ÷àþùàÿ èíôëÿöèîííûé ïåðèîä, äëÿ êîòîðîãî íóæíî ñêàëÿðíîå ïîëå — èíôëàòîí).

118

Ãëàâà 2. Ïðîøëîå, íàñòîÿùåå è áóäóùåå Âñåëåííîé

Ìû âèäèì, ÷òî âîçìîæíîñòè ìíîãîìåðíîãî ïðîñòðàíñòâà ïðàêòè÷åñêè íåèñ÷åðïàåìû, è îíè æäóò ñâîèõ ïåðâîîòêðûâàòåëåé. Ýêñïåðèìåíòàëüíîå äîêàçàòåëüñòâî ñóùåñòâîâàíèÿ äîïîëíèòåëüíûõ èçìåðåíèé èñïûòûâàåò çíà÷èòåëüíûå òðóäíîñòè. Åñëè äîïîëíèòåëüíûå èçìåðåíèÿ èìåþò ðàçìåð ïîðÿäêà 10–17 ñì, òî åñòü íàäåæäà íà ñòðîÿùèéñÿ â Åâðîïå óñêîðèòåëü. Êðîìå òîãî, ìîæåò îêàçàòüñÿ, ÷òî ýôôåêò ìîæåò ïðîÿâèòüñÿ êàê îòêëîíåíèå îò îáû÷íîé ñâÿçè ýíåðãèè è èìïóëüñà ÷àñòèöû, E = p 2 + m2 , ðàçëè÷èìîå ïðè ñâåðõâûñîêèõ ýíåðãèÿõ.

Ãëàâà 3

ÆÈÇÍÜ ÃÀËÀÊÒÈÊ

Â

ïåðâîé ãëàâå óæå îáñóæäàëèñü îñíîâíûå îáúåêòû, íàñåëÿþùèå ãàëàêòèêè. Ñåé÷àñ ïîäõîäÿùèé ìîìåíò äëÿ áîëåå ïðèñòàëüíîãî âçãëÿäà íà èõ ñîäåðæèìîå. Êàæåòñÿ, ÷òî äëÿ íàñ ñàìûì âàæíûì èíãðåäèåíòîì ÿâëÿþòñÿ çâåçäû — ñ íèõ è íà÷íåì.

Çâåçäû — îñíîâíîé îáúåêò Ñàìûìè çàìåòíûìè äåéñòâóþùèìè ëèöàìè íà íåáîñêëîíå ÿâëÿþòñÿ çâåçäû. Èìåííî îíè ñëóæàò èñòî÷íèêàìè ýëåêòðîìàãíèòíîãî èçëó÷åíèÿ, íàãðåâàþùåãî îêðóæàþùåå ïðîñòðàíñòâî. Îïðåäåëåííàÿ äîëÿ èçëó÷åíèÿ (èëè, ÷òî òî æå ñàìîå, ôîòîíîâ, êâàíòîâ ñâåòà) çâåçäû ðàñïðîñòðàíÿåòñÿ òî÷íî â íàïðàâëåíèè íàøåé ïëàíåòû. ×åðåç íåêîòîðîå âðåìÿ ñâåò äîñòèãàåò Çåìëè, è òîãäà ìû óçíà¸ì î ñóùåñòâîâàíèè ýòîé çâåçäû. Ïî÷åìó æå çâåçäû ñâåòÿòñÿ? Ìíîãèå èç âàñ íàãðåâàëè ìåòàëëè÷åñêèé ïðóò íà îãíå, è âñå çíàþò, ÷òî ïðóò ñ ïîâûøåíèåì òåìïåðàòóðû íà÷èíàåò ñâåòèòüñÿ. Ñíà÷àëà îí ñòàíîâèòñÿ êðàñíûì, à ïðè äàëüíåéøåì íàãðåâàíèè èíòåíñèâíîñòü ñâåòà óâåëè÷èâàåòñÿ, îäíîâðåìåííî ìåòàëë ñòàíîâèòñÿ âñå áîëåå ñâåòëûì. Ýòî ïðîèñõîäèò ïîòîìó, ÷òî íàãðåâ òåëà åñòü ïðîñòî ïåðåäà÷à äîïîëíèòåëüíîé ýíåðãèè ÷àñòèöàì, åãî ñîñòàâëÿþùèì. ×àñòèöû íà÷èíàþò äâèãàòüñÿ âñå áûñòðåå, ñòàëêèâàòüñÿ âñå èíòåíñèâíåå. Ñòîëêíîâåíèÿ, êàê îáû÷íî, ïðèâîäÿò ê ïåðåðàñïðåäåëåíèþ ýíåðãèè, ÷àñòü êîòîðîé ïåðåäàåòñÿ îáðàçóþùèìñÿ ôîòîíàì. Âîò ýòîò ïîòîê ôîòîíîâ ìû è âèäèì êàê ñâå÷åíèå. Ñíà÷àëà, êîãäà òåìïåðàòóðà íåâåëèêà, à çíà÷èò, è êèíåòè÷åñêàÿ ýíåðãèÿ ÷àñòèö ìàëà, ýíåðãèÿ ôîòîíîâ, îáðàçóþùèõñÿ ïðè ñòîëêíîâåíèè ÷àñòèö, òàêæå ìàëà. ×åëîâå÷å-

120

Ãëàâà 3. Æèçíü ãàëàêòèê

ñêèé ãëàç óñòðîåí òàê, ÷òî ôîòîíû ìàëûõ ýíåðãèé îí âîñïðèíèìàåò êàê êðàñíûé ñâåò. Íî ïðè äàëüíåéøåì íàãðåâå êèíåòè ÷åñêàÿ ýíåðãèÿ ÷àñòèö ìåòàëëà âîçðàñòàåò, è îíè íà÷èíàþò èçëó÷àòü âñå áîëåå ýíåðãè÷íûå ôîòîíû è âî âñå áîëüøåì êîëè÷åñòâå. Êîãäà ïîòîê ôîòîíîâ ðàçíûõ ýíåðãèé ïîïàäàåò íà ñåò÷àòêó ãëàçà, òî îí âîñïðèíèìàåòñÿ êàê áåëûé ñâåò. Êñòàòè, ÷åì åùå ìîæíî äåòåêòèðîâàòü ôîòîíû, íå èìåÿ ïðèáîðîâ ïîä ðóêîé? Åñëè ïîäíåñòè åå, ò. å. ðóêó, ê òàêîìó ïðóòó — íå êàñàÿñü åãî, — òî ìû ïî÷óâñòâóåì òåïëî. Ýòî ôîòîíû ïîãëîùàþòñÿ êîæåé, ïåðåäàâàÿ åé ýíåðãèþ. Åñëè ïðóò íàãðåò ñëàáî, òî âûëåòàþùèå èç íåãî ôîòîíû èìåþò ìàëåíüêóþ ýíåðãèþ, è ãëàç íå â ñîñòîÿíèè èõ óâèäåòü, íî ðóêà âïîëíå â ñîñòîÿíèè ïî÷óâñòâîâàòü èõ ïðèñóòñòâèå. Òàê ÷òî ïðèðîäà íàäåëèëà ÷åëîâåêà ñðàçó äâóìÿ äåòåêòîðàìè ôîòîíîâ! Ñîëíå÷íûé çàãàð — ýòî èçìåíåíèå ïèãìåíòàöèè êîæè ïðè åå áîìáàðäèðîâêå ôîòîíàìè. Íî âåðíåìñÿ ê çâåçäàì. Î÷åâèäíî, ÷òî èõ òåìïåðàòóðà âûñîêà, ðàç îíè èçëó÷àþò ôîòîíû â âèäèìîì äèàïàçîíå äëèí âîëí. Ôîòîíû, ðîæäåííûå âíóòðè çâåçäû, íå â ñîñòîÿíèè ïðîáèòüñÿ ñêâîçü òîëùó ïëàçìû, èç êîòîðîé ñîñòîèò çâåçäà, è äî íàñ äîëåòàþò òîëüêî ôîòîíû, ðîæäåííûå íà åå ïîâåðõíîñòè. Çíà÷èò, òåìïåðàòóðà çâåçäû, îïðåäåëåííàÿ ñ Çåìëè, ÿâëÿåòñÿ òåìïåðàòóðîé åå íàðóæíûõ ñëîåâ — ôîòîñôåðû. Êîíâåêòèâíûå ïîòîêè âíóòðè çâåçäû óìåíüøàþò ïåðåïàä òåìïåðàòóð, íî îí âñå-òàêè îñòàåòñÿ î÷åíü áîëüøèì. Òåìïåðàòóðà ïîâåðõíîñòè Ñîëíöà — çâåçäû, âîêðóã êîòîðîé îáðàùàåòñÿ íàøà ïëàíåòà, — ñîñòàâëÿåò ïðèìåðíî 5 700 K. Èíòåðâàë òåìïåðàòóð îáû÷íûõ çâåçä — îò 3 000 äî 30 000 K. Çâåçäû ðàçëè÷àþò ïî ñâåòèìîñòè. Òàêàÿ êëàññèôèêàöèÿ íåñêîëüêî óñëîâíà, íî îáùåïðèíÿòà è óäîáíà. Ñàìûå ÿðêèå çâåçäû óñëîâèëèñü íàçûâàòü çâåçäàìè 1-é çâåçäíîé âåëè÷èíû; ñâåòèìîñòü çâåçä 2-é çâåçäíîé âåëè÷èíû â 2,512 ðàçà ìåíüøå, ÷åì 1-é, è ò. ä. Íåâîîðóæåííûé ãëàç â ñîñòîÿíèè ðàçëè÷èòü çâåçäû 6-é çâåçäíîé âåëè÷èíû. Ñâåòèìîñòü ÿâëÿåòñÿ âàæíîé, íî íå åäèíñòâåííîé õàðàêòåðèñòèêîé çâåçäû. Çâåçäû ðàçëè÷àþòñÿ òàêæå è ïî ñâîåìó õèìè÷åñêîìó ñîñòàâó. Èññëåäîâàíèÿ ïîêàçàëè, ÷òî åñòü çâåçäû, Çâåçäû — îñíîâíîé îáúåêò

121

â êîòîðûõ äîëÿ òÿæåëûõ ýëåìåíòîâ â äåñÿòêè ðàç ìåíüøå, ÷åì ó îáû÷íûõ çâåçä. Ïîíÿòü ïðè÷èíó òàêîé «íåñïðàâåäëèâîñòè» äîâîëüíî ïðîñòî, åñëè ïðèíÿòü âî âíèìàíèå, ÷òî ýòè çâåçäû íàõîäÿòñÿ â ñôåðè÷åñêîé ñîñòàâëÿþùåé ãàëàêòèê. Èç íà÷àëüíî ãàëàêòèêà ïðåäñòàâëÿåò ñîáîé îáëàêî ãàçà è ïåðâûõ çâåçä, èìåþùåå íåáîëüøóþ ñêîðîñòü âðàùåíèÿ âîêðóã íåêîòîðîé îñè. Ïðè ñòîëêíîâåíèè ÷àñòèö ïðîèñõîäèò äèññè ïàöèÿ ýíåðãèè, íî ìîìåíò èìïóëüñà ñîõðàíÿåòñÿ, â ðåçóëüòà òå ÷åãî ÷àñòèöû ðàñïîëàãàþòñÿ â äèñêå, ïëîñêîñòü êîòîðîãî ïåðïåíäèêóëÿðíà îñè âðàùåíèÿ (êàê êîëüöà ó Ñàòóðíà). Òàê ÷òî ïåðâûå çâåçäû, ïðîèçâåäÿ òÿæåëûå ýëåìåíòû, âçðûâàþòñÿ, èõ âåùåñòâî ïîñòåïåííî îñåäàåò â ãàëàêòè÷åñêîì äèñêå è ñîáèðàåòñÿ â íîâûå çâåçäû. Íà ïðîòÿæåíèè æèçíè íàøåé ãàëàêòèêè ïðîéäåíî óæå íåñêîëüêî òàêèõ öèêëîâ. Ñòàðûå æå çâåçäû, êîòîðûå ñîõðàíèëèñü ñî âðåìåí îáðàçîâàíèÿ ãàëàêòèêè, ñëàáî âçàèìîäåéñòâóþò ñ îêðóæàþùåé ñðåäîé è ïîýòîìó íå îñåäàþò â ãàëàêòè÷åñêèé äèñê. Íî â ñòàðûõ çâåçäàõ è íå ìîãëî áûòü òÿæåëûõ ýëåìåíòîâ! Âåäü îíè ðîäèëèñü, êîãäà â ïðèðîäå íè÷åãî òÿæåëåå ãåëèÿ íå ñóùåñòâîâàëî. Èíòåðåñíî, ÷òî èíîãäà âñòðå÷àþòñÿ çâåçäû ñ èçáûòêîì îäíîãî èç ýëåìåí òîâ, íàïðèìåð êðåìíèÿ, æåëåçà, ìàðãàíöà, óãëåðîäà è ò. ä. Õèìè÷åñêèé ñîñòàâ çâåçä ìîæíî îïðåäåëÿòü ïî ñïåêòðàì, à êàê îïðåäåëÿòü ìàññû çâåçä? Íåçàìåíèìûì èíñòðóìåíòîì â ïîäîáíûõ ñëó÷àÿõ ÿâëÿþòñÿ äâîéíûå çâåçäû. Ïðè ïðîëåòå îäíîé çâåçäû ìèìî äðóãîé âîçìîæíû òðè âàðèàíòà ðàçâèòèÿ ñîáûòèé: íåáîëüøîå èçìåíåíèå òðàåêòîðèé çâåçä, èõ ñòîëêíîâåíèå ñ ðàçðóøåíèåì è, íàêîíåö, âçàèìîçàõâàò. Êðîìå òîãî, î÷åíü ÷àñòî äâîéíûå çâåçäû îáðàçóþòñÿ â ìîìåíò àêòèâíîãî çâåçäîîáðàçîâàíèÿ èç ìîëåêóëÿðíûõ îáëàêîâ, òàê ÷òî ÷èñëî èõ íå òàê óæ ìàëî. Äåòàëüíûé àíàëèç äâèæåíèÿ äâîéíûõ çâåçä ãîâîðèò î ìíîãîì, è â ÷àñòíîñòè î ìàññàõ èõ êîìïîíåíòîâ. Åñòåñòâåííîé åäèíèöåé èçìåðåíèÿ ìàññû çâåçä ÿâëÿåòñÿ ìàññà Ñîëíöà, ðàâíàÿ ïðèìåðíî 2 · 1033 ã. Îêàçàëîñü, ÷òî ìàññû çâåçä âàðüèðóþòñÿ â ïðåäåëàõ îò 0,1 äî 100 ñîëíå÷íûõ ìàññ. Êàê âûÿñíèëè àñòðîíîìû, çâåçäû íå î÷åíü ñêëîííû æèòü â îäèíî÷åñòâå. Ïî-âèäèìîìó, áîëüøèíñòâî èç íèõ îáðàçóåò ïàðû — äâîéíûå

122

Ãëàâà 3. Æèçíü ãàëàêòèê

B

A

A B

Ðèñ. 3.1. Ãåîìåòðèÿ äâèæåíèÿ äâîéíûõ çâåçä.

çâåçäû, à íåêîòîðûå — è áîëåå ìíîãî÷èñëåííûå ñåìüè, òàê íàçûâàåìûå êðàòíûå çâåçäû. Êàê æå îïðåäåëèòü, ÿâëÿåòñÿ èñòî÷íèê ñâåòà êðàòíîé çâåçäîé èëè íåò?  òåëåñêîï íå âñåãäà ìîæíî ðàçëè÷èòü, ñêîëüêî èõ òàì — îäíà èëè äâå: ñëèøêîì ìàëî ðàññòîÿíèå ìåæäó íèìè. Îäèí èç ïðèçíàêîâ òîãî, ÷òî çâåçäà ÿâëÿåòñÿ äâîéíîé, — ïåðåìåííîñòü åå áëåñêà. Îáû÷íî îäíà çâåçäà íå òàêàÿ ÿðêàÿ, êàê åå ñîñåäêà, è êîãäà, îáðàùàÿñü âîêðóã èõ îáùåãî öåíòðà, îíà çàñëîíÿåò áîëåå ÿðêóþ, ñóììàðíûé ïîòîê ñâåòà â ñòîðîíó Çåìëè óìåíüøàåòñÿ. Êîíå÷íî, è ñïåêòðû çâåçä ðàçëè÷íû, ÷òî òàêæå ïîìîãàåò àñòðîíîìàì, äà è ýôôåêò Äîïëåðà îò äâèæåíèÿ îáåèõ çâåçä âîêðóã èõ îáùåãî öåíòðà ñêàçûâàåòñÿ. Äâîéíûå çâåçäû — ïîëåçíûé äëÿ èññëåäîâàòåëåé «èíñòðóìåíò». Íàïðèìåð, èçìåðèòü ìàññó îäèíî÷íîé çâåçäû ïðàêòè÷åñêè íåâîçìîæíî. Èíòåíñèâíîñòü åå áëåñêà è ñïåêòð, åäèíñòâåííàÿ èíôîðìàöèÿ, äîñòóïíàÿ íàì, êîíå÷íî, çàâèñÿò îò ìàññû, íî õîòåëîñü áû èìåòü íåçàâèñèìóþ ýêñïåðòèçó. À âîò Çâåçäû — îñíîâíîé îáúåêò

123

áëaãîäàðÿ äâîéíûì çâåçäàì ýòî óäàåòñÿ ñäåëàòü. Â ñîîòâåòñòâèè ñ òðåòüèì çàêîíîì Êåïëåðà, a3 G = (M A + M B ). 2 T 4p 2

Çäåñü Ò — ïåðèîä îáðàùåíèÿ, a — áîëüøàÿ ïîëóîñü îðáèòû îäíîé çâåçäû (íàïðèìåð, èìåþùåé ìàññó MA) îòíîñèòåëüíî äðóãîé (èìåþùåé ìàññó MB). Ïðè ýòîì íà÷àëî îòñ÷åòà ñâÿçûâàåòñÿ ñî çâåçäîé, îòíîñèòåëüíî êîòîðîé èçìåðÿåòñÿ ïîëîæåíèå ñîñåäêè. Íà ðèñ. 3.1 èçîáðàæåíû ðàçëè÷íûå ïîëîæåíèÿ çâåçä îòíîñèòåëüíî äðóã äðóãà. Áîëüøàÿ ïîëóîñü — íàèáîëüøåå ðàññòîÿíèå À ìåæäó çâåçäàìè. Íåçàâèñèìîå ýêñïåðèìåíòàëüíîå îïðåäåëåíèå ïåðèîäà îáðàùåíèÿ çâåçä è ðàññòîÿíèÿ îò íèõ äî öåíòðà ìàññ ïîçâîëÿåò îäíîçíà÷íî ïîëó÷èòü ìàññó êàæäîé çâåçäû. Äâîéíûå çâåçäû íàçûâàþò òàêæå ïåðåìåííûìè. Ïåðâàÿ ïåðåìåííàÿ çâåçäà — Àëãîëü (b Ïåðñåÿ) — áûëà îòêðûòà â 1669 ã. èòàëüÿíñêèì àñòðîíîìîì Ìîíòàíàðè. Ïåðèîä Àëãîëÿ ñîñòàâëÿåò 2 ñóòîê 20 ÷àñîâ è 49 ìèíóò.

Ñîëíöå Ïîâåðíèñü ëèöîì ê Ñîëíöó è âñå òâîè òåíè îñòàíóòñÿ ñçàäè. Ïîñëîâèöà íàðîäà ìàîðè (Ïîëèíåçèÿ)

Ñîëíöå — îáû÷íàÿ çâåçäà. Áîëåå òîãî, åãî ðàçìåðû è ìàññà âðÿä ëè âïå÷àòëÿò ïðèøåëüöåâ ñ äðóãèõ çâåçä, ïîñêîëüêó åñòü çâåçäû è ïîáîëüøå. Íàïðèìåð, ðàçìåð çâåçä Áåòåëüãåéçå è Àíòàðåñ â ñîòíè ðàç áîëüøå ðàçìåðà Ñîëíöà. Âíóòðè VV Öåôåÿ ïîìåñòèëàñü áû Ñîëíå÷íàÿ ñèñòåìà ñ îðáèòàìè ïëàíåò äî Þïèòåðà âêëþ÷èòåëüíî. Ñðåäíÿÿ æå ïëîòíîñòü ñâåðõãèãàíòîâ ÷ðåçâû÷àéíî ìàëà — â òûñÿ÷è ðàç ìåíüøå ïëîòíîñòè âîçäóõà. Ïîýòîìó èõ ìàññà ëèøü â 30–40 ðàç áîëüøå ìàññû Ñîëíöà. Åäèíñòâåííîå, ÷òî âûäåëÿåò Ñîëíöå ñðåäè äðóãèõ çâåçä, — ýòî áëèçîñòü ê íàì. Âñåãî 150 ìëí. êèëîìåòðîâ îòäåëÿåò íàñ äðóã îò äðóãà. Ýòî ðàññòîÿíèå ñâåò ïðîëåòàåò çà 8 ìèíóò. Èçó÷àÿ Ñîëíöå, ìû óçíà¸ì ìíîãî èíòåðåñíîãî î ñòðîåíèè áîëüøèíñòâà çâåçä. Âåäü êðîìå ôîòîíîâ Ñîëíöå èçëó÷àåò ìíî-

124

Ãëàâà 3. Æèçíü ãàëàêòèê

ãî äðóãèõ ýëåìåíòàðíûõ ÷àñòèö — ïðîòîíû, ýëåêòðîíû, íåéòðèíî. Âñå îíè ïðèíîñÿò íàì áåñöåííóþ èíôîðìàöèþ î ïðîöåññàõ, ïðîèñõîäÿùèõ íà Ñîëíöå. Çàðÿæåííûå ÷àñòèöû — ïðîòîíû è ýëåêòðîíû, — à òàêæå ôîòîíû äîëæíû ðîæäàòüñÿ â ôîòîñôåðå, ÷òîáû íå áûòü çàäåðæàííûìè âíåøíèìè ñëîÿìè Ñîëíöà. Êîíå÷íî, è íàä ôîòîñôåðîé, òîëùèíà êîòîðîé îêîëî 300 êì, èìååòñÿ ñëîé, íàçûâàåìûé õðîìîñôåðîé, íî åãî ïëîòíîñòü ìàëà, è îí íå ÿâëÿåòñÿ ïðåïÿòñòâèåì äëÿ âûëåòàþùèõ ÷àñòèö. Êñòàòè, è ôîòîñôåðà íå ìîæåò ïîõâàñòàòüñÿ ïëîòíîñòüþ: åå ïëîòíîñòü áîëåå ÷åì â òûñÿ÷ó ðàç ìåíüøå, ÷åì ó âîçäóõà. Èìåííî â ôîòîñôåðå îáðàçóþòñÿ ñîëíå÷íûå ïÿòíà — îáëàñòè ïîíèæåííîé òåìïåðàòóðû ñ ñèëüíûì ìàãíèòíûì ïîëåì. À ÷òî ïðîèñõîäèò â íåäðàõ Ñîëíöà? ßñíî, ÷òî òàì äîëæ íû èäòè ÿäåðíûå ðåàêöèè, ïîñêîëüêó òîëüêî îíè ñïîñîáíû âûäåëÿòü òàêîå êîëè÷åñòâî ýíåðãèè â òå÷åíèå ìèëëèàðäîâ ëåò. Ìîæíî äàæå òåîðåòè÷åñêè ïðåäñêàçàòü, êàêèå èìåííî. Íî êàê ýòî ïðîâåðèòü? Íà ïîìîùü ïðèõîäÿò íåçàìåòíûå íåéòðèíî. Íåéòðèíî êðàéíå ñëàáî âçàèìîäåéñòâóþò ñ ÷àñòèöàìè è ïîýòîìó, ðîäèâøèñü ãëóáîêî ïîä ïîâåðõíîñòüþ Ñîëíöà, ëåãêî ïðåîäîëåâàþò ñîïðîòèâëåíèå ñðåäû è äîëåòàþò äî Çåìëè. Íî ïî ýòîé æå ïðè÷èíå èõ î÷åíü òðóäíî äåòåêòèðîâàòü. Òåì íå ìåíåå äåòåêòîðû íåéòðèíî ñóùåñòâóþò, è îíè ïðèâåëè ê óäèâèòåëüíîìó îòêðûòèþ. Îêàçàëîñü, ÷òî ýëåêòðîííûõ íåéòðèíî ìàëî ïî ñðàâíåíèþ ñ òåîðåòè÷åñêèìè ïðåäñêàçàíèÿìè. Ó÷åíûå õîðîøî ïîíèìàëè, êàêèå ÿäåðíûå ðåàêöèè äîëæíû èäòè âíóòðè çâåçä, èõ ïðåäñêàçàíèÿ ïîäòâåðæäàëèñü íàáëþäåíèÿìè. Òàê, òåìïåðàòóðà â öåíòðå Ñîëíöà ïðåäñêàçûâàåòñÿ ñ òî÷íîñòüþ â íåñêîëüêî ïðîöåíòîâ. Íî â ðåçóëüòàòå ýòèõ ðåàêöèé ðîæäàþòñÿ íå òîëüêî ôîòîíû, íî è íåéòðèíî. À âîò èõ-òî ÷èñëî è íå ñîâïàäàëî ñ òåì, ÷òî äåòåêòèðîâàëè ýêñïåðèìåíòàòîðû. Åäèíñòâåííûé âûõîä èç ýòîãî òóïèêà — ïðåäïîëîæèòü, ÷òî ìàññà íåéòðèíî íå ðàâíà íóëþ, õîòÿ è î÷åíü ìàëà — ïðèìåðíî â 500 òûñÿ÷ ðàç ìåíüøå ìàññû ñàìîé ëåãêîé ÷àñòèöû, ýëåêòðîíà. Òîãäà âîçìîæíû òàê íàçûâàåìûå «íåéòðèííûå îñöèëëÿöèè» — ýëåêòðîííûå íåéòðèíî ïî äîðîãå îò Ñîëíöà äî Çåìëè ïðåâðàùàþòñÿ â ìþîííûå, è íàîáîðîò. Íî äåòåêòèðóþòñÿ èìåííî ýëåêòðîííûå íåéòðèíî! Íåóäèâèòåëüíî, ÷òî èõ íå Ñîëíöå

125

õâàòàëî. Ïîõîæå, ýòî ïðåäïîëîæåíèå îïðàâäûâàåòñÿ, òàê ÷òî ìîæíî ãîâîðèòü î õîðîøåì ïîíèìàíèè ïðîöåññîâ, ïðîèñõîäÿ ùèõ âíóòðè Ñîëíöà. Åùå îäíèì ïîäòâåðæäåíèåì ýòîãî ïîñëóæèëà íåäàâíî ðàçðåøåííàÿ ïðîáëåìà ñ íåîíîì. Äîëãîå âðåìÿ ó÷åíûì êàçàëîñü, ÷òî åñëè èõ ðàñ÷åòû âåðíû, òî íåîíà, âëèÿþùåãî íà êîíâåêöèþ âíóòðè Ñîëíöà, äîëæíî áûòü âòðîå áîëüøå, ÷åì äàâàëè íàáëþäåíèÿ. Ïîñëåäíèå èññëåäîâàíèÿ çâåçä óñòðàíèëè ýòî ïðîòèâîðå÷èå: âèäèìî, íåîíà äåéñòâèòåëüíî âòðîå áîëüøå. Èíòåðåñíî îöåíèòü, êàêóþ ìàññó òåðÿåò íàøå Ñîëíöå çà ñ÷åò èçëó÷åíèÿ ñâåòà. Ïîòîê ñâåòîâîé ýíåðãèè íà Çåìëþ ñîñòàâëÿåò e ~103 Äæ/(ì2 · ñ). Òåïåðü ìû ìîæåì âû÷èñëèòü ýíåðãèþ, ïðîõîäÿùóþ ÷åðåç ñôåðè÷åñêóþ ïîâåðõíîñòü ñ Ñîëíöåì â öåíòðå è ðàäèóñîì, ðàâíûì ðàññòîÿíèþ îò Çåìëè äî Ñîëíöà (R = 150 ìëí. êì): E = e · 4pR2 » 3 · 1026 (Äæ/ñ). Íî ýòî êàê ðàç òà ýíåðãèÿ, êîòîðóþ èçëó÷àåò Ñîëíöå â ñåêóíäó! Ïîòåðÿ æå ìàññû ñîñòàâëÿåò DM =

E » 3 × 109 (êã/ñ). c2

Èòàê, íàøå Ñîëíöå êàæäóþ ñåêóíäó «õóäååò» íà ìèëëèàðä êèëîãðàììîâ âåùåñòâà. Õîðîøàÿ äèåòà. Ýòè öèôðû áóäîðàæàò âîîáðàæåíèå, íî äàâàéòå ïîñìîòðèì, êàêóþ ýíåðãèþ âûäåëÿåò 1 êã ñîëíå÷íîãî âåùåñòâà. Ïîäåëèâ èçëó÷àåìóþ ýíåðãèþ Å íà ìàññó Ñîëíöà, ïîëó÷èì âñåãî ëèøü e ~ 10–4 âò/êã. Êèëîãðàìì ñîëíå÷íîãî âåùåñòâà ïðîèçâîäèò ýíåðãèè â ìèëëèîí ðàç ìåíüøå, ÷åì îáûêíîâåííàÿ ñòîâàòòíàÿ ëàìïî÷êà! Òàêîå ìåäëåííîå òåïëîâûäåëåíèå îáóñëîâëåíî ó÷àñòèåì ñëàáîãî âçàèìîäåéñòâèÿ â ÿäåðíûõ ðåàêöèÿõ íà Ñîëíöå.  îòñóòñòâèå ñëàáîãî âçàèìîäåéñòâèÿ çâåçäû ñãîðàëè áû ïðàêòè÷åñêè ìãíîâåííî. Íî ïî÷åìó òîãäà òåìïåðàòóðà ëàìïî÷êè ÿâíî ìåíüøå, ÷åì ïîâåðõíîñòè Ñîëíöà? Äåëî â òîì, ÷òî òåìïåðàòóðà ïðîèçâîëüíîé ñèñòåìû çàâèñèò íå òîëüêî îò ïîñòóïàþùåé ýíåðãèè, íî è îò ýíåðãèè, âûäåëÿåìîé ýòîé ñèñòåìîé ÷åðåç ïîâåðõíîñòü íàðóæó. Òàê, êîãäà ÷åëîâåê õî÷åò ñîãðåòüñÿ, îí óìåíüøà-

126

Ãëàâà 3. Æèçíü ãàëàêòèê

åò ñêîðîñòü îòâîäà òåïëà ñ ïîâåðõíîñòè ñâîåãî òåëà, íàäåâàÿ òåïëóþ îäåæäó.  ñèëó ÷èñòî ãåîìåòðè÷åñêèõ çàêîíîâ îáúåì, à çíà÷èò, è ìàññà òåë ðàñòåò ïðîïîðöèîíàëüíî êóáó õàðàêòåðíîãî ðàçìåðà, à ïîâåðõíîñòü òåë — ïðîïîðöèîíàëüíî åãî êâàäðàòó. Ïîýòîìó ó Ñîëíöà îòíîøåíèå ïîâåðõíîñòè ê ìàññå íà ìíîãî ïîðÿäêîâ ìåíüøå, ÷åì ó ëàìïî÷êè, à çíà÷èò, è îõëàæäåíèå çà ñ÷åò ðàäèàöèè â îêðóæàþùóþ ñðåäó çàòðóäíåíî è ãîðàçäî ìåíåå ýôôåêòèâíî, ÷òî ïðèâîäèò ê ïîâûøåíèþ òåìïåðàòóðû âíóòðè íåãî. Êàê æå áûëî äîêàçàíî, ÷òî çâåçäû è Ñîëíöå — ýòî ñõîäíûå îáúåêòû? Îêàçûâàåòñÿ, ýòî ìîæíî ñäåëàòü, èñïîëüçóÿ ñïåêòðû ýëåêòðîìàãíèòíîãî èçëó÷åíèÿ çâåçä. Ïîä ñïåêòðîì èçëó÷åíèÿ ïîíèìàåòñÿ, ãðóáî ãîâîðÿ, êîëè÷åñòâî ôîòîíîâ ñ ðàçëè÷íûìè ýíåðãèÿìè, âûëåòàþùèõ èç çâåçäû â åäèíèöó âðåìåíè. Êîíå÷íî, ñïåêòðû çâåçä èíäèâèäóàëüíû, êàê óøíàÿ ðàêîâèíà ÷åëîâåêà. Íî è ïîõîæè îíè òàê æå! Èõ òàê æå òðóäíî ñïóòàòü ñ ÷åì-íèáóäü äðóãèì, êàê è ÷åëîâå÷åñêîå óõî. Ïî ñïåêòðàì èçëó÷åíèÿ áûëî óñòàíîâëåíî, ÷òî îáû÷íàÿ çâåçäà, à òî÷íåå, åå âíåøíÿÿ îáîëî÷êà, ñîñòîèò íà 70% èç âîäîðîäà è íà 27% — èç ãåëèÿ. Íà âñå îñòàëüíûå ýëåìåíòû ïðèõîäèòñÿ íå áîëåå 3%.

Ýâîëþöèÿ çâåçä Íàø ïóòü èçâèëèñò, íî ïåðñïåêòèâû ñâåòëûå. Ìàî Öçýäóí

 õîäå ýâîëþöèè çâåçäû îò åå ðîæäåíèÿ äî ñìåðòè ìîæíî âûäåëèòü òðè îñíîâíûõ ýòàïà. Íà ïåðâîì ýòàïå ãàçî-ïûëåâîå îáëàêî íà÷èíàåò ñæèìàòüñÿ ïîä äåéñòâèåì ñîáñòâåííûõ ãðàâèòàöèîííûõ ñèë. Ñîâñåì íå îáÿçàòåëüíî âñåìó îáëàêó ñæèìàòüñÿ ê îäíîìó öåíòðó. ×àùå âñåãî ñæèìàåòñÿ ëèøü íåêîòîðàÿ îáëàñòü, â êîòîðîé ïî òåì èëè èíûì ïðè÷èíàì óâåëè÷èëàñü ïëîòíîñòü ãàçà. Ýòî ìîæåò ïðîèñõîäèòü, íàïðèìåð, èç-çà âîçíèêíîâåíèÿ ãðàâèòàöèîííî íåóñòîé÷èâîñòè ñèñòåìû ëèáî ñòîëêíîâåíèÿ âñòðå÷íûõ ïîòîêîâ ãàçà âíóòðè îáëàêà. Ìîëåêóëû ãàçà, óñêîðÿÿñü ïðè äâèæåíèè ê öåíòðó, ñòàëêèâàþòñÿ, ïåðåäàâàÿ ñâîþ êèíåòè÷åñêóþ ýíåðãèþ äðóãèì ìîëåêóëàì è òåì Ýâîëþöèÿ çâåçä

127

ñàìûì íàãðåâàÿ ñðåäó. Âíà÷àëå èç-çà òîãî, ÷òî âåùåñòâî ïðî çðà÷íî äëÿ èíôðàêðàñíîãî èçëó÷åíèÿ ñ äëèíîé âîëíû áîëüøå 10 ìêì, òåïëîâàÿ ýíåðãèÿ ýôôåêòèâíî óäàëÿåòñÿ èç îáëàêà, è íàãðåâ è ðîñò äàâëåíèÿ íåçíà÷èòåëüíû. Ãàç ïðîäîëæàåò äâèæå íèå ê öåíòðó. Ïëîòíîñòü îáðàçóþùåãîñÿ ñãóñòêà ãàçà áûñòðî óâåëè÷èâàåòñÿ, ÷òî ïðèâîäèò ê óìåíüøåíèþ åãî ïðîçðà÷íîñòè. Òåïåðü òåïëî íå âûõîäèò èç ñèñòåìû, è ñãóñòîê ãàçà íà÷è íàåò íàãðåâàòüñÿ. Çàðîæäåíèå çâåçäû íà÷àëîñü. Âòîðîé ýòàï íàñòóïàåò, êîãäà òåìïåðàòóðà â öåíòðå ïðîòîçâåçäû ïîâûøàåòñÿ äî íåñêîëüêèõ ìèëëèîíîâ ãðàäóñîâ, êîãäà íà÷èíàþòñÿ ïåðâûå ÿäåðíûå ðåàêöèè. Ïðîòîçâåçäà ïðåâðàùàåòñÿ â ìîëîäóþ çâåçäó. Âûäåëÿþùàÿñÿ â ðåçóëüòàòå ÿäåðíûõ ðåàêöèé ýíåðãèÿ êîìïåíñèðóåò çàòðàòû çâåçäû íà èçëó÷åíèå ñ åå ïîâåðõíîñòè. Âìåñòå ñ òåìïåðàòóðîé ðàñòåò è äàâëåíèå, êîòîðîå òåïåðü â ñîñòîÿíèè ïðîòèâîäåéñòâîâàòü ãðàâèòàöèîííîìó ñæàòèþ. Ñêîëüêî æå âðåìåíè òðàòèò çâåçäà íà ñâîå ðîæäåíèå? Îòâåò çàâèñèò îò ìàññû «ìëàäåíöà». Áîëåå ìàññèâíûå ðîæäàþòñÿ áûñòðåå. Íàïðèìåð, Ñîëíöå ðîæäàëîñü 30 ìëí. ëåò, à â 3 ðàçà áîëåå ìàññèâíûå — âñåãî 100 òûñ. ëåò. Êðàñíûå æå êàðëèêè, ìàññà êîòîðûõ íà ïîðÿäîê ìåíüøå ñîëíå÷íîé, ðîæäàþòñÿ 100 ìëí. ëåò, íî è æèâóò ãîðàçäî äîëüøå. Ïðè÷èíà òàêîé ðàçíèöû î÷åâèäíà — ìåäëåííîå ñæàòèå ìàëîìàññèâíûõ ãàçîâûõ îáëàêîâ. Ìàññèâíàÿ æå çâåçäà èíîãäà ôîðìèðóåòñÿ òàê áûñòðî, ÷òî îêàçûâàåòñÿ îêðóæåííîé ñâîåé ãàçîâîé îáîëî÷êîé — ãàçîïûëåâûì êîêîíîì. Ïðèìåð ïîäîáíîãî îáðàçîâàíèÿ — îáúåêò Áåêëèíà—Íåéãåáàóýðà â òóìàííîñòè Îðèîíà. Òåìïåðàòóðà êîêîíà ñîñòàâëÿåò 600 K, õîòÿ ñâåòèìîñòü çâåçäû âíóòðè íåãî ïðèìåðíî â 2 òûñÿ÷è ðàç áîëüøå ñîëíå÷íîé. Èçëó÷åíèå çâåçäû ïîíåìíîãó ðàçðóøàåò êîêîí.  íà÷àëå ïðîøëîãî âåêà àñòðîíîìû Õîëì, Ðàññåë, Ãåðöøïðóíã è Ýääèíãòîí óñòàíîâèëè ïðèáëèçèòåëüíóþ ñâÿçü ìåæäó ñâåòèìîñòüþ çâåçä è èõ ìàññîé è ïîñòðîèëè äèàãðàììó «ìàññà—ñâåòèìîñòü». Êàê âèäíî, ñóäüáà çâåçäû, âðåìÿ åå æèçíè è ñâåòèìîñòü â îñíîâíîì çàâèñÿò îò åå ìàññû. ×åì áîëüøå ìàññà, òåì ñèëüíåå ãðàâèòàöèîííûå ñèëû ñæèìàþò âíóòðåííþþ ÷àñòü çâåç-

128

Ãëàâà 3. Æèçíü ãàëàêòèê

Ðèñ. 3.2. Çàâèñèìîñòü ñâåòèìîñòè çâåçä îò èõ ìàññû. Ñâåòèìîñòü âûðàæåíà â âåëè÷èíàõ ñâåòèìîñòè Ñîëíöà, ìàññà — â ñîëíå÷íûõ ìàññàõ.

äû, òåì èíòåíñèâíåå òàì èäóò ÿäåðíûå ðåàêöèè, à çíà÷èò, è âûøå òåìïåðàòóðà ïîâåðõíîñòè òèïè÷íîé çâåçäû. Õîòåëîñü áû èìåòü êîëè÷åñòâåííóþ îöåíêó ýòîãî êà÷åñòâåííîãî âûâîäà. Èç íàáëþäàòåëüíûõ äàííûõ, ïðåäñòàâëåííûõ íà ðèñ. 3.2, ìîæíî èçâëå÷ü èíôîðìàöèþ î ñâÿçè ñâåòèìîñòè è ìàññû çâåçäû. Âèäíî, ÷òî òî÷êè ïðèáëèæåííî ëîæàòñÿ íà ïðÿìóþ ëèíèþ â ëîãàðèôìè÷åñêîì ìàñøòàáå, ò. å. lnL ~ x lnM + C.

(3.1)

Íåèçâåñòíûå ïàðàìåòðû x è C ëåãêî îïðåäåëèòü èç ðèñóíêà. À èìåííî, î÷åâèäíî, ÷òî L = 1 ïðè M = 1 è L » 104 ïðè M = 10. Ïîäñòàâëÿÿ ýòè ïàðû ÷èñåë â óðàâíåíèå (3.1), ïîëó÷àåì îöåíêó äëÿ ïàðàìåòðîâ C è x: Ñ » 0, x » 4. Çíà÷èò, ñâåòèìîñòü çâåçäû ïðîïîðöèîíàëüíà ÷åòâåðòîé ñòåïåíè åå ìàññû, L ~ M 4. Ýòî ãðóáàÿ îöåíêà. Íà ñàìîì äåëå ïîêàçàòåëü ñòåïåíè âàðüèðóåòñÿ â çàâèñèìîñòè îò âîçðàñòà çâåçäû, çàâèñèò îò ñêîðîñòè êîíâåêòèâíûõ ïîòîêîâ âíóòðè íåå, åå õèìè÷åñêîãî ñîñòàâà è ìíîæåñòâà äðóãèõ, áîëåå òîíêèõ äåòàëåé. Ïî çàêîíó Ñòåôàíà—Áîëüöìàíà èçëó÷àåìàÿ ýíåðãèÿ, ò. å. ñâåòèìîñòü, ïðîïîðöèîíàëüíà òîé æå ÷åòâåðòîé ñòåïåíè òåìïåðàòóðû, L ~ T 4. Çíà÷èò, òåìïåðàòóðà ïîâåðõíîñòè çâåçäû ïðîïîðöèîíàëüíà åå ìàññå: T ~ M. Ýâîëþöèÿ çâåçä

129

Ïîä÷åðêíó åùå ðàç, ýòî ëèøü óäîáíàÿ îöåíêà. Êðîìå òîãî, âñå ñêàçàííîå îòíîñèòñÿ ê ñôîðìèðîâàâøåéñÿ çâåçäå «ñðåäíèõ ëåò», êîòîðîé åùå ìîæíî íå äóìàòü î ñìåðòè. Òàêèå çâåçäû, ñ âîçðàñòîì îò 5 äî 10 ìèëëèàðäîâ ëåò, íàõîäÿòñÿ íà ãëàâíîé ïî ñëåäîâàòåëüíîñòè, ò. å. áëèçêî ê ïðÿìîé íà ðèñ. 3.2. ×òî æå ïðîèñõîäèò âíóòðè çâåçä çà ýòî âðåìÿ è êàêèå ÿäåðíûå ðåàêöèè ðàçîãðåâàþò èõ? Ïåðâûìè âñòóïàþò â ðåàêöèè îòäåëüíûå ïðîòîíû, ÿäðà âîäîðîäà. Íèæå ïðèâåäåíà îñíîâíàÿ, ïðîòîí-ïðîòîííàÿ öåïî÷êà ðåàêöèé, â ðåçóëüòàòå êîòîðîé çâåçäà ïîñòåïåííî îáîãàùàåòñÿ òÿæåëûìè ýëåìåíòàìè. Íà÷àâ ñ îäíîãî âîäîðîäà, ÿäåðíûå ðåàêöèè ïîðîæäàþò ëèòèé, ãåëèé, áîð è áåðèëëèé. Êîíå÷íî, ïîÿâëÿþòñÿ òîëüêî ÿäðà ýëåìåíòîâ, íî êîãäà îíè ïîïàäóò â õîëîäíóþ ñðåäó, «ñáåæàâøèå» êîãäà-òî ýëåêòðîíû ïðèñîåäèíÿòñÿ ê íèì, îáðàçóÿ ñîîòâåòñòâóþùèå ýëåìåíòû. Ñèìâîëû e– è e+ îçíà÷àþò ýëåêòðîí è ïîçèòðîí, p — ïðîòîí, ne — ýëåêòðîííîå íåéòðèíî, g — ôîòîíû. p + p ® 2H + e + + ne 2 3

He + 3He ® 4He + 2p 3

7

H + p ® 3He + g

He + 4He ® 7Be + g

Be + e– ® 7Li + ne; 7Be + p ® 8B + g 8

B ® 8Be + e+ + ne 8

Be ® 2 4He

Ïðîòîí-ïðîòîííûé öèêë — ìåäëåííûé, è èìåííî îí ïîääåðæèâàåò ñâå÷åíèå çâåçäû áîëüøóþ ÷àñòü åå æèçíè, êîòîðàÿ îáû÷íî äëèòñÿ ïðèìåðíî 10 ìëðä. ëåò äëÿ îáû÷íûõ çâåçä òèïà íàøåãî Ñîëíöà. Êñòàòè, Ñîëíöå ïðîæèëî ïðèìåðíî ïîëîâèíó ýòîãî ñðîêà. ×åðåç 5 ìëðä. ëåò îíî ïðåâðàòèòñÿ â êðàñíûé ãèãàíò è âçîðâåòñÿ. Áîëåå ìàññèâíûå çâåçäû æèâóò ìåíüøå, íî ñóäüáà èõ ÿð÷å. Ýòî è ïîíÿòíî: áóðíàÿ æèçíü ïðèâîäèò ê ðàííåé ñòàðîñòè. Äåëî â òîì, ÷òî êîãäà çàïàñû âîäîðîäà ïîäõîäÿò ê êîíöó, ìàëåíüêèå çâåçäû òèïà Ñîëíöà ïîñëå âçðûâà ïðåâðàùàþòñÿ â áåëûå êàðëèêè. Ìàññèâíûå æå çâåçäû ëèøü

130

Ãëàâà 3. Æèçíü ãàëàêòèê

ñæèìàþòñÿ ïîä äåéñòâèåì ãðàâèòàöèè, è êîãäà òåìïåðàòóðà äîñòèãàåò 108 K, ñòàíîâèòñÿ âîçìîæíîé íîâàÿ ðåàêöèÿ, êîãäà ïðè ñòîëêíîâåíèè ÿäåð ãåëèÿ ðîæäàþòñÿ óãëåðîä è êèñëîðîä: 3 4He ®

12

C;

12

C + 4He ®

16

O+g

Èìåííî òàê îáðàçîâàëñÿ óãëåðîä, èç êîòîðîãî ìû ñîñòîèì, è êèñëîðîä, êîòîðûì ìû ñåé÷àñ äûøèì. Äàëåå ðîæäàþòñÿ ÿäðà âñå áîëåå òÿæåëûõ ýëåìåíòîâ, íàïðèìåð àçîòà, ìåäè, æåëåçà, òàê íåîáõîäèìûõ ÷åëîâåêó â áûòó. ×åì áîëåå ìàññèâíà çâåçäà, òåì ìåíüøå îíà æèâåò, íî òåì áîëüøå òåìïåðàòóðà âíóòðè íåå è òåì áîëåå òÿæåëûå ýëåìåíòû â íåé îáðàçóþòñÿ. Íåîáõîäèìî îòìåòèòü âàæíåéøóþ ðîëü ñëàáîãî âçàèìîäåéñòâèÿ. Óæå â ïåðâîé, îñíîâíîé ðåàêöèè ïðîòîí-ïðîòîííîãî öèêëà ïîÿâëÿåòñÿ íåéòðèíî, êîòîðîå íè â êàêèõ äðóãèõ âçàèìîäåéñòâèÿõ, êðîìå ñëàáîãî, íå ó÷àñòâóåò. Íî ñëàáîå âçàèìîäåéñòâèå âñåãäà ìàëîâåðîÿòíî, à çíà÷èò, ÿäåðíûå ðåàêöèè ñ ó÷àñòèåì íåéòðèíî ïðîèñõîäÿò ìåäëåííî, ÷òî î÷åíü êñòàòè. Âî-ïåðâûõ, áëàãîäàðÿ ìåäëåííûì òåìïàì ãîðåíèÿ çâåçäà ñóùåñòâóåò äîëãî è òåìïåðàòóðà â åå ÿäåðíîì êîòëå ïîääåðæèâàåòñÿ ïîñòîÿííîé äëèòåëüíîå âðåìÿ, äàâàÿ âîçìîæíîñòü ïîÿâèòüñÿ ýëåìåíòàì, áîëåå òÿæåëûì, ÷åì âîäîðîä. Âî-âòîðûõ, ïîÿâèâøèåñÿ íåéòðèíî ñâîáîäíî ïðîõîäÿò ÷åðåç çâåçäó, íå äàâàÿ îáðàòíûõ ðåàêöèé, ÷òî ìîãëî áû îïÿòü æå óìåíüøèòü âûõîä òÿæåëûõ ýëåìåíòîâ, òàê íåîáõîäèìûõ íàì. Êîãäà â õîäå ÿäåðíûõ ðåàêöèé âîäîðîä îêàçûâàåòñÿ èñ÷åðïàí, ÿäðî ñæèìàåòñÿ, è ïðè òåìïåðàòóðå 2 · 108 K íà÷èíàþòñÿ ÿäåðíûå ðåàêöèè ñ ó÷àñòèåì ãåëèÿ, êîòîðûé ïðåâðàùàåòñÿ â óãëåðîä è êèñëîðîä ñ íåáîëüøîé ïðèìåñüþ áîëåå òÿæåëûõ ýëåìåíòîâ.  ðåçóëüòàòå âíóòðåííåå äàâëåíèå âîçðàñòàåò íàñòîëüêî, ÷òî âíåøíèå ñëîè óäàëÿþòñÿ îò öåíòðà è óâåëè÷èâàþòñÿ â ðàçìåðàõ. Çâåçäà óõîäèò ñ ãëàâíîé ïîñëåäîâàòåëüíîñòè è ïðåâðàùàåòñÿ â êðàñíûé ãèãàíò. Òåìïåðàòóðà åãî ïîâåðõíîñòè íå ïðåâûøàåò 3 000 K. Çàòåì, åñëè çâåçäà áûëà ìàññèâíîé, îíà âçðûâàåòñÿ, à íåáîëüøèå çâåçäû òèïà íàøåãî Ñîëíöà ïîñëå ñáðîñà âíåøíèõ ñëîåâ ïðåâðàùàþòñÿ â áåëûå êàðëèêè. Ýâîëþöèÿ çâåçä

131

Ïîñëåäíÿÿ ñòàäèÿ ýâîëþöèè çâåçäû òåñíî ñâÿçàíà ñ åå ìàññîé. Òàê, çâåçäà ñ ìàññîé M < 5–10 M¤ îñòàâëÿåò ïîñëå ñåáÿ áåëûé êàðëèê ñ ìàññîé ïîðÿäêà îäíîé ñîëíå÷íîé ìàññû è ðàçëåòàþùååñÿ îáëàêî ãàçà (ïëàíåòàðíóþ òóìàííîñòü). Áîëåå ìàññèâíûå çâåçäû, ñ ìàññàìè M < 20–40 M¤, â êîíÐèñ. 3.3. Òóìàííîñòü «Êîøà÷èé ãëàç» öå ñâîåãî ñóùåñòâîâà(NGC 6543) — îäíà èç íàèáîëåå èçâåñòíèÿ âçðûâàþòñÿ, îáðàíûõ ïëàíåòàðíûõ òóìàííîñòåé, êîíå÷íàÿ çóÿ òàê íàçûâàåìûå ñòàäèÿ ýâîëþöèè çâåçäû òèïà Ñîëíöà. ñâåðõíîâûå.  öåíòðå Ôîòî ñ èíòåðíåò-ñòðàíèöû http://www.astronet.ru:8105/db/msg/1208195 âçðûâà îñòàåòñÿ íåéòðîííàÿ çâåçäà ñ ìàññîé äî 3 M¤. Çâåçäû áîëüøåé ìàññû ïîñëå âçðûâà îñòàâëÿþò ïîñëå ñåáÿ ÷åðíûå äûðû åùå áîëüøåé ìàññû.

Ñâåðõíîâûå Çâåçäû íà ïðîòÿæåíèè âñåé ñâîåé æèçíè èçëó÷àþò ýíåðãèþ, êîòîðàÿ âûñâîáîæäàåòñÿ â ðåçóëüòàòå ÿäåðíûõ ðåàêöèé. Ýòîò ïðîöåññ íå ìîæåò äëèòñÿ âå÷íî. Îêàí÷èâàþò ñâîé ïóòü çâåçäû ïî-ðàçíîìó. Çâåçäû òèïà íàøåãî Ñîëíöà è åùå ìåíåå ìàññèâíûå, ïðîéäÿ ñòàäèþ êðàñíîãî ãèãàíòà, ïîñòåïåííî óãàñàþò, ïðåâðàùàÿñü â áåëûå êàðëèêè. Çäåñü æå ðå÷ü ïîéäåò î ìàññèâíûõ çâåçäàõ, ñìåðòü êîòîðûõ ïðåäñòàâëÿåò ôååðè÷åñêîå çðåëèùå — êîëîññàëüíûé âûáðîñ ýíåðãèè, óâåëè÷èâàþùèé ñâåòèìîñòü çâåçäû â ìèëëèîíû ðàç. Çâåçäàì ñ ìàññîé â íåñêîëüêî ñîëíå÷íûõ ìàññ óãîòîâàíà ïîäîáíàÿ ó÷àñòü. Êàêèå æå ïðîöåññû âíóòðè çâåçäû ïðåäøåñòâóþò ýòîìó? Ïîñëå òîãî, êàê çâåçäà îáðàçîâàëàñü, îñíîâíûì èñòî÷íèêîì

132

Ãëàâà 3. Æèçíü ãàëàêòèê

Îñíîâíûå ýòàïû æèçíè çâåçäû Îñíîâíîé êîìïîíåíò ÿäåðíîé ðåàêöèè Âîäîðîä Ãåëèé Óãëåðîä Íåîí Êèñëîðîä Êðåìíèé Êîëëàïñ ÿäðà

Òåìïåðàòóðà â öåíòðå, K

Ïëîòíîñòü â öåíòðå, êã/ì3

Äëèòåëüíîñòü ýòàïà

4 · 107 2 · 108 6 · 108 1,2 · 109 1,5 · 109 2,7 · 109

5 · 103 7 · 105 2 · 108 4 · 109 1010 3 · 1010

7 · 106 ëåò 5 · 105 ëåò 600 ëåò 1 ãîä 6 ìåñÿöåâ 1 äåíü 0,2 ñåêóíäû

Âçðûâ ÿäðà

ýíåðãèè ÿâëÿþòñÿ ÿäåðíûå ðåàêöèè, â ðåçóëüòàòå êîòîðûõ âî äîðîä ïðåâðàùàåòñÿ â ãåëèé. Êîãäà âåñü âîäîðîä âûãîðàåò, òåìïåðàòóðà â ÿäðå çâåçäû ïîäíèìàåòñÿ äî 2 · 108 K, è ñòàíîâÿòñÿ âîçìîæíûìè íîâûå ÿäåðíûå ðåàêöèè, ïåðåâîäÿùèå ãåëèé â êèñëîðîä è íåîí. Âíåøíÿÿ îáîëî÷êà ñèëüíî óâåëè÷èâàåòñÿ â ðàçìåðàõ, çâåçäà âõîäèò â ñòàäèþ êðàñíîãî ãèãàíòà. Ýíåðãèÿ ïðîäîëæàåò âûäåëÿòüñÿ, à òåìïåðàòóðà — ðàñòè. Ïîñëå äîñòèæåíèÿ òåìïåðàòóðû 109 K íåîí íà÷èíàåò ïðåâðàùàòüñÿ â ìàãíèé è êðåìíèé, çàïóñêàÿ öåëóþ öåïî÷êó ÿäåðíûõ ðåàêöèé, â ðåçóëüòàòå êîòîðûõ îáðàçóþòñÿ òÿæåëûå ýëå ìåíòû. Âñå ýòè ïðîöåññû ñîïðîâîæäàþòñÿ ïîâûøåíèåì òåìïåðàòóðû äî íåñêîëüêèõ ìèëëèàðäîâ ãðàäóñîâ. Ïîÿâëåíèå ÿäåð æåëåçà — òðåâîæíûé ñèìïòîì äëÿ çâåçäû. Íåïîñðåäñòâåííî ïîñëå ýòîãî ïðîòîíû è ýëåêòðîíû îáúåäèíÿþòñÿ â íåéòðîíû ñ èñïóñêàíèåì íåéòðèíî. Îáðàçóåòñÿ êîìïàêòíîå ÿäðî, ñîñòîÿùåå â îñíîâíîì èç íåéòðîíîâ, ñ ìàññîé ÷óòü áîëüøå ìàññû Ñîëíöà. Ýòî áûñòðûé ïðîöåññ, è ðåçêîå óìåíüøåíèå îáúåìà ÿäðà ñîïðîâîæäàåòñÿ áîëüøèìè ïîòîêàìè íåéòðèíî, êîòîðûå, ñëàáî âçàèìîäåéñòâóÿ ñî ñðåäîé, óíîñÿò ýíåðãèþ èç çâåçäíîé «ïå÷êè», óìåíüøàÿ òåì ñàìûì åå òåìïåðàòóðó è äàâëåíèå. Òåïåðü ãðàâèòàöèîííûì ñèëàì ñæàòèÿ íè÷òî íå ïðåïÿòñòâóåò, è âíåøíÿÿ îáîëî÷êà, ëèøåííàÿ ïîääåðæêè èçíóòðè, óñòðåìëÿåòñÿ ê öåíòðó. Åå óäàð î âíóòðåííåå ÿäðî ïðèâîäèò ê ðåçêîìó âûäåëåíèþ ýíåðãèè, Ñâåðõíîâûå

133

Ðèñ. 3.4. Êðóãîâîðîò âåùåñòâà â ãàëàêòèêàõ. Òèïè÷íàÿ ìîëîäàÿ çâåçäà ðîæäàåòñÿ â ãàçîâîì îáëàêå, äîëãî íàõîäèòñÿ â êâàçèñòàöèîíàðíîì ñîñòîÿíèè, êàê íàøå Ñîëíöå ñåé÷àñ, ïîñëå èñ÷åðïàíèÿ âîäîðîäà ïåðåõîäèò â ñòàäèþ êðàñíîãî ãèãàíòà. Ïîñëåäíèé â êîíöå êîíöîâ âçðûâàåòñÿ, ïîñòàâëÿÿ òÿæåëûå ýëåìåíòû â îêðóæàþùåå ïðîñòðàíñòâî è ïîïîëíÿÿ ãàçîâûå îáëàêà ÿäðàìè òÿæåëûõ õèìè÷åñêèõ ýëåìåíòîâ.

êîòîðàÿ ïåðåäàåòñÿ âíåøíèì ñëîÿì çâåçäû. Çà ñåêóíäó âûäåëÿåòñÿ ýíåðãèÿ ïîðÿäêà 1046 Äæ, èçëó÷àåìàÿ â ñïîêîéíîì ñîñòîÿíèè çà ìèëëèàðäû ëåò. Íàðóæíûå ñëîè, ñîñòàâëÿþùèå çíà÷èòåëüíóþ ÷àñòü çâåçäû, ðàçëåòàþòñÿ ñî ñêîðîñòüþ ïðèìåðíî 10 000 êì/ñ. Íà íåáå âñïûõèâàåò ÿðêèé îáúåêò — ñâåðõíîâàÿ. Ðàçëåòàþùååñÿ âåùåñòâî ñîäåðæèò òÿæåëûå ýëåìåíòû, íàðàáîòàííûå çâåçäîé çà ìèëëèàðäû ëåò åå ñóùåñòâîâàíèÿ è òàê íåîáõîäèìûå íàì äëÿ ñîçäàíèÿ öèâèëèçàöèè è åå àòðèáóòîâ — îò ôóòáîëüíûõ ìÿ÷åé äî êîñìåòèêè. Ïîòîêè íåéòðèíî òàêæå óñòðåìëÿþòñÿ îò öåíòðà âçðûâà, è èõ îñòàíîâèòü óæå íåâîçìîæíî — îíè ðàçíîñÿò âåñòü î ñìåðòè çâåçäû ïî âñåé Âñåëåííîé. Ïîäîáíûé íåéòðèííûé ïîòîê îò âçðûâà ñâåðõíîâîé áûë çàôèêñèðîâàí â 1987 ã. Çíà÷èòåëüíàÿ ÷àñòü ìàññû çâåçäû ðàññåèâàåòñÿ â îêðóæàþùåì ïðîñòðàíñòâå, îáðàçóÿ îáëàñòè, íàãðåòûå äî ìèëëèî-

134

Ãëàâà 3. Æèçíü ãàëàêòèê

íà ãðàäóñîâ. Íàèáîëåå èçâåñòíûì îñòàòêîì âñïûøêè ñâåðõíîâîé ÿâëÿåòñÿ Êðàáîâèäíàÿ òóìàííîñòü. Ýòó ñâåðõíîâóþ íàáëþäàëè êèòàéñêèå è ÿïîíñêèå àñòðîíîìû â 1054 ã.  òå÷åíèå 23 äíåé îíà áûëà âèäíà äàæå äíåì.  äàëüíåéøåì áëåñê çâåçäû óãàñàë, íî äàæå íåâîîðóæåííûì ãëàçîì åå ìîæíî áûëî íàáëþäàòü Ðèñ. 3.5. Êðàáîâèäíàÿ òóìàííîñòü. åùå ïî÷òè äâà ãîäà. Âíåøíÿÿ ÷àñòü îáîëî÷êè çâåçäû, ñòàëêèâàÿñü ñ îêðóæàþùèìè çâåçäó ÷àñòèöàìè, ïîðîæäàåò óäàðíûå âîëíû, êîòîðûå, â ñâîþ î÷åðåäü, ïîðîæäàþò âûñîêîýíåðãè÷íûå ÷àñòèöû. Òàêîâ îäèí èç ìåõàíèçìîâ îáðàçîâàíèÿ êîñìè÷åñêèõ ëó÷åé âûñîêèõ ýíåðãèé. Åùå îäèí ìåõaíèçì ïîÿâëåíèÿ ñâåðõíîâûõ òèïà Ia ñâÿçàí ñ àêêðåöèåé1 (ïàäåíèåì) âåùåñòâà îáû÷íîé çâåçäû íà ïîâåðõíîñòü áåëîãî êàðëèêà â äâîéíûõ ñèñòåìàõ. Òåìï àêêðåöèè ðåçêî âîçðàñòàåò, êîãäà çâåçäà-äîíîð èñ÷åðïûâàåò âîäîðîä è íà÷èíàþòñÿ ÿäåðíûå ðåàêöèè ñ ó÷àñòèåì ãåëèÿ. Ïðè ýòîì ðàçìåðû çâåçäû ìíîãîêðàòíî óâåëè÷èâàþòñÿ, îíà ïðåâðàùàåòñÿ â êðàñíûé ãèãàíò, è åãî âåùåñòâî ïîãëîùàåòñÿ áåëûì êàðëèêîì. Êîãäà ìàññà ïåðåòåêøåãî âåùåñòâà ñòàíîâèòñÿ ñëèøêîì áîëüøîé, ò. å. ìàññà áåëîãî êàðëèêà ïðåâûøàåò ïðåäåëüíî äîïóñòèìîå çíà÷åíèå, ïðîèñõîäèò êîëëàïñ ýòîãî âåùåñòâà ïî ñöåíàðèþ, íàïîìèíàþùåìó îïèñàííûé âûøå äëÿ ñâåðõíîâûõ: â ïîâåðõíîñòíîì ñëîå áåëîãî êàðëèêà ïðîèñõîäèò òåðìîÿäåðíûé âçðûâ, è ñáðîñ íàêîïèâøåéñÿ îáîëî÷êè ðåãèñòðèðóåòñÿ íàìè êàê âñïûøêà íîâîé çâåçäû.  òåëåñêîï 1

Ëàò. accretio — ïðèðàùåíèå, óâåëè÷åíèå.

Ñâåðõíîâûå

135

âèäåí âñïëåñê ñâåòèìîñòè ñ äàëüíåéøèì ïîñòåïåííûì óãàñàíèåì. Èíäèéñêèé ó÷åíûé ×àíäðàñåêàð ðàññ÷èòàë ïðåäåëüíîå çíà÷åíèå ìàññû áåëîãî êàðëèêà — ïðèìåðíî 1,4 ñîëíå÷íîé ìàññû. Áåëûå êàðëèêè ïîõîæè äðóã íà äðóãà, à çíà÷èò, è ñâåòèìîñòè ñâåðõíîâûõ òèïà Ia ñõîäíû. Ïîýòîìó, êñòàòè, ïî íèì óäîáíî èçìåðÿòü ðàññòîÿíèÿ (ñâåòèìîñòü îáðàòíî ïðîïîðöèîíàëüíà êâàäðàòó ðàññòîÿíèÿ). Î÷åíü ïîëåçíûì äëÿ çåìíûõ ó÷åíûõ îêàçàëñÿ óæå óïîìèíàâøèéñÿ âçðûâ ñâåðõíîâîé â 1987 ã. Äåòåêòîð íåéòðèíî, ðàñïîëîæåííûé ãëóáîêî â øàõòå â ßïîíèè, çàðåãèñòðèðîâàë ñðàçó äåñÿòîê ñîáûòèé — òàê ýêñïåðèìåíòàòîðû íàçûâàþò âîçíèêíîâåíèå èñêîìîé ñèòóàöèè â äåòåêòîðå. Îáùåíèå ñ êîëëåãàìè, ðàáîòàþùèìè ñ òåëåñêîïàìè, ïðîÿñíèëî ñèòóàöèþ. Îêàçûâàåòñÿ, èìè òîæå áûë îòìå÷åí âñïëåñê ýëåêòðîìàãíèòíîãî èçëó÷åíèÿ îò ñâåðõíîâîé. Êîãäà ó÷åíûå ñâåðèëè ÷àñû, îêàçàëîñü, ÷òî íåéòðèíî îïåðåäèëè ñâåò íà íåñêîëüêî ÷àñîâ. Èìåííî ñòîëüêî âðåìåíè ïîíàäîáèëèñü ñâåòó, ÷òîáû ïðîáèòüñÿ ñêâîçü ãàç âîêðóã ñâåðõíîâîé, åãî ïîðîäèâøåé. Ñâåðõíîâûå ïîñòàâëÿþò òÿæåëûå ýëåìåíòû â êîñìè÷åñêîå ïðîñòðàíñòâî, ÷òî õîðîøî äëÿ áóäóùèõ öèâèëèçàöèé, íî îíè æå ñæèãàþò áëèæàéøèå ïëàíåòû, ÷òî îïàñíî äëÿ íàøåé. Ïîýòîìó áóäåì ðàäîâàòüñÿ òîìó, ÷òî ñâåðõíîâûå — ðåäêîå ÿâëåíèå, ïðîèñõîäÿùåå â íàøåé Ãàëàêòèêå ïðèìåðíî ðàç â 200 ëåò. Ýòî î÷åíü ïðèáëèçèòåëüíàÿ öèôðà. Ïî äðóãèì îöåíêàì, ñâåðõíîâûå âñïûõèâàþò êàæäûå 50 ëåò.

Áåëûå êàðëèêè Áåëûå êàðëèêè — ðàñïðîñòðàíåííûé òèï ñëàáîñâåòÿùèõñÿ çâåçä.  íàøåé ãàëàêòèêå îíè ñîñòàâëÿþò íåñêîëüêî ïðîöåíòîâ îò îáùåãî ÷èñëà çâåçä — îêîëî 1011. Ýòî êîìïàêòíûå îáúåêòû, ðàçìåðîì ñ Çåìëþ. Òåìïåðàòóðà âíóòðè íèõ íåâûñîêà, òàê ÷òî ÿäåðíûå ðåàêöèè íå ïðîòåêàþò. Çàïàñåííàÿ ýíåðãèÿ ïîñòåïåííî óìåíüøàåòñÿ çà ñ÷åò èçëó÷åíèÿ ýëåêòðîìàãíèòíûõ âîëí. Òåìïåðàòóðà ïîâåðõíîñòè áåëûõ êàðëèêîâ êîëåáëåòñÿ â ïðåäåëàõ îò 5 000 K ó ñòàðûõ, «õîëîäíûõ» çâåçä äî 50 000 K ó ìîëîäûõ è «ãîðÿ÷èõ». Ìàññû áåëûõ êàðëèêîâ íå ïðåâîñõîäÿò

136

Ãëàâà 3. Æèçíü ãàëàêòèê

1,4 ìàññû Ñîëíöà (ïðåäåë ×àíäðàñåêàðà), õîòÿ ïëîòíîñòü âïîëíå ïðèëè÷íàÿ — 106–107 ã/ñì3. Áåëûå êàðëèêè íå òàê ïðîñòû è ñêó÷íû, êàê ýòî ìîæåò ïîêàçàòüñÿ íà ïåðâûé âçãëÿä. Äåéñòâèòåëüíî, åñëè ÿäåðíûå ðåàêöèè íå èäóò è òåìïåðàòóðà íåâûñîêà, òî îòêóäà áåðåòñÿ âûñîêîå äàâëåíèå, ñäåðæèâàþùåå ãðàâèòàöèîííîå ñæàòèå âåùåñòâà? Îêàçûâàåòñÿ, ÷òî ðåøàþùóþ ðîëü èãðàþò êâàíòîâûå ñâîéñòâà ýëåêòðîíîâ. Ïîä äåéñòâèåì ãðàâèòàöèè âåùåñòâî ñæèìàåòñÿ íàñòîëüêî, ÷òî ÿäðà àòîìîâ ïðîíèêàþò âíóòðü ýëåêòðîííûõ îáîëî÷åê ñîñåäíèõ àòîìîâ. Ýëåêòðîíû óæå íå ïðèíàäëåæàò êîíêðåòíûì ÿäðàì, à âîëüíû ëåòàòü ïî âñåìó ïðîñòðàíñòâó âíóòðè çâåçäû. ßäðà æå îáðàçóþò ïëîòíî ñâÿçàííóþ ñèñòåìó íàïîäîáèå êðèñòàëëè÷åñêîé ðåøåòêè. Äàëåå ïðîèñõîäèò ñàìîå èíòåðåñíîå. Õîòÿ â ðåçóëüòàòå èçëó÷åíèÿ â îêðóæàþùåå ïðîñòðàíñòâî áåëûé êàðëèê îñòûâàåò, ñðåäíÿÿ ñêîðîñòü ýëåêòðîíîâ íå óìåíüøàåòñÿ. Ýòî ñâÿçàíî ñ òåì, ÷òî, ñîãëàñíî çàêîíàì êâàíòîâîé ìåõàíèêè, äâà ýëåêòðîíà, èìåÿ ïîëóöåëûé ñïèí, íå ìîãóò íàõîäèòüñÿ â îäíîì ñîñòîÿíèè (ïðèíöèï Ïàóëè). Çíà÷èò, ÷èñëî ðàçëè÷íûõ ñîñòîÿíèé ýëåêòðîíîâ áåëîãî êàðëèêà íå ìîæåò áûòü ìåíüøå ÷èñëà ýëåêòðîíîâ. Íî ïîíÿòíî, ÷òî ÷èñëî ñîñòîÿíèé óìåíüøàåòñÿ ñ óìåíüøåíèåì ñêîðîñòåé ýëåêòðîíîâ.  ïðåäåëüíîì ñëó÷àå, åñëè áû ñêîðîñòü âñåõ ýëåêòðîíîâ ñòàëà ðàâíîé íóëþ, âñå îíè îêàçàëèñü áû â îäíîì ñîñòîÿíèè (òî÷íåå — â äâóõ, ñ ó÷åòîì ïðîåêöèè ñïèíà). Ïîñêîëüêó ýëåêòðîíîâ â áåëîì êàðëèêå ìíîãî, òî è ñîñòîÿíèé äîëæíî áûòü ìíîãî, à ýòî îáåñïå÷èâàåòñÿ ñîõðàíåíèåì èõ ñêîðîñòåé. Íó à áîëüøèå ñêîðîñòè ÷àñòèö ñîçäàþò áîëüøîå äàâëåíèå, ïðîòèâîäåéñòâóþùåå ãðàâèòàöèîííîìó ñæàòèþ. Êîíå÷íî, åñëè ìàññà îáúåêòà ñëèøêîì âåëèêà, ãðàâèòàöèÿ ïðåîäîëååò è ýòîò áàðüåð.  Ïðèëîæåíèè 7 îöåíèâàåòñÿ ïðåäåëüíàÿ ìàññà áåëîãî êàðëèêà. Îòêðûòèå áåëûõ êàðëèêîâ îòíîñèòñÿ ê íà÷àëó XIX â., êîãäà Ôðèäðèõ Âèëüãåëüì Áåññåëü, íàáëþäàÿ çà Ñèðèóñîì, îáíàðóæèë, ÷òî îí äâèæåòñÿ íå ïî ïðÿìîé, à «ñëåãêà ïî ñèíóñîèäå». Ïðèìåðíî äåñÿòü ëåò íàáëþäåíèé è ðàçìûøëåíèé ïðèâåëè Áåññåëÿ ê âûâîäó, ÷òî ðÿäîì ñ Ñèðèóñîì íàõîäèòñÿ âòîðàÿ çâåçäà, îêàçûâàþùàÿ íà íåãî ãðàâèòàöèîííîå âîçäåéñòâèå. Áåëûå êàðëèêè

137

Ïðåäñêàçàíèå Áåññåëÿ ïîäòâåðäèëèñü ïîñëå òîãî, êàê À. Êëàðê â 1862 ã. ñêîíñòðóèðîâàë òåëåñêîï ñ îáúåêòèâîì äèàìåòðîì 46 ñì, íà òîò ìîìåíò ñàìûé áîëüøîé òåëåñêîï â ìèðå. Äëÿ ïðîâåðêè êà÷åñòâà ëèíçû åãî íàïðàâèëè íà Ñèðèóñ — ñàìóþ ÿðêóþ çâåçäó.  ïîëå çðåíèÿ òåëåñêîïà ïîÿâèëàñü åùå îäíà çâåçäà, íåÿðêàÿ, êîòîðóþ è ïðåäñêàçûâàë Áåññåëü. Äâîéíàÿ ñèñòåìà Ñèðèóñ À è Ñèðèóñ  çàèíòåðåñîâàëà àñòðîíîìîâ. Ìû æå ïîâíèìàòåëüíåå ïðèñìîòðèìñÿ ê íåÿðêîé çâåçäå Ñèðèóñ Â. Ñâåòèìîñòü Ñèðèóñà  â 300 ðàç ìåíüøå ñâåòèìîñòè Ñîëíöà, à òåìïåðàòóðà ñîñòàâëÿåò 8 000 K, ò. å. ñóùåñòâåííî áîëüøå ñîëíå÷íîé (5 700 K). Ýòîãî îêàçûâàåòñÿ äîñòàòî÷íî, ÷òîáû îïðåäåëèòü ðàçìåðû Ñèðèóñà Â. Ïîñêîëüêó ñâåòèìîñòü L ïðîïîðöèîíàëüíà ïîâåðõíîñòè çâåçäû S (î÷åâèäíî) è òåìïåðàòóðå ïîâåðõíîñòè T â ÷åòâåðòîé ñòåïåíè (çàêîí Ñòåôàíà—Áîëüöìàíà), òî èç ïðåäûäóùåãî âûòåêàåò ñëåäóþùåå ñîîòíîøåíèå: L Sirius L¤

=

4 S SiriusTSirius

S¤T¤4

~

1 . 300

Ñëåäîâàòåëüíî, ïëîùàäü ïîâåðõíîñòè Ñèðèóñà  îäíîçíà÷íî âûðàæàåòñÿ ÷åðåç ïëîùàäü ïîâåðõíîñòè Ñîëíöà: S Sirius = S¤

L Sirius T¤4 . 4 L ¤ TSirius

Ïðîñòûå âû÷èñëåíèÿ ïî ýòîé ôîðìóëå ïðèâîäÿò òîìó, ÷òî ðàäèóñ Ñèðèóñà  äîëæåí áûòü îêîëî 20 000 êì. Ýòî, â ñâîþ î÷åðåäü, îçíà÷àåò, ÷òî ïëîòíîñòü âåùåñòâà, èç êîòîðîãî ñîñòîèò ýòà çâåçäà, î÷åíü âûñîêà, ïîñêîëüêó îêàçàëîñü, ÷òî åå ìàññà ñîñòàâëÿåò 95% ìàññû Ñîëíöà. Òàê áûë îòêðûò ïåðâûé áåëûé êàðëèê, ïëîòíîñòü âåùåñòâà êîòîðîãî ñîñòàâëÿåò 105 ã/ñì3. Áîëüøèíñòâî áåëûõ êàðëèêîâ ÿâëÿþòñÿ îäíèì èç ïîñëåäíèõ ýòàïîâ ýâîëþöèè íîðìàëüíûõ, íå î÷åíü ìàññèâíûõ çâåçä. Çâåçäà, èñ÷åðïàâ çàïàñû ÿäåðíîãî ãîðþ÷åãî, ïåðåõîäèò â ñòàäèþ êðàñíîãî ãèãàíòà, òåðÿåò ÷àñòü âåùåñòâà, ïðåâðàùàÿñü â áåëûé êàðëèê. Ïðè ýòîì íàðóæíàÿ îáîëî÷êà — íàãðåòûé ãàç — ðàçëåòàåòñÿ â êîñìè÷åñêîì ïðîñòðàíñòâå; ñ Çåìëè îíà

138

Ãëàâà 3. Æèçíü ãàëàêòèê

íàáëþäàåòñÿ êàê òóìàííîñòü. Çà ñîòíè òûñÿ÷ ëåò òàêèå òóìàííîñòè ðàññåèâàþòñÿ â ïðîñòðàíñòâå, à èõ ïëîòíûå ÿäðà, áåëûå êàðëèêè, ïîñòåïåííî îñòûâàþò. Ñî âðåìåíåì îíè äîëæ íû ïðåâðàòèòüñÿ â êîðè÷íåâûå (÷åðíûå) êàðëèêè — ñãóñòêè ìàòåðèè ñ òåìïåðàòóðîé îêðóæàþùåé ñðåäû. Ïðàâäà, êàê ïîêàçûâàþò ðàñ÷åòû, íà ýòî ìîæåò ïîòðåáîâàòüñÿ ìíîæåñòâî ìèëëèàðäîâ ëåò. Î÷åâèäíî, ÷òî îòêðûòèå êîðè÷íåâûõ êàðëèêîâ çàòðóäíåíî èõ ñëàáîé ñâåòèìîñòüþ. Îäèí èç êîðè÷íåâûõ êàðëèêîâ íàõîäèòñÿ â ñîçâåçäèè Ãèäðû. Åãî áëåñê ñîñòàâëÿåò ëèøü 22,3. Óíèêàëüíîñòü îòêðûòèÿ çàêëþ÷àåòñÿ â òîì, ÷òî ðàíåå îáíàðóæåííûå êîðè÷íåâûå êàðëèêè âõîäèëè â äâîéíûå ñèñòåìû, èìåííî ïîýòîìó èõ è ìîãëè îáíàðóæèòü, à ýòîò — îäèíî÷íûé. Åãî íàøëè òîëüêî áëàãîäàðÿ áëèçîñòè ê Çåìëå: äî íåãî âñåãî 33 ñâåòîâûõ ãîäà. Ïðåäïîëàãàåòñÿ, ÷òî íûíåøíèå êîðè÷íåâûå êàðëèêè — ýòî íå îñòûâøèå áåëûå (ñëèøêîì ìàëî âðåìåíè ïðîøëî), à íåäîðàçâèâøèåñÿ çâåçäû. Êàê èçâåñòíî, çâåçäû ðîæäàþòñÿ èç ãàçî-ïûëåâîãî îáëàêà, ïðè÷åì îäíî îáëàêî ïîðîæäàåò íåñêîëüêî çâåçä ðàçíîé ìàññû. Åñëè ñæèìàþùèéñÿ ñãóñòîê ãàçà èìååò ìàññó â 10–100 ðàç ìåíüøå ñîëíå÷íîé, îáðàçóþòñÿ êîðè÷íåâûå êàðëèêè. Îíè äîâîëüíî ñèëüíî ðàçîãðåâàþòñÿ ñèëàìè ãðàâèòàöèîííîãî ñæàòèÿ è èçëó÷àþò â èíôðàêðàñíîì äèaïàçîíå. ßäåðíûå ðåàêöèè â êîðè÷íåâûõ êàðëèêàõ íå ïðîèñõîäÿò.

Íåéòðîííûå çâåçäû Êàê óæå ãîâîðèëîñü, áåëûå êàðëèêè ïðåäñòàâëÿþò ñîáîé î÷åðåäíîé, ôàêòè÷åñêè ïîñëåäíèé ýòàï æèçíè çâåçäû: ÿäåðíîå ãîðþ÷åå èñ÷åðïàíî, âíåøíÿÿ îáîëî÷êà ýôôåêòíî ñáðîøåíà, è íà ìåñòå çâåçäû îñòàåòñÿ ëèøü åå ïëîòíàÿ è ãîðÿ÷àÿ «ñåðäöåâèíà». Ñîáñòâåííûå ãðàâèòàöèîííûå ñèëû ñæèìàþò åå, íî ñæàòèþ ïðîòèâîñòîèò âíóòðåííåå äàâëåíèå, îáóñëîâëåííîå â êîíå÷íîì èòîãå ïðèíöèïîì Ïàóëè. ×òî æå ïðîèñõîäèò ïðè óâåëè÷åíèè ìàññû âñåé ñèñòåìû? Âåäü ìàññû çâåçä âàðüèðóþòñÿ â øèðîêèõ ïðåäåëàõ. Ïîýòîìó è â êîíöå ýâîëþöèè çâåçä îñòàþòñÿ «ñåðäöåâèíû» ñàìûõ ðàçíûõ ìàññ. Ãðàâèòàöèîííûå ñèëû ñæàòèÿ ïðîïîðöèîíàëüíû Íåéòðîííûå çâåçäû

139

ìàññå è ïîýòîìó ðàñòóò âìåñòå ñ íåé. Íà÷èíàÿ ñ íåêîòîðîé ìàññû äàâëåíèå ýëåêòðîíîâ îêàçûâàåòñÿ íå â ñîñòîÿíèè ïðîòèâîñòîÿòü ãðàâèòàöèè, è âìåñòî áåëîãî êàðëèêà âîçíèêàåò åùå áîëåå ïëîòíîå òåëî — íåéòðîííàÿ çâåçäà. Äàâëåíèå âíóòðè íåéòðîííîé çâåçäû íàñòîëüêî âûñîêî, ÷òî ýëåêòðîíû, îáðàçíî ãîâîðÿ, «âäàâëåíû» â ïðîòîíû, è â ðåçóëüòàòå çâåçäà îêàçûâàåòñÿ ñîñòîÿùåé â îñíîâíîì èç íåéòðîíîâ — îòñþäà è íàçâàíèå. Äàâàéòå îöåíèì îñíîâíûå ïàðàìåòðû íåéòðîííîé çâåçäû è çàòåì îáðàòèìñÿ ê íàáëþäàòåëüíûì äàííûì. Ïðåæäå âñåãî — ïëîòíîñòü. Îáû÷íîå âåùåñòâî, èç êîòîðîãî ñîñòîèò âñå íàñ îêðóæàþùåå è ìû ñàìè, èìååò ïëîòíîñòü ~5 ã/ñì3. Ïðè ýòîì îäíî ÿäðî àòîìà ðàçìåðîì ~10–13 ñì îòñòîèò áëàãîäàðÿ ýëåêòðîííîé îáîëî÷êå îò äðóãîãî íà ðàññòîÿíèå ~10–8 ñì. Íî åñëè ýëåêòðîíû îòñóòñòâóþò, òî íè÷òî íå ìåøàåò ÿäðàì ñáëèçèòüñÿ íà ìèíèìàëüíî âîçìîæíîå ðàññòîÿíèå. Ïðè ýòîì ÿäðà çàïîëíÿò âåñü îáúåì, â êîòîðîì ðàíüøå íàõîäèëîñü ëèøü îäíî ÿäðî, à ýòî ïðèìåðíî 10–24 ñì3 (îáúåì àòîìà). Îáúåì æå ñàìîãî ÿäðà ñîñòàâëÿåò ~10–39 ñì3. Î÷åâèäíî, ÷òî ïëîòíîñòü âåùåñòâà óâåëè÷èòñÿ â 10–24/10–39 = 1015 ðàç è ñòàíåò ðàâíîé ïðèìåðíî 5 · 1015 ã/ñì3. À ýòî 5 ìèëëèîíîâ òîíí… Òåïåðü ìîæíî îöåíèòü è ðàçìåð íåéòðîííîé çâåçäû. Åñëè åå ìàññà ðàâíà äâóì ñîëíå÷íûì, ò. å. 4 · 1033 ã, òî, èìåÿ òàêóþ âûñîêóþ ïëîòíîñòü, îíà äîëæíà ïîìåñòèòüñÿ â îáúåìå ~1018 ñì3. Îáúåì ïðîïîðöèîíàëåí êóáó ðàçìåðà, îòñþäà ðàçìåð íåéòðîííîé çâåçäû — ïðèìåðíî 106 ñì, ò. å. 10 êì. Íàøè îöåíêè îêàçûâàþòñÿ áëèçêèìè ê îáùåïðèíÿòûì, ïîëó÷åííûì ïîñëå âñåñòîðîííåé îáðàáîòêè íàáëþäàòåëüíûõ äàííûõ: ïëîòíîñòè íåéòðîííûõ çâåçä ñîñòàâëÿþò ïðèáëèçèòåëüíî 1014–1015 ã/ñì3, à ðàäèóñ rn ~10 êì. Îòñòóïëåíèå. Ïàðàìåòðû íåéòðîííîé çâåçäû

Èíòåðåñíî, ÷òî íåçàâèñèìóþ òåîðåòè÷åñêóþ îöåíêó ïàðàìåòðîâ íåéòðîííîé çâåçäû ìû ìîæåì ïîëó÷èòü òàê æå, êàê ýòî áûëî ñäåëàíî äëÿ áåëîãî êàðëèêà â Ïðèëîæåíèè 7.  ðîëè ýëåêòðîíîâ â íåéòðîííîé çâåçäå âûñòóïàþò áàðèîíû. Êàê âèäíî èç ôîðìóë (Ï 7.1, Ï 7.2), îöåíêè äëÿ ÷èñëà áàðèîíîâ (Ï 7.3) è ìàññû îñòàþòñÿ ïðåæíèìè, à ðàçìåð îêàçûâàåòñÿ ñóùåñòâåííî ìåíüøå. Ïîä-

140

Ãëàâà 3. Æèçíü ãàëàêòèê

ñòàâëÿÿ â ôîðìóëó (Ï 7.4) ìàññó áàðèîíà (ïðîòîíà èëè íåéòðîíà) ïî ëó÷èì, àíàëîãè÷íî ôîðìóëå (Ï 7.5), îöåíêó ðàäèóñà íåéòðîííîé çâåçäû — 2,7 êì.

Î âíóòðåííåé ñòðóêòóðå íåéòðîííîé çâåçäû ìû óæå ãîâîðèëè â ãëàâå 1 (ñ. 44). Íà ïîâåðõíîñòè ðàñïîëîæåí ñëîé âåùåñòâà ñ ïëîòíîñòüþ äî 106 ã/ñì3 (ñðàâíèòå ñ ïëîòíîñòüþ æåëåçà — ~7 ã/ñì3) è òåìïåðàòóðîé äî 106 K. Äàëåå ñëåäóåò ñëîé, îáëàäàþùèé êðèñòàëëè÷åñêîé ñòðóêòóðîé ñ ïëîòíîñòüþ 109 êã/ñì3. Ïëîòíîñòü òðåòüåãî ñëîÿ, ñîñòîÿùåãî èç òÿæåëûõ ýëåìåíòîâ, åùå â 1 000 ðàç áîëüøå. Åùå áëèæå ê öåíòðó íàõîäèòñÿ ñëîé, ñîñòîÿùèé â îñíîâíîì èç íåéòðîíîâ, — ïëîòíîñòü åãî òàê âûñîêà, ÷òî ÿäðà òåðÿþò ñâîþ èíäèâèäóàëüíîñòü, êàê ëþäè â òîëïå.  öåíòðå íåéòðîííîé çâåçäû, ïîõîæå, è íåéòðîíû òåðÿþò ñâîþ èíäèâèäóàëüíîñòü, îáðàçóåòñÿ êâàðê-ãëþîííàÿ ïëàçìà. Êîíå÷íî, íèêòî âíóòðü íåéòðîííîé çâåçäû íå çàëåçàë, è âñå ñêàçàííîå — ïðåäïîëîæåíèÿ ó÷åíûõ, íî ïðåäïîëîæåíèÿ, îáîñíîâàííûå óðàâíåíèÿìè è ÷àñòè÷íî ïðîâåðåííûå ýôôåêòàìè, ïðîèñõîäÿùèìè íà ïîâåðõíîñòè. Îáíàðóæåíèå íåéòðîííûõ çâåçä ïðåäñòàâëÿåò íåêîòîðóþ ïðîáëåìó. ßäåðíûå ðåàêöèè âíóòðè íåå îòñóòñòâóþò, çíà÷èò, íåò è èçëó÷åíèÿ ñâåòà. Îñòàþòñÿ äâà âàðèàíòà, îäèí èç êîòîðûõ óæå èçâåñòåí ÷èòàòåëþ. Åñëè íåéòðîííàÿ çâåçäà íàõîäèòñÿ â äâîéíîé ñèñòåìå âìåñòå ñ îáû÷íîé, òî äâèæåíèå âèäèìîé çâåçäû âûäàåò ñóùåñòâîâàíèå íåéòðîííîé ñîñåäêè. Âòîðîé æå ñïîñîá îñíîâàí íà íåîáû÷íîì ýôôåêòå, î êîòîðîì è ñòîèò ïîãîâîðèòü.  1967 ã. â Êåìáðèäæå íà÷àë ðàáîòó ðàäèîòåëåñêîï, êîòîðûé ïîçâîëèë îòêðûòü íå÷òî ñîâåðøåííî íîâîå — ïóëüñàðû, èñòî÷íèêè ìîùíîãî èçëó÷åíèÿ, èíòåíñèâíîñòü êîòîðûõ áûñòðî ìåíÿëàñü ñî âðåìåíåì. Ïåðâûå ñåðèè èìïóëüñîâ èìåëè ïåðèîä 1,34 ñåêóíäû, à äëèòåëüíîñòü — 0,3 ñåêóíäû. Ïîñëå òîãî, êàê áûëè îòáðîøåíû âñå âåðñèè òèïà ïîìåõ, ñîçäàâàåìûõ çåìíûìè óñòðîéñòâàìè, è ñèãíàëîâ îò âíåçåìíûõ öèâèëèçàöèé, îñòàëñÿ åäèíñòâåííûé âàðèàíò — åñòåñòâåííîå ïðîèñõîæäåíèå èñòî÷íèêîâ èìïóëüñîâ. Ïðèñòàëüíîå âíèìàíèå âîåííûõ ê ýòîìó ôåíîìåíó ïðèâåëî ê òîìó, ÷òî áîëüøèíñòâî ó÷åíûõ óçíàëî î ïóëüñàðàõ ëèøü ÷åðåç ãîä. Îòêðûòèå íîâûõ Íåéòðîííûå çâåçäû

141

ïóëüñàðîâ ñ äðóãèìè ïåðèîäàìè ìåæäó èìïóëüñàìè ïîäòâåð äèëî ïðåäïîëîæåíèå îòíîñèòåëüíî èõ ïðèðîäû. Ñåé÷àñ èçâåñòíî íåñêîëüêî ñîòåí ïóëüñàðîâ. Òèïè÷íûé ïåðèîä èçìåíå íèÿ èõ áëåñêà ñîñòàâëÿåò 1 ñåêóíäó. Óæå â ïåðâîé ñòàòüå î ïóëüñàðàõ, â 1968 ã., áûëî âûñêàçàíî ïðåäïîëîæåíèå, îêàçàâøååñÿ ïðàâèëüíûì, ÷òî ïóëüñàðû — ýòî áûñòðî âðàùàþùèåñÿ íåéòðîííûå çâåçäû. Âîîáùå-òî àñòðîíîìàì óæå áûëè èçâåñòíû çâåçäû, áëåñê êîòîðûõ ìåíÿëñÿ ñî âðåìåíåì, è äàæå òàêèå, ó êîòîðûõ ýòî èçìåíåíèå áûëî ñòðîãî ïåðèîäè÷íûì. Èõ íàçûâàþò öåôåèäàìè, òàê êàê ïåðâàÿ ïîäîáíàÿ çâåçäà áûëà îáíàðóæåíà â ñîçâåçäèè Öåôåÿ. Íî ïåðèîä èçìåíåíèÿ áëåñêà öåôåèä — ìåñÿöû, ÷òî íåñðàâíåííî áîëüøå ïåðèîäà ïóëüñàðîâ. ×òî æå çàñòàâëÿåò ïðåäïîëàãàòü, ÷òî íåéòðîííàÿ çâåçäà è ïóëüñàð — ýòî îäíî è òî æå? Ïðåæäå âñåãî íà ýòó ìûñëü íàòàëêèâàåò ñòðàííîå ñîâïàäåíèå ñêîðîñòè âðàùåíèÿ íåéòðîííîé çâåçäû è ïåðèîäà ïóëüñàðîâ. Îöåíèì ïåðèîä âðàùåíèÿ íåéòðîííîé çâåçäû, îáðàçîâàâøåéñÿ èç çâåçäû òèïà Ñîëíöà. Çàêîí ñîõðàíåíèÿ ìîìåíòà èìïóëüñà ïðè ñæàòèè ñâîäèòñÿ â äàííîì ñëó÷àå ê ðàâåíñòâó R2 r2 = n, T Tn

(3.2)

ãäå Tn — ïåðèîä âðàùåíèÿ íåéòðîííîé çâåçäû, ðàäèóñ êîòîðîé ìû îöåíèëè ðàíüøå, rn ~104 ì. Ïàðàìåòðû Ñîëíöà èçâåñòíû: ðàäèóñ R = 7 · 108 ì è ïåðèîä âðàùåíèÿ âîêðóã îñè Ò = 25 ñóòîê. Òåïåðü íà îñíîâå ðàâåíñòâà (3.2) ïîëó÷àåì ïåðèîä âðàùåíèÿ íåéòðîííîé çâåçäû Òn = (rn/R)2Ò ~ 0,004 ñåêóíäû. Íåñêîëüêî ìàëîâàòî äëÿ ñðåäíèõ çíà÷åíèé â 1 ñåêóíäó, ïîëó÷åííûõ íà îñíîâå íàáëþäåíèé, íî îáíàäåæèâàåò òî, ÷òî ïîëó÷åí äåéñòâèòåëüíî ìàëåíüêèé âðåìåííîé èíòåðâàë, ñîâñåì íå õàðàêòåðíûé äëÿ êîñìîñà. Íó à ïðèáëèçèòü íàøó îöåíêó ê íàáëþäàåìîé íå î÷åíü ñëîæíî. Íàïðèìåð, ìîæíî ó÷åñòü, ÷òî áîëüøàÿ äîëÿ ìîìåíòà èìïóëüñà óíîñèòñÿ âíåøíåé îáîëî÷êîé ïðè âçðûâå ñâåðõíîâîé, êîãäà îáðàçóåòñÿ íåéòðîííàÿ çâåçäà. Êñòàòè, ïóëüñàð â Êðàáîâèäíîé òóìàííîñòè äåëàåò áîëåå

142

Ãëàâà 3. Æèçíü ãàëàêòèê

30 îáîðîòîâ â ñåêóíäó, ÷òî óæå áëèçêî ê íàøåé îöåíêå, à â ñoçâåçäèè Ëèñè÷êè áûë îáíàðóæåí ïóëüñàð ñ ïåðèîäîì 0,00155 ñ. Ñ ïðîèñõîæäåíèåì ñòîëü êîðîòêîãî ïåðèîäà ïóëüñàöèé ìû ðàçîáðàëèñü. Òåïåðü, ÷òîáû îêîí÷àòåëüíî ðàçîáðàòüñÿ ñ ïóëüñàðàìè, äåëî çà ìàëûì: íàäî «âñåãî ëèøü» ïîíÿòü, êàê ñîçäàþòñÿ ìîùíûå ïîòîêè ôîòîíîâ. Äëÿ ýòîãî ñàìîå âðåìÿ ïîäêëþ÷èòü åùå îäíî «äåéñòâóþùåå ëèöî» — ìàãíèòíîå ïîëå. Õîðîøî èçâåñòíî, ÷òî äàæå ñëàáîå ìàãíèòíîå ïîëå Çåìëè â ñîñòîÿíèè íàïðàâëÿòü ïîòîêè êîñìè÷åñêèõ çàðÿæåííûõ ÷àñòèö ê ìàãíèòíûì ïîëþñàì. Îáðàòíîå òîæå âåðíî: ÷àñòèöû âûëåòàþò ïðåèìóùåñòâåííî â âäîëü ïðÿìîé, ïðîõîäÿùåé ÷åðåç ìàãíèòíûå ïîëþñà. Äëÿ íåéòðîííûõ çâåçä, êàê è äëÿ êâàçàðîâ, ïîñòàâùèêîì ìàòåðèàëà ñëóæèò îêðóæàþùàÿ ñðåäà. Âåùåñòâî, íàõîäÿùååñÿ ïîáëèçîñòè îò íåéòðîííîé çâåçäû, ïðèòÿãèâàåòñÿ åþ íàñòîëüêî èíòåíñèâíî, ÷òî ÷àñòèöû ïðèîáðåòàþò êîëîññàëüíóþ êèíåòè÷åñêóþ ýíåðãèþ. Âåðõíèé ñëîé íåéòðîííîé çâåçäû ñîñòîèò èç ïëàçìû, êîòîðàÿ ïðîíèçàíà ìîùíûì ìàãíèòíûì ïîëåì. Çàðÿæåííûå ÷àñòèöû, äâèãàÿñü ïî ñïèðàëÿì âäîëü ìàãíèòíûõ ñèëîâûõ ëèíèé ê íåéòðîííîé çâåçäå, îêàçûâàþòñÿ â êîíöå êîíöîâ íà îäíîì èç ìàãíèòíûõ ïîëþñîâ. Èõ êèíåòè÷åñêàÿ ýíåðãèÿ ïåðåäàåòñÿ ïîâåðõíîñòè, íàãðåâàÿ åå, ïîýòîìó òåìïåðàòóðà ó ïîëþñîâ î÷åíü âûñîêà. Íàèáîëåå ãîðÿ÷èå îáëàñòè èìåþò ïëîùàäü îêîëî 1 êì2. Ñâåòèìîñòü æå ïðîïîðöèîíàëüíà òåìïåðàòóðå â ÷åòâåðòîé ñòåïåíè, ïîýòîìó íåóäèâèòåëüíî, ÷òî èìåííî ñ ïîëþñîâ èçëó÷åíèå íàèáîëåå ñèëüíî. Óçêóþ íàïðàâëåííîñòü èçëó÷åíèþ ïðèäàåò âñå òî æå ìàãíèòíîå ïîëå. Âñå ÷àñòèöû, îòêëîíèâøèåñÿ îò ãåíåðàëüíîãî íàïðàâëåíèÿ, íàïðàâëÿþòñÿ ìàãíèòíûì ïîëåì íåéòðîííîé çâåçäû â ïðîòèâîïîëîæíûé ïîëþñ (ðèñ. 3.6). Òàêèì îáðàçîì, ìíîãèå íåéòðîííûå çâåçäû ñëóæàò èñòî÷íèêîì óçêîíàïðàâëåííîãî èçëó÷åíèÿ ýíåðãè÷íûõ ÷àñòèö. Îáðàçóþùèåñÿ êîëîññàëüíûå ñòðóè ðàñêàëåííîé ïëàçìû è ôîòîíîâ — äæåòû (àíãë. «jet» — «ñòðóÿ») âî âñå áîëüøåì êîëè÷åñòâå äåòåêòèðóþòñÿ ñ Çåìëè. Âðàùåíèå çâåçäû ñîîáùàåò âûëåòàþùèì ÷àñòèöàì äîïîëíèòåëüíóþ ýíåðãèþ, ïîçâîëÿþùóþ ïðåîäîëåòü åå ãðàâèòàöèÍåéòðîííûå çâåçäû

143

Ðèñ. 3.6. Ñõåìàòè÷íîå èçîáðàæåíèå äâèæåíèÿ çàðÿæåííûõ ÷àñòèö â ìàãíèòíîì ïîëå íåéòðîííîé çâåçäû.

îííîå ïîëå. Ýòî ïîäòâåðæäàåòñÿ òåì, ÷òî ïåðèîä ïóëüñàðîâ ñî âðåìåíåì óìåíüøàåòñÿ, à èñòî÷íèêîì ïîòåðü êèíåòè÷åñêîé ýíåðãèè âðàùåíèÿ ìîæåò áûòü òîëüêî ýíåðãèÿ âûëåòàþùèõ ÷àñòèö. Îöåíèì âåëè÷èíó ìàãíèòíîãî ïîëÿ íåéòðîííîé çâåçäû. Ýòî âàæíî, ïîñêîëüêó ñëàáîå ïîëå íå â ñîñòîÿíèè èçìåíÿòü òðàåêòîðèþ ýíåðãè÷íûõ ÷àñòèö. Ïðèìåì, ÷òî çâåçäà ðàíåå, äî ïðåâðàùåíèÿ â êðàñíûé ãèãàíò è êîëëàïñà (áûñòðîãî ñæàòèÿ), èìåëà ìàãíèòíîå ïîëå  = 10–4 Òë, îáû÷íîå äëÿ ðÿäîâûõ çâåçä. Ìàãíèòíîå ïîëå çâåçäû åñòü ñóììà ìàãíèòíûõ ïîëåé ÿäåð, åå ñîñòàâëÿþùèõ. Ñæàòèå çâåçäû ïðèâîäèò ê óâåëè÷åíèþ êîíöåíòðàöèè ÿäåð è, ñîîòâåòñòâåííî, ê óâåëè÷åíèþ ñóììàðíîãî ìàãíèòíîãî ïîëÿ. Ïëîùàäü ïîïåðå÷íîãî ñå÷åíèÿ íåéòðîííîé çâåçäû ìåíüøå ñå÷åíèÿ Ñîëíöà â (rn/R)2 ~1010 ðàç. Ìàãíèòíîå ïîëå âáëèçè ïîâåðõíîñòè äîëæíî âîçðàñòè ïî êðàéíåé ìåðå âî ñòîëüêî æå ðàç. Íà ñàìîì äåëå ìàãíèòíîå ïîëå óñèëèâàåòñÿ â 1012 ðàç, äîñòèãàÿ çíà÷åíèé 108–109 Òë. Ýòî êîëîññàëüíàÿ âåëè÷èíà. Èìåííî ïîýòîìó ìàãíèòíîå ïîëå íåéòðîííîé çâåçäû â ñîñòîÿíèè óïðàâëÿòü ïîòîêàìè âûñîêîýíåðãè÷íûõ ÷àñòèö.

144

Ãëàâà 3. Æèçíü ãàëàêòèê

Ðèñ. 3.7. Äæåò íåéòðîííîé çâåçäû îïèñûâàåò â ïðîñòðàíñòâå ãèãàíòñêèé êîíóñ.

Èòàê, âûñîêîýíåðãè÷íûå ÷àñòèöû âûëåòàþò âäîëü ïðÿìîé, ñîåäèíÿþùåé ïîëþñà ýòîãî ãèãàíòñêîãî áûñòðî âðàùàþùåãîñÿ ìàãíèòà. Îíè îáðàçóþò êîëîññàëüíûå ñòðóè ðàñêàëåííîé ïëàçìû è ôîòîíîâ — äæåòû. Èìåííî ýòè ôîòîíû, èñïóùåííûå íåéòðîííîé çâåçäîé, ìû è âîñïðèíèìàåì êàê ïóëüñàð. Íó à ïåðåìåííîñòü áëåñêà îáúÿñíÿåòñÿ ïðîñòî. Ìàãíèòíûå ïîëþñà íå îáÿçàíû ëåæàòü íà îñè âðàùåíèÿ. Åñëè îíè íå ñîâïàäàþò ñ íåé, òî íàïðàâëåíèå äæåòà îïèñûâàåò êîíóñ (ðèñ. 3.7). Ìû âèäèì ïóëüñàð â òå ìîìåíòû, êîãäà îí «ñìîòðèò» ïðÿìî íà Çåìëþ.  ñëåäóþùèé ìîìåíò îí óæå «îòâåðíóëñÿ» îò íàñ, è ôîòîíû, èì èñïóùåííûå, ïðîëåòàþò ìèìî Çåìëè. Åñëè ïî êàêèì-ëèáî ïðè÷èíàì ïîòîê âåùåñòâà íà ïîâåðõíîñòü íåéòðîííîé çâåçäû óâåëè÷èâàåòñÿ, òî íàáëþäàþòñÿ âñïûøêè èçëó÷åíèÿ â ðåíòãåíîâñêîì äèàïàçîíå. Òàêèå îáúåêòû íàçûâàþòñÿ áàðñòåðàìè. Äî ñèõ ïîð ìû ãîâîðèëè î ïóëüñàðàõ, èçëó÷àþùèõ â ðàäèîäèàïàçîíå, íî îáíàðóæåíû òàêæå è ðåíòãåíîâñêèå ïóëüñàðû. Íåéòðîííûå çâåçäû

145

Îíè íàõîäÿòñÿ â äâîéíûõ ñèñòåìàõ, è ýíåðãèÿ ôîòîíîâ ÷åðïàåòñÿ èç àêêðåöèè íà íåéòðîííóþ çâåçäó âåùåñòâà, ïåðåòåêàþùåãî íà íåå ñî âòîðîãî êîìïîíåíòà ïàðû — ÿðêîé çâeçäû. Òåïåðü ïîíÿòíî, ÷òî «ìîòîðîì» ïóëüñàðà ñëóæèò íåéòðîííàÿ çâåçäà, âîçíèêàþùàÿ â êà÷åñòâå îñòàòêà âçîðâàâøåéñÿ çâåçäû. Âçðûâû æå çâåçä, ñâåðõíîâûå, îñòàâëÿþò ïîñëå ñåáÿ äîëãîæèâóùèå òóìàííîñòè. Èìåííî â íèõ è ñëåäóåò èñêàòü ïóëüñàðû. Äåéñòâèòåëüíî, ìíîãèå òóìàííîñòè ñîäåðæàò â öåíòðå íåéòðîííûå çâåçäû. Íî íå âñå. Âî-ïåðâûõ, âìåñòî íåéòðîííîé çâåçäû ìîæåò îáðàçîâàòüñÿ ìàëîçàìåòíûé áåëûé êàðëèê ëèáî ÷åðíàÿ äûðà. Âî-âòîðûõ, âçðûâ ñâåðõíîâîé ìîæåò áûòü àñèììåòðè÷íûì, è òîãäà íåéòðîííàÿ çâåçäà íà áîëüøîé ñêîðîñòè óäàëÿåòñÿ ñ ìåñòà ïðîèñøåñòâèÿ. Íó è, êîíå÷íî æå, â-òðåòüèõ, äæåò ïóëüñàðà ìîæåò íå áûòü íàïðàâëåí íà Çåìëþ, è â ýòîì ñëó÷àå ïóëüñàð ñóùåñòâóåò íåçàìåòíî äëÿ çåìëÿí.

Ìàññèâíûå ÷åðíûå äûðû Çà ïîñëåäíèå ãîäû îêðåïëà óáåæäåííîñòü â íàëè÷èè ìàññèâíûõ ÷åðíûõ äûð (ñ ìàññîé îò ìèëëèîíà äî ìèëëèàðäà ñîëíå÷íûõ ìàññ) â öåíòðàõ áîëüøèíñòâà ãàëàêòèê. À âîò êàê îíè òàì îêàçàëèñü — íå ñîâñåì ÿñíî. ×òîáû ïîíÿòü ýòî, à çàîäíî ëèøíèé ðàç óáåäèòüñÿ, ÷òî ýòî äåéñòâèòåëüíî ÷åðíûå äûðû, íåîáõîäèìî ñîáðàòü êàê ìîæíî áîëüøå èíôîðìàöèè î ïðîöåññàõ, ïðîõîäÿùèõ â áëèæàéøåé îêðåñòíîñòè ïîäîáíîãî îáúåêòà. Åñëè ÷åðíàÿ äûðà íàõîäèòñÿ â öåíòðå ãàëàêòèêè ñ áîëüøîé ïëîòíîñòüþ âåùåñòâà, òî ýòî âåùåñòâî íà÷èíàåò «çàñàñûâàòüñÿ» ÷åðíîé äûðîé. Ïðè ýòîì ãðàâèòàöèîííûå ñèëû íàñòîëüêî âåëèêè, ÷òî çàñòàâëÿþò ïàäàþùåå âåùåñòâî èíòåíñèâíî ñòàëêèâàòüñÿ è èçëó÷àòü ôîòîíû. Èìåííî ýòî èçëó÷åíèå è âûäàåò ïðèñóòñòâèå ÷åðíûõ äûð. Èíòåðåñíûé ïàðàäîêñ: ÷åðíûå äûðû, îêàçûâàåòñÿ, ìîãóò áûòü ñàìûìè ÿðêèìè îáúåêòàìè âî Âñåëåííîé! Èìåííî íàëè÷èå ìîùíåéøåãî èçëó÷åíèÿ âî âñåì äèàïàçîíå äëèí âîëí — îò ðàäèîâîëí äî ãàììà-êâàíòîâ — è çàñòàâëÿåò äóìàòü, ÷òî â öåíòðàõ ãàëàêòèê íàõîäÿòñÿ ìàññèâíûå ÷åðíûå äûðû. Êðîìå òîãî, óæå îáíàðóæåíû îòäåëüíûå çâåçäû,

146

Ãëàâà 3. Æèçíü ãàëàêòèê

ðàñïîëîæåííûå áëèçêî îò ÷åðíûõ äûð è î÷åíü áûñòðî îáðàùàþùèåñÿ âîêðóã íèõ. Êàê óæå óïîìèíàëîñü â ãëàâå 1, êëàññè÷åñêàÿ ÷åðíàÿ äûðà íå ñîäåðæèò âíóòðè ñåáÿ ðàñïðåäåëåííîãî ïî ïðîñòðàíñòâó âåùåñòâà. Âñÿ ìàññà ñîñðåäîòî÷åíà â öåíòðå, â ìèêðîñêîïè÷åñêîé îáëàñòè ñ ãèãàíòñêîé, ïëàíêîâñêîé ïëîòíîñòüþ. Èìåííî òàêóþ ñòðóêòóðó òåîðåòè÷åñêè èññëåäîâàë Ê. Øâàðöøèëüä â íà÷àëå XX â. Îí ïîíÿë, ÷òî ïðîñòðàíñòâåííî-âðåìåííàÿ ñòðóêòóðà âáëèçè ÷åðíîé äûðû êàðäèíàëüíî îòëè÷àåòñÿ îò ñòðóêòóðû ïðîñòðàíñòâà Ìèíêîâñêîãî, ê êîòîðîìó ìû òàê ïðèâûêëè. Ýòî ðàçëè÷èå íà÷èíàåòñÿ íà íåêîòîðîì ðàññòîÿíèè, íàçûâàåìîì ãðàâèòàöèîííûì ðàäèóñîì, èëè ðàäèóñîì Øâàðöøèëüäà. Èç ðàñ÷åòîâ ñëåäîâàëî, ÷òî âåëè÷èíà ðàäèóñà ïðÿìî ïðîïîðöèîíàëüíà ìàññå ÷åðíîé äûðû: rg = 2GM. Åñëè áû ÷åðíàÿ äûðà áûëà ðàâíîìåðíî çàïîëíåíà âåùåñòâîì, òî ìàññå áûë áû ïðîïîðöèîíàëåí îáúåì, à íå ðàäèóñ. Òàê ÷òî ÷åðíàÿ äûðà — äåéñòâèòåëüíî ñòðàííûé îáúåêò. Òåîðåòè÷åñêè ÷åðíûå äûðû ñïîñîáíû íå òîëüêî ïîãëîùàòü îêðóæàþùóþ èõ ìàòåðèþ, íî è èçëó÷àòü ÷àñòèöû âñåõ âèäîâ (òàê íàçûâàåìîå «õîêèíãîâñêîå èñïàðåíèå»). Ýòî êâàíòîâûé ýôôåêò, âåëè÷èíó êîòîðîãî ìû â ñîñòîÿíèè îöåíèòü. Ïðåæäå ÷åì óëåòåòü îò ÷åðíîé äûðû, ÷àñòèöà äîëæíà ðîäèòüñÿ, ïîëó÷èâ îò ÷åðíîé äûðû ýíåðãèþ è èìïóëüñ. Êâàíòîâàÿ ìåõàíèêà óòâåðæäàåò, ÷òî èìïóëüñ ÷àñòèöû, ðîæäàþùåéñÿ â ëîêàëüíîé îáëàñòè, â äàííîì ñëó÷àå — «ãäå-òî ðÿäîì» ñ ÷åðíîé äûðîé, íå ìîæåò èìåòü ñòðîãî îïðåäåëåííîãî çíà÷åíèÿ. Íåîïðåäåëåííîñòü èìïóëüñà îöåíèâàåòñÿ ïî ôîðìóëå: Dp ~

h , Dl

ãäå Dl, íåîïðåäåëåííîñòü êîîðäèíàòû, õàðàêòåðèçóþùåé ÷àñòèöó, â íàøåì ñëó÷àå åñòåñòâåííî ïðèðàâíÿòü ãðàâèòàöèîííîìó ðàäèóñó, ïîñêîëüêó íåâîçìîæíî áîëåå òî÷íî óêàçàòü êîîðäèíàòû ðîæäåíèÿ ÷àñòèöû. Êðîìå òîãî, ýòî åäèíñòâåííûé ïàðàìåòð ïîäõîäÿùåé ðàçìåðíîñòè â íàøåé çàäà÷å. Èç âûøåÌàññèâíûå ÷åðíûå äûðû

147

ñêàçàííîãî ïîëó÷àåì îöåíêó èìïóëüñà ÷àñòèö, èçëó÷àåìûõ ÷åðíîé äûðîé: Dp ~

h h 1 . ~ = rg M 2GM

Èç ýòîé ôîðìóëû âèäíî, ÷òî ÷åì áîëüøå ìàññà ÷åðíîé äûðû, òåì ìåíåå ýíåðãè÷íûå ÷àñòèöû îíà èçëó÷àåò. Àíàëîãè÷íûì îáðàçîì ìîæíî îöåíèòü âðåìÿ èçëó÷åíèÿ ÷àñòèöû, äëÿ ïðîñòîòû — ôîòîíà, ó êîòîðîãî èìïóëüñ è ýíåðãèÿ îñîáåííî ïðîñòî ñâÿçàíû: p = E. Ïðèíöèï íåîïðåäåëåííîñòè, çàïèñàííûé â âèäå Dt · DE ~ ž, â äàííîì ñëó÷àå èíòåðïðåòèðóåòñÿ ñëåäóþùèì îáðàçîì: ÷àñòèöà ñî ñðåäíåé ýíåðãèåé DE ðîæäàåòñÿ ÷åðíîé äûðîé â òå÷åíèå âðåìåíè Dt. Ñëåäîâàòåëüíî, çà 1 ñåDE . Ïîäñòàâëÿÿ êóíäó èçëó÷àåòñÿ â âèäå ÷àñòèö ýíåðãèÿ I ~ Dt ñþäà âûðàæåíèÿ, íàïèñàííûå âûøå, ïîëó÷àåì èíòåíñèâíîñòü èçëó÷åíèÿ: I ~

Dp 2 DE DE 2 h Const . ~ ~ ~ ~ 2 2 Dt h h 4G M M2

Êîíñòàíòà äëÿ íàñ íå òàê âàæíà, êàê ôàêò îáðàòíîé ïðîïîðöèîíàëüíîñòè êâàäðàòó ìàññû ÷åðíîé äûðû. Èòàê, ýíåðãèÿ, èçëó÷åííàÿ ÷åðíîé äûðîé â âèäå ÷àñòèö, òåì ìåíüøå, ÷åì áîëüøå åå ìàññà. Åäèíñòâåííûì èñòî÷íèêîì ýíåðãèè äëÿ ðîæäàþùèõñÿ ÷àñòèö ñëóæèò ñàìà ÷åðíàÿ äûðà. Çíà÷èò, åå ìàññà ñî âðåìåíåì óìåíüøàåòñÿ. Äàâíî ïîäñ÷èòàíî, ÷òî ÷åðíûå äûðû ñ ìàññîé ìåíüøå 1015 ã è ðîæäåííûå âî âðåìÿ Áîëüøîãî âçðûâà, íå äîæèëè äî íàøèõ äíåé. Îíè èñïàðèëèñü, èçëó÷èâ âñþ ñâîþ ýíåðãèþ è ïîäîãðåâ Âñåëåííóþ. Ïîâûøåíèå òåìïåðàòóðû íå äîëæíî áûòü î÷åíü áîëüøèì, äàáû íå ïîâëèÿòü íà ïåðâè÷íûé áàðèî- è íóêëåîñèíòåç.  äàëåêîì áóäóùåì èìåííî ýòîò íåïðèìåòíûé ýôôåêò èñïàðèò âñå ÷åðíûå äûðû. À ñåé÷àñ åãî âëèÿíèå â áîëüøèíñòâå ñëó÷àåâ ïðåíåáðåæèìî ìàëî, íî ñòîèò ïîä÷åðêíóòü: ÷åì ìåíüøå ìàññà ÷åðíîé äûðû, òåì áîëüøå èíòåíñèâíîñòü èçëó÷åíèÿ è ýíåðãèÿ âûëåòàþùèõ èç íåå ÷àñòèö. ×åì ìåíüøå îäèíî÷íàÿ ÷åðíàÿ äûðà, òåì ëó÷øå åå âèäíî!

148

Ãëàâà 3. Æèçíü ãàëàêòèê

Ðèñ. 3.8. Áîëüøàÿ, ñðåäíÿÿ è ìàëåíüêàÿ ÷åðíûå äûðû. ×åì ìåíüøå ÷åðíàÿ äûðà, òåì áîëüøå ïîòîê ÷àñòèö îò íåå è âñå áîëüøå âèäîâ ÷àñòèö ñ áîëüøèìè ìàññàìè.

Èòàê, ÷åðíàÿ äûðà èçëó÷àåò ñî âðåìåíåì âñå èíòåíñèâíåå. Ýòîò ïðîöåññ èñïàðåíèÿ çàêàí÷èâàåòñÿ ìîùíåéøèì âñïëåñêîì èçëó÷åíèÿ ÷àñòèö âñåõ âèäîâ. Ôîòîíû, ÿâëÿÿñü ïîëíîïðàâíûìè ÷àñòèöàìè, òàêæå èçëó÷àþòñÿ, è âïîëíå âîçìîæíî, ÷òî íåêîòîðûå ôîòîíû, ïðèëåòàþùèå íà Çåìëþ, ÿâëÿþòñÿ ïîñëàíöàìè íåáîëüøèõ ÷åðíûõ äûð. Âñÿ ýòà êàðòèíà, è òàê íå î÷åíü ïðîñòàÿ, óñëîæíÿåòñÿ ïî êðàéíåé ìåðå îäíèì îáñòîÿòåëüñòâîì. Ïðè òåîðåòè÷åñêîì ïðåäñêàçàíèè ñâîéñòâ ÷åðíîé äûðû ïðåäïîëàãàåòñÿ, ÷òî âñÿ åå ìàññà íàõîäèòñÿ âíóòðè åå ãðàâèòàöèîííîãî ðàäèóñà, à îêðóæàþùåå ïðîñòðàíñòâî — ïóñòî.  äåéñòâèòåëüíîñòè âîêðóã ÷åðíûõ äûð âèòàåò âåùåñòâî â ñàìûõ ðàçíûõ ôîðìàõ: ïëàçìà èç çàðÿæåííûõ ÷àñòèö, ôîòîíû, ïëàíåòû, çâåçäû. Âñå îíè ïîä äåéñòâèåì ãðàâèòàöèè ñòðåìÿòñÿ ê ÷åðíîé äûðå è ïåðåñåêàþò åå ãðàâèòàöèîííûé ðàäèóñ, ñ òî÷êè çðåíèÿ ñîïóòñòâóþùåãî íàáëþäàòåëÿ, ò. å. íàáëþäàòåëÿ, äâèæóÐèñ. 3.9. Òðàåêòîðèÿ ôîòîíà, ùåãîñÿ âìåñòå ñ ÷àñòèöàìè. ïðè òÿãèâàåìîãî ÷åðíîé äûðîé. Íî ñ òî÷êè çðåíèÿ äàëåêîãî Ìàññèâíûå ÷åðíûå äûðû

149

íaáëþäàòåëÿ ÷àñòèöû ïðèáëèæàþòñÿ ê ãîðèçîíòó, êàêîâûì ÿâëÿåòñÿ ãðàâèòàöèîííûé ðàäèóñ, áåñêîíå÷íî äîëãî. Íà ðèñ. 3.9 èçîáðàæåíà òðàåêòîðèÿ ôîòîíà ñ òî÷êè çðåíèÿ äàëåêîãî íàáëþäàòåëÿ. Ôîòîí áóäåò äâèãàòüñÿ ïî òðàåêòîðèè, âñå òåñíåå ïðèæèìàþùåéñÿ ê ãðàâèòàöèîííîìó ðàäèóñó. Ñóäüáà âñåõ îñòàëüíûõ ÷àñòèö àíaëîãè÷íà. Êàêîâà æå ìàññà ÷åðíîé äûðû? Íàäî ëè ïðè ïîäñ÷åòå ìàññû ó÷èòûâàòü ýòè ïîäëåòåâøèå ÷àñòèöû? Ïîëíîé ÿñíîñòè íåò äî ñèõ ïîð. Ïîñëåäíåé, íî íå ïî çíà÷åíèþ, ïðîáëåìîé îñòàåòñÿ ïðîèñõîæäåíèå ñâåðõìàññèâíûõ ÷åðíûõ äûð. Åñëè ÷åðíûå äûðû çâåçäíûõ ìàññ äàâíî ïðåäïîëàãàëèñü ó÷åíûìè êàê ïîñëåäíÿÿ ñòàäèÿ æèçíè ìàññèâíûõ çâåçä, òî ñ ÷åðíûìè äûðàìè ìàññîé â ìèëëèîíû ñîëíå÷íûõ âñå íå òàê ïðîñòî. Âîçìîæíî íåñêîëüêî âàðèàíòîâ. Ïåðâûé âàðèàíò — ñàìûé åñòåñòâåííûé. Çâåçäû è íåáîëüøèå ÷åðíûå äûðû ïîñòåïåííî òåðÿþò ñêîðîñòü è «îñåäàþò» ê öåíòðó ãàëàêòèêè. Òàì îíè è ñëèâàþòñÿ â î÷åíü ìàññèâíóþ ÷åðíóþ äûðó. Íåäîñòàòêîì òàêîãî ñöåíàðèÿ ÿâëÿåòñÿ ñëîæíîñòü îáúÿñíåíèÿ ñóùåñòâîâàíèÿ ÷åðíûõ äûð â ðàííèé ïåðèîä, êîãäà çâåçäû åùå òîëüêî ôîðìèðîâàëèñü. Ïîñëåäíèå ìîãëè íå óñïåòü ïîòåðÿòü äîñòàòî÷íî ýíåðãèè, ÷òîáû îáðàçîâàòü ÷åðíóþ äûðó â öåíòðå ìîëîäîé ãàëàêòèêè. Âòîðîé âàðèàíò — ñëèÿíèå ÷åðíûõ äûð ïðîìåæóòî÷íûõ ìàññ (íà÷èíàÿ ñ 1 000 ñîëíå÷íûõ). Ïîõîæå, ÷òî îíè äåéñòâèòåëüíî ñóùåñòâóþò, ïî êðàéíåé ìåðå èíòåðïðåòàöèÿ íàáëþäàòåëüíûõ äàííûõ áëàãîñêëîííà ê íèì. Òàêèå ÷åðíûå äûðû çà ñ÷åò äèíàìè÷åñêîãî òðåíèÿ ìîãóò ñðàâíèòåëüíî áûñòðî îïóñòèòüñÿ â öåíòð è îáðàçîâàòü ÷åðíóþ äûðó ïîäõîäÿùèõ ðàçìåðîâ. Ìîäåëü õîðîøàÿ. Åäèíñòâåííîå òåìíîå îáëà÷êî — ïðîáëåìà ñ âîçíèêíîâåíèåì ÷åðíûõ äûð ïðîìåæóòî÷íûõ ìàññ. Îòñòóïëåíèå. Íåìíîãî î äèíàìè÷åñêîì òðåíèè

Ïðåäïîëîæèì, ÷òî ìàññèâíîå òåëî äâèæåòñÿ ñðåäè ìíîæåñòâà ïîêîÿùèõñÿ îáúåêòîâ ñ ìàëîé ìàññîé, âçàèìîäåéñòâóÿ ñ íèìè íà ðàññòîÿíèè. Ìàëåíüêèé îáúåêò ïîñëå ïðîëåòà ïîáëèçîñòè îò íåãî ìàññèâíîãî òåëà ïðèîáðåòåò íåêèå ýíåðãèþ è èìïóëüñ, à ìàññèâíîå òåëî ñîîòâåòñòâåííî ïîòåðÿåò. Ïîòåðè

150

Ãëàâà 3. Æèçíü ãàëàêòèê

ìàññèâíîãî òåëà áóäóò íåçíà÷èòåëüíû ïî ñðàâíåíèþ ñ åãî çàïàñàìè, íî òàêèõ ïîòåðü áóäåò ìíîãî, ïðîïîðöèîíàëüíî êîíöåíòðàöèè ëåãêèõ îáúåêòîâ. Ïîýòîìó ìàññèâíîå òåëî áóäåò ïëàâíî, íî íåïðåðûâíî òåðÿòü ýíåðãèþ è èìïóëüñ. Ðàññóæäåíèÿ áûëè ïðîâåäåíû äëÿ ïîêîÿùèõñÿ ìàëûõ òåë, íî ñïðàâåäëèâû è äëÿ õàîòè÷íî äâèæóùèõñÿ, ÷òî áîëåå ðåàëèñòè÷íî. Ïðè ýòîì íåêîòîðûå ìàëûå òåëà áóäóò äîãîíÿòü ìàññèâíîå è ïåðåäàâàòü åìó èìïóëüñ è ýíåðãèþ, à íå íàîáîðîò, êàê ïðåäïîëàãàëîñü. Íî âñòðå÷íûå ìàëûå òåëà áóäóò îòáèðàòü èìïóëüñ è ýíåðãèþ. Íåòðóäíî ñîîáðàçèòü, ÷òî âñòðå÷íûõ òåë áóäåò áîëüøå, ÷åì îáãîíÿþùèõ, òàê ÷òî èìïóëüñ è ýíåðãèÿ ìàññèâíîãî òåëà áóäóò âñå-òàêè óìåíüøàòüñÿ.

Åùå îäèí âàðèàíò — ìàññèâíûå ïåðâè÷íûå ÷åðíûå äûðû. Âîîáùå, èìåííî ÷åðíûå äûðû ìîãóò èãðàòü âàæíóþ ðîëü íà íà÷àëüíîé ñòàäèè ôîðìèðîâàíèÿ ãàëàêòèê, ñîáèðàÿ ìàòåðèþ ñâîåé ìîùíîé ãðàâèòàöèåé. Íîâûå îòêðûòèÿ ñâåðõìàññèâíûõ ÷åðíûõ äûð íà äàëåêèõ ðàññòîÿíèÿõ ïðèáàâëÿþò óâåðåííîñòè â ýòîì. Òàêàÿ ñâÿçü çàêîíîìåðíî âûçûâàåò âîïðîñ î òîì, ÷òî ïîÿâèëîñü ñíà÷àëà — ãàëàêòèêà èëè ÷åðíàÿ äûðà. Ïîñëåäíèå äàííûå óêàçûâàþò íà òî, ÷òî èìåííî ÷åðíûå äûðû ìîãóò áûòü ïðè÷èíîé ôîðìèðîâàíèÿ ãàëàêòèê. Äàëüíåéøèå èññëåäîâàíèÿ äîëæíû ïðîÿñíèòü ñèòóàöèþ, è â îáîçðèìîì áóäóùåì ìû ïîéìåì, ÷òî ïîÿâèëîñü ðàíüøå: «êóðèöà» (ãàëàêòèêà) èëè «ÿéöî» (ìàññèâíàÿ ÷åðíàÿ äûðà). Âïðî÷åì, Êîñìîñ — íå ïòèöåôåðìà, è îòâåò ìîæåò îêàçàòüñÿ íåîæèäàííûì. Íàïðèìåð, îáà âàðèàíòà ñîñóùåñòâóþò.

Ìåõàíèçì ðîæäåíèÿ ìàññèâíûõ ïåðâè÷íûõ ÷åðíûõ äûð Ñîâðåìåííûå ìîäåëè èíôëÿöèè øèðîêî èñïîëüçóþò ïîòåíöèàëû ñëîæíîé ôîðìû, ñ íåñêîëüêèìè ìèíèìóìàìè. Ïðè ýòîì ïîÿâëÿåòñÿ ëþáîïûòíàÿ âîçìîæíîñòü îáðàçîâàíèÿ ÷åðíûõ äûð çàäîëãî äî òîãî, êàê çàæãëèñü ïåðâûå çâåçäû. Íà ðèñ. 3.10 èçîáðàæåí ãèïîòåòè÷åñêèé ïîòåíöèàë èíôëàòîííîãî ïîëÿ ñ äâóìÿ ìèíèìóìàìè. Ïðîñòðàíñòâåííàÿ îáëàñòü, ñõåìàòè÷íî íàðèñîâàííàÿ ñëåâà, çàïîëíåíà ïîëåì, âåëè÷èíà êîòîðîãî îòìå÷åíà ÷åðíîé òî÷êîé íà êðèâîé ïîòåíöèàëà. Âî âðåìÿ èíôëÿöèè ýòà îáëàñòü, êàê è âñå îñòàëüíûå, áûñòðî óâåëè÷èâàåòñÿ â ðàçìåðàõ. Êðîìå òîãî, ïîëå âíóòðè Ìåõàíèçì ðîæäåíèÿ ìàññèâíûõ ïåðâè÷íûõ ÷åðíûõ äûð

151

Ðèñ. 3.10. Êâàíòîâîå ðîæäåíèå ïîëåâîé ñòåíêè.

îáëàñòè ìåíÿåòñÿ ñî âðåìåíåì ñëó÷àéíûì îáðàçîì çà ñ÷åò êâàíòîâûõ ôëóêòóàöèé. Íà ñðåäíåì ðèñóíêå ïîêàçàíî, ÷òî ïîëå âíóòðè ïîäîáëàñòè, çàêðàøåííîé ÷åðíûì, ìîæåò ñëó÷àéíî îêàçàòüñÿ ïî äðóãóþ ñòîðîíó «õîëìà» — ìàêñèìóìà ïîòåí öèàëà. Çàòåì èíôëÿöèÿ ìíîãîêðàòíî óâåëè÷èò ðàçìåð ýòîé ìàëåíüêîé îáëàñòè. Êîãäà èíôëÿöèÿ çàêîí÷èòñÿ, ïîëå íà÷íåò áûñòðî ñêàòûâàòüñÿ ê ìèíèìóìó ïîòåíöèàëà, êàê øàðèê ñ ãîðêè. Íî â òî âðåìÿ, êàê ïîëå â îñíîâíîé îáëàñòè ñêàòûâàåòñÿ ê ñâîåìó ìèíèìóìó, òî÷êå «à» íà íèæíåì ðèñóíêå, ïîëå âíóòðè ïîäîáëàñòè äâèæåòñÿ ê äðóãîìó ìèíèìóìó, «b». Íà ðèñ. 3.11, I ïîêàçàíî âîçìîæíîå ðàñïîëîæåíèå â ïðîñòðàíñòâå îáåèõ îáëàñòåé ïîñëå òîãî, êàê ïîëå ñêàòèëîñü â ñîîòâåòñòâóþùèå ìèíèìóìû. Ðàñøèðåíèå ïðîñòðàíñòâà âî âðåìÿ èíôëÿöèè ìíîãîêðàòíî óâåëè÷èëî ðàçìåðû îáåèõ îáëàñ-

152

Ãëàâà 3. Æèçíü ãàëàêòèê

òåé. Ïîñêîëüêó îñíîâíàÿ ïðîñòðàíñòâåííàÿ îáëàñòü è åå ïîäîáëàñòü óâåëè÷èëèñü â îäèíàêîâîå ÷èñëî ðàç, ïîñëåäíÿÿ îñòàëàñü âíóòðè îñíîâíîé îáëàñòè. Òåïåðü îáøèð íàÿ îáëàñòü çàíÿòà ïîëåì «à», â òî âðåìÿ êàê ìåíüøàÿ îáëàñòü ñîäåðæèò ïîëå «b». ßñíî, ÷òî åñëè ìû ïîéäåì (ìûñëåííî) èç âíóòðåííåé îáëàñòè íàðóæó â ëþáîì íàïðàâëåíèè, ò. å. èç îäíîãî ìèíèìóìà â äðóãîé, òî îáÿçàòåëüíî ïîáûâàåì â òî÷êå, ãäå ïîòåíöè àë ìàêñèìàëåí. Çíà÷èò, ìà ëåíüêàÿ îáëàñòü îêðóæåíà Ðèñ. 3.11. Áîëüøèå ñòåíêè ñõëîïûçàìêíóòîé ïîâåðõíîñòüþ ñ ïî- âàþòñÿ â ìàññèâíûå ÷åðíûå äûâûøåííîé ïëîòíîñòüþ ýíåð- ðû, ìàëåíüêèå — èñ÷åçàþò, îñòàâèâ ïîñëå ñåáÿ çàòóõàþùèå êîëåãèè. Âîçíèêëà òàê íàçûâàåìàÿ áàíèÿ ïîëÿ. çàìêíóòàÿ ïîëåâàÿ ñòeíêà. Äàëüíåéøàÿ ýâîëþöèÿ ïðîèñõîäèò ñëåäóþùèì îáðàçîì. Ñòåíêà, îáëàäàÿ èçáûòêoì ýíåðãèè, ñòðåìèòñÿ â ýíåðãåòè÷åñêè íaèáîëåå âûãîäíîå ñîñòîÿíèå: îíà, êàê ìûëüíûé ïóçûðü, ïðèîáðåòàåò ñôåðè÷åñêóþ ôîðìó è ñæèìàåòñÿ (ðèñ. 3.11, II). (Åñëè áû âíóòðè ìûëüíîãî ïóçûðÿ íå áûëî âîçäóõà, îí äåëàë áû òî æå ñàìîå.) Ñóäüáà ìàëåíüêîé ñòåíêè ìàëîèíòåðåñíà: îíà ñæèìàåòñÿ ê öåíòðó, ïðîèñõîäèò ñòîëêíîâåíèå ðàçíûõ åå îáëàñòåé äðóã ñ äðóãîì, è â ðåçóëüòàòå âñÿ åå ýíåðãèÿ ïåðåõîäèò â ðàçëåòàþùèåñÿ âîëíû ïîëÿ, èç êîòîðîãî îíà ñîñòîèò. Ñîâñåì äðóãàÿ ñèòóàöèÿ ñ áîëüøèìè ñòåíêàìè. Ñæèìàÿñü, îíè äîñòàâëÿþò êîëîññàëüíóþ ýíåðãèþ â íåáîëüøîé îáúåì ïðîñòðàíñòâà. Ýòà ýíåðãèÿ óäåðæèâàåòñÿ ãðàâèòàöèîííûì ïîëåì, è îáðàçóåòñÿ êîìïàêòíûé îáúåêò (ðèñ. 3.11, III). Áîëåå ïîäðîáíûé àíàëèç ïîêàçûâàåò, ÷òî òàêèå îáúåêòû — ÷åðíûå äûðû — îáðàçóþòñÿ öåëûìè «ñåìüÿìè», êëàñòåðàìè (ðèñ. 3.12). Êàê âèäíî, íèêàêèõ çâåçä äëÿ îáðàçîâàíèÿ ýòèõ ìàññèâÌåõàíèçì ðîæäåíèÿ ìàññèâíûõ ïåðâè÷íûõ ÷åðíûõ äûð

153

íûõ ïåðâè÷íûõ ÷åðíûõ äûð íå òðåáóåòñÿ! Íàîáîðîò, èìåííî òàêîé êëà ñòåð ÷åðíûõ äûð ñïîñîáåí ñîçäàòü ãðàâèòàöèîííóþ ÿìó è ñîáðàòü òàì äîñòàòî÷íîå êîëè÷åñòâî áàðèîíîâ, èç êîòîðûõ çàòåì è îáðàçóþòñÿ çâåçäû. Óæå èìåþòñÿ ñâåäåíèÿ Ðèñ. 3.12. Ïðèìåðíî òàê ìîã áû âûãëÿ- îá îäèíîêèõ ñâåðõìàññèâäåòü êëàñòåð ìàññèâíûõ ïåðâè÷íûõ íûõ ÷åðíûõ äûðàõ, â îêðó÷åðíûõ äûð çàäîëãî äî ïîÿâëåíèÿ ïåð- æàþùåì ïðîñòðàíñòâå êîâûõ çâåçä. òîðûõ îòñóòñòâóåò ñâåòÿùååñÿ âåùåñòâî. Ýòî ìîæíî ðàññìàòðèâàòü êàê ïîäòâåðæäåíèå ìåõàíèçìà îáðàçîâàíèÿ ìàññèâíûõ ÷åðíûõ äûð, ðàññìîòðåííîãî âûøå. Âîçìîæíà è äðóãàÿ òî÷êà çðåíèÿ: ÷åðíûå äûðû è çâåçäû îáðàçóþòñÿ ïðàêòè÷åñêè îäíîâðåìåííî è ïî îäíîìó è òîìó æå ñöåíàðèþ. Îáëàêà âîäîðîäà è òåìíîé ìàòåðèè ñæèìàþòñÿ ïîä äåéñòâèåì ãðàâèòàöèîííûõ ñèë. Ìàëûå îáëàêà îáðàçóþò çâåçäû, à áîëüøèå — ìàññèâíûå ÷åðíûå äûðû.

Äæåòû Äæåòû ñîïóòñòâóþò æèçíåäåÿòåëüíîñòè ìàññèâíûõ ÷åðíûõ äûð â öåíòðàõ ãàëàêòèê. Íî, ïîñêîëüêó îíè ñàìè ÿâëÿþòñÿ èñòî÷íèêàìè ðåíòãåíîâñêîãî èçëó÷åíèÿ è, çíà÷èò, íåïîñðåäñòâåííî âèäíû ñ Çåìëè, î íèõ ñòîèò ïîãîâîðèòü îòäåëüíî. Äæåòû äîâîëüíî ðàñïðîñòðàíåíû â êîñìîñå — âñïîìíèì ïóëüñàðû. ×åðíûå äûðû, ìàãíèòíîå ïîëå âîêðóã êîòîðûõ åùå áîëüøå, ÷åì âîêðóã íåéòðîííîé çâåçäû, òàêæå ñëóæàò èñòî÷íèêîì äæåòîâ. Î ìåõàíèçìå îáðàçîâàíèÿ äæåòîâ â îáùèõ ÷åðòàõ ãîâîðèëîñü ïðè îáñóæäåíèè íåéòðîííûõ çâåçä, ïîýòîìó ñêàæåì çäåñü îá èõ àñòðîíîìè÷åñêèõ íàáëþäåíèÿõ. Ñîâðåìåííûå îáñåðâàòîðèè îòêðûâàþò âñ¸ íîâûå äæåòû, âûëåòàþùèå èç öåíòðîâ ãàëàêòèê. Òàê, ÿäðî õîðîøî èçó÷åííîé àêòèâíîé ãàëàêòèêè Êåíòàâð A îáðàçóåò ìîùíûé äæåò,

154

Ãëàâà 3. Æèçíü ãàëàêòèê

Ðèñ. 3.13. Õàðàêòåðíûå äæåòû: à) äæåò îò ñâåðõìàññèâíîé ÷åðíîé äûðû â öåíòðå ãàëàêòèêè; á) äæåò îò ÷åðíîé äûðû â äâîéíîé ñèñòåìå. Âåùåñòâî ñî çâåçäû-êîìïàíüîíà ïåðåòåêàåò íà ÷åðíóþ äûðó.

ñîñòîÿùèé èç ÷àñòèö âûñîêèõ ýíåðãèé. Âèäèìûé åãî ðàçìåð — ïðèìåðíî 4 000 ñâåòîâûõ ëåò. Äæåò èñïóñêàåòñÿ ñâåðõ ìàññèâíîé ÷åðíîé äûðîé, íàõîäÿùåéñÿ â öåíòðå ãàëàêòèêè. Áîëüøàÿ ÷àñòü ðåíòãåíîâñêîãî èçëó÷åíèÿ ãåíåðèðóåòñÿ ïðè åãî ñòîëêíîâåíèè ñ ìåæçâåçäíûì ãàçîì. Âïå÷àòëÿþùèå ôîòî ãðàôèè äæåòîâ ìîæíî ëåãêî íàéòè â Èíòåðíåòå. Âîò åùå íåñêîëüêî ïðèìåðîâ. Ñ ïîìîùüþ îáñåðâàòîðèè «×àíäðà» àñòðîíîìû îáíàðóæèëè â äàëåêîì êâàçàðå PKS 1127-145 îãðîìíûé ðåíòãåíîâñêèé äæåò ïðîòÿæåííîñòüþ áîëåå ìèëëèîíà ñâåòîâûõ ëåò, à òàêæå ðåíòãåíîâñêîå çàòåíåíèå, âûçâàííîå ãàëàêòèêîé, ðàñïîëîæåííîé ìåæäó Çåìëåé è êâàçàðîì. Ýòè äâà ðåçóëüòàòà äàþò íîâóþ èíôîðìàöèþ î ñâåðõìàññèâíîé ÷åðíîé äûðå â öåíòðå êâàçàðà, à òàêæå î ñîäåðæàíèè êèñëîðîäà â äàëåêîé ãàëàêòèêå ìèëëèàðäû ëåò íàçàä. Äæåò ÿâëÿåòñÿ ðåçóëüòàòîì âçðûâíîé àêòèâíîñòè, èìåâøåé ìåñòî 10 ìëðä. ëåò íàçàä âáëèçè ñâåðõìàññèâíîé ÷åðíîé äûðû â öåíòðå ãàëàêòèêè. Îí õîðîøî âèäåí â ðåíòãåíîâñêîì Äæåòû

155

Ðèñ. 3.14. Ïîñëåäîâàòåëüíûå èçîáðàæåíèÿ èñòî÷íèêà èçëó÷åíèÿ íà ïðîòÿæåíèè ãîäà. Íåòðóäíî îöåíèòü êàæóùóþñÿ ñêîðîñòü èñòî÷íèêà — ïðèìåðíî 25 ñêîðîñòåé ñâåòà. (Ïî: Piner B. G. et al. [30]).

äèàïàçîíå ïîòîìó, ÷òî ñîñòàâëÿþùèå åãî ÷àñòèöû ñòàëêèâà þòñÿ ñ ðåëèêòîâûìè ôîòîíàìè, ïåðåäàâàÿ èì ÷àñòü ýíåðãèè. Ðàçìåð äæåòà è åãî íåîäíîðîäíîñòü ãîâîðÿò î òîì, ÷òî àêòèâíîñòü ñâåðõìàññèâíîé ÷åðíîé äûðû áûëà äîâîëüíî äëèòåëüíîé è ïåðåìåæàþùåéñÿ, âîçìîæíî, âñëåäñòâèå ñëèÿíèÿ äðóãèõ ãàëàêòèê ñ ðîäíîé ãàëàêòèêîé êâàçàðà. Äðóãîé ðåçóëüòàò, ïîëó÷åííûé ïðè èññëåäîâàíèè ýòîãî æå äæåòà, — çàòåíåíèå â ðåíòãåíîâñêèõ ëó÷àõ, âûçâàííîå ïðîìåæóòî÷íîé ãàëàêòèêîé. Íà ñâîåì ïóòè ê Çåìëå ðåíòãåíîâñêèå ëó÷è îò êâàçàðà PKS 1127-145 ïðîõîäÿò ÷åðåç ãàëàêòèêó, ðàñïîëîæåííóþ íà ðàññòîÿíèè îêîëî 4 ìëðä. ñâåòîâûõ ëåò îò Çåìëè. Àòîìû ðàçëè÷íûõ ýëåìåíòîâ â ýòîé ãàëàêòèêå ïîãëîùàþò ÷àñòü ðåíòãåíîâñêèõ ëó÷åé è òåì ñàìûì îñëàáëÿþò èõ ïîòîê. Èçó÷èâ ñïåêòðû ïîãëîùåíèÿ, àñòðîôèçèêè ñìîãëè îïðåäåëèòü, ÷òî êîëè÷åñòâî êèñëîðîäà â çàòåíÿþùåé ãàëàêòèêå ñîñòàâëÿåò òîëüêî 20% îò åãî êîëè÷åñòâà â íàøåé ãàëàêòèêå — Ìëå÷íîì Ïóòè. Ýòî î÷åíü èíòåðåñíîå îòêðûòèå. Îíî ëèøíèé ðàç ïîäòâåðæäàåò ñîâðåìåííûå ïðåäñòàâëåíèÿ î òîì, ÷òî òàêèå ýëåìåíòû, êàê êèñëîðîä, êðåìíèé è ñåðà, íàðàáàòûâàþòñÿ âíóòðè çâåçä âî âðåìÿ òåðìîÿäåðíîãî íóêëåîñèíòåçà è ðàññåèâàþòñÿ ïðè âçðûâàõ. Ñî âðåìåíåì áëàãîäàðÿ ýòèì âðûâàì ãàëàêòèêè îáîãàùàþòñÿ êèñëîðîäîì è äðóãèìè ýëåìåíòàìè, íåîáõîäèìûìè äëÿ âîçíèêíîâåíèÿ ïëàíåò è ñóùåñòâîâàíèÿ æèçíè. Òî, ÷òî äàëåêàÿ ãàëàêòèêà ñîäåðæèò ìà-

156

Ãëàâà 3. Æèçíü ãàëàêòèê

ëî êèñëîðîäà, õîðîøî ñîãëàñóåòñÿ ñ ýòîé êàðòèíîé, ïîñêîëüêó ìû âèäèì åå åùå ìîëîäîé. Òàê ñìåðòü îäíèõ ñòðóêòóð (çâåçä) ÿâëÿåòñÿ óñëîâèåì ïîÿâëåíèÿ äðóãèõ (ëþäåé). Èíîãäà ïðè íàáëþäåíèè çà äæåòàìè ñîçäàåòñÿ âïå÷àòëåíèå, ÷òî ñêîðîñòü ñòðóè ïðåâûøàåò ñêîðîñòü ñâåòà. Ýòî âûçûâàåò íåäîóìåíèå: âåäü áûòóåò ìíåíèå, ÷òî íè÷òî íå ìîæåò äâèãàòüñÿ ñî ñêîðîñòüþ, áîëüøåé ñêîðîñòè ñâåòà. Íà ñàìîì äåëå áûñòðåå ñêîðîñòè ñâåòà íåëüçÿ ïåðåäàâàòü ëèøü ýíåðãèþ. Íàïðèìåð, êîãäà ãèëüîòèíà îïóñêàåòñÿ, ïåðåêðåñòèå ïîäâèæíîãî è íåïîäâèæíîãî íîæåé ìîæåò äâèãàòüñÿ ñ ëþáîé ñêîðîñòüþ, â çàâèñèìîñòè îò óãëà íàêëîíà îäíîãî èç íèõ. Àíàëîãè÷íàÿ ñèòóàöèÿ è ñ êàæóùèìèñÿ «ñâåðõñâåòîâûìè» äæåòàìè, ïðè÷åì èìååòñÿ ïî êðàéíåé ìåðå äâà îáúÿñíåíèÿ. Ïåðâîå ñîñòîèò â òîì, ÷òî íà äæåò, ïîïåðåê íåãî, íàäâèãàåòñÿ ãàçîâîå îáëàêî. Åñëè êàêàÿ-ëèáî ÷àñòü îáëàêà ïåðåñåêàåò äæåò, îíà íàãðåâàåòñÿ è íà÷èíàåò èçëó÷àòü ôîòîíû. Ñëåäóþùàÿ ÷àñòü âõîäèò â çîíó äåéñòâèÿ äæåòà ÷óòü ïîçæå è íà÷èíàåò èçëó÷àòü ÷óòü ïîçæå — ê ýòîìó ìîìåíòó ïðåäûäóùàÿ îáëàñòü âûøëà èç çîíû äåéñòâèÿ äæåòà è ïåðåñòàëà ñâåòèòüñÿ. Íàáëþäàòåëþ êàæåòñÿ, ÷òî ãîðÿ÷àÿ îáëàñòü ïåðåìåùàåòñÿ ñ áîëüøîé ñêîðîñòüþ, èíîãäà ïðåâûøàþùåé ñêîðîñòü ñâåòà. Ýòî â òî÷íîñòè «ãèëüîòèííûé» ýôôåêò. Âòîðîå îáúÿñíåíèå áîëåå ñëîæíî. Îíî îñíîâàíî íà ýôôåêòàõ ñïåöèàëüíîé òåîðèè îòíîñèòåëüíîñòè è èçëîæåíî â Ïðèëîæåíèè 8.

Êâàçàðû Êâàçàðû, îòêðûòûå âñåãî 40 ëåò íàçàä, íå íà øóòêó îçàäà÷èëè ó÷åíûõ ñâîåé ôåíîìåíàëüíîé ÿðêîñòüþ ñâå÷åíèÿ è êîìïàêòíîñòüþ ðàçìåðîâ. È òîëüêî íåäàâíî àñòðîôèçèêàì óäàëîñü ïîíÿòü, îòêóäà ýòè «äèíîçàâðû Âñåëåííîé» ÷åðïàþò ýíåðãèþ, íåîáõîäèìóþ äëÿ òîãî, ÷òîáû ñèÿòü íà çâåçäíîì íåáå ñ òàêîé óäèâèòåëüíîé ÿðêîñòüþ. «Íåíóæíîå» îòêðûòèå

 1960 ã. àñòðîíîìû T. Ìýòòüþç è A. Ñåíäèäæ, ðàáîòàÿ íà 5-ìåòðîâîì òåëåñêîïå, ðàñïîëîæåííîì íà ãîðå Ïàëîìàð â Êàëèôîðíèè, îáíàðóæèëè íè÷åì íå ïðèìå÷àòåëüíóþ, åëå çàìåòíóþ â Êâàçàðû

157

ëþáèòåëüñêèé òåëåñêîï çâåçäî÷êó 13-é âåëè÷èíû â ñîçâåçäèè Äåâû. È èìåííî èç ýòîé «èñêðû» âîçãîðåëîñü ïëàìÿ! Âñå íà÷àëîñü ñ òîãî, ÷òî â 1963 ã. Ìàðòèíîì Øìèäòîì áûëî îáíàðóæåíî, ÷òî ýòîò îáúåêò (ïî êàòàëîãó 3Ñ 273) èìååò î÷åíü áîëüøîå êðàñíîå ñìåùåíèå. Çíà÷èò, ðàñïîëîæåí îí ÷ðåçâû÷àéíî äàëåêî îò íàñ è î÷åíü ÿðîê. Ðàñ÷åòû ïîêàçàëè, ÷òî 3Ñ 273 íàõîäèòñÿ íà ðàññòîÿíèè 620 ìåãàïàðñåê è óäàëÿåòñÿ ñî ñêîðîñòüþ 44 òûñ. êì/ñ. Îáû÷íóþ çâåçäó ñ òàêîãî ðàññòîÿíèÿ íå óâèäèøü, à íà áîëüøóþ çâåçäíóþ ñèñòåìó, òèïà ãàëàêòèêè, êâàçàð (òàêîå íàçâàíèå ïîëó÷èëè ýòè îáúåêòû), áóäó÷è î÷åíü ìàëåíüêèì, áûë íå ïîõîæ.  òîì æå 1963 ãîäó 3Ñ 273 áûë îòîæäåñòâëåí ñ ìîùíûì ðàäèîèñòî÷íèêîì. Ðàäèîòåëåñêîïû òîãäà íå áûëè ñòîëü òî÷íû â îïðåäåëåíèè íàïðàâëåíèÿ íà èñòî÷íèê ðàäèîâîëí, êàê ñåé÷àñ, ïîýòîìó çâåçäíûå êîîðäèíàòû êâàçàðà 3Ñ 273 áûëè îïðåäåëåíû ïóòåì íàáëþäåíèÿ åãî ïîêðûòèÿ Ëóíîé â îáñåðâàòîðèè Ïàðêñêîì â Àâñòðàëèè. Òàêèì îáðàçîì, ïåðåä àñòðîôèçèêàìè ïðåäñòàë ñîâåðøåííî íåîáû÷íûé îáúåêò, ÿðêî ñâåðêàâøèé â âèäèìîì è ðàäèîäèàïàçîíå ýëåêòðîìàãíèòíûõ âîëí. Íà äàííûé ìîìåíò îáíàðóæåíî óæå áîëåå 20 òûñÿ÷ òàêèõ çâåçäîïîäîáíûõ îáúåêòîâ, ÷àñòü èç êîòîðûõ õîðîøî âèäíà òàêæå â ðåíòãåíîâñêîì è ðàäèîäèàïàçîíå. Ìîñêîâñêèå àñòðîíîìû À. Øàðîâ è Þ. Åôðåìîâ ðåøèëè âûÿñíèòü, êàê ìåíÿëàñü ñâåòèìîñòü 3Ñ 273 â ïðîøëîì. Îíè íàøëè 73 ôîòîãðàôèè ýòîãî îáúåêòà, ñàìàÿ ðàííÿÿ èç êîòîðûõ äàòèðîâàëàñü 1896 ã. Îêàçàëîñü, ÷òî îáúåêò 3Ñ 273 íåñêîëüêî ðàç ìåíÿë ñâîþ ÿðêîñòü ïî÷òè â 2 ðàçà, à èíîãäà, íàïðèìåð â ïåðèîä ñ 1927 ïî 1929 ãã., â 3–4 ðàçà. Íàäî ñêàçàòü, ÷òî ôåíîìåí ïåðåìåííîé ÿðêîñòè áûë îáíàðóæåí åùå ðàíüøå. Òàê, èññëåäîâàíèÿ, ïðîâåäåííûå â Ïóëêîâñêîé îáñåðâàòîðèè â 1956 ã., ïîêàçàëè, ÷òî ÿäðî ãàëàêòèêè NGC 5548 äîñòàòî÷íî ñèëüíî èçìåíÿåò ñî âðåìåíåì ñâîþ ÿðêîñòü. Òåïåðü ñïåöèàëèñòû ïîíèìàþò âñþ âàæíîñòü ýòîãî íàáëþäåíèÿ, íî íåñêîëüêî äåñÿòèëåòèé íàçàä ó÷åíûå áûëè óáåæäåíû, ÷òî èçëó÷åíèå îò ÿäåð ãàëàêòèê â îïòè÷åñêîì äèàïàçîíå îáåñïå÷èâàåòñÿ èñêëþ÷èòåëüíî ìèëëèàðäàìè íàõîäÿùèõñÿ òàì çâåçä, è äàæå åñëè íåñêîëüêî òûñÿ÷ èç íèõ ïî êà-

158

Ãëàâà 3. Æèçíü ãàëàêòèê

êèì-òî ïðè÷èíàì ïîãàñíóò, òî ñ Çåìëè ýòîãî çàìåòíî íå áó äåò. Çíà÷èò, ðàññóæäàëè ó÷åíûå, áîëüøèíñòâî çâåçä â ÿäðå ãà ëàêòèêè äîëæíû áûëè áû «ìèãàòü» ñèíõðîííî! Ýòî êàçàëîñü íåâîçìîæíûì, ïîñêîëüêó óïðàâëÿòü ïîäîáíûì îðêåñòðîì íå ïîä ñèëó íè îäíîìó äèðèæåðó. Òàêèì îáðàçîì, èìåííî èç-çà ñâîåé àáñîëþòíîé íåïîíÿòíîñòè ýòî îòêðûòèå è íå ïðèâëåêëî ê ñåáå îñîáîãî âíèìàíèÿ. Äàëüíåéøèå íàáëþäåíèÿ ïîêàçàëè, ÷òî èçìåíåíèå èíòåíñèâíîñòè èçëó÷åíèÿ ñ ïåðèîäîì íåñêîëüêî ìåñÿöåâ — äëÿ êâàçàðîâ ÿâëåíèå îáû÷íîå, è ðàçìåð îáëàñòè èçëó÷åíèÿ íå ïðåâîñõîäèò ðàññòîÿíèÿ, êîòîðîå ïðîõîäèò ñâåò çà ýòè ñàìûå íåñêîëüêî ìåñÿöåâ. À äëÿ òîãî, ÷òîáû èçìåíåíèÿ âî âñåõ òî÷êàõ îáëàñòè ïðîèñõîäèëè îäíîâðåìåííî, íóæíî, ÷òîáû èíôîðìàöèÿ î íà÷èíàþùåìñÿ èçìåíåíèè óñïåëà äîéòè äî âñåõ òî÷åê. Ïîíÿòíî, ÷òî ìàòåðèÿ êâàçàðà èçëó÷àåò ñâåò íå ïî êîìàíäå, à â ñèëó ïðîèñõîäÿùèõ íà íåì ïðîöåññîâ, íî ôàêò ñèíõðîííîñòè èçìåíåíèÿ óñëîâèé è âåëè÷èíû èçëó÷åíèÿ óêàçûâàåò íà êîìïàêòíîñòü äàííîãî êâàçèçâåçäíîãî îáúåêòà. Ïîïåðå÷íèê áîëüøèíñòâà êâàçàðîâ, ïî-âèäèìîìó, íå ïðåâûøàåò îäíîãî ñâåòîâîãî ãîäà, ÷òî â ñîòíè òûñÿ÷ ðàç ìåíüøå ðàçìåðîâ ãàëàêòèêè, à ñâåòÿò îíè ïðè ýòîì ïîðîé êàê öåëàÿ ñîòíÿ ãàëàêòèê.  ñïåêòðå èçëó÷åíèÿ êâàçàðà ïðåäñòàâëåíû âñå äëèíû âîëí, ðåãèñòðèðóåìûå ñîâðåìåííûìè äåòåêòîðàìè, — îò ðàäèîâîëí äî æåñòêîãî ãàììà-èçëó÷åíèÿ ñ ýíåðãèåé êâàíòîâ â íåñêîëüêî òåðàýëåêòðîíâîëüò. Òåì íå ìåíåå íàçâàíèå «êâàçàð» ïðîèçîøëî îò àíãëèéñêîãî «quasar» («quasi-stellar radio source») — «çâåçäîïîäîáíûé èñòî÷íèê ðàäèîâîëí». Îáúÿñíåíèå ýòîãî ôàêòà ïðîñòîå: â íà÷àëå 1960-õ ãã. êâàçàðû áûëè âïåðâûå îáíàðóæåíû èìåííî â ðàäèîäèàïàçîíå. Íà äàííûé ìîìåíò ëèøü ó 1% êâàçàðîâ âûÿâëåíî çàìåòíîå èçëó÷åíèå ýíåðãèè â âèäå ðàäèîâîëí. Òåïåðü ÷àñòî ìîæíî âñòðåòèòü îáîçíà÷åíèå «QSO» («quasi-stellar objects») — çâåçäîïîäîáíûå îáúåêòû. Äàëüíåéøèå èññëåäîâàíèÿ ïîêàçàëè, ÷òî êâàçàð ãîðàçäî áîëüøå çâåçäû è äàæå Ñîëíå÷íîé ñèñòåìû. Ïî êîñìè÷åñêèì ìåðêàì ýòî âñå ðàâíî íè÷òîæíî ìàëî — âåäü èçëó÷àåò îí êàê ìíîæåñòâî ãàëàêòèê. Ïðè ýòîì ÿðêîñòü êâàçàðîâ ñóùåñòâåííî Êâàçàðû

159

ìåíÿåòñÿ çà âðåìÿ îò ñóòîê äî ìåñÿöåâ, ÷òî ñîâåðøåííî íå ñâîéñòâåííî îáû÷íûì ãàëàêòèêàì. Êâàçàðû, ÿâëÿþùèåñÿ îäíèìè èç ñàìûõ äðåâíèõ îáðàçîâàíèé, ðîäèëèñü ïî÷òè îäíîâðåìåííî ñî Âñåëåííîé, òî åñòü ïðèìåðíî 13 ìëðä. ëåò íàçàä. Ïðè÷åì îíè íå òîëüêî êðàéíå îòäàëåíû îò íàøåé Ãàëàêòèêè — ñîãëàñíî çàêîíó ðàñøèðåíèÿ Õàááëà (÷åì äàëüøå îò íàñ îáúåêò, òåì áûñòðåå îí óäàëÿåòñÿ) ðàññòîÿíèå ìåæäó íàìè ïðîäîëæàåò íåóêëîííî óâåëè÷èâàòüñÿ. Òàê âîò, íàèáîëåå äàëåêèå êâàçàðû «óáåãàþò» îò íàñ ñî ñêîðîñòüþ, âñåãî íà 5% ìåíüøåé ñêîðîñòè ñâåòà. Êâàçàð — ÿðêàÿ ÷åðíàÿ äûðà? Âñÿêèé, êòî ñòðåìèòñÿ ïîæèâèòüñÿ íà ÷óæîé ñ÷åò, îáÿçàòåëüíî êîí÷àåò ïëîõî! Ìàî Öçýäóí

Êàê ýòî îáû÷íî è áûâàåò, ñðàçó ïîñëå îáíàðóæåíèÿ êâàçàðîâ íà÷àëèñü ïîïûòêè ââåäåíèÿ íîâûõ çàêîíîâ ôèçèêè, õîòÿ ïîíà÷àëó íåïîíÿòíî áûëî äàæå, èç êàêîãî æå èìåííî âåùåñòâà îíè ñîñòîÿò, ñòîëü íåîáû÷íûì áûë ñïåêòð èõ èçëó÷åíèÿ. Âïðî÷åì, ïðîøëî ñîâñåì íåìíîãî âðåìåíè, è õèìè÷åñêèé ñîñòàâ èçëó÷àþùèõ îáëàñòåé êâàçàðîâ áûë îïîçíàí ïî ñïåêòðàëüíûì ëèíèÿì èçâåñòíûõ õèìè÷åñêèõ ýëåìåíòîâ. Îêàçàëîñü, ÷òî âîäîðîä è ãåëèé â êâàçàðàõ èäåíòè÷íû çåìíûì, âîò òîëüêî ñïåêòðû èõ èçëó÷åíèÿ ñèëüíî ñìåùåíû â êðàñíóþ ñòîðîíó èç-çà áîëüøîé ñêîðîñòè óáåãàíèÿ èñòî÷íèêîâ. Íà ñåãîäíÿøíèé äåíü íàèáîëåå ðàñïðîñòðàíåíà òî÷êà çðåíèÿ, ñîãëàñíî êîòîðîé êâàçàð — ýòî ñâåðõìàññèâíàÿ ÷åðíàÿ äûðà, âòÿãèâàþùàÿ â ñåáÿ îêðóæàþùåå âåùåñòâî (àêêðåöèÿ). Ïî ìåðå ïðèáëèæåíèÿ ê ÷åðíîé äûðå çàðÿæåííûå ÷àñòèöû ðàçãîíÿþòñÿ, ñòàëêèâàþòñÿ, ÷òî ïðèâîäèò ê ñèëüíîìó èçëó÷åíèþ ñâåòà. Åñëè ÷åðíàÿ äûðà ïðè ýòîì èìååò ìîùíîå ìàãíèòíîå ïîëå, òî îíî äîïîëíèòåëüíî çàêðó÷èâàåò ïàäàþùèå ÷àñòèöû è ñîáèðàåò èõ èçëó÷åíèå â òîíêèå ïó÷êè — äæåòû, ðàçëåòàþùèåñÿ îò ïîëþñîâ. Ïîä äåéñòâèåì ìîùíûõ ãðàâèòàöèîííûõ ñèë, ñîçäàâàåìûõ ÷åðíîé äûðîé, âåùåñòâî óñòðåìëÿåòñÿ ê öåíòðó, íî äâèæåòñÿ ïðè ýòîì íå ïî ðàäèóñó, à ïî ñóæàþùèìñÿ îêðóæíîñòÿì, ò. å.

160

Ãëàâà 3. Æèçíü ãàëàêòèê

ïî ñïèðàëè. Ïðè ýòîì çàêîí ñîõðàíåíèÿ ìîìåíòà èìïóëüñà çàñòàâëÿåò âðàùàþùèåñÿ ÷àñòèöû äâèãàòüñÿ âñå áûñòðåå ïî ìåðå ïðèáëèæåíèÿ ê öåíòðó ÷åðíîé äûðû, îäíîâðåìåííî ñîáèðàÿ èõ â àêêðåöèîííûé äèñê, òàê ÷òî âñÿ «êîíñòðóêöèÿ» êâàçàðà ÷åì-òî íàïîìèíàåò Ñàòóðí ñ åãî êîëüöàìè.  àêêðåöèîííîì äèñêå ñêîðîñòè ÷àñòèö î÷åíü âåëèêè, èõ ñòîëêíîâåíèÿ ïîðîæäàþò íå òîëüêî ýëåêòðîìàãíèòíîå èçëó÷åíèå, íî è ýíåðãè÷íûå ôîòîíû ñ áîëåå êîðîòêèìè äëèíàìè âîëí (ðåíòãåíîâñêîå èçëó÷åíèå). Ïðè ñòîëêíîâåíèÿõ ýíåðãèÿ ÷àñòèö è ñêîðîñòü êðóãîâîãî äâèæåíèÿ óìåíüøàþòñÿ, îíè ïðèáëèæàþòñÿ ê ÷åðíîé äûðå è ïîãëîùàþòñÿ åþ.  öåíòðå àêêðåöèîííîãî äèñêà òåìïåðàòóðà äîñòèãàåò 100 000 K. Ýòà îáëàñòü èçëó÷àåò ðåíòãåíîâñêèå ëó÷è. ×óòü äàëüøå îò öåíòðà òåìïåðàòóðà íåìíîãî íèæå — ïðèìåðíî 50 000 K, òàì èçëó÷àåòñÿ óëüòðàôèîëåò. Ñ ïðèáëèæåíèåì æå ê ãðàíèöå àêêðåöèîííîãî äèñêà òåìïåðàòóðà ïàäàåò, è â ýòîé îáëàñòè ïðîèñõîäèò èçëó÷åíèå ýëåêòðîìàãíèòíûõ âîëí âñå áîëüøåé äëèíû, âïëîòü äî èíôðàêðàñíîãî äèàïàçîíà. ×àñòü çàðÿæåííûõ ÷àñòèö íàïðàâëÿåòñÿ ìàãíèòíûì ïîëåì ê ïîëþñàì ÷åðíîé äûðû. Òàì ïðîèñõîäÿò ñëîæíûå äèíàìè÷åñêèå ïðîöåññû ñòîëêíîâåíèÿ ÷àñòèö íà ôîíå ìîùíîãî âðàùàþùåãîñÿ ìàãíèòíîãî ïîëÿ ÷åðíîé äûðû.  ðåçóëüòàòå íåêîòîðàÿ äîëÿ ÷àñòèö âûëåòàåò èç ïîëþñîâ ñ îêîëîñâåòîâîé ñêîðîñòüþ. Òàê îáðàçóþòñÿ íàáëþäàåìûå ó÷åíûìè äæåòû, äëèíà êîòîðûõ äîñòèãàåò 1 ìëí. ñâåòîâûõ ëåò. ×àñòèöû â äæåòå ñòàëêèâàþòñÿ ñ ìåæçâåçäíûì ãàçîì, èçëó÷àÿ ðàäèîâîëíû, êîòîðûå òàêæå óëàâëèâàþòñÿ äåòåêòîðàìè, ðàñïîëîæåííûìè íà Çåìëå. Îòñòóïëåíèå. Ïðåäåë Ýääèíãòîíà

Ìàññèâíàÿ ÷åðíàÿ äûðà ñàìà ïî ñåáå èçëó÷àåò ýëåêòðîìàãíèòíûå âîëíû áëàãîäàðÿ ýôôåêòó, îòêðûòîìó Õîêèíãîì. Êàê ìû âèäåëè, äëÿ áîëüøèõ ÷åðíûõ äûð ýòî èçëó÷åíèå íàñòîëüêî ñëàáî, ÷òî â íàøåì ñëó÷àå íå èãðàåò íèêàêîé ðîëè. Åñëè æå âîêðóã ÷åðíîé äûðû ïîÿâëÿåòñÿ çàðÿæåííîå âåùåñòâî, òî îíî óñòðåìëÿåòñÿ ê íåé, èçëó÷àÿ ôîòîíû. ×åì áîëüøå âåùåñòâà âîêðóã è ÷åì áîëåå ìàññèâíà ÷åðíàÿ äûðà, òåì áîëüøå ôîòîíîâ èñïóñêàåòñÿ ïðè àêêðåöèè. Ñóùåñòâóåò ëè ïðåäåë èíòåíñèâíîñòè èçëó÷åíèÿ, èëè êîëè÷åñòâî èçëó÷àåìîé ýíåðãèè ìîæåò áûòü ñêîëü óãîäíî áîëüøèì?

Êâàçàðû

161

Îêàçûâàåòñÿ, ñóùåñòóåò åñòåñòâåííûé ïðåäåë, íàçâàííûé â ÷åñòü ó÷åíîãî, âïåðâûå èññëåäîâàâøåãî ýòó ïðîáëåìó, ïðåäåëîì Ýääèíãòîíà. Ôèçè÷åñêè ñèòóàöèÿ äîâîëüíî ïîíÿòíàÿ. ×åì áîëüøå óñêîðÿþùèõñÿ ÷àñòèö äâèæåòñÿ ê öåíòðó, òåì èíòåíñèâíåå ñóììàðíîå èçëó÷åíèå îò íèõ, òåì áîëüøå ôîòîíîâ ëåòèò îò öåíòðà. Ïðè ýòîì îíè îõîòíî ñòàëêèâàþòñÿ ñî âñòðå÷íûìè çàðÿæåííûìè ÷àñòèöàìè è òîðìîçÿò èõ äâèæåíèå ê öåíòðó. Áîëüøå ôîòîíîâ — áîëüøå òîðìîæåíèå. Íàñòóïàåò ìîìåíò, êîãäà ïðèòÿæåíèå ÷àñòèö ÷åðíîé äûðîé ïî÷òè óðàâíîâåøèâàåòñÿ èõ òîðìîæåíèåì ôîòîíàìè. Ïîòîê ÷àñòèö ñòðåìèòåëüíî óìåíüøàåòñÿ. Çíà÷èò, èìååòñÿ ïðåäåë èíòåíñèâíîñòè èçëó÷åíèÿ. Âûðàæåíèå äëÿ ýääèíãòîíîâñêîãî ïðåäåëà ñâåòèìîñòè êîìïàêòíûõ îáúåêòîâ ìîæíî ïîëó÷èòü, åñëè ïðèðàâíÿòü ãðàâèòàöèîííóþ ñèëó FG, äåéñòâóþùóþ íà îêðóæàþùåå âåùåñòâî ñî ñòîðîíû ÷åðíîé äûðû, è ñèëó Fph, ñ êîòîðîé óëåòàþùèå ôîòîíû óäåðæèâàþò âåùåñòâî îò ïàäåíèÿ íà öåíòð, FG = Fph . Ãðàâèòàöèîííàÿ ñèëà FG =

(3.3)

GMmp

. Îáðàòèòå âíèìàíèå, ÷òî â íår2 áîëüøîì îáúåìå îêðóæàþùåé ïëàçìû åñòü êàê ïðîòîíû, òàê è ýëåêòðîíû, ñâÿçàííûå äðóã ñ äðóãîì êóëîíîâñêèìè ñèëàìè. Ñèëà òÿãîòåíèÿ, äåéñòâóþùàÿ íà ïðîòîíû, âíîñèò îñíîâíîé âêëàä (ìàññà ïðîòîíà ïðèìåðíî â 2 000 ðàç áîëüøå ìàññû ýëåêòðîíà), è ìîæíî ó÷èòûâàòü òîëüêî åå. Ñèëà äàâëåíèÿ óëåòàþùèõ ôîòîíîâ, äðóãèìè ñëîâàìè, ñèëà òðåíèÿ, âû÷èñëÿåòñÿ íå òàê ëåãêî. ßñíî, îäíàêî, ÷òî ýòà âåëè÷èíà äîëæíà áûòü ïðîïîðöèîíàëüíà âåëè÷èíå âçàèìîäåéñòâèÿ ôîòîíîâ ñ ïëàçìîé. Èíòåðåñíî, ÷òî, ñîãëàñíî òî÷íûì ðàñ÷åòàì, ýòà âåëè÷èíà ãîðàçäî áîëüøå äëÿ ýëåêòðîíîâ, ÷åì äëÿ ïðîòîíîâ. Âîçíèêàåò ëþáîïûòíàÿ ñèòóàöèÿ: íà íåáîëüøóþ îáëàñòü ïëàçìû äåéñòâóþò äâå ïðîòèâîïîëîæíûå ñèëû: ñèëà ïðèòÿæåíèÿ äåéñòâóåò â îñíîâíîì íà ïðîòîíû, à ñèëà òîðìîæåíèÿ — íà ýëåêòðîíû. Íå ðàçäåëÿþòñÿ æå îíè áëàãîäàðÿ êóëîíîâñêîìó ïðèòÿæåíèÿ ìåæäó íèìè. Î÷åâèäíî òàêæå, ÷òî ñèëà òîðìîæåíèÿ ïðîïîðöèîíàëüíà ÷èñëó óëåòàþùèõ ôîòîíîâ â ñåêóíäó è èõ ñðåäíåé ýíåðãèè. Çíà÷èò, Fph ~ L, ãäå L — ñâåòèìîñòü îáúåêòà, â äàííîì ñëó÷àå ÷åðíîé äûðû. (Ñâåòèìîñòü — ýíåðãèÿ, óõîäÿùàÿ ñî âñåé ïîâåðõíîñòè â ñåêóíäó.) Ïîñëå âû÷èñëåíèé ñ èñïîëüçîâàíèåì ðàâåíñòâà (3.3) ìîæíî ïîëó÷èòü ìàêñèìàëüíóþ ñâåòèìîñòü îáúåêòà çà ñ÷åò àêêðåöèè îêðóæàþùåãî âåùåñòâà:

LEdd •10 38

162

M (ýðã/ñ). M¤

Ãëàâà 3. Æèçíü ãàëàêòèê

Ñâåòèìîñòü ÷åðíûõ äûð ñ ìàññàìè 107–109 ñîëíå÷íûõ ìàññ, ñîãëàñíî ýòîé ôîðìóëå, äîëæíà ñîñòàâëÿòü 1045–1047 ýðã/ñ, ÷òî êàê ðàç è íàáëþäàåòñÿ ó êâàçàðîâ.

Íå íàäî çàáûâàòü è î òîì, ÷òî ñâåò îò äàëåêèõ êâàçàðîâ ïðèõîäèò ê íàì ñèëüíî «ïîêðàñíåâøèì». Äëÿ êîëè÷åñòâåííîãî îïðåäåëåíèÿ ñòåïåíè ïîêðàñíåíèÿ àñòðîíîìû èñïîëüçóþò ïàðàìåòð z. Âûðàæåíèå z + 1 ïîêàçûâàåò, âî ñêîëüêî ðàç óâåëè÷èëàñü äëèíà âîëíû ýëåêòðîìàãíèòíîãî èçëó÷åíèÿ, äîëåòåâøåãî îò èñòî÷íèêà (êâàçàðà) äî Çåìëè. Òàê, åñëè ïîÿâëÿåòñÿ ñîîáùåíèå, ÷òî îáíàðóæåí êâàçàð ñ z = 4, òî ýòî îçíà÷àåò, ÷òî óëüòðàôèîëåòîâîå èçëó÷åíèå ñ äëèíîé âîëíû 300 íàíîìåòðîâ ðåãèñòðèðóåòñÿ íà Çåìëå êàê èíôðàêðàñíîå èçëó÷åíèå ñ äëèíîé âîëíû 1 500 íàíîìåòðîâ. Ïðè÷åì äëÿ èññëåäîâàòåëåé ýòî áîëüøàÿ óäà÷à, âåäü óëüòðàôèîëåòîâàÿ ÷àñòü ñïåêòðà ïîãëîùàåòñÿ àòìîñôåðîé, è â èíîé ñèòóàöèè ýòè ëèíèè íèêîãäà áû íå íàáëþäàëèñü. Çäåñü æå äëèíà âîëíû çà ñ÷åò êðàñíîãî ñìåùåíèÿ óâåëè÷èâàåòñÿ — êàê áóäòî ñïåöèàëüíî äëÿ òîãî, ÷òîáû ëó÷è ïðîøëè ñêâîçü çåìíóþ àòìîñôåðó è áûëè çàðåãèñòðèðîâàíû ïðèáîðàìè. Ñîãëàñíî äðóãîé, ìåíåå ïîïóëÿðíîé òî÷êå çðåíèÿ, êâàçàðû — ýòî ïåðâûå ìîëîäûå ãàëàêòèêè, è ìû ïðîñòî íàáëþäàåì ïðîöåññ èõ çàðîæäåíèÿ. Âïðî÷åì, ñóùåñòâóåò è ïðîìåæóòî÷íûé, õîòÿ âåðíåå áûëî áû ñêàçàòü «îáúåäèíåííûé», âàðèàíò ãèïîòåçû, ñîãëàñíî êîòîðîìó êâàçàð — ýòî ÷åðíàÿ äûðà, ïîãëîùàþùàÿ âåùåñòâî ôîðìèðóþùåéñÿ ãàëàêòèêè. Òàê èëè èíà÷å, íî ïðåäïîëîæåíèå î ñâåðõìàññèâíûõ ÷åðíûõ äûðàõ â öåíòðàõ ãàëàêòèê îêàçàëîñü ïëîäîòâîðíûì è ñïîñîáíûì îáúÿñíèòü ìíîãèå ñâîéñòâà êâàçàðîâ. Íàïðèìåð, ìàññà ÷åðíîé äûðû, íàõîäÿùåéñÿ â öåíòðå òèïè÷íîé ãàëàêòèêè, ñîñòàâëÿåò 106–1010 ñîëíå÷íûõ ìàññ, è, ñëåäîâàòåëüíî, åå ãðàâèòàöèîííûé ðàäèóñ âàðüèðóåòñÿ îò 3 · 106 äî 3 · 1010 êì, ÷òî ñîãëàñóåòñÿ ñ ïðèâåäåííîé âûøå îöåíêîé ðàçìåðîâ êâaçàðîâ. Íîâåéøèå äàííûå òàêæå ïîäòâåðæäàþò êîìïàêòíîñòü îáëàñòåé, èç êîòîðûõ èñõîäèò ñâå÷åíèå. Íàïðèìåð, ïÿòèëåòíèå íàáëþäåíèÿ ïîçâîëèëè îïðåäåëèòü îðáèòû 6 çâåçä, îáðàùàþùèõñÿ îêîëî öåíòðà èçëó÷åíèÿ â íàøåé ãàëàêòèêå. Îäíà èç Êâàçàðû

163

íèõ íåäàâíî ïðîëåòåëà ñî ñêîðîñòüþ 9 000 êì/ñ íà ðàññòîÿíèè âñåãî 8 ñâåòîâûõ ÷àñîâ îò ÷åðíîé äûðû. Êàê òîëüêî âîêðóã ÷åðíîé äûðû ïîÿâëÿåòñÿ ìàòåðèÿ â ëþáîé ôîðìå, ÷åðíàÿ äûðà íà÷èíàåò èçëó÷àòü ýíåðãèþ, ïîãëîùàÿ âåùåñòâî. Íà íà÷àëüíîé ñòàäèè, êîãäà ôîðìèðîâàëèñü ïåðâûå ãàëàêòèêè, âîêðóã ÷åðíûõ äûð áûëî ìíîãî âåùåñòâà, ÿâëÿâøåãîñÿ äëÿ íèõ ñâîåîáðàçíîé «ïèùåé», è ÷åðíûå äûðû ñâåòèëèñü î÷åíü ÿðêî — âîò îíè, êâàçàðû! Êñòàòè, ýíåðãèè, êîòîðóþ ñðåäíèé êâàçàð èçëó÷àåò çà ñåêóíäó, õâàòèëî áû äëÿ îáåñïå÷åíèÿ Çåìëè ýëåêòðè÷åñòâîì íà ìèëëèàðäû ëåò. À îäèí ðåêîðäñìåí, ñ íîìåðîì S 50014+81, èçëó÷àåò ñâåò â 60 òûñÿ÷ ðàç èíòåíñèâíåå âñåãî íàøåãî Ìëå÷íîãî Ïóòè ñ åãî ñîòíåé ìèëëèàðäîâ çâåçä! Êîãäà âåùåñòâà â îêðåñòíîñòè öåíòðà ñòàíîâèòñÿ ìåíüøå, ñâå÷åíèå îñëàáåâàåò, òåì íå ìåíåå ÿäðî ãàëàêòèêè ïðîäîëæàåò îñòàâàòüñÿ ñàìîé ÿðêîé åå îáëàñòüþ (ýòî ÿâëåíèå, íàçûâàåìîå «àêòèâíûì ãàëàêòè÷åñêèì ÿäðîì», àñòðîíîìàì èçâåñòíî äàâíî). Íàêîíåö íàñòàåò ìîìåíò, êîãäà ÷åðíàÿ äûðà ïîãëîùàåò èç îêðóæàþùåãî ïðîñòðàíñòâà îñíîâíóþ ÷àñòü âåùåñòâà, ïîñëå ÷åãî èçëó÷åíèå ïî÷òè ïîëíîñòüþ ïðåêðàùàåòñÿ è ÷åðíàÿ äûðà ñòàíîâèòñÿ òóñêëûì îáúåêòîì. Íî îíà æäåò ñâîåãî ÷àñà! Êàê òîëüêî â îêðåñòíîñòÿõ ïîÿâèòñÿ íîâîå âåùåñòâî (íàïðèìåð, ïðè ñòîëêíîâåíèè äâóõ ãàëàêòèê), ÷åðíàÿ äûðà çàñèÿåò ñ íîâîé ñèëîé, ñ æàäíîñòüþ ïîãëîùàÿ îêðóæàþùèå ÷àñòèöû ìåæçâåçäíîãî ãàçà, çâåçäû è ïëàíåòû. Òàê ÷òî ñòàòü çàìåòíûì êâàçàðó óäàåòñÿ òîëüêî çà ñ÷åò ñâîåãî îêðóæåíèÿ. Ñîâðåìåííàÿ òåõíèêà óæå ïîçâîëÿåò ðàçëè÷èòü âîêðóã äàëåêèõ êâàçàðîâ îòäåëüíûå çâåçäíûå ñòðóêòóðû, ÿâëÿþùèåñÿ ïèòàòåëüíîé ñðåäîé äëÿ íåíàñûòíûõ ÷åðíûõ äûð. Âïðî÷åì, â íàøå âðåìÿ, êîãäà ñòîëêíîâåíèÿ ãàëàêòèê ðåäêè, êâàçàðû âîçíèêàòü íå ìîãóò. È ñóäÿ ïî âñåìó, ýòî äåéñòâèòåëüíî òàê: ïî÷òè âñå íàáëþäàåìûå êâàçàðû íàõîäÿòñÿ íà î÷åíü ñóùåñòâåííîì óäàëåíèè, à çíà÷èò, ïðèëåòàþùèé îò íèõ ñâåò áûë èñïóùåí î÷åíü äàâíî, åùå â òå âðåìåíà, êîãäà ðîæäàëèñü ïåðâûå ãàëàêòèêè. Èìåííî ïîýòîìó êâàçàðû èíîãäà íàçûâàþò «äèíîçàâðàìè Âñåëåííîé», íàìåêàÿ íå òîëüêî íà èõ êðàéíå ïî÷òåííûé âîçðàñò, íî è íà òî, ÷òî îíè, îáðàç-

164

Ãëàâà 3. Æèçíü ãàëàêòèê

íî ãîâîðÿ, «âûìåðëè», õîòÿ ñâåò îò íèõ ïðîäîëæàåò ëåòåòü ñêâîçü ïðîñòðàíñòâî. Íåæåëàòåëüíûå ñîñåäè

Ñòîëü ìîùíûå èñòî÷íèêè ëó÷èñòîé ýíåðãèè, êàê êâàçàðû, — îïàñíûå ñîñåäè, ïîýòîìó íàì, çåìëÿíàì, ìîæíî òîëüêî ðàäîâàòüñÿ òîìó îáñòîÿòåëüñòâó, ÷òî â íàøåé Ãàëàêòèêå è â áëèæàéøåì ñêîïëåíèè ãàëàêòèê îíè îòñóòñòâóþò. Èõ îáíàðóæèâàþò â îñíîâíîì íà ñàìîì êðàþ âèäèìîé ÷àñòè íàøåé Âñåëåííîé, â òûñÿ÷àõ ìåãàïàðñåê îò Çåìëè. Íî òóò âîëåé-íåâîëåé âîçíèêàåò åñòåñòâåííûé âîïðîñ: à íå ïðîòèâîðå÷èò ëè ýòî íàáëþäåíèå ðàñïðîñòðàíåííîìó ìíåíèþ îá îäíîðîäíîñòè Âñåëåííîé? Êàê ïîëó÷èëîñü, ÷òî â îäíèõ ãàëàêòèêàõ êâàçàðû ñóùåñòâóþò, à äðóãèõ — íåò? Äëÿ òîãî, ÷òîáû îòâåòèòü íà ýòè âîïðîñû, íåîáõîäèìî âñïîìíèòü, ÷òî ñâåò îò íàáëþäàåìûõ íàìè êâàçàðîâ ëåòåë ìèëëèàðäû ëåò. À ýòî îçíà÷àåò, ÷òî âçîðó çåìëÿí êâàçàðû ïðåäñòàþò â «ïåðâîçäàííîì» âèäå, òàêèìè, êàêèìè îíè áûëè ìèëëèàðäû ëåò íàçàä, è ñåãîäíÿ îíè, ñêîðåå âñåãî, óæå óòðàòèëè ñâîþ áûëóþ ñèëó. Ñëåäîâàòåëüíî, òå ãàëàêòèêè, êîòîðûå ñåé÷àñ ðàñïîëîæåíû íåäàëåêî îò êâàçàðîâ, «âèäÿò» ñèëüíî îñëàáåâøèå èñòî÷íèêè ñâåòà. Íî òîãäà, åñëè Âñåëåííàÿ îäíîðîäíà, òî æå ñàìîå äîëæíî îòíîñèòüñÿ è ê íàøåé Ãàëàêòèêå! Íàì îñòàåòñÿ ïîâíèìàòåëüíåé ïðèñìîòðåòüñÿ ê áëèæàéøèì êîñìè÷åñêèì ñòðóêòóðàì â ïîïûòêå îòûñêàòü îáúåêòû, íàïîìèíàþùèå îñòûâøèå êâàçàðû, êâàçàðû-ïðèçðàêè. È òàêèå îáúåêòû äåéñòâèòåëüíî ñóùåñòâóþò — ýòî ñâåðõìàññèâíûå ÷åðíûå äûðû â öåíòðàõ ãàëàêòèê. Ïåðåìåííàÿ ÿðêîñòü

Íàèáîëåå ÿðêèå êâàçàðû èñïóñêàþò åæåñåêóíäíî ñòîëüêî æå ñâåòîâîé ýíåðãèè, ñêîëüêî ñîòíÿ îáû÷íûõ ãàëàêòèê òèïà íàøåãî Ìëå÷íîãî Ïóòè (ýòî ïðèìåðíî 1042 âàòò). ×òîáû îáåñïå÷èòü âûõîä òàêîãî êîëè÷åñòâà ýíåðãèè, ÷åðíàÿ äûðà êàæäóþ ñåêóíäó ïîãëîùàåò ìàññó, ðàâíóþ ìàññå Çåìëè, çà ãîä æå «ñúåäàåòñÿ» îêîëî 200 ñîëíå÷íûõ ìàññ. Ïîäîáíûé ïðîöåññ íå ìîæåò ïðîõîäèòü áåñêîíå÷íî äîëãî: êîãäà-íèáóäü îêðóæàþùåå Êâàçàðû

165

âåùåñòâî èññÿêíåò, è êâàçàð ëèáî ïåðåñòàíåò ôóíêöèîíèðî âàòü, ëèáî æå ñòàíåò èçëó÷àòü îòíîñèòåëüíî ñëàáî. Èòàê, ñâå÷åíèå êâàçàðà ñî âðåìåíåì óìåíüøàåòñÿ, íî ÷òî æå ìîæåò çàñòàâèòü åãî âðåìÿ îò âðåìåíè óâåëè÷èâàòü ÿðêîñòü? ×òîáû ïîíÿòü ìåõàíèçì ýòîãî ïðîöåññà, âñïîìíèì, ÷òî ÷åðíàÿ äûðà ïîãëîùàåò ëþáóþ ìàòåðèþ, à íå òîëüêî ýëåìåíòàðíûå ÷àñòèöû.  ãàëàêòèêå æå, öåíòð êîòîðîé çàíÿò ÷åðíîé äûðîé, îñîáîãî ïîðÿäêà íåò. Êîíå÷íî, â öåëîì çâåçäû îáðàùàþòñÿ âîêðóã öåíòðà, íî âñåãäà åñòü çâåçäû-îäèíî÷êè èëè èõ íåáîëüøèå ñêîïëåíèÿ, êîòîðûå íàðóøàþò çàâåäåííûé ïîðÿäîê. Îíè-òî è áûâàþò «íàêàçàíû», çàõâàòûâàÿñü è ñúåäàÿñü ÷åðíîé äûðîé. Ïðè ýòîì, åñëè çâåçäà «ïðîãëàòûâàåòñÿ» öåëèêîì, áåç ïðåäâàðèòåëüíîãî ðàçðóøåíèÿ, òî ñâåòà âûäåëÿåòñÿ ìàëî. Ïðè÷èíà ñîñòîèò â òîì, ÷òî êàê áû çâåçäà íè áûëà âåëèêà, åå ñóììàðíûé ýëåêòðè÷åñêèé çàðÿä ðàâåí íóëþ. Ôîòîíû æå èçëó÷àþòñÿ òîëüêî çàðÿæåííûìè îáúåêòàìè. Ïîýòîìó-òî íå ðàçðóøèâøàÿñÿ çâåçäà ïðè âòÿãèâàíèè â ÷åðíóþ äûðó èçëó÷àåò ìàëî ñâåòà. Îíà ìåäëåííî òåðÿåò ýíåðãèþ è ìîìåíò èìïóëüñà, èñïóñêàÿ â îêðóæàþùåå ïðîñòðàíñòâî â îñíîâíîì ãðàâèòàöèîííûå âîëíû è ïîñòåïåííî ïðèáëèæàÿñü ê ÷åðíîé äûðå. Íî åñëè çâåçäà ïðè ïîäõîäå ê øâàðöøèëüäîâñêîìó (ãðàâèòàöèîííîìó) ðàäèóñó ÷åðíîé äûðû, ïðîõîæäåíèå êîòîðîãî çàêðûâàåò ïóòü îáðàòíî íàâñåãäà, ðàçðóøàåòñÿ ïðèëèâíûìè ñèëàìè, òî äîïîëíèòåëüíîå èçëó÷åíèå ìîæåò áûòü î÷åíü çàìåòíî. Ïîñëå ïîãëîùåíèÿ íàðóøèòåëÿ ïîðÿäêà ñâå÷åíèå êâàçàðà âîçâðàùàåòñÿ ê íîðìå.  Ïðèëîæåíèè 9 îöåíèâàåòñÿ âåëè÷èíà ïðèëèâíûõ ñèë, ïðè êîòîðîé ïëàíåòû è çâåçäû ìîãóò áûòü ðàçðóøåíû. Ïîñòàâùèêè èíôîðìàöèè

Ðàçîáðàâøèñü â îáùèõ ÷åðòàõ ñ óñòðîéñòâîì êâàçàðîâ, ó÷åíûå ïûòàþòñÿ èñïîëüçîâàòü èõ â êà÷åñòâå èíñòðóìåíòà äëÿ èññëåäîâàíèÿ Êîñìîñà. Íàïðèìåð, íàáëþäàÿ ýôôåêò ìèêðîëèíçèðîâàíèÿ, ìîæíî ïîïðîáîâàòü îáíàðóæèòü òåìíûå îáúåêòû ñ ìàññîé, ïðèìåðíî ðàâíîé ìàññå Çåìëè. Îíè âûäàþò ñåáÿ, îòêëîíÿÿ ñâåò êâàçàðà òàê, ÷òî ìû âèäèì êàê áû êðàòêîâðåìåííîå óâåëè÷åíèå åãî áëåñêà. Åñëè òàêèå òåëà áóäóò

166

Ãëàâà 3. Æèçíü ãàëàêòèê

îáíàðóæåíû, òî, âîçìîæíî, áóäåò ðåøåíà ïðîáëåìà òåìíîé ìàòåðèè. Ñåé÷àñ äëÿ ìíîãèõ ó÷åíûõ îòêðûòèå íîâîãî êâàçàðà îçíà÷àåò îòêðûòèå íîâîé ÷åðíîé äûðû. Òàê, èçó÷åíèå íåäàâíî îòêðûòîãî êâàçàðà ñ êðàñíûì ñìåùåíèåì z = 6,43 óêàçûâàåò íà òî, ÷òî ÷åðíàÿ äûðà, ñåðäöå êâàçàðà, î÷åíü ìàññèâíà — ïðèìåðíî ìèëëèàðä ìàññ Ñîëíöà. Ñëåäîâàòåëüíî, ìàññèâíûå ÷åðíûå äûðû ïîÿâèëèñü î÷åíü ðàíî. Ýòîò âûâîä êðàéíå âàæåí äëÿ êîñìîëîãèè. Î÷åíü ëþáîïûòíûìè îêàçàëèñü ñïåêòðû ýëåêòðîìàãíèòíîãî èçëó÷åíèÿ êâàçàðîâ. Ïîñêîëüêó ñâåòÿòñÿ íå ñàìè ÷åðíûå äûðû — ñåðäöå êâàçàðà, — à ïîãëîùàåìîå âåùåñòâî, òî ïî ñïåêòðàì óäàåòñÿ óñòàíîâèòü õèìè÷åñêèé ñîñòàâ âåùåñòâà, ïàäàâøåãî íà êîíêðåòíóþ ÷åðíóþ äûðó äåñÿòîê ìèëëèàðäîâ ëåò íàçàä. Îêàçàëîñü, ÷òî â íåì óæå áûëè òÿæåëûå ýëåìåíòû! Íî òÿæåëûå ýëåìåíòû ðîæäàþòñÿ â õîäå ÿäåðíûõ ðåàêöèé â çâåçäàõ. Çíà÷èò, ïåðâûå çâåçäû ïîÿâèëèñü î÷åíü ðàíî — ïðèìåðíî ÷åðåç 500 ìëí. ëåò ïîñëå Áîëüøîãî âçðûâà. Ýòà èíôîðìàöèÿ çàñòàâèëà ñïåöèàëèñòîâ âíåñòè êîððåêòèâû â ìîäåëè îáðàçîâàíèÿ ãàëàêòèê. Ðîäñòâåííèêè

Ïî ìíåíèþ ó÷åíûõ, ãàëàêòèêè, â öåíòðàõ êîòîðûõ íàõîäÿòñÿ áîëüøèå ÷åðíûå äûðû, ìîãóò îáóñëîâëèâàòü ñóùåñòâîâàíèå òàêèõ ðàçëè÷íûõ äëÿ íàáëþäàòåëÿ îáúåêòîâ, êàê êâàçàðû, àêòèâíûå ãàëàêòè÷åñêèå ÿäðà, ñåéôåðòîâñêèå ãàëàêòèêè è ðàäèîãàëàêòèêè, à òàêæå áëàçàðû. Ñåéôåðòîâñêèìè íàçûâàþòñÿ ãàëàêòèêè, â âèäèìîé îáëàñòè ñïåêòðà ïîõîæèå íà îáû÷íûå ñïèðàëüíûå ãàëàêòèêè, íî ñ î÷åíü àêòèâíûìè ÿäðàìè; ìîùíîñòü èõ èçëó÷åíèÿ ê òîìó æå ñèëüíî ìåíÿåòñÿ ñî âðåìåíåì, óêàçûâàÿ íà ïðîèñõîäÿùèå â íèõ ãðàíäèîçíûå ïðîöåññû. Ðàäèîãàëàêòèêè ÿâëÿþòñÿ îãðîìíûìè ýëëèïòè÷åñêèìè ãàëàêòèêàìè ñ ìîùíûì èçó÷åíèåì â ðàäèîäèàïàçîíå. Âñå çàâèñèò îò òîãî, ïîä êàêèì óãëîì èõ âèäèò íàáëþäàòåëü è íàñêîëüêî èíòåíñèâíà àêêðåöèÿ. Åñëè ÷åðíàÿ äûðà ðàñïîëîæåíà ê Çåìëå «ðåáðîì» àêêðåöèîííîãî äèñêà, òî îêðóæàþùåå âåùåñòâî ýêðàíèðóåò åå öåíòðàëüíóþ ÷àñòü, ñìÿã÷àÿ Êâàçàðû

167

èçëó÷åíèå, ò. å. äåëàÿ åãî áîëåå äëèííîâîëíîâûì. Ìû âîñïðè íèìàåì òàêîé îáúåêò êàê ðàäèîãàëàêòèêó, ïîñêîëüêó ìàêñè ìóì èçëó÷åíèÿ íàõîäèòñÿ â ðàäèîäèàïàçîíå. Åñëè æå íà íà áëþäàòåëÿ íàïðàâëåí îäèí èç äæåòîâ (ïó÷îê âûñîêîýíåðãè÷íûõ ýëåìåíòàðíûõ ÷àñòèö) àêòèâíîãî ÿäðà êàêîé-ëèáî ãàëàêòèêè, òî âèäåí áëàçàð — èñòî÷íèê æåñòêîãî ãàììà-èçëó÷åíèÿ ïåðåìåííîé ÿðêîñòè.

Ïëàíåòû Òåîðèÿ ôîðìèðîâàíèÿ ïëàíåòíîé ñèñòåìû âîêðóã ìîëîäîé çâåçäû ðàçâèòà äîâîëüíî õîðîøî, è â òîì, ÷òî ó çâåçä åñòü ïëàíåòû, ñîìíåíèé íåò. Ñî âðåìåí Ëàïëàñà è Êàíòà ïðèíÿòî ñ÷èòàòü, ÷òî ïëàíåòû ôîðìèðóþòñÿ èç òîãî æå ãàçîâîãî îáëàêà, ÷òî è çâåçäà, âîêðóã êîòîðîé îíè îáðàùàþòñÿ. Òåì íå ìåíåå âñå íå òàê ïðîñòî. Îêàçûâàåòñÿ, ïëàíåòû çàðîæäàþòñÿ â âèäå àãëîìåðàòîâ êàìíåé è ëüäà, êîòîðûå çàòåì íà÷èíàþò ñëèâàòüñÿ ñ îáðàçîâàíèåì ïðîòîïëàíåò âñå áî2ëüøèõ ðàçìåðîâ. Èíòåðåñíî áûëî áû ïîñìîòðåòü íà òàêîå ñòîëêíîâåíèå — âåäü èõ ñêîðîñòü ñîñòàâëÿåò 10–40 êì/ñ. Íà Ìàðñå è Ìåðêóðèè îáíàðóæåíû ãèãàíòñêèå êðàòåðû — øðàìû îò ñòîëêíîâåíèé, åñòü îíè è íà Çåìëå. È òîëüêî çàòåì âîêðóã ïëàíåò ïîÿâëÿåòñÿ ãàçîâàÿ îáîëî÷êà. Ïðèâîäèì äëÿ ñïðàâêè õàðàêòåðèñòèêè ïëàíåò Ñîëíå÷íîé ñèñòåìû. Âñå âåëè÷èíû îòíåñåíû ê ïàðàìåòðàì Çåìëè. Ïëàíåòû Ñîëíå÷íîé ñèñòåìû Ïëàíåòà Ìåðêóðèé Âåíåðà Çåìëÿ Ìàðñ Þïèòåð Càòóðí Óðàí Íåïòóí Ïëóòîí

168

Íàèìåíüøåå óäàëåíèå îò Ñîëíöà 0,312 0,730 1,000 1,405 5,037 9,164 18,60 30,31 30,09

Ìàññà 0,055 0,815 1,000 0,107 317,938 95,181 14,531 17,135 0,002

Äèàìåòð 0,382 0,949 1,000 0,532 11,209 9,449 4,007 3,883 0,180

Ïðîäîëæèòåëüíîñòü ãîäà 0,240 0,615 1,000 1,880 11,862 29,458 84,015 164,788 247,697

Ãëàâà 3. Æèçíü ãàëàêòèê

Êðîìå òîãî, èìåþòñÿ êîìåòû, àñòåðîèäû, à òàêæå ìíîæåñòâî àñòåðîèäîâ çà ãðàíèöåé Ïëóòîíà (ïîÿñ Êîéïåðà). Î÷åâèäíî, äîëæíû áûòü ïëàíåòû è ó äðóãèõ çâåçä. Íî êàê èõ ðàçãëÿäåòü? Ïëàíåòû íàõîäÿòñÿ ñðàâíèòåëüíî áëèçêî îò çâåçäû, è ñâåò ïîñëåäíåé ñèëüíî ìåøàåò îáíàðóæåíèþ òàêèõ òóñêëûõ îáúåêòîâ, êàê îíè. Îñíîâíûå ìåòîäû êîñâåííîãî îáíàðóæåíèÿ ïëàíåò âîêðóã çâåçä — ýòî ýôôåêò Äîïëåðà è ýôôåêò çàòìåíèÿ çâåçäû. Ýôôåêò Äîïëåðà îñíîâàí íà òîì, ÷òî çâåçäà è ïëàíåòà äâèæóòñÿ âîêðóã îáùåãî öåíòðà ìàññ. Èçìåíåíèå ñêîðîñòè äâèæåíèÿ çâåçäû èç-çà âëèÿíèÿ ïëàíåòû — íå áîëåå íåñêîëüêèõ äåñÿòêîâ ìåòðîâ â ñåêóíäó. Òåì íå ìåíåå èçìåðåíèÿ ýëåêòðîìàãíèòíûõ ñïåêòðîâ íàñòîëüêî òî÷íû, ÷òî ïîçâîëÿþò âûÿâèòü ýòîò ýôôåêò ïî íåáîëüøèì ñìåùåíèÿì ñïåêòðàëüíûõ ëèíèé. Ñêîðîñòü çâåçäû — èñòî÷íèêà èçëó÷åíèÿ — íåìíîãî ìåíÿåòñÿ ñî âðåìåíåì, ÷òî ïðèâîäèò ê ïåðèîäè÷åñêîìó ñäâèãó âñåõ ÷àñòîò ñïåêòðà. Êñòàòè, è íàøà Çåìëÿ äâèæåòñÿ íå âîêðóã Ñîëíöà, à âîêðóã èõ îáùåãî öåíòðà òÿæåñòè, òàê ÷òî â ñïîðå Êîïåðíèêà è Ïòîëåìåÿ íåïðàâû îáà, íî Êîïåðíèê — «â ãîðàçäî ìåíüøåé ñòåïåíè»: öåíòð ìàññ ñèñòåìû Ñîëíöå—Çåìëÿ ëåæèò ãëóáîêî âíóòðè Ñîëíöà. Åñëè æå îêîëî çâåçäû åñòü è äðóãèå ïëàíåòû, òî ñèòóàöèÿ óñëîæíÿåòñÿ. Åùå îäèí ñïîñîá îáíàðóæåíèÿ ïëàíåò âîêðóã äðóãèõ çâåçä — èñïîëüçîâàíèå ýôôåêòà «çàòìåíèÿ». Îáðàùàÿñü âîêðóã çâåçäû, ïëàíåòà ìîæåò âðåìÿ îò âðåìåíè îêàçûâàòüñÿ íà ïðÿìîé, ñîåäèíÿþùåé ýòó çâåçäó è Çåìëþ, ÷òî ïðèâåäåò ê íåáîëüøîìó ïåðèîäè÷åñêîìó îñëàáëåíèþ áëåñêà çâåçäû. Áëåñê çâåçäû óìåíüøàåòñÿ ñîâñåì íåìíîãî — íà òûñÿ÷íûå äîëè, è òåì íå ìåíåå ñîâðåìåííûå ïðèáîðû ñïîñîáíû çàôèêñèðîâàòü ýòîò ýôôåêò. Íåäàâíî àìåðèêàíñêèì àñòðîíîìàì óäàëîñü ðàçãëÿäåòü ïëàíåòû, íàõîäÿùèåñÿ âíå Ñîëíå÷íîé ñèñòåìû. Ñâåäåíèÿ î ïëàíåòàõ â ñîçâåçäèÿõ Ïåãàñà è Ëèðû áûëè ïîëó÷åíû â èíôðàêðàñíîì äèàïàçîíå ñ ïîìîùüþ êîñìè÷åñêîãî òåëåñêîïà Spitzer. Ïëàíåòû, íàïîìèíàþùèå Þïèòåð, ñîñòîÿò èç ãàçà, íàãðåòîãî äî 700 °Ñ, è îáðàùàþòñÿ íà íåáîëüøîì ðàññòîÿíèè îò ñâîèõ çâåçä. Ýòî — ïåðâûå ïëàíåòû, îáíàðóæåííûå íåïîñðåäñòâåííî. Ïî êîñâåííûì ïðèçíàêàì àñòðîíîìàì ñ 1995 ã. Ïëàíåòû

169

áûëî èçâåñòíî î ñóùåñòâîâàíèè áîëåå ñîòíè ïëàíåò. Âñå îíè ÿâëÿþòñÿ ãàçîâûìè ãèãàíòàìè òèïà Þïèòåðà è íàõîäÿòñÿ ê ñâîèì çâåçäàì áëèæå, ÷åì Ìåðêóðèé ê Ñîëíöó. Åùå îäèí ïðè ìåð. Àñòðîíîìû îáíàðóæèëè ïëàíåòó òèïà íàøåãî Ñàòóðíà îêîëî çâåçäû HD 149026, ïîõîæåé íà íàøå Ñîëíöå. Ïåðèîä îá ðàùåíèÿ ïëàíåòû âîêðóã çâåçäû ñîñòàâëÿåò 2,87 äíÿ (ñðàâíèòå ñ çåìíûìè 365 äíÿìè). Ñåé÷àñ îäíîé èç âàæíåéøèõ çàäà÷ ÿâëÿåòñÿ îáíàðóæåíèå ïëàíåò çåìíîãî òèïà. Ñóäüáà ïëàíåòíîé ñèñòåìû íåïîñðåäñòâåííî ñâÿçàíà ñî çâåçäîé, â ðàéîíå êîòîðîé îíà îáèòàåò. Çâåçäà òèïà íàøåãî Ñîëíöà íà ïîñëåäíåé ñòàäèè ýâîëþöèè ïðåâðàùàåòñÿ â êðàñíûé ãèãàíò, ðàçìåð êîòîðîãî ïðèìåðíî ðàâåí ðàäèóñó çåìíîé îðáèòû. Ìåðêóðèé è Âåíåðà èñ÷åçíóò âíóòðè Ñîëíöà, Ìàðñ, Þïèòåð è áîëåå äàëåêèå ïëàíåòû íå ïîñòðàäàþò. Ñóäüáà Çåìëè íåîïðåäåëåííà, õîòÿ óñëîâèÿ íà íåé â ëþáîì ñëó÷àå ñòàíóò íåïðèãîäíûìè äëÿ æèçíè. Íåäàâíî àñòðîíîìû îáíàðóæèëè ïëàíåòó îêîëî áåëîãî êàðëèêà, äîêàçàâ, ÷òî ïëàíåòà (íî íå åå íàñåëåíèå) ìîæåò ïåðåæèòü âçðûâ ñâîåé çâåçäû. Èòàê, ÷òî ïðîèñõîäèò ñ ïëàíåòàìè, ïîíÿòíî. À êàêîâî âëèÿíèå ïëàíåò íà êðàñíûé ãèãàíò âî âðåìÿ åãî ðàñøèðåíèÿ? Ðàññìîòðèì ýòó ñèòóàöèþ íà ïðèìåðå Çåìëè è Ñîëíöà. Êîãäà Ñîëíöå ïðåâðàòèòñÿ â êðàñíûé ãèãàíò, Çåìëÿ ìîæåò îêàçàòüñÿ âíóòðè íåãî. Ïðè ýòîì òåìïåðàòóðà ñðåäû ñîñòàâëÿåò îêîëî 2 000 K, à ïëîòíîñòü — 10–12 ã/ñì3. Ñêîðîñòü çâóêà â ãàçîâîé ñðåäå êðàñíîãî ãèãàíòà ñîñòàâëÿåò ïðèìåðíî 3,5 êì/ñ, ÷òî íàìíîãî ìåíüøå îðáèòàëüíîé ñêîðîñòè Çåìëè (29 êì/ñ). Ïîýòîìó Çåìëÿ, äâèãàÿñü ñî ñâåðõçâóêîâîé ñêîðîñòüþ, ñîçäàåò óäàðíóþ âîëíó è íàãðåâàåò ãàç äî 10 òûñ. K. Ýòî óæå âûñîêàÿ òåìïåðàòóðà, è ýëåêòðîìàãíèòíîå èçëó÷åíèå òàêîãî ãàçà ìîæíî áûëî áû çàðåãèñòðèðîâàòü óäàëåííûìè ïðèáîðàìè.  2002 ã. çâåçäà V838 Åäèíîðîãà èñïûòàëà ïîäðÿä òðè âñïûøêè ñ èíòåðâàëîì â íåñêîëüêî ìåñÿöåâ. Îäíà èç èíòåðïðåòàöèé ýòîãî ÿâëåíèÿ ñîñòîèò â òîì, ÷òî ïðè ïåðåõîäå ê ñòàäèè êðàñíîãî ãèãàíòà çâåçäà ïîãëîòèëà îäíó çà äðóãîé òðè ïëàíåòû, îáðàùàâøèåñÿ íà áëèçêèõ îðáèòàõ. Âîçìîæíî òàêæå è ÷èñòî ìåõàíè÷åñêîå âëèÿíèå ïëàíåò íà êðàñíûå ãèãàíòû. Íàïðèìåð, òàêàÿ ïëàíåòà, êàê Þïèòåð, ñïî-

170

Ãëàâà 3. Æèçíü ãàëàêòèê

ñîáíà çíà÷èòåëüíî óâåëè÷èòü ñêîðîñòü âðàùåíèÿ êðàñíîãî ãèãàíòà. Âåäü åñëè ðàçìåð çâåçäû, ïðåâðàòèâøåéñÿ â êðàñíûé ãèãàíò, óâåëè÷èëñÿ â 100 ðàç, òî åå ìîìåíò èíåðöèè — â 100 2 ðàç, à çíà÷èò, áëàãîäàðÿ çàêîíó ñîõðàíåíèÿ ìîìåíòà èìïóëüñà óã ëîâàÿ ñêîðîñòü åå âðàùåíèÿ óìåíüøèòñÿ â òå æå 1002 ðàç. Íî ìîìåíò èìïóëüñà îðáèòàëüíîãî äâèæåíèÿ Þïèòåðà â 100 ðàç ïðåâûøàåò ìîìåíò èìïóëüñà çâåçäû, ïîýòîìó óñêîðåíèå âðàùåíèÿ çà ñ÷åò ïîãëîùåíèÿ ïëàíåòû áóäåò çíà÷èòåëüíûì. Ñëåäóþùèé ýôôåêò — ýòî îáîãàùåíèå êðàñíîãî ãèãàíòà èçîòîïàìè òèïà ëèòèÿ-6. Ýòîò èçîòîï áûñòðî âûãîðàåò â ÿäåðíûõ ðåàêöèÿõ, è â ñòàðûõ çâåçäàõ åãî êîíöåíòðàöèÿ íè÷òîæíà. Íî âíóòðè ïëàíåò ëèòèé ñïîñîáåí ñîõðàíÿòüñÿ. Ïîñëå èñïàðåíèÿ ïëàíåòû âíóòðè êðàñíîãî ãèãàíòà ëèòèé ìîæåò ïîïàñòü â åãî àòìîñôåðó è áóäåò îáíàðóæåí ïî ñïåêòðàì èçëó÷åíèÿ.

Ìåæçâåçäíàÿ ñðåäà Ó ÷èòàòåëÿ ìîæåò ñîçäàòüñÿ âïå÷àòëåíèå, ÷òî çâåçäû è ïëàíåòû äâèæóòñÿ â àáñîëþòíîé ïóñòîòå. Ýòî íå òàê: ìåæçâåçäíàÿ ñðåäà çàïîëíåíà ìíîãî÷èñëåííûìè îáèòàòåëÿìè, õîòÿ è íå òàêèìè ÿðêèìè. Òåì íå ìåíåå ýòè «ñåðûå ìûøêè» êîñìîñà ìíîãî÷èñëåííû è ðàçíîîáðàçíû. Íåðåäêî îíè âûðàñòàþò äî «ñåðûõ êàðäèíàëîâ», îêàçûâàÿ âëèÿíèå íà îñíîâíûå ïðîöåññû, ïðîèñõîäÿùèå â ãàëàêòèêàõ. Îñíîâíûìè êîìïîíåíòàìè, èç êîòîðûõ ñîñòîèò ìåæçâåçäíàÿ ñðåäà, ÿâëÿþòñÿ ãàçîîáðàçíûå âîäîðîä è ãåëèé, ãàçîâûå îáëàêà, ïûëü, ìàãíèòíûå ïîëÿ, ðåëèêòîâûå ôîòîíû è íåéòðèíî, à òàêæå êîñìè÷åñêèå ëó÷è. Êðîìå òîãî, âîçìîæíî ñóùåñòâîâàíèå åùå íå îòêðûòûõ ñëàáî âçàèìîäåéñòâóþùèõ ÷àñòèö, îáðàçóþùèõ ñêðûòóþ ìàññó. Èõ êîëè÷åñòâî äîëæíî áûòü âåëèêî, ïîñêîëüêó èõ âêëàä â ìàññó ãàëàêòèê äîëæåí â íåñêîëüêî ðàç ïðåâûøàòü âêëàä îò âñåõ çâåçä. Ìåæçâåçäíûé ãàç âíóòðè ãàëàêòèê íå ìîæåò ïîõâàñòàòüñÿ âûñîêîé ïëîòíîñòüþ — ïðèìåðíî 1 àòîì â 1 ñì3 (ìû äûøèì âîçäóõîì, ïëîòíîñòü êîòîðîãî ~ 3 · 1019 ìîëåêóë â 1 ñì3). È âñå-òàêè ïëîòíîñòü ãàçà ìåæäó ãàëàêòèêàìè åùå â ìèëëèîí ðàç ìåíüøå. Õèìè÷åñêèé ñîñòàâ ãàçà î÷åíü ïîõîæ íà ñîñòàâ Ìåæçâåçäíàÿ ñðåäà

171

çâåçä, ÷òî íåóäèâèòåëüíî — âåäü çâåçäû ìèëëèàðäû ëåò âçðû âàëèñü, ïîñòàâëÿÿ âõîäèâøèå â èõ ñîñòàâ ýëåìåíòû â êîñìè÷å ñêîå ïðîñòðàíñòâî.  òåõ æå îáëàñòÿõ, ãäå òåìïåðàòóðà ìåæçâåçäíîãî ãàçà ìàëà, ìîæíî îæèäàòü îáúåäèíåíèÿ àòîìîâ â ìîëåêóëû. Äåéñòâèòåëüíî, â êîñìîñå ïðèñóòñòâóþò ìîëåêóëû âîäîðîäà, îêèñè óãëåðîäà, âîäû, àììèàêà, ôîðìàëüäåãèäà, ýòèëîâîãî ñïèðòà è äàæå ãëèöèíà — îäíîé èç 20 àìèíîêèñëîò, âõîäÿùèõ â ñîñòàâ áåëêîâ. Îáíàðóæåíû, îäíàêî, è ìàññèâíûå îáëàêà ãàçà ñ òåìïåðàòóðîé îêîëî 108 K. Îíè, êîíå÷íî, óæå èîíèçèðîâàíû. Âî âòîðîé ïîëîâèíå ÕÕ â. áûëè îòêðûòû îáëàêà ìîëåêóëÿðíîãî âîäîðîäà, ìàññà êîòîðûõ ñîñòàâëÿëà ìèëëèîí ñîëíå÷íûõ ìàññ. Èõ ðàçìåðû êîëåáëþòñÿ îò 1 ïàðñåêà (10 ñîëíå÷íûõ ìàññ) äî 100 ïàðñåê ñ ìàññîé â ìèëëèîíû ìàññ Ñîëíöà. Èìåííî ýòè îáëàêà, ïî ñîâðåìåííûì ïðåäñòàâëåíèÿì, ÿâëÿþòñÿ êîëûáåëüþ íîâûõ çâåçä. Åñëè â òàêîì îáëàêå îáðàçîâàëàñü ïîâûøåííàÿ êîíöåíòðàöèÿ ãàçà, òî ãðàâèòàöèîííûå ñèëû ñæèìàþò ãàç, çàñòàâëÿÿ ìîëåêóëû äâèãàòüñÿ â öåíòð ñ óñêîðåíèåì. Ñòîëêíîâåíèÿ ìîëåêóë ãàçà ñòàíîâÿòñÿ âñå áîëåå ÷àñòûìè, ýíåðãèÿ ñòîëêíîâåíèÿ — âñå áîëüøåé.  êàêîéòî ìîìåíò íà÷èíàþòñÿ ÿäåðíûå ðåàêöèè ñ âûäåëåíèåì ýíåðãèè, ÷òî çíàìåíóåò ñîáîé ðîæäåíèå íîâîé çâåçäû. Äàæå åñëè íîâîðîæäåííàÿ çâåçäà è íå âèäíà íåïîñðåäñòâåííî, åå îáíàðóæèâàåò èíôðàêðàñíîå èçëó÷åíèå ïûëè, íàãðåòîé ýòîé çâåçäîé.  ãîä â ãàëàêòèêå â ñðåäíåì ðîæäàåòñÿ äåñÿòîê çâåçä.

Îáëàñòè àíòèìàòåðèè Îäíîé èç îñíîâíûõ íåðåøåííûõ êîñìîãîíè÷åñêèõ ïðîáëåì ÿâëÿåòñÿ, êàê ýòî íè óäèâèòåëüíî, ñàìî ñóùåñòâîâàíèå çâåçä. Äåëî â òîì, ÷òî, ñ òî÷êè çðåíèÿ òåîðèè ýëåìåíòàðíûõ ÷àñòèö, ñâîéñòâà ÷àñòèö, èç êîòîðûõ ñîñòîÿò çâåçäû, è àíòè÷àñòèö ïðàêòè÷åñêè èäåíòè÷íû. Òîãäà ïî÷åìó æå âñå âåùåñòâî âî Âñåëåííîé ñîñòîèò òîëüêî èç ÷àñòèö? Îáúÿñíåíèé ìíîãî, î ÷åì ãîâîðèëîñü â ãëàâå 2, íî îáùåïðèçíàííîãî íåò. Íåêîòîðûå èç íèõ äîïóñêàþò ñóùåñòâîâàíèå îòíîñèòåëüíî íåáîëüøèõ îáëàñòåé àíòèìàòåðèè. Èõ ïîèñêè óæå âåäóòñÿ,

172

Ãëàâà 3. Æèçíü ãàëàêòèê

èìååòñÿ è îáîñíîâàíèå ïðè÷èí èõ âîçíèêíîâåíèÿ. Îáíàðóæèòü òàêèå îáëàñòè ìîæíî ïî ïðîöåññó àííèãèëÿöèè íà åå ãðàíèöå. Èç ãëàâû 2 ìû çíàåì, ÷òî àííèãèëÿöèÿ, ò. å. âçàèìíîå óíè÷òîæåíèå ÷àñòèöû è àíòè÷àñòèöû ñ îáðàçîâàíèåì äðóãèõ ÷àñòèö, íàïðèìåð ôîòîíîâ, ïðîèñõîäèëà íà ðàííåì ýòàïå æèçíè íàøåé Âñåëåííîé. Ñîõðàíèâøèåñÿ ðåëèêòîâûå îáëàñòè àíòèìàòåðèè ìîãëè áû áûòü îáíàðóæåíû ïî ïîòîêàì ôîòîíîâ, ëåòÿùèõ îò íèõ íà Çåìëþ. Ýíåðãèÿ òàêîãî ôîòîíà çàâèñèò îò òèïà àííèãèëèðóþùèõ ÷àñòèö.  äàííîì ñëó÷àå ïðîùå âñåãî äåòåêòèðîâàòü ôîòîíû îò àííèãèëÿöèè ýëåêòðîíîâ è ïîçèòðîíîâ. Âñÿ èõ ýíåðãèÿ, çàêëþ÷åííàÿ ïðåèìóùåñòâåííî â èõ ìàññå, êîíâåðòèðóåòñÿ â 2 ôîòîíà. Ýíåðãèÿ ôîòîíîâ îêàçûâàåòñÿ ôèêñèðîâàííîé è ðàâíîé ìàññå ýëåêòðîíîâ, ïî 0,511 Ìý êàæäûé. Âîîáùå, îäèí èç ïèêîâ íà ðåíòãåíîâñêîì ñïåêòðå ðàçëè÷íûõ èñòî÷íèêîâ (~0,5 ÌýÂ) ïî÷òè âñåãäà àññîöèèðóåòñÿ ñ àííèãèëÿöèåé ýëåêòðîíîâ è ïîçèòðîíîâ. Êñòàòè, åñëè ýòîò ïðîöåññ ïðîèñõîäèò âáëèçè èñòî÷íèêà ñèëüíîãî ãðàâèòàöèîííîãî ïîëÿ, íàïðèìåð ó ïîâåðõíîñòè íåéòðîííîé çâåçäû, òî õîðîøî çàìåòíî ãðàâèòàöèîííîå êðàñíîå ñìåøåíèå ôîòîíîâ, âûðâàâøèõñÿ èç ìîùíåéøåãî ïîëÿ òÿãîòåíèÿ. Åñëè àííèãèëÿöèÿ ïðîèñõîäèò íà áîëüøîì óäàëåíèè îò Çåìëè, òî ïðèõîäèòñÿ ó÷èòûâàòü è êîñìîëîãè÷åñêîå êðàñíîå ñìåùåíèå. Òàê ÷òî âñòðå÷à ìèðà è àíòèìèðà, âîçìîæíî, ïîñòîÿííî ïðîèñõîäèò â íàøåé Âñåëåííîé, ïðîñòî ìû ïîêà íè÷åãî çíàåì îá ýòèõ äðàìàòè÷åñêèõ ñîáûòèÿõ.

Ðèñ. 3.15. Ìåõàíèçì ñâå÷åíèÿ îáëàñòåé àíòèìàòåðèè â êîñìîñå, åñëè, êîíå÷íî, òàêîâûå ñóùåñòâóþò. Îáëàñòè àíòèìàòåðèè

173

Êîñìè÷åñêèå ëó÷è Íå áîéñÿ ìåäëèòü — áîéñÿ îñòàíîâèòüñÿ. Êèòàéñêàÿ ïîñëîâèöà

Çåìëþ íåïðåðûâíî áîìáàðäèðóþò ïîòîêè ÷àñòèöû âûñîêèõ ýíåðãèé, ïðèëåòàþùèå ê íàì èç êîñìè÷åñêîãî ïðîñòðàíñòâà. Ýòè ïîòîêè íå ñîâñåì óäà÷íî íàçâàëè êîñìè÷åñêèìè ëó÷àìè.  îñíîâíîì îíè ñîñòîÿò èç òàêèõ ñòàáèëüíûõ ÷àñòèö, êàê ïðîòîíû, ýëåêòðîíû, ôîòîíû è íåéòðèíî, íî åñòü è ïðèìåñü àíòèïðîòîíîâ, ïîçèòðîíîâ è ðàçëè÷íûõ ÿäåð. Ñåé÷àñ èäåò èíòåíñèâíûé ïîèñê ëåãêèõ àíòèÿäåð. Îáíàðóæåíèå äàæå îäíîãî ÿäðà àíòèãåëèÿ áóäåò îçíà÷àòü, ÷òî â íàøåé ãàëàêòèêå èìåþòñÿ çâåçäû èç àíòèâåùåñòâà — äðóãèì ñïîñîáîì èõ íå ñîçäàøü. Ðàñ÷åòû ïîêàçûâàþò, ÷òî âåðîÿòíîñòü îáðàçîâàíèÿ òàêîãî ÿäðà ïðè îáû÷íîì ñòîëêíîâåíèè ÷àñòèö ñëèøêîì ìàëà. Õîòÿ êîñìè÷åñêèå ëó÷è èçó÷àþòñÿ áîëåå 60 ëåò, íåïîíÿòíîãî îñòàëîñü ìíîãî. Âàæíûì ìîìåíòîì ÿâëÿåòñÿ è òî, ÷òî íåêîòîðûå ÷àñòèöû èìåþò êîëîññàëüíóþ ýíåðãèþ, âðÿä ëè â îáîçðèìîì áóäóùåì äîñòèæèìóþ íà óñêîðèòåëÿõ. Òàêèå ÷àñòèöû îñîáåííî èíòåðåñíû: âî-ïåðâûõ, íåïîíÿòíî, êàêîé ïðèðîäíûé óñêîðèòåëü ñìîã ðàçîãíàòü èõ äî òàêèõ ýíåðãèé, è, âî-âòîðûõ, íåìàëîâàæíî èõ âçàèìîäåéñòâèå ñ ÷àñòèöàìè äåòåêòîðîâ — ïðè òàêèõ-òî ýíåðãèÿõ ìíîãî ÷åãî íåîáû÷íîãî ìîæåò ðîäèòüñÿ! Ìàêñèìàëüíûå ýíåðãèè ÷àñòèö â êîñìè÷åñêèõ ëó÷àõ — ïîðÿäêà 1020 ýÂ. À ýòî 10 äæîóëåé, óæå âïîëíå ñîëèäíàÿ ýíåðãèÿ — 30 òàêèõ ýëåìåíòàðíûõ ÷àñòèö, è ìîæíî âñêèïÿòèòü 1 ãðàìì âîäû. Íî ýòî — ïðåäåëüíûå ýíåðãèè äëÿ êîñìè÷åñêèõ ÷àñòèö. Î÷åâèäíî, ÷òî ÷åì ìåíüøå ýíåðãèÿ ÷àñòèö, òåì áîëüøå òàêèõ ÷àñòèö ïðèëåòàåò èç êîñìîñà. Çàâèñèìîñòü ÷èñëà ÷àñòèö îò ýíåðãèè äîâîëüíî õîðîøî èçìåðåíà. Ìû æå ðàññìîòðèì äâå îñíîâíûå ïðîáëåìû — ìåõàíèçìû óñêîðåíèÿ ÷àñòèö äî êîëîññàëüíûõ ýíåðãèé è ïàðàäîêñ Ãðåéçåíà—Çàöåïèíà—Êóçüìèíà (ÃÇÊ, Greisen—Zatsepin—Kuzmin, GZK). Îáñóäèì ñíà÷àëà ýôôåêò ÃÇÊ. Âñå íà÷èíàåòñÿ ñ ïðîñòîãî çàìå÷àíèÿ — ïðîòîíû, äâèãàÿñü â êîñìè÷åñêîì ïðîñòðàíñòâå, ñòàëêèâàþòñÿ ñ ðåëèêòîâûìè ôîòîíàìè. Ýíåðãèÿ ýòèõ ôîòî-

174

Ãëàâà 3. Æèçíü ãàëàêòèê

íîâ î÷åíü ìàëà — ïîðÿäêà 2 · 10–4 ýÂ, ïîýòîìó è âåðîÿòíîñòü ñòîëêíîâåíèÿ, è ïîòåðÿ ýíåðãèè îáû÷íî ïðåíåáðåæèìî ìàëû. Íî ÷åì áîëüøå ýíåðãèÿ ëåòÿùåãî ïðîòîíà, òåì âåðîÿòíåå åãî âçàèìîäåéñòâèå ñ ðåëèêòîâûìè ôîòîíàìè è òåì îíî ñèëüíåå. Âñïîìíèòå, âî ÷òî ïðåâðàùàåòñÿ ëàñêîâûé âåòåðîê, êîãäà âû âûñîâûâàåòå ðóêó èç îêíà áûñòðî äâèæóùåãîñÿ ïîåçäà. Ïðè ýíåðãèÿõ ïðîòîíîâ E > 5 · 1019 ý (ïðåäåë ÃÇÊ) îíè òàê áûñòðî òåðÿþò ýíåðãèþ â ñòîëêíîâåíèÿõ ñ ðåëèêòîâûìè ôîòîíàìè, ÷òî ïðîñòî íå ìîãóò äîëåòàòü äî íàñ èç äðóãèõ ãàëàêòèê, íå ïîòåðÿâ ëüâèíîé äîëè ñâîåé ýíåðãèè. Íî ìû èõ íàáëþäàåì!  ÷åì æå äåëî? Ìîæåò áûòü îíè ðîæäàþòñÿ âíóòðè íàøåé ãàëàêòèêè? Íå ïîõîæå, ïîñêîëüêó ïîòîê òàêèõ ïðîòîíîâ èçîòðîïåí, à ãàëàêòèêà èìååò ÿâíî âûðàæåííûå äèñê è ÿäðî. Îñòàþòñÿ âíåãàëàêòè÷åñêèå èñòî÷íèêè. Ýòî ñåðüåçíàÿ ïðîáëåìà, íà ðåøåíèå êîòîðîé íàïðàâëåíû çíà÷èòåëüíûå ñèëû ó÷åíûõ. ×òî æå ïðåäëàãàåòñÿ? À. Íåéòðèíî — åäèíñòâåííûå ÷àñòèöû, êîòîðûå â ñîñòîÿíèè äîëåòàòü äî íàñ èç äðóãèõ ãàëàêòèê áåç ïîòåðè ýíåðãèè. Íåïîñðåäñòâåííî ýòîò âàðèàíò íå ïðîõîäèò, íî íåêîòîðîå óñëîæíåíèå ïðèâîäèò ê öåëè. Ïðèëåòåâøåå íåéòðèíî ìîæåò ïðîâçàèìîäåéñòâîâàòü âíóòðè ãàëàêòèêè ñ êàêîé-ëèáî ãèïîòåòè÷åñêîé ÷àñòèöåé, èç êîòîðûõ, íàïðèìåð, ñîñòîèò ñêðûòàÿ ìàññà Ãàëàêòèêè, è äî Çåìëè äîëåòàþò óæå ÷àñòèöû — ðåçóëüòàòû ðåàêöèè. ×òîáû ïîâûñèòü âåðîÿòíîñòü ïîäîáíûõ ïðîöåññîâ, äåëàþòñÿ äîïîëíèòåëüíûå ïðåäïîëîæåíèÿ ñ èñïîëüçîâàíèåì òåîðèè ñòðóí è äîïîëíèòåëüíûõ ïðîñòðàíñòâåííûõ èçìåðåíèé. Êðîìå íåéòðèíî, ðàññìàòðèâàþòñÿ è äðóãèå âàðèàíòû: íàïðèìåð, ðàñïàäû ðàçëè÷íûõ ìàññèâíûõ îáúåêòîâ, êîòîðûå îáðàçîâàëèñü ñðàçó ïîñëå îêîí÷àíèÿ èíôëÿöèè è ðàâíîìåðíî ðàñïðåäåëåíû ïî Ãàëàêòèêå. Á. Ñòðóíû. Ïðè ñàìîïåðåñå÷åíèè ñòðóíû âïîëíå âîçìîæíî ïîÿâëåíèå ýíåðãè÷íûõ ÷àñòèö. Â. Ïàðà èç ìîíîïîëÿ è àíòèìîíîïîëÿ1 ïðè àííèãèëÿöèè äàåò íóæíûé ðåçóëüòàò. Óâû, áîëåå äåòàëüíûå ðàñ÷åòû ïîêàçàëè, ÷òî â ãàëàêòèêå òàêèõ ïàð íà 10 ïîðÿäêîâ ìåíüøå, ÷åì íóæíî. 1

Ìîíîïîëü — ãèïîòåòè÷åñêèé ìàãíèòíûé çàðÿä.

Êîñìè÷åñêèå ëó÷è

175

Ã. Ñâåðõòÿæåëûå ÷àñòèöû, ðîäèâøèåñÿ íà çàðå Âñåëåííîé è ìåäëåííî ðàñïàäàþùèåñÿ ñî âðåìåíåì. Çàîäíî îíè âíîñÿò âêëàä â ñêðûòóþ ìàññó. Çäåñü òðóäíîñòè ñâÿçàíû ñ îáúÿñíåíèåì ìåõàíèçìà ðîæäåíèÿ òàêèõ ÷àñòèö è îáúÿñíåíèåì èõ î÷åíü íåîõîòíîãî ðàñïàäà. Ä. Íàðóøåíèå ñîîòíîøåíèÿ ìåæäó ýíåðãèåé ÷àñòèöû ìàññû m è åå èìïóëüñîì Å = p 2 + m2 , âûòåêàþùåå èç ñïåöèàëüíîé òåîðèè îòíîñèòåëüíîñòè. Íåñìîòðÿ íà òî, ÷òî äåÿòåëüíîñòü ïî îïðîâåðæåíèþ ñïåöèàëüíîé òåîðèè îòíîñèòåëüíîñòè ñèëüíî äèñêðåäèòèðîâàíà ïðîôàíàìè, ñåðüåçíûå ó÷åíûå ðàññìàòðèâàþò è ýòîò âàðèàíò. Âîçìîæíî, ïðåäïîëàãàþò îíè, îáû÷íàÿ ñâÿçü èìïóëüñà ÷àñòèöû è åå ýíåðãèè ïðè òàêèõ âûñîêèõ ýíåðãèÿõ óæå íå âûãëÿäèò òàê ïðîñòî. Êîíå÷íî, îíè èìåþò îáîñíîâàíèÿ ýòîé èäåè â ðàìêàõ ñîâðåìåííîé òåîðèè ìíîãîìåðíîé ãðàâèòàöèè (ïîêà íå ïîäòâåðæäåííîé). Îáðàòèìñÿ òåïåðü ê ïðîáëåìå óñêîðåíèÿ êîñìè÷åñêèõ ÷àñòèö äî âûñîêèõ ýíåðãèé. Íàèáîëåå ïîïóëÿðíûì ÿâëÿåòñÿ ìåõàíèçì Ôåðìè, îñíîâàííûé íà «îòðàæåíèè» ÷àñòèö îò áûñòðî äâèæóùèõñÿ ìàãíèòíûõ ïîëåé, õàîòè÷åñêè ðàñïîëîæåííûõ â ìåæçâåçäíîì ïðîñòðàíñòâå. Êðîìå òîãî, ìîùíûå ìàãíèòíûå ïîëÿ âîçíèêàþò ïðè âçðûâàõ ñâåðõíîâûõ. ×òîáû ïîíÿòü ñóòü ýòîãî ìåõàíèçìà, ïðîñòîãî íà èäåéíîì óðîâíå, ðàññìîòðèì íåðåëÿòèâèñòñêóþ ÷àñòèöó, âëåòàþùóþ â ïîêîÿùóþñÿ îáëàñòü ìàãíèòíîãî ïîëÿ. Ïîñêîëüêó ñèëà Ëîðåíöà, ñîçäàâàåìàÿ ìàãíèòíûì ïîëåì, íàïðàâëåíà âñå âðåìÿ ïåðïåíäèêóëÿðíî ñêîðîñòè, ÷àñòèöà íà÷èíàåò äâèãàòüñÿ ïî îêðóæíîñòè. Ñîâåðøèâ ïîëîáîðîòà, îíà âîçâðàùàåòñÿ â îáëàñòü, ãäå ìàãíèòíîå ïîëå îòñóòñòâóåò. Òàêèì îáðàçîì, ìàãíèòíîå ïîëå îòðàæàåò ÷àñòèöó â íàïðàâëåíèè, ïðîòèâîïîëîæíîì ïåðâîíà÷àëüíîìó. Ïðè ýòîì ýíåðãèÿ ÷àñòèöû ñîõðàíÿåòñÿ, åñëè ïðåíåáðå÷ü åå èçëó÷åíèåì. Èòàê, âñòðåòèâ íåïîäâèæíóþ îáëàñòü ìàãíèòíîãî ïîëÿ, ÷àñòèöà ìåíÿåò ñâîþ ñêîðîñòü íà òî÷íî òàêóþ æå, íî äâèæåòñÿ â ïðîòèâîïîëîæíîì íàïðàâëåíèè. Óñêîðåíèå ÷àñòèö âîçíèêàåò ïðè âñòðå÷å ñ îáëàñòüþ ìàãíèòíîãî ïîëÿ, äâèæóùåéñÿ íàâñòðå÷ó ÷àñòèöå. Ïîñêîëüêó ìû óæå õîðîøî ïðåäñòàâëÿåì äèíàìèêó ÷àñòèöû â íåïîäâèæ-

176

Ãëàâà 3. Æèçíü ãàëàêòèê

ìàãíèòíûå ïîëÿ

ýëåêòðîíû

íåéòðèíî

ôîòîíû

ìàãíèòíûå ïîëÿ Çåìëÿ

Ðèñ. 3.16. Òðàåêòîðèè ÷àñòèö îò êîñìè÷åñêîãî èñòî÷íèêà. Ïîêàçàíû ÷àñòèöû, â êîíöå êîíöîâ ïîïàâøèå íà Çåìëþ.

íîì ïîëå, ïåðåéäåì â ñèñòåìó îòñ÷åòà, â êîòîðîé ìàãíèòíîå ïîëå ïîêîèòñÿ. Ñêîðîñòü ÷àñòèöû v¢ â ýòîé ñèñòåìå ïîëó÷àåòñÿ ïðîñòûì ïðåîáðàçîâàíèåì Ëîðåíöà: 1

v ¢ = g (v + V magn ), g = (1 - v 2 )- 2 .

Çäåñü v¢ — ñêîðîñòü ÷àñòèöû â ñèñòåìå îòñ÷åòà, ñâÿçàííîé ñ ìàãíèòíûì ïîëåì, Vmagn è v — íàáëþäàåìûå ñ Çåìëè ñêîðîñòè ìàãíèòíîãî ïîëÿ è âëåòàþùåé â ýòî ïîëå ÷àñòèöû. Êàê óæå ïîíÿòíî, ïîñëå âûëåòà èç íåïîäâèæíîãî ìàãíèòíîãî ïîëÿ ÷àñòèöà áóäåò èìåòü ñêîðîñòü –v¢. Âîçâðàùàÿñü â èñõîäíóþ ñèñòåìó, ïîëó÷àåì ñêîðîñòü ÷àñòèöû ïîñëå ñòîëêíîâåíèÿ:

(

)

v ¢¢ = g (-v ¢ - V magn ) = -g g (v + V magn ) + V magn = = -g g v + (g + 1)V magn .

(

)

Ïîñêîëüêó ëîðåíö-ôàêòîð g > 1, ñêîðîñòü ÷àñòèöû ïîñëå ñòîëêíîâåíèÿ ñî ñòåíêîé, äâèæóùåéñÿ íàâñòðå÷ó, óâåëè÷èòñÿ. Êîíå÷íî, åñëè ìàãíèòíûå ïîëÿ â ìåæçâåçäíîì ïðîñòðàíñòâå äâèæóòñÿ õàîòè÷íî, òî íåêîòîðûå ìàãíèòíûå ïîëÿ áóäóò äâèãàòüñÿ îò ÷àñòèöû, à íå íàâñòðå÷ó åé. Àíàëèç, ïîäîáíûé ïðåäûäóùåìó, ïîêàçûâàåò, ÷òî â ýòîì ñëó÷àå ÷àñòèöà ïîñëå ñòîëêíîâåíèÿ çàìåäëèòñÿ. Íî âñòðå÷íûõ ïîëåé áîëüøå ïî Êîñìè÷åñêèå ëó÷è

177

÷èñòî êèíåìàòè÷åñêèì ïðè÷èíàì. (Íåòðóäíî ïðîâåðèòü ýòî ýêñïåðèìåíòàëüíî. Âû èäåòå âíèç ïî ýñêàëàòîðó ìåòðî è ñ÷èòàåòå ëþäåé, ñòîÿùèõ ñïðàâà, à çíà÷èò, äâèæóùèõñÿ ñ âàìè â îäíîì íàïðàâëåíèè. Îäíîâðåìåííî ñ÷èòàåòå ÷èñëî ëþäåé, ñòîÿùèõ íà äðóãîì ýñêàëàòîðå è äâèæóùèõñÿ âìåñòå ñ íèì ââåðõ, âàì íàâñòðå÷ó. Ïîñëåäíèõ áóäåò áîëüøå, ÷åì ïåðâûõ, ïðè ðàâíîé êîíöåíòðàöèè ëþäåé íà ýñêàëàòîðàõ.) Òàêèì îá ðàçîì, õàîòè÷åñêè äâèæóùèåñÿ â êîñìè÷åñêîì ïðîñòðàíñòâå ìàãíèòíûå ïîëÿ óñêîðÿþò ÷àñòèöû. Ñóùåñòâóþò è äðóãèå õîðîøî èçâåñòíûå ìåõàíèçìû óñêîðåíèÿ ÷àñòèö, íàïðèìåð óäàðíûå âîëíû ïðè âçðûâå ñâåðõíîâûõ. Áîëåå òîãî, ïîñëåäíèå íàáëþäåíèÿ çà ñâåðõíîâûìè óêàçûâàþò íà òî, ÷òî èìåííî îíè ïðîèçâîäÿò íàèáîëåå ýíåðãè÷íûå ÷àñòèöû. Åñòü è íåîáû÷íûå âàðèàíòû. Íàïðèìåð, íå òàê äàâíî áûëà îáíàðóæåíà äâîéíàÿ ñèñòåìà ãîëóáîé ãèãàíò—ïóëüñàð.  òî âðåìÿ êàê ïåðâûé ñíàáæàåò îêðóæàþùåå ïðîñòðàíñòâî ÷àñòèöàìè, èçëó÷àþùèìè â îïòè÷åñêîì äèàïàçîíå, âòîðîé, áëàãîäàðÿ ìîùíîìó ìàãíèòíîìó ïîëþ, óñêîðÿåò ÷àñòèöû äî ýíåðãèé â íåñêîëüêî òåðàýëåêòðîíâîëüò.  êîñìè÷åñêèõ ëó÷àõ îñîáåííî âàæíûìè äëÿ íàáëþäåíèé ÿâëÿþòñÿ ôîòîíû. Îáû÷íî ôîòîíû âûñîêèõ è ñâåðõâûñîêèõ ýíåðãèé íàçûâàþò ãàììà-êâàíòàìè. Èõ èçó÷åíèþ ïîñâÿùåíî öåëîå íàïðàâëåíèå èññëåäîâàíèé — ãàììà-àñòðîíîìèÿ.

Ãàììà-âñïûøêè Ãàììà-àñòðîíîìèÿ íå òîëüêî ðàçðåøàåò ñòàðûå çàãàäêè, íî è ñòàâèò íîâûå. Òàê, ïî ñåãîäíÿøíèé äåíü íåò åäèíîãî îáúÿñíåíèÿ ïðîèñõîäÿùèì ïðèìåðíî ðàç â ñóòêè ìîùíûì âñïëåñêàì ãàììà-èçëó÷åíèÿ. Åùå â 1960-å ãã. ýòè âñïëåñêè áûëè çàôèêñèðîâàíû àìåðèêàíñêèìè âîåííûìè ñïóòíèêàìè, ïðåäíàçíà÷åííûìè äëÿ ñëåæåíèÿ çà ÿäåðíûìè è òåðìîÿäåðíûìè âçðûâàìè. Èñêàëè ìîùíîå èçëó÷åíèå îò èñïûòàíèÿ àòîìíûõ áîìá ïîòåíöèàëüíîãî ïðîòèâíèêà, à îáíàðóæèëè ñëåäû êîñìè÷åñêèõ êàòàñòðîô. Åñòü ìíîãî ïðåäïîëîæåíèé î âîçìîæíûõ ìåõàíèçìàõ ãåíåðèðîâàíèÿ ìîùíûõ ãàììà-âñïûøåê, êîãäà âûäåëÿåòñÿ íåâîîáðàçèìîå êîëè÷åñòâî ýíåðãèè. Íàèáîëåå ïîïóëÿðíà ãèïîòåçà,

178

Ãëàâà 3. Æèçíü ãàëàêòèê

ñîãëàñíî êîòîðîé òàê çàêàí÷èâàþò ñâîå ñóùåñòâîâàíèå äâîéíûå ñèñòåìû, ñîñòîÿùèå èç íåéòðîííûõ çâåçä èëè ÷åðíûõ äûð. Òàêàÿ ïàðî÷êà ñîâåðøåííî íåçàìåòíà â îïòè÷åñêîì äèà ïàçîíå. Òîëüêî êîãäà, ïîòåðÿâ áëàãîäàðÿ èçëó÷àåìûì ãðàâèòà öèîííûì âîëíàì âðàùàòåëüíóþ ýíåðãèþ, êîìïàíüîíû ïàäàþò äðóã íà äðóãà, âûäåëÿåòñÿ îãðîìíîå êîëè÷åñòâî ýíåðãèè, èçëó÷àåìîé â òîì ÷èñëå è â ãàììà-äèàïàçîíå. Îáû÷íî ýòà ýíåðãèÿ — ïîðÿäêà 1041 ýðã/ñ, íî ñëó÷àåòñÿ, ÷òî è 1045 ýðã/ñ, ÷òî íåïëîõî ñðàâíèòü ñî ñâåòèìîñòüþ Ñîëíöà, ðàâíîé 2 · 1033 ýðã/ñ. Íàõîäÿòñÿ îíè íà ðàññòîÿíèÿõ 10–14 ìëðä ñâåòî âûõ ëåò, ò. å. âçðûâû ïðîèñõîäèëè â òå âðåìåíà, êîãäà çàðîæ äàëèñü ïåðâûå çâåçäû. Èíòåðåñíî, ÷òî åñëè áû ïðè âçðûâå ýíåðãèÿ ðàñïðîñòðàíÿëàñü âî âñå ñòîðîíû ðàâíîìåðíî, òî åå èñòî÷íèê íå èìåë áû îáúÿñíåíèÿ ñ òî÷êè çðåíèÿ ñîâðåìåííûõ çàêîíîâ — óæ ñëèøêîì áîëüøàÿ ýíåðãèÿ òðåáóåòñÿ. Ñêîðåå âñåãî, ýòè âçðûâû ÿâëÿþòñÿ óçêîíàïðàâëåííûìè, êàê äæåòû îò íåéòðîííûõ äûð, íî íàìíîãî áîëåå ìîùíûìè. Êàê æå îïðåäåëèëè ðàññòîÿíèå äî âñïûøåê ãàììà-èçëó÷åíèÿ? Íà òàêèõ ðàññòîÿíèÿõ íàäåæíûì (õîòÿ è íå î÷åíü òî÷íûì) ìåòîäîì ÿâëÿåòñÿ èñïîëüçîâàíèå êðàñíîãî ñìåùåíèÿ. Íî äëÿ åãî èñïîëüçîâàíèÿ òðåáóåòñÿ çíàíèå äëèíû âîëíû èñïóùåííîãî ñâåòà, à íå òîëüêî òîãî, êîòîðûé óëàâëèâàåòñÿ äåòåêòîðàìè. Íî åñëè ïðèðîäà âñïûøêè íåèçâåñòíà, òî íåëüçÿ íè÷åãî ñêàçàòü è îá èñïóñêàåìîì ñâåòå. Êðóã çàìêíóëñÿ. Òåì íå ìåíåå àñòðîôèçèêè íàøëè âûõîä. Ãàììà-âñïûøêà íàãðåâàåò îêðóæàþùèå ãàçîâûå îáëàêà, îíè íà÷èíàþò ñâåòèòüñÿ. Íî â òå âðåìåíà îáëàêà ñîñòîÿëè èç âîäîðîäà è ãåëèÿ, ñïåêòð èçëó÷åíèÿ êîòîðûõ õîðîøî èçâåñòåí. Âîò ñ èõ-òî ïîìîùüþ ìîæíî óçíàòü ðàññòîÿíèå äî îáëàêîâ, à çíà÷èò, è äî èõ ñîñåäà, òàê ýôôåêòíî âçîðâàâøåãîñÿ. Êàê ýòî ÷àñòî áûâàåò, èíôîðìàöèþ î ïðîèñõîäÿùåì ñîîáùèëè ñîñåäè. Îäíàêî ïåðâûé íàäåæíî èäåíòèôèöèðîâàííûé èñòî÷íèê ãèãàíòñêîé âñïûøêè 5 ìàðòà 1979 ã. îêàçàëñÿ SGR-ïóëüñàðîì («Soft Gamma Ray» — «ìÿãêèå ãàììà-ëó÷è»), ïåðèîäè÷åñêè âñïûõèâàþùèì â ðåíòãåíîâñêîì äèàïàçîíå. Ïðè÷åì íàõîäèòñÿ îí äàæå íå â íàøåé ãàëàêòèêå, à â åå ñîñåäêå — Áîëüøîì Ãàììà-âñïûøêè

179

Ìàãåëëàíîâîì Îáëàêå. Òîëüêî âîò ñåãîäíÿøíèå íåðåãóëÿð íûå âñïûøêè íàìíîãî ìîùíåå òîãî ñòðàøíîãî âçðûâà, ÷òî áûë çàôèêñèðîâàí â 1979 ã. Ñîâðåìåííûå äåòåêòîðû ãàììà-èçëó÷åíèÿ ñïîñîáíû ðåãèñòðèðîâàòü ôîòîíû ñ ýíåðãèÿìè ïîðÿäêà 100 ìëðä. ýëåêòðîíâîëüò. Íàèëó÷øèå ðåçóëüòàòû äîñòèãàþòñÿ ïðè âûâîäå ýòèõ äåòåêòîðîâ â êîñìîñ, ïîñêîëüêó ýíåðãè÷íûå ôîòîíû (ãàììàêâàíòû) ïîðîæäàþò â àòìîñôåðå ìíîæåñòâî âòîðè÷íûõ ÷àñòèö. Âïðî÷åì, ýòè ëèâíè ÷àñòèö, îáðàçóþùèåñÿ â àòìîñôåðå, òàêæå ïîñòàâëÿþò ó÷åíûì èíôîðìàöèþ î ÷àñòèöàõ, èõ ïîðîäèâøèõ. Îäíî èç ïðåèìóùåñòâ ôîòîíîâ ïî ñðàâíåíèþ ñ çàðÿæåííûìè ÷àñòèöàìè ñîñòîèò â òîì, ÷òî ôîòîíû äâèæóòñÿ ïðàêòè÷åñêè ïî ïðÿìîé îò èñòî÷íèêà ê äåòåêòîðó. Ýòî äàåò âîçìîæíîñòü óñòàíîâèòü ìåñòîíàõîæäåíèå êîñìè÷åñêîãî èñòî÷íèêà. Çàðÿæåííûå æå ÷àñòèöû ñèëüíî îòêëîíÿþòñÿ â ìåæçâåçäíîì ïðîñòðàíñòâå ìàãíèòíûìè ïîëÿìè, èìåþùèìè äîâîëüíî çàïóòàííóþ ñòðóêòóðó (ñì. ðèñ. 3.16). Ïîýòîìó äàæå åñëè çàðÿæåííàÿ ÷àñòèöà âûëåòåëà ïî íàïðàâëåíèþ ê Çåìëå, ýòî ñîâñåì íå îçíà÷àåò, ÷òî îíà òóäà ïîïàäåò. Ëèøü ñàìûì ýíåðãè÷íûì ÷àñòèöàì óäàåòñÿ äîëåòåòü äî Çåìëè ïî ïî÷òè ïðÿìîé òðàåêòîðèè. Èìåþòñÿ, êîíå÷íî, è íåéòðàëüíûå ÷àñòèöû, íåéòðèíî, êîòîðûå íå îòêëîíÿþòñÿ â ìàãíèòíûõ ïîëÿõ. Ê ñîæàëåíèþ, èõ î÷åíü òðóäíî, õîòÿ è âîçìîæíî, ðåãèñòðèðîâàòü.

Ãàëàêòèêè Âñå îáúåêòû, î êîòîðûõ ãîâîðèëîñü âûøå, — ýòî îäíà áîëüøàÿ ñèñòåìà, ñâÿçàííàÿ ãðàâèòàöèîííûìè ñèëàìè (êðîìå, êîíå÷íî, êîñìè÷åñêèõ ëó÷åé) è íàçûâàåìàÿ ãàëàêòèêîé. Ñîâðåìåííûì òåëåñêîïàì äîñòóïíû ïðèìåðíî 1010–1011 ãàëàêòèê, â êàæäîé èç êîòîðûõ — ìèëëèàðäû çâåçä. Èçâåñòíûé ìíîãèì Ìëå÷íûé Ïóòü (îò äðåâíèõ ãðåêîâ: galaktiko2s — ìëå÷íûé), âèäèìûé êàê ñëàáî ñâåòÿùàÿñÿ ïîëîñà íà íî÷íîì íåáå, — íå ÷òî èíîå, êàê íàøà Ãàëàêòèêà, íà îêðàèíå êîòîðîé ìû è íàõîäèìñÿ. Ïåðâûì óïîìèíàåìûì â ëèòåðàòóðå êàòàëîãîì çâåçä áûë êàòàëîã Ãèïïàðõà. Äî ïîñëåäíåãî âðåìåíè îí ñ÷èòàëñÿ ïîëíîñòüþ óòåðÿííûì, íî áûë íåäàâíî îáíàðóæåí íà ãëîáóñå, êîòî-

180

Ãëàâà 3. Æèçíü ãàëàêòèê

ðûé äåðæèò íà ïëå÷àõ ñòàòóÿ Àòëàíòà Ôàðíåçå1 (ðèñ. 3.17).  ñåðåäèíå XIX â. ïåðâûì, êòî ïîíÿë, ÷òî òóìàííûå ïÿòíûøêè, íàáëþäàåìûå â òåëåñêîïû, — ýòî ãèãàíòñêèå ñáîðèùà çâåçä, áûë àíãëè÷àíèí Óèëüÿì Ïàðñîíñ.  1784 ã. ôðàíöóçñêèé àñòðîíîì Øàðëü Ìåññüå ñîñòàâèë ïåðâûé êàòàëîã èç 108 òóìàííûõ îáúåêòîâ, äîñòóïíûõ äëÿ íàáëþäåíèé íà èíñòðóìåíòàõ òîãî âðåìåíè. Îáúåêòû, âîøåäøèå â êàòàëîã Ìåññüå, îáîçíà÷àþò áóêâîé Ì ñ ïîðÿäêîâûì íîìåðîì. Òàê, íàïðèìåð, Ì31 — îáîçíà÷åíèå òóìàííîñòè Àíäðîìåäû. Ëèøü 11 îáúåêòîâ èç ýòîãî êàòàëîãà îêàçàëèñü ãàçîâûìè òóìàííîÐèñ. 3.17. Àòëàíò ñòÿìè, îñòàëüíûå — øàðîâûìè è Ôàðíåçå. ðàññåÿííûìè ñêîïëåíèÿìè è ãàëàêòèêàìè.  1920-õ ãã. Ýäâèí Õàááë, íàáëþäàÿ çà öåôåèäàìè â òóìàííîñòè Àíäðîìåäû, ïðèøåë ê âûâîäó, ÷òî îíà ÿâëÿåòñÿ âíåãàëàêòè÷åñêèì îáúåêòîì, è òåì ñàìûì äîêàçàë ñóùåñòâîâàíèå ãàëàêòèê. Áîëåå òîãî, îêàçàëîñü, ÷òî ñàìè ãàëàêòèêè âõîäÿò â ñêîïëåíèÿ ãàëàêòèê ðàçìåðîì â íåñêîëüêî ìåãàïàðñåê, à òàêæå â ñâåðõñêîïëåíèÿ ðàçìåðîì â íåñêîëüêî äåñÿòêîâ ìåãàïàðñåê. Íî ðàç åñòü ñêîïëåíèÿ, äîëæíû áûòü è ïóñòîòû. È îíè äåéñòâèòåëüíî ñóùåñòâóþò, èõ õàðàêòåðíûé ðàçìåð — 100 Ìïê. Ïîýòîìó êîãäà ãîâîðÿò îá «îäíîðîäíîñòè Âñåëåííîé», ïîäðàçóìåâàþò, ÷òî ýòî òàê, òîëüêî íà÷èíàÿ ñ ðàçìåðîâ â 100–200 Ìïê. Ìîæíî ëè âîîáùå ãîâîðèòü îá îäíîðîäíîñòè âèäèìîé ÷àñòè Âñåëåííîé, åñëè ñóùåñòâóþò òàêèå êîëîññàëüíûå íåîäíî1

Ðèìñêàÿ ñòàòóÿ II â. í. ý., óñòàíîâëåííàÿ îêîëî 1550 ã. íà âèëëå êàðäèíàëà Àëåññàíäðî Ôàðíåçå. Íûíå õðàíèòñÿ â îäíîì èç ìóçååâ Íåàïîëÿ. Ãàëàêòèêè

181

ðîäíîñòè? Äëÿ îòâåòà íà ýòîò âîïðîñ âñïîìíèì, ÷òî ðàçìåð âñåé Âñåëåííîé ñîñòàâëÿåò ~ 6 000 Ìïê, à òàêæå òî, ÷òî îáúåì ïðîïîðöèîíàëåí êóáó ðàçìåðà. Òåïåðü ÿñíî, ÷òî òàêèõ ÿ÷ååê ðàçìåðîì â ñîòíþ ìåãàïàðñåê â âèäèìîé ÷àñòè Âñåëåííîé ñîäåðæèòñÿ êàê ìèíèìóì 27 000. Äëÿ ñòàòèñòè÷åñêèõ ðàñ÷åòîâ áîëåå ÷åì äîñòàòî÷íî.  1929 ã. Õàááë ñäåëàë îäíî èç âåëè÷àéøèõ îòêðûòèé â êîñìîëîãèè: îáíàðóæèë ÿâëåíèå ðàçëåòà ãàëàêòèê (òî÷íåå, ñêîïëåíèé ãàëàêòèê) è, ñëåäîâàòåëüíî, óâåëè÷åíèå ðàññòîÿíèÿ ìåæäó âñåìè ñêîïëåíèÿìè ãàëàêòèê. Ñâåò îò ãàëàêòèê ïðàêòè÷åñêè íå ïîãëîùàåòñÿ ìåæçâåçäíîé ñðåäîé, êîíå÷íî, åñëè íà åãî ïóòè íå ïîïàäåòñÿ êàêîå-íèáóäü ãàçî-ïûëåâîå îáëàêî. Èìåííî ïîýòîìó èññëåäîâàíèå èçëó÷åíèÿ îò äàëåêèõ ãàëàêòèê ïîçâîëÿåò íå òîëüêî ïðèáëèçèòüñÿ ê âèäèìûì ãðàíèöàì Âñåëåííîé, íî è âûÿñíèòü, ÷òî æå ïðîèñõîäèëî íà ñàìîì ðàííåì ýòàïå åå ñóùåñòâîâàíèÿ, êîãäà ãàëàêòèêè, êîòîðûå íàñ îêðóæàþò, åùå òîëüêî ôîðìèðîâàëèñü. Ñåé÷àñ ìíîãèõ èç íèõ óæå íå ñóùåñòâóåò — çà ìèëëèàðäû ëåò ïðîèçîøëî ìíîæåñòâî ñîáûòèé: ãàëàêòèêè ðîæäàëèñü, ðàçáåãàëèñü è ñëèâàëèñü, ïîãëîùàÿ äðóã äðóãà è îáðàçóÿ íîâûå. Ñóäÿ ïî âñåìó, Ìëå÷íûé Ïóòü, ãàëàêòèêà, â êîòîðîé ìû æèâåì, ÷åðåç íåñêîëüêî ìèëëèàðäîâ ëåò ñîëüåòñÿ ñî ñâîåé áëèæàéøåé ñîñåäêîé — òóìàííîñòüþ Àíäðîìåäû. Êàê óæå ãîâîðèëîñü, ãàëàêòèêè îáðàçóþò ñêîïëåíèÿ è ñâåðõñêîïëåíèÿ. Òàê, íàøà Ãàëàêòèêà (ïèøåòñÿ ñ áîëüøîé áóêâû), Ìëå÷íûé Ïóòü, ñîñåäíÿÿ ãàëàêòèêà — òóìàííîñòü Àíäðîìåäû è åùå 34 áîëåå ìåëêèå ãàëàêòèêè âõîäÿò â ñîñòàâ òàê íàçûâàåìîé Ìåñòíîé ãðóïïû, ðàçìåðîì ïîðÿäêà ìèëëèîíà ïàðñåê. Êîíå÷íî, âñå ãàëàêòèêè íåïîâòîðèìû, òåì íå ìåíåå èõ óñëîâíî ðàçäåëèëè íà íåñêîëüêî âèäîâ. Íàèáîëåå ðàñïðîñòðàíåííûìè ÿâëÿþòñÿ ñïèðàëüíûå ãàëàêòèêè. Îíè èìåþò öåíòðàëüíîå ÿäðî, ñîñòîÿùåå èç áëèçêî ðàñïîëîæåííûõ çâåçä, è ïëîñêèé äèñê, òàêæå èç çâåçä. Èìåííî â òàêîì äèñêå è íàõîäèòñÿ íàøå Ñîëíöå. Ñôåðè÷åñêèå èëè ýëëèïñîèäàëüíûå ãàëàêòèêè — áîëåå ñòàðûå. Èõ ðàçìåðû êîëåáëþòñÿ îò îäíîãî äî ñîòåí êèëîïàðñåê. Áûëî îáíàðóæåíî è ìíîæåñòâî ñîâåðøåííî

182

Ãëàâà 3. Æèçíü ãàëàêòèê

Ðèñ. 3.18. Òèïû ãàëàêòèê: 1 — ýëëèïòè÷åñêèå; 2 — íåïðàâèëüíàÿ, 3–5 — ñïèðàëüíûå.

áåñôîðìåííûõ ãàëàêòèê, îíè áûëè ââåäåíû â êëàññèôèêàöèþ ïîä íàçâàíèåì «íåïðàâèëüíûå» (irregular). Ñóùåñòâåííóþ ÷àñòü èõ ìàññû ñîñòàâëÿåò ìåæçâåçäíûé ãàç. Ñîîòíîøåíèå ÷èñëà ãàëàêòèê ðàçíûõ òèïîâ âûãëÿäèò ïðèìåðíî òàê: ñïèðàëüíûõ — 50%; ýëëèïòè÷åñêèõ — 20%; íåïðàâèëüíûõ — 10%. Íàïîìíþ, ÷òî â öåíòðàõ áîëüøèíñòâà ãàëàêòèê ðàñïîëîæåíû ÷åðíûå äûðû ñ ìàññàìè îò ìèëëèîíà äî ìèëëèàðäà ñîëíå÷íûõ ìàññ. Âåùåñòâî öåíòðàëüíîé ÷àñòè — ãàç, çâåçäû, ïëàíåòû — çàñàñûâàåòñÿ ÷åðíîé äûðîé. Óñêîðåíèå çàðÿæåííûõ ÷àñòèö, ñîçäàâàåìîå ãðàâèòàöèîííûìè ñèëàìè, âåëèêî, ïîýòîìó ïàäàþùåå âåùåñòâî èíòåíñèâíî èçëó÷àåò ôîòîíû. Íàøà Ãàëàêòèêà òàêæå ñîäåðæèò â ñâîåì öåíòðå ÷åðíóþ äûðó ìàññîé 3 ìèëëèîíà ñîëíå÷íûõ ìàññ, ÷òî áûëî íàäåæíî óñòàíîâëåíî, â ÷àñòíîñòè, ïî èçìåðåíèÿì îðáèò çâåçä, èçëó÷àþùèõ â èíôðàêðàñíîì äèàïàçîíå è íàõîäÿùèõñÿ áëèçêî ê öåíòðó. Íàøåìó Ñîëíöó ó÷àñòü áûòü ïîãëîùåííûì ÷åðíîé äûðîé ïîêà íå ãðîçèò. Âî-ïåðâûõ, ìû íàõîäèìñÿ äàëåêî îò íåå, âîâòîðûõ, îáðàùàåìñÿ âîêðóã öåíòðà, è çàêîí ñîõðàíåíèÿ ìîìåíòà èìïóëüñà íå ïîçâîëÿåò íàì ñìåíèòü îðáèòó íà áîëåå áëèçêóþ. Ãàëàêòèêè

183

Îáñóäèì ïðè÷èíû âîçíèêíîâåíèÿ âðàùåíèÿ ãàëàêòèê. Áåç íåãî âñå çâåçäû äàâíî îñåëè áû â öåíòðå ãàëàêòèêè, îáðàçîâàâ ÷åðíóþ äûðó êîëîññàëüíûõ ðàçìåðîâ, ÷òî íåïðèÿòíî. Ðàíüøå, êîãäà ãàëàêòèêè òîëüêî îáðàçîâûâàëèñü, ðàçìåð íàøåé Âñåëåííîé áûë íàìíîãî, ðàç â 20, ìåíüøå, è ãàëàêòèêè íàõîäèëèñü â íåïîñðåäñòâåííîé áëèçîñòè äðóã îò äðóãà. Ñåé÷àñ, êñòàòè, ñðåäíåå ðàññòîÿíèå ìåæäó íèìè ïîðÿäêà 1 ìåãàïàðñåêà. À â òå âðåìåíà, ñòàëêèâàÿñü «áîêàìè», ãàëàêòèêè îáìåíèâàëèñü è ýíåðãèåé, è ìîìåíòîì èìïóëüñà, òàê ÷òî, ðàçáåãàÿñü, îíè âðàùàëèñü â ðàçíûå ñòîðîíû. (Êñòàòè, âñÿ ýòà áëàãîñòíàÿ êàðòèíà — íå îêîí÷àòåëüíî óñòàíîâëåííàÿ èñòèíà.) Èç ñêàçàííîãî ÿñíî, ÷òî íàïðàâëåíèÿ âðàùåíèÿ ãàëàêòèê ñîâåðøåííî ñëó÷àéíû, è åñëè ñëîæèòü ìîìåíòû èìïóëüñà âñåõ ãàëàêòèê, òî äîëæåí ïîëó÷èòüñÿ òî÷íûé íîëü. Ïîêà æå, ñóäÿ ïî íàáëþäàòåëüíûì äàííûì, íóëÿ íå ïîëó÷àåòñÿ. Âîçìîæíî, ýòî îçíà÷àåò, ÷òî íàøà Âñåëåííàÿ âðàùàåòñÿ êàê öåëîå. Íî äàæå åñëè ýòî è òàê, åå óãëîâàÿ ñêîðîñòü íè÷òîæíî ìàëà, òàê ÷òî íà ìàòåðèàëå øêîëüíûõ ó÷åáíèêîâ ýòî íå îòðàçèòñÿ. Áëèçêèìè ðîäñòâåííèêàìè êâàçàðîâ, êàê óæå ãîâîðèëîñü, âèäèìî, ÿâëÿþòñÿ ñåéôåðòîâñêèå ãàëàêòèêè è ðàäèîãàëàêòèêè. Âîçìîæíî, ÷òî âñå ýòî ðàçíîîáðàçèå òèïîâ — ïðîñòî ðàçëè÷íûå ýòàïû ýâîëþöèè ãàëàêòèê.

Ìëå÷íûé Ïóòü Íàøè ïðåäñòàâëåíèÿ î Ãàëàêòèêå ðàçâèâàëèñü ïîñòåïåííî, íà÷èíàÿ ñ 1920-õ ãã., êîãäà Øåïëè âïåðâûå óñòàíîâèë, ÷òî Ñîëíöå íàõîäèòñÿ äàëåêî îò öåíòðà Ãàëàêòèêè. Íàøà Ãàëàêòèêà, Ìëå÷íûé Ïóòü, ÿâëÿåòñÿ äîñòàòî÷íî áîëüøîé: äèàìåòð åå äèñêà — îêîëî 105 ñâåòîâûõ ëåò, ìàññà — ïðèìåðíî îò 750 ìèëëèàðäîâ äî òðèëëèîíà ñîëíå÷íûõ ìàññ.  íåå âíîñÿò âêëàä ìåæçâåçäíûé ãàç, ãàçî-ïûëåâûå îáëàêà, ñêðûòàÿ ìàññà, íó è, êîíå÷íî, çâåçäû. Êîëè÷åñòâî çâåçä òàêæå îïðåäåëåíî äîâîëüíî ïðèáëèçèòåëüíî — îò 200 äî 400 ìèëëèàðäîâ. Ìàññà ìåæçâåçäíîãî ãàçà ñîñòàâëÿåò îêîëî 10% îò ìàññû âñåõ çâåçä. Âñå îáúåêòû îáðàùàþòñÿ âîêðóã îáùåãî öåíòðà ìàññ, íàçâàííîãî ãàëàêòè÷åñêèì öåíòðîì. Íàøà Ñîëíå÷íàÿ ñèñòåìà

184

Ãëàâà 3. Æèçíü ãàëàêòèê

ðàñïîëîæåíà âî âíåøíèõ îáëàñòÿõ Ãàëàêòèêè, íà ðàññòîÿíèè 28 òûñÿ÷ ñâåòîâûõ ëåò îò ãàëàêòè÷åñêîãî öåíòðà è 20 ñâåòîâûõ ëåò îò ïëîñêîñòè äèñêà. Ðàñïîëîæåíèå Ñîëíöà íå î÷åíü óäîáíî äëÿ èçó÷åíèÿ öåíòðàëüíûõ îáëàñòåé Ãàëàêòèêè: èõ çà êðûâàþò çâåçäû, íàõîäÿùèåñÿ â äèñêå è áîëåå áëèçêèå ê öåí òðó. Òàê, åñëè â îêðåñòíîñòÿõ Ñîëíöà, â äèñêå, îäíà çâåçäà ïðèõîäèòñÿ íà 16 êóáè÷åñêèõ ïàðñåê, òî â öåíòðå Ãàëàêòèêè â îäíîì êóáè÷åñêîì ïàðñåêå íàõîäèòñÿ 10 000 çâåçä. Ê ñîæàëåíèþ, â îáëàñòè, ãäå ðàñïîëîæåíî Ñîëíöå, äîâîëüíî ìíîãî ìåæçâåçäíîãî âåùåñòâà, ïîãëîùàþùåãî ñâåò è äåëàþùåãî çâåçäíûé äèñê ïî÷òè íåïðîçðà÷íûì äëÿ âèäèìîãî ñâåòà â íåêîòîðûõ íàïðàâëåíèÿõ, îñîáåííî â íàïðàâëåíèè ÿäðà Ãàëàêòèêè. Åñëè áû íå ýòî ïîãëîùåíèå, åå öåíòð ïðîèçâîäèë áû ÿðêîå âïå÷àòëåíèå íà çåìëÿí. Ïîýòîìó äëÿ èçó÷åíèÿ íàèáîëåå èíòåðåñíîé öåíòðàëüíîé îáëàñòè ïðèõîäèòñÿ îãëÿäûâàòüñÿ íà ñîñåäåé.  ÷àñòíîñòè, òóìàííîñòü Àíäðîìåäû, ãàëàêòèêà M31, — ïðåêðàñíûé îáúåêò äëÿ íàáëþäåíèé, ïîñêîëüêó îíà íàõîäèòñÿ âáëèçè îò íàñ, à ïëîñêîñòü åå äèñêà íàêëîíåíà ïî îòíîøåíèþ ê íàì. Íåìàëîâàæíî è òî, ÷òî îíà ïîõîæà íà íàøó Ãàëàêòèêó. Íàáëþäåíèÿ ïîçâîëèëè îáíàðóæèòü áîëåå ñîòíè òî÷å÷íûõ èñòî÷íèêîâ ðåíòãåíîâñêîãî èçëó÷åíèÿ. Êàê ñ÷èòàþò àñòðîôèçèêè, ÷àñòü èç íèõ ìîæåò áûòü ÷åðíûìè äûðàìè ïðîìåæóòî÷íûõ ìàññ, ò. å. îò 100 äî 105 M¤. Ãàëàêòèêà ñîñòîèò èç äèñêà, ãàëî è ÿäðà. ßäðîì, èëè áàëäæåì, íàçûâàåòñÿ íàèáîëåå êîìïàêòíàÿ îáëàñòü â öåíòðå Ãàëàêòèêè. Çäåñü ïðåäïîëàãàåòñÿ ñóùåñòâîâàíèå ìàññèâíîé ÷åðíîé äûðû.  ãàëàêòè÷åñêîì äèñêå ñîñðåäîòî÷åíû îñíîâíàÿ ìàññà çâåçä, áîëüøèíñòâî ìîëåêóëÿðíûõ îáëàêîâ, áîëüøèíñòâî íåéòðîííûõ çâåçä è äðóãèõ îñòàòêîâ ñâåðõíîâûõ.  äèñêå æå ðîæäàþòñÿ íîâûå çâåçäû. Ãàëî èìååò ïðèáëèæåííî ñôåðè÷åñêóþ ôîðìó è ñîäåðæèò íàèáîëåå äðåâíèå çâåçäû, ïîÿâèâøèåñÿ åùå ïðè ðîæäåíèè Ãàëàêòèêè. ×àñòî îíè ñîáèðàþòñÿ â øàðîâûå ñêîïëåíèÿ. Ñêîðîñòü âðàùåíèÿ äèñêà è ãàëî ðàçëè÷íà, äèñê âðàùàåòñÿ ïîáûñòðåå. Èìåííî çâåçäû äèñêà íàøåé Ãàëàêòèêè îáðàçóþò çíàìåíèòûé Ìëå÷íûé Ïóòü, êîòîðûé ìû âèäèì êàê ñâåòÿùóþñÿ ïîëîñó, òÿíóùóþñÿ ÷åðåç âñå íåáî. Íàøå Ñîëíöå äâèæåòñÿ âîêðóã Ìëå÷íûé Ïóòü

185

Ðèñ. 3.19. Ñõåìàòè÷íîå èçîáðàæåíèå Ãàëàêòèêè.

ãàëàêòè÷åñêîãî öåíòðà ïî ïî÷òè êðóãîâîé îðáèòå ñî ñêîðîñòüþ ïðèáëèçèòåëüíî 250 êì/ñ, à ýòî â 300 ðàç áîëüøå ñêîðîñòè ïóëè. Íî äàæå ïðè òàêîé ñêîðîñòè ìû âìåñòå ñ Ñîëíöåì äåëàåì îäèí îáîðîò ïðèáëèçèòåëüíî çà 220 ìèëëèîíîâ ëåò. Ñîëíå÷íàÿ ñèñòåìà çà âðåìÿ ñâîåé æèçíè ñîâåðøèëà îêîëî 20 îáîðîòîâ. Îïðåäåëåíèå âîçðàñòà Ãàëàêòèêè — îäíà èç çàáîò àñòðîíîìîâ. À êàê âñå-òàêè îïðåäåëèòü âîçðàñò ãàëàêòèê íåçàâèñèìûìè ìåòîäàìè? Ìîãëà ëè íàøà Ãàëàêòèêà ðîäèòüñÿ, ñêàæåì, ìèëëèîí ëåò íàçàä? Èçâåñòíî íåñêîëüêî ìåòîäîâ, è âñå îíè íå ïðîòèâîðå÷àò äðóã äðóãó. Íàïðèìåð, îïðåäåëÿÿ êîí-

186

Ãëàâà 3. Æèçíü ãàëàêòèê

öåíòðàöèþ ðàäèîàêòèâíûõ õèìè÷åñêèõ ýëåìåíòîâ è çíàÿ ïåðèîä èõ ïîëóðàñïàäà, óäàëîñü íàéòè âîçðàñò ñàìûõ ñòàðûõ ãîðíûõ ïîðîä íà Çåìëå — îêîëî 3,8 ìëðä ëåò. Âîçðàñò ñàìûõ äðåâíèõ ìåòåîðèòîâ — 4,56 ìëðä ëåò. Íåäàâíî áûë ïðåäëîæåí èíòåðåñíûé ìåòîä îïðåäåëåíèÿ âîçðàñòà ãàëàêòèê — ïî ñîäåðæàíèþ áåðèëëèÿ â çâåçäàõ øàðîâûõ ñêîïëåíèé. Îí îñíîâàí íà òîì, ÷òî êîíöåíòðàöèÿ áåðèëëèÿ ðàñòåò ñî âðåìåíåì áëàãîäàðÿ ÿäåðíûì ðåàêöèÿì âíóòðè çâåçä. Íàøè çíàíèÿ îá ýòèõ ÿäåðíûõ ðåàêöèÿõ ïîçâîëÿþò òåîðåòè÷åñêè âû÷èñëèòü êîíöåíòðàöèþ áåðèëëèÿ â ëþáîé ìîìåíò âðåìåíè. Ñðàâíåíèå òåîðèè è íàáëþäàòåëüíûõ äàííûõ ïîçâîëÿåò îöåíèòü âîçðàñò çâåçäû. Èíòåðåñíû, êîíå÷íî, íàèáîëåå ñòàðûå çâåçäû, à îíè íàõîäÿòñÿ â øàðîâûõ ñêîïëåíèÿõ. Îáû÷íî ýòè ñêîïëåíèÿ ñîäåðæàò 104–105 çâåçä, ïëîòíîñòü êîòîðûõ ïëàâíî ïàäàåò ñ óäàëåíèåì îò öåíòðà ñêîïëåíèÿ. Âëèÿíèå íà íèõ ãàëàêòè÷åñêîãî äèñêà, â êîòîðîì ðàñïîëîæåíà îñíîâíàÿ ìàññà çâåçä, ìàëî, è øàðîâûå ñêîïëåíèÿ ïðàêòè÷åñêè íå ìåíÿþò ñâîèõ ñâîéñòâ ñ ìîìåíòà ðîæäåíèÿ. Ïîýòîìó äëÿ èññëåäîâàíèÿ ëó÷øå âñåãî èñïîëüçîâàòü øàðîâûå ñêîïëåíèÿ â ãàëî. Îïðåäåëèâ ïî ñîäåðæàíèþ áåðèëëèÿ âîçðàñò ñàìûõ ñòàðûõ çâåçä, ìîæíî îöåíèòü âîçðàñò øàðîâîãî ñêîïëåíèÿ, à çíà÷èò, è Ãàëàêòèêè. Áûëè âûáðàíû äâå çâåçäû èç øàðîâîãî ñêîïëåíèÿ NGC 6397. Èõ âîçðàñò îêàçàëñÿ ðàâíûì 13,6±0,8 ìëðä. ëåò, ò. å. áëèçîê ê âîçðàñòó íàøåé Âñåëåííîé. Âîçðàñò æå ãàëàêòèêè íå ìîæåò áûòü ìåíüøå âîçðàñòà âõîäÿùèõ â íåãî çâåçä. Èòàê, íàøà Âñåëåííàÿ, íàøà Ãàëàêòèêà è íåêîòîðûå çâåçäû èìåþò ïðèìåðíî îäèíàêîâûé âîçðàñò â 14 ìëðä. ëåò.

Ýâîëþöèÿ ãàëàêòèê Óñòîÿâøåãîñÿ ìíåíèÿ î ìåõàíèçìàõ çàðîæäåíèÿ ãàëàêòèê è îá èõ ýâîëþöèè ïîêà íå ñóùåñòâóåò. Ñîãëàñíî íàèáîëåå ðàñïðîñòðàíåííîé èåðàðõè÷åñêîé ìîäåëè, ïåðâûìè ñòðóêòóðàìè, êîòîðûå ñôîðìèðîâàëèñü â ðàííåé Âñåëåííîé, áûëè ìàëåíüêèå ïðîòîãàëàêòèêè, ìàññû êîòîðûõ ñîñòàâëÿëè âñåãî íåñêîëüêî òûñÿ÷ ñîëíå÷íûõ ìàññ. Ïîÿâëÿåòñÿ âñå áîëüøå äîêàçàòåëüñòâ òîãî, ÷òî ãëàâíûìè äâèæóùèìè ñèëàìè ýâîëþöèè ãàëàêòèê è Ýâîëþöèÿ ãàëàêòèê

187

Ðèñ. 3.20. Âçàèìîäåéñòâóþùèå ãàëàêòèêè. Ñíèìîê ñäåëàí êàìåðîé êîñìè÷åñêîãî òåëåñêîïà «Õàááë». Ôîòî ñ èíòåðíåò-ñòðàíèöû http://astro.pu.ru/astro/win/gallery/photo.asp?ID=172

ïðè÷èíîé èõ ðàçíîîáðàçèÿ ÿâëÿþòñÿ âçàèìîäåéñòâèå è ñòîëêíîâåíèå ãàëàêòèê äðóã ñ äðóãîì. Ïðè ýòîì íå ñëåäóåò äóìàòü, ÷òî ñòîëêíîâåíèå äâóõ ãàëàêòèê áóäåò ïðåäñòàâëÿòü ñîáîé áåñ÷èñëåííûå ñòîëêíîâåíèÿ ìåæäó âõîäÿùèìè â íèõ çâåçäàìè. Íà ñàìîì äåëå âåðîÿòíîñòü ñòîëêíîâåíèÿ äâóõ çâåçä î÷åíü íåçíà÷èòåëüíà, ïîòîìó ÷òî ðàçìåðû çâåçä ïðåíåáðåæèìî ìàëû ïî ñðàâíåíèþ ñî ñðåäíèì ðàññòîÿíèåì ìåæäó íèìè. Íî ïðîñòðàíñòâî ìåæäó çâåçäàìè çàïîëíåíî ãàçîì è ïûëüþ, è èìåííî ýòè êîìïîíåíòû âçàèìîäåéñòâóþò, êîãäà ãàëàêòèêè ñòàëêèâàþòñÿ. Ãðàâèòàöèîííîå âçàèìîäåéñòâèå ïðèâîäèò ê íàðóøåíèþ ñòðóêòóðû

188

Ãëàâà 3. Æèçíü ãàëàêòèê

Ðèñ. 3.21. Âçàèìîäåéñòâóþùèå ñïèðàëüíûå ãàëàêòèêè. Ñíèìîê ñäåëàí êàìåðîé êîñìè÷åñêîãî òåëåñêîïà «Õàááë». Ôîòî ñ èíòåðíåò-ñòðàíèöû http://astro.pu.ru/astro/win/gallery/photo.asp?ID=174

ãàçîïûëåâîé ñðåäû è ïåðåìåøèâàíèþ âåùåñòâà ãàëàêòèê. Íó è, êîíå÷íî, ê õàîòèçàöèè äâèæåíèÿ çâåçä. Ïðè ñòîëêíîâåíèè ãàçîâûõ îáëàêîâ ïðîèñõîäèò èõ èíòåíñèâíîå ñæàòèå, âîçíèêàþò óäàðíûå âîëíû. Ïîñëå òîãî, êàê ãàç ñæàëñÿ, ãðàâèòàöèîííûå ñèëû ñæèìàþò åãî âñå áîëüøå, ÷òî ïðèâîäèò ê îáðàçîâàíèþ â ãàëàêòèêàõ íîâûõ çâåçä. Ñâåòèìîñòü ýòèõ çâåçä âûñîêà â ïåðâûå íåñêîëüêî ìèëëèîíîâ ëåò, ïîýòîìó èõ îáíàðóæåíèå ÿâëÿåòñÿ íàèáîëåå î÷åâèäíûì ïðèçíàêîì ïðîèçîøåäøåãî ñòîëêíîâåíèÿ äâóõ ãàëàêòèê. Âçàèìîäåéñòâèå ãàëàêòèê ðàäèêàëüíî âëèÿåò íà èõ ñòðóêòóðó. Íàïðèìåð, äâå ñïèðàëüíûå ãàëàêòèêè ìîãóò ñëèòüñÿ è ñôîðìèðîâàòü ýëëèïòè÷åñêóþ. Áîëüøèå ãàëàêòèêè ïîãëîùàþò ìàëåíüêèå, óâåëè÷èâàÿ ñâîé ðàçìåð. Âñå ýòè ïðîöåññû äëÿòñÿ ìèëëèîíû ëåò — íå òàê óæ ìíîãî ïî àñòðîíîìè÷åñêèì ìàñøòàáàì, íî ÷åëîâå÷åñêîé æèçíè íå õâàòèò íà òî, ÷òîáû çàôèêñèðîâàòü âñå ñòàäèè ýòîãî ïðîöåññà. Äëÿ òîãî ÷òîáû óâèäåòü åãî äèíàìèêó, íóæíî íàáëþäàòü íåñêîëüêî ïàð âçàèìîäåéñòâóþùèõ ãàëàêòèê â ðàçëè÷íûå ìoìåíòû èõ ñëèÿíèÿ è çàòåì ñîñòàâèòü ïîñëåäîâàòåëüíîñòü èçîáðàæåíèé âî âðåìåíè. À ìîæíî ïðîâåñòè êîìïüþòåðíîå Ýâîëþöèÿ ãàëàêòèê

189

Ðèñ. 3.22. Âçàèìîäåéñòâèå äâóõ ñïèðàëüíûõ ãàëàêòèê, èçâåñòíûõ êàê «Ìûøêè» èç-çà èõ äëèííûõ «õâîñòîâ». «Õâîñòû» îáðàçóþòñÿ âñëåäñòâèå ðàçëè÷èÿ ãðàâèòàöèîííûõ ñèë, äåéñòâóþùèõ íà áëèæíþþ è äàëüíþþ ñòîðîíû êàæäîé ãàëàêòèêè. Îíè óæå ïðîõîäèëè îäíà ñêâîçü äðóãóþ è, âåðîÿòíî, áóäóò ñòàëêèâàòüñÿ ñíîâà è ñíîâà, ïîêà íå ñîëüþòñÿ. Ñíèìîê ñäåëàí êàìåðîé êîñìè÷åñêîãî òåëåñêîïà «Õàááë». Èíôîðìàöèÿ ñ èíòåðíåò-ñòðàíèöû http://www.astronet.ru/db/msg/1176649

ìîäåëèðîâàíèå ñòîëêíîâåíèÿ è ñðàâíèòü ðåçóëüòàò ñ íàáëþ äåíèÿìè. Êîíå÷íî, ÷òîáû ñîçäàòü ìîäåëü, íàèáîëåå áëèçêóþ ê äåéñòâèòåëüíîñòè, íàäî îïåðèðîâàòü ñîòíÿìè ìèëëèàðäîâ «òî÷åê»-çâåçä. Òàêèå ñèñòåìû âåëèêîâàòû äàæå äëÿ ñîâðåìåí íûõ êîìïüþòåðîâ, íî îáû÷íî äîñòàòî÷íóþ òî÷íîñòü äàåò è ãîðàçäî ìåíüøåå ÷èñëî «òî÷åê». Ñåé÷àñ ó÷åíûå óæå âçÿëèñü çà ìîäåëèðîâàíèå ýâîëþöèè âñåé Âñåëåííîé — ñ ìîìåíòà îáðàçîâàíèÿ è äî íàøèõ äíåé. Ìíîãèå àêòèâíûå ãàëàêòèêè òàêæå ÿâëÿþòñÿ ÷àñòüþ âçàèìîäåéñòâóþùèõ èëè ñëèâàþùèõñÿ äâóõ èëè íåñêîëüêèõ ãàëàêòè÷åñêèõ ñèñòåì. Òàêîå âçàèìîäåéñòâèå âñåãäà èçìåíÿåò ðàñïðåäåëåíèå ìåæçâåçäíîãî ãàçà è ïûëè â ãàëàêòèêàõ. Ãèãàíòñêèå îáëàêà ìîëåêóëÿðíîãî ãàçà è ïûëè óñòðåìëÿþòñÿ, ñòàëêèâàÿñü äðóã ñ äðóãîì, ê öåíòðàëüíûì îáëàñòÿì ãàëàêòèê, ãäå â ðåçóëüòàòå íà÷èíàåòñÿ ìîùíûé ïðîöåññ ôîðìèðîâàíèÿ çâåçä èëè âîçíèêàåò àêòèâíîå ãàëàêòè÷åñêîå ÿäðî. Ðîæäåíèå çâåçä èç ãàçîïûëåâûõ îáëàêîâ ïðîèñõîäèò è ñåé÷àñ.  íàøåé Ãàëàêòèêå ïîÿâëÿåòñÿ â ñðåäíåì íåñêîëüêî íîâîðîæäåííûõ â ãîä. Ðîäèâøèåñÿ çâåçäû îáðàçóþò ðàññåÿííûå ñêîïëåíèÿ è

190

Ãëàâà 3. Æèçíü ãàëàêòèê

Ðèñ. 3.23. Ãàëàêòèêà Êîëåñî òåëåãè, îáðàçîâàâøàÿñÿ â ðåçóëüòàòå ïðîõîæäåíèÿ ìåíüøåé ãàëàêòèêè ÷åðåç áîëüøóþ. «Îáîäîê» èìååò â äèàìåòðå 100 òûñÿ÷ ñâåòîâûõ ëåò, â íåì íàõîäÿòñÿ î÷åíü ÿðêèå ìàññèâíûå çâåçäû: îò òî÷êè ñòîëêíîâåíèÿ ñòàëà ðàñïðîñòðàíÿòüñÿ âîëíà çâåçäîîáðàçîâàíèÿ, ïîäîáíî òîìó, êàê ðàçáåãàþòñÿ âîëíû ïî ïîâåðõíîñòè âîäû. Áîëüøàÿ ãàëàêòèêà âíà÷àëå, ñêîðåå âñåãî, áûëà ñïèðàëüíîé, ïîõîæåé íà íàøó. Èíôîðìàöèÿ ñ èíòåðíåò-ñòðàíèöû http://www.astronet.ru/db/msg/1165439

çâåçäíûå àññîöèàöèè — ñëàáî ñâÿçàííûå ãðóïïû ïî ~ 102 ¸ 103 øòóê. Îíè ïîñòåïåííî ðàññåèâàþòñÿ â ïðîñòðàícòâå. Ìíîãèå èç î÷åíü äàëåêèõ, à ñëåäîâàòåëüíî, î÷åíü ñòàðûõ ãàëàêòèê íîñÿò ñëåäû ðàçðóøåíèÿ, ÷òî ñâèäåòåëüñòâóåò î òîì, ÷òî â ðàííåé Âñåëåííîé ñòîëêíîâåíèÿ ãàëàêòèê áûëè ñêîðåå ïðàâèëîì, ÷åì èñêëþ÷åíèåì. ×èñëåííûå ðàñ÷åòû ïîêàçûâàþò, ÷òî áîëüøèíñòâî ñêîïëåíèé ãàëàêòèê óæå ïðîøëî ÷åðåç íåñêîëüêî òàêèõ ñòîëêíîâåíèé. Íàøà Ãàëàêòèêà òîæå ÿâëÿåòñÿ ðåçóëüòàòîì ñëèÿíèÿ íåáîëüøèõ ãàëàêòèê. Äà è ñåé÷àñ êàðëèêîâàÿ ãàëàêòèêà ïûòàåòñÿ ïðèñîåäèíèòüñÿ ê íàøåìó Ìëå÷íîìó Ïóòè, à åùå 8 áëèçêîðàñïîëîæåííûõ êàðëèêîâûõ ãàëàêòèê ñîëüþòñÿ ñ íèì ÷åðåç íåêîòîðîå âðåìÿ. ×åðåç íåñêîëüêî Ýâîëþöèÿ ãàëàêòèê

191

ìèëëèàðäîâ ëåò ïðîèçîéäåò ñòîëêíîâåíèå ìåæäó Ìëå÷íûì Ïóòåì è íàøåé ñîñåäêîé, ãàëàêòèêîé Àíäðîìåäû, íàõîäÿùåéñÿ îò íàñ íà ðàññòîÿíèè äâóõ ìèëëèîíîâ ñâåòîâûõ ëåò. Âïðî÷åì, íîâåéøèå èññëåäîâàíèÿ ñïåêòðîâ ãàëàêòèê ïîñòàâèëè ïîä ñîìíåíèå ýòó ñòðîéíóþ êàðòèíó. Äåéñòâèòåëüíî, åñëè áîëüøèå ãàëàêòèêè âîçíèêëè â ïðîöåññå ñëèÿíèÿ ìàëåíüêèõ, òî âîçðàñò çâåçä â áîëüøèõ è ìàëåíüêèõ ãàëàêòèêàõ äîëæåí áûòü ïðèìåðíî îäèíàêîâ. Íî ïîõîæå, ÷òî ýòî íå ñîâñåì òàê! Áîëüøèå ãàëàêòèêè, ïî êðàéíåé ìåðå øàðîâûå ñêîïëåíèÿ âíóòðè íèõ, ñîñòîÿò èç ñòàðûõ çâåçä, ïîÿâèâøèõñÿ îêîëî 13 ìëðä. ëåò íàçàä. Áóäóùèå èññëåäîâàíèÿ äîëæíû óòî÷íèòü êàðòèíó. Õàðàêòåðíîé ÷åðòîé àêòèâíûõ ãàëàêòèê ÿâëÿåòñÿ ïåðåìåííîñòü èõ áëåñêà. Ñíà÷àëà àñòðîíîìû äàæå ïóòàëè èõ ñ ïåðåìåííûìè çâåçäàìè, íî, îöåíèâ ðàññòîÿíèå ïî êðàñíîìó ñìåùåíèþ, ïîíÿëè, ÷òî îäèíî÷íàÿ çâåçäà ïðîñòî íå áûëà áû âèäíà. Òàê, ïåðåìåííàÿ çâåçäà â ñîçâåçäèè Òåëüöà îêàçàëàñü ãàëàêòèêîé, èçëó÷àþùåé â ðàäèîäèàïàçîíå. Ïî-âèäèìîìó, ïåðåìåííîñòü áëåñêà ãàëàêòèê îáúÿñíÿåòñÿ òåìè æå ïðè÷èíàìè, ÷òî è ïåðåìåííàÿ ÿðêîñòü êâàçàðîâ: ñëó÷àéíûì óâåëè÷åíèåì ïëîòíîñòè âåùåñòâà îêîëî ìàññèâíîé ÷åðíîé äûðû â öåíòðå ãàëàêòèêè.

Ãëàâà 4

ÈÍÑÒÐÓÌÅÍÒÀÐÈÉ Öåëü îïðàâäûâàåò ñðåäñòâà. Í. Ìàêèàâåëëè

À

ñòðîôèçèêà åùå ñîâñåì íåäàâíî áûëà íàóêîé, â êîòîðîé íàáëþäåíèÿ è âûâîäû èìåëè äîâîëüíî-òàêè íåîïðåäåëåííûé õàðàêòåð. Íî áëàãîäàðÿ ñîâåðøåíñòâîâàíèþ ñðåäñòâ íàáëþäåíèÿ ñèòóàöèÿ î÷åíü áûñòðî ìåíÿåòñÿ. Íîâàÿ òåõíèêà íàáëþäåíèé ïîçâîëèëà ãîðàçäî áîëåå äåòàëüíî ðàññìîòðåòü ìíîãèå îáúåêòû íà íåáå è ñðàâíèòü ðåçóëüòàòû íàáëþäåíèé, ñäåëàííûõ â ðàçíûõ ÷àñòîòíûõ äèàïàçîíàõ. Òî÷íîñòü è ðàçíîîáðàçèå èçìåðåíèé âîçðîñëè ìíîãîêðàòíî. È ïðîèçîøëî ýòî î÷åíü ñâîåâðåìåííî, ïîñêîëüêó ìûñëü òåîðåòèêîâ íå ñòîÿëà íà ìåñòå. Áîëåå òîãî, ðàçëè÷íûå ìîäåëè, îáúÿñíÿþùèå ñòðîåíèå Âñåëåííîé, ðàçìíîæàëèñü, êàê êðîëèêè â Àâñòðàëèè. Òåïåðü æå áëàãîäàðÿ ìíîãîêðàòíî âîçðîñøåé ïîëíîòå è òî÷íîñòè ïîëó÷àåìîé èíôîðìàöèè óäàåòñÿ îòäåëèòü çåðíà îò ïëåâåë èëè, ïî êðàéíåé ìåðå, îïðåäåëèòü áîëåå âåðíîå íàïðàâëåíèå ïîèñêà èñòèíû. Àñòðîíîìèÿ ïðåîáðàçèëàñü ñ ñåðåäèíû ÕÕ âåêà, êîãäà ïðîãðåññ ôèçèêè è òåõíèêè äàë åé íîâûå ïðèáîðû è èíñòðóìåíòû, ïîçâîëÿþùèå âåñòè íàáëþäåíèÿ â ñàìîì øèðîêîì äèàïàçîíå âîëí — îò ìåòðîâûõ ðàäèîâîëí äî ãàììà-ëó÷åé, äëèíû âîëí êîòîðûõ ñîñòàâëÿþò ìèëëèàðäíûå äîëè ìèëëèìåòðà.  ðåçóëüòàòå ìû èìååì íàðàñòàþùèé ïîòîê èíôîðìàöèè î êîñìè÷åñêèõ ÿâëåíèÿõ. Ôàêòè÷åñêè âñå êðóïíåéøèå îòêðûòèÿ ïîñëåäíèõ ëåò — ðåçóëüòàò ñîâðåìåííîãî ðàçâèòèÿ íîâåéøèõ îáëàñòåé àñòðîíîìèè, êîòîðàÿ ñåé÷àñ ïðåâðàòèëàñü ïîèñòèíå âî âñåâîëíîâóþ. Ñîâðåìåííàÿ òåõíèêà ñòàëà íàñòîëüêî ñîâåðøåííîé, ÷òî ïîçâîëÿåò èçó÷àòü ñâîéñòâà ãàëàêòèê, íàõîäÿùèõñÿ íà ðàññòîÈíñòðóìåíòàðèé

193

ÿíèÿõ âïëîòü äî 13–14 ìëðä ñâåòîâûõ ëåò. Èìåííî ñòîëüêî ëåò ëåòåë ñâåò, èñïóùåííûé ãàëàêòèêîé, ïåðåä òåì êàê ïî ïàñòü â äåòåêòèðóþùåå óñòðîéñòâî. Íî íàøà Âñåëåííàÿ ñàìà ðîäèëàñü 14 ìëðä ëåò íàçàä. Çíà÷èò, ìû òåïåðü â ñîñòîÿíèè íàáëþäàòü ïåðâûå ãàëàêòèêè, âîçíèêøèå â ðàííåé Âñåëåííîé. Ìû âèäèì ãàëàêòèêè òàêèìè, êàêèìè îíè áûëè â ìîëîäîñòè. Êñòàòè, ñåé÷àñ, â ìîìåíò íàáëþäåíèÿ, âèäèìàÿ èññëåäîâàòåëåì ãàëàêòèêà íàõîäèòñÿ â ñîâåðøåííî èíîé òî÷êå ïðî ñòðàíñòâà, à âîçìîæíî, è íå ñóùåñòâóåò âîâñå — ñêîðåå âñåãî, îíà óæå äàâíî ñëèëàñü ñ äðóãîé ãàëàêòèêîé, îáðàçîâàâ áîëåå êðóïíóþ ñèñòåìó. ×åì áëèæå ê íàì ãàëàêòèêà, òåì ìåíüøå âðåìåíè íàäî ñâåòó, ÷òîáû ïðåîäîëåòü ðàññòîÿíèå äî íàñ. Íàïðèìåð, åñëè ìû â äàííûé ìîìåíò âèäèì äâå ãàëàêòèêè, îäíó íà ðàññòîÿíèè 7 ìëðä. ñâåòîâûõ ëåò, à äðóãóþ — 12 ìëðä. ñâåòîâûõ ëåò, òî ñâåò îò âòîðîé áûë èñïóùåí íà 5 ìëðä. ëåò ðàíüøå, è ìû âèäèì åå ñîîòâåòñòâåííî áîëåå þíîé. Íàáëþäàÿ ãàëàêòèêè íà âñå áîëåå äàëåêèõ ðàññòîÿíèÿõ, ìû èìååì äåëî ñî âñå áîëåå ìîëîäûìè îáúåêòàìè è òàêèì îáðàçîì èçó÷àåì âñþ âðåìåííó2þ èñòîðèþ íàøåé Âñåëåííîé. Äåòåêòîðû ýëåêòðîìàãíèòíîãî èçëó÷åíèÿ — âàæíåéøèå èíñòðóìåíòû äëÿ èçó÷åíèÿ ñâîéñòâ êîñìîñà. Äëèíû âîëí âàðüèðóþòñÿ â øèðîêèõ ïðåäåëàõ: ðàäèîâîëíû, îïòè÷åñêèé äèàïàçîí, ðåíòãåíîâñêîå èçëó÷åíèå, æåñòêîå ãàììà-èçëó÷åíèå, ôîòîíû ñâåðõâûñîêèõ ýíåðãèé. Äëÿ èññëåäîâàíèÿ ýòèõ äèàïàçîíîâ ýëåêòðîìàãíèòíîãî ñïåêòðà, îáëàäàþùèõ ðàçëè÷íîé ñïåöèôèêîé, ïðèìåíÿþòñÿ ñîâåðøåííî ðàçíûå äåòåêòîðû. Íî áåñöåííóþ èíôîðìàöèþ ìîæíî ïîëó÷èòü íå òîëüêî ïðè èçó÷åíèè ýëåêòðîìàãíèòíûõ âîëí. ×àñòèöû òàêæå íåñóò íà ñåáå ïå÷àòü êîñìè÷åñêèõ ïðîöåññîâ, èõ ïîðîäèâøèõ. Êñòàòè, ôîòîíû ñâåðõâûñîêèõ ýíåðãèé ìîãóò äåòåêòèðîâàòüñÿ ïðèáîðàìè, ïðåäíàçíà÷åííûìè äëÿ êîñìè÷åñêèõ ÷àñòèö òèïà ïðîòîíîâ è ýëåêòðîíîâ. Êàêèå æå âîçìîæíîñòè íàõîäÿòñÿ â ðàñïîðÿæåíèè ñîâðåìåííûõ àñòðîíîìîâ è êîñìîôèçèêîâ? Ïîïðîáóåì êàê-òî êëàññèôèöèðîâàòü èõ, õîòÿ ÷åòêîé ãðàíèöû ÷àñòî íå ñóùåñòâóåò. Îäíî è òî æå óñòðîéñòâî íå â ñîñòîÿíèè îäèíàêîâî óñïåøíî

194

Ãëàâà 4. Èíñòðóìåíòàðèé

îáíàðóæèâàòü ÷àñòèöû ëþáûõ ýíåðãèé, òàê ÷òî, õàðàêòåðèçóÿ ïðèáîð, îáû÷íî óêàçûâàþò èíòåðâàë ýíåðãèé, â êîòîðîì äåòåêòîð íàèáîëåå ýôôåêòèâåí. Åùå îäíî ñóùåñòâåííîå ðàçëè÷èå ìåæäó äåòåêòîðàìè — èõ ðàñïîëîæåíèå îòíîñèòåëüíî ïîâåðõíîñòè Çåìëè. Äåòåêòîðû ìîãóò áûòü ðàçìåùåíû â êîñìîñå, íà ïîâåðõíîñòè Çåìëè è ïîä çåìëåé. Êàæäîå ðàñïîëîæåíèå èìååò ñâîè äîñòîèíñòâà è íåäîñòàòêè: òàê, íàçåìíûé äåòåêòîð ìîæåò áûòü ñäåëàí î÷åíü áîëüøèì, à äåòåêòîðó â êîñìîñå íå ìåøàåò çåìíàÿ àòìîñôåðà; ïîäçåìíûé äåòåêòîð ñïîñîáåí ðåãèñòðèðîâàòü ñëàáîâçàèìîäåéñòâóþùèå ÷àñòèöû òèïà íåéòðèíî — âñå îñòàëüíûå ÷àñòèöû ïîãëîùàþòñÿ òîëùåé Çåìëè íàä è ïîä íèì. Êîíå÷íî, ïîäîáíàÿ êëàññèôèêàöèÿ — âåùü íåñêîëüêî óñëîâíàÿ. Íàïðèìåð, â êàêîé ðàçäåë ïîïàäàåò èäåÿ èñïîëüçîâàíèÿ â êà÷åñòâå äåòåêòîðà íåéòðèíî îäíîãî èç ñïóòíèêîâ Þïèòåðà? Äåëî â òîì, ÷òî äåòåêòèðîâàíèå íåéòðèíî ïðåäñòàâëÿåò îñîáóþ ïðîáëåìó. Îíè íàñòîëüêî ðåäêî âçàèìîäåéñòâóþò ñ âåùåñòâîì, ÷òî, íàïðèìåð, íàøà Çåìëÿ íå ÿâëÿåòñÿ äëÿ íèõ ïðåïÿòñòâèåì. Ïîýòîìó íåéòðèííûå äåòåêòîðû äîëæíû áûòü êàê ìîæíî áîëåå ìàññèâíûìè: òîãäà ñðåäè ìíîæåñòâà íåéòðèíî, ïðîëåòàþùèõ ÷åðåç äåòåêòîð, íàéäåòñÿ êàêîå-íèáóäü, êîòîðîå ñòîëêíåòñÿ ñ ÿäðîì ìàòåðèàëà äåòåêòîðà. Ìûñëü èñïîëüçîâàòü êîñìè÷åñêèå òåëà â êà÷åñòâå äåòåêòîðà ñåðüåçíî îáñóæäàåòñÿ â íàó÷íîé ëèòåðàòóðå. Ìàññà òàêîãî ñïóòíèêà Þïèòåðà, êàê Åâðîïà, äîñòàòî÷íî âåëèêà, ÷òîáû íåéòðèíî ñâåðõâûñîêèõ ýíåðãèé (ïîðÿäêà 1021 ýÂ) èíîãäà ñòàëêèâàëèñü ñ àòîìàìè, èç êîòîðûõ îí ñîñòîèò. Èçëó÷åííûå â ñòîëêíîâåíèè ôîòîíû ïðåäïîëàãàåòñÿ óëàâëèâàòü «ôëàíèðóþùèìè» íåïîäàëåêó èññëåäîâàòåëüñêèìè ñòàíöèÿìè. Åùå îäíèì ïðåèìóùåñòâîì òàêîãî ìåòîäà ÿâëÿåòñÿ íèçêàÿ òåìïåðàòóðà ñïóòíèêà. Ñëèøêîì âûñîêàÿ òåìïåðàòóðà — âîîáùå îäèí èç ãëàâíûõ âðàãîâ ýêñïåðèìåíòàòîðîâ. Âûñîêàÿ òåìïåðàòóðà äåòåêòîðà îçíà÷àåò áîëüøóþ ñêîðîñòü ÷àñòèö, åãî ñîñòàâëÿþùèõ. Çíà÷èò, ïðè ñòîëêíîâåíèè ÷àñòèö äåòåêòîðà äðóã ñ äðóãîì âîçðàñòàåò âåðîÿòíîñòü èìèòàöèè ñîáûòèÿ, êîòîðîå èùóò ýêñïåðèìåíòàòîðû. Òàêèì îáðàçîì, òåìïåðàòóðíûå ýôôåêòû — îäèí èç èñòî÷íèêîâ ôîíà, ñîáûòèé, êîòîðûå ÷åñòíûé Èíñòðóìåíòàðèé

195

Õàðàêòåðèñòèêà äèàïçîíîâ ýëåêòðîìàãíèòíîãî èçëó÷åíèÿ Íàçâàíèå äèàïàçîíà

Äëèíû âîëí

Ýíåðãèÿ êâàíòà

Ðàäèîâîëíû Èíôðàêðàñíîå èçëó÷åíèå Âèäèìûé ñâåò Óëüòðàôèîëåòîâîå èçëó÷åíèå Ðåíòãåíîâñêîå èçëó÷åíèå Ãàììà-èçëó÷åíèå

2 ìì — 10 êì 760 íì — 2 ìì 400–760 íì 10–400 íì

1,6– 3 ýÂ 3–100 ýÂ 100 ýÂ — 100 êýÂ > 100 êýÂ

ýêñïåðèìåíòàòîð äîëæåí èñêëþ÷èòü èç ðàññìîòðåíèÿ. È äàëåêî íå âñåãäà ýòî ñäåëàòü ëåãêî. Òàê âîò, ó Åâðîïû, ñïóòíèêà Þïèòåðà, òåìïåðàòóðà ëåäÿíîãî ïîêðîâà 90 K, â òî âðåìÿ êàê ó äåòåêòîðà, ðàñïîëîæåííîãî â àíòàðêòè÷åñêîì ëüäó, — îêî ëî 240 K. Ñóùåñòâåííàÿ ðàçíèöà.

Äåòåêòîðû ýëåêòðîìàãíèòíîãî èçëó÷åíèÿ Ðàäèîòåëåñêîïû

Ïðèåìíèêè ýëåêòðîìàãíèòíîãî èçëó÷åíèÿ â ðàäèîäèàïàçîíå, êàêîâûìè ÿâëÿþòñÿ ðàäèîòåëåñêîïû, ñëóæàò èñòî÷íèêîì áåñöåííîé èíôîðìàöèè. Ïîñêîëüêó ÷åì áîëüøå äëèíà âîëíû ñâåòà, òåì ñëàáåå îí âçàèìîäåéñòâóåò ñî ñðåäîé, â ðàäèîäèàïàçîíå ìîæíî ðàçãëÿäåòü òî, ÷òî ñêðûâàåòñÿ çà êîñìè÷åñêîé ïûëüþ è ìîëåêóëÿðíûìè îáëàêàìè. Èçëó÷åíèå îò äàëåêèõ îáúåêòîâ, ïàäàþùåå íà ïàðàáîëè÷åñêîå «áëþäî» ðàäèîòåëåñêîïà, îòðàæàåòñÿ îò íåãî è ïîïàäàåò íà äèïîëüíóþ àíòåííó, ðàñïîëîæåííóþ â ôîêóñå. Äëèíû âîëí ýëåêòðîìàãíèòíîãî èçëó÷åíèÿ, ñ êîòîðûìè ðàáîòàþò íàçåìíûå ðàäèîòåëåñêîïû, ëåæàò â èíòåðâàëå îò 0,2 äî 30 ñì, ÷òî ìíîãî áîëüøå îïòè÷åñêîãî äèàïàçîíà. Ïîýòîìó, ÷òîáû ðàçãëÿäåòü äåòàëè, îòðàæàòåëü ðàäèîòåëåñêîïà äîëæåí áûòü ãîðàçäî áîëüøå çåðêàëà èëè ëèíçû îïòè÷åñêîãî òåëåñêîïà. Èíîãäà íåñêîëüêî îäèíàêîâûõ ðàäèîòåëåñêîïîâ ðàáîòàþò ñîâìåñòíî. Ðàññòîÿíèå ìåæäó íèìè ìîæåò áûòü äîâîëüíî áîëüøèì, ÷òî ýôôåêòèâíî óâåëè÷èâàåò ïîëåçíóþ ïëîùàäü ïîâåðõíîñòè. Ñåé÷àñ íàäåæäû àñòðîôèçèêîâ ñâÿçàíû ñ ðàäèîòåëåñêîïîì VLBI (Very Long Baseline Interferometer — «èíòåðôåðî-

196

Ãëàâà 4. Èíñòðóìåíòàðèé

ìåòð ñ î÷åíü áîëüøîé áàçîé»). Åãî ÷àñòè íàõîäÿòñÿ íà íåñêîëü êèõ êîíòèíåíòàõ, ÷òî ïîçâîëÿåò ðàçëè÷èòü îáúåêòû ñ óãëîâûì ðàçìåðîì 0,001¢¢. Íàïðàâëåííûé íà Ëóíó, îí ïîçâîëèë áû ðàçëè÷àòü ïðåäìåòû ðàçìåðîì ñ àâòîìîáèëü. Èíôðàêðàñíûå òåëåñêîïû

Ýòî òåëåñêîïû, ðàáîòàþùèå ñ èçëó÷åíèåì â èíòåðâàëå äëèí âîëí îò 10–4 äî 0,2 ñì. Îñíîâíàÿ ïðîáëåìà äëÿ íèõ — ôîíîâîå èçëó÷åíèå, ïîñêîëüêó âîëíû ýòîãî äèàïàçîíà èíòåíñèâíî èçëó÷àþòñÿ âñåìè òåëàìè íà Çåìëå. ×òîáû ñíèçèòü óðîâåíü ïîìåõ, ýòè òåëåñêîïû è âñå ïðèáîðû, ñ íèìè ñâÿçàííûå, ñòàðàþòñÿ îõëàäèòü äî êàê ìîæíî áîëåå íèçêèõ òåìïåðàòóð æèäêèì àçîòîì èëè äàæå æèäêèì ãåëèåì. Ïîìåõîé ÿâëÿåòñÿ òàêæå àòìîñôåðà Çåìëè, ÷òî çàñòàâëÿåò ðàçìåùàòü àïïàðàòóðó íà âûñîêèõ ãîðàõ. Íåêîòîðûå òåëåñêîïû, ðàáîòàþùèå â èíôðàêðàñíîì äèàïàçîíå Íàçâàíèå îáñåðâàòîðèè

Ðàçìåð, ì

Äàòà çàïóñêà

3,8

1978 ã.

 êîñìîñå

3,0

Íà÷íåò ðàáîòó â 2007 ã.

Ìåñòîíàõîæäåíèå

UKIRT (United Kingdom Infrared Ìàóíà-Êåà, Ãàâàéè Telescope — Èíôðàêðàñíûé òåëåñêîï Âåëèêîáðèòàíèè) FIRST (Far Infra-red Space Telescope — Êîñìè÷åñêèé òåëåñêîï äëÿ äàëüíåé èíôðàêðàñíîé îáëàñòè) NASA IRTF

Ìàóíà-Êåà, Ãàâàéè

3,0

Ñ 1979 ã.

SIRTF (Space Infrared Telescope Facility; ïåðåèìåíîâàí â Spitzer Space Telescope)

Îðáèòà âîêðóã Ñîëíöà

0,85

2003 ã.

ISO

Îêîëîçåìíàÿ îðáèòà

0,6

1995 ã.

Îïòè÷åñêèå òåëåñêîïû

Íà ïðîòÿæåíèè âåêîâ åäèíñòâåííûì èñòî÷íèêîì ñâåäåíèé î çâåçäàõ è Âñåëåííîé äëÿ àñòðîíîìîâ áûë âèäèìûé ñâåò. Íàáëþäåíèÿ ñ ïðèìåíåíèåì îïòè÷åñêèõ òåëåñêîïîâ óæå ïðèíåñëè è ïðîäîëæàþò ïðèíîñèòü áåñöåííóþ èíôîðìàöèþ. È ýòî ïðè òîì, ÷òî èç âñåãî ìíîãîîáðàçèÿ âèäîâ ýëåêòðîìàãíèòíîãî Äåòåêòîðû ýëåêòðîìàãíèòíîãî èçëó÷åíèÿ

197

Ñâåäåíèÿ î íåêîòîðûõ òåëåñêîïàõ Íàçâàíèå îáñåðâàòîðèè Keck

Ìåñòîïîëîæåíèå

Ðàçìåð çåðêàëà, ì

Ïðèìå÷àíèå

Ìàóíà-Êåà, Ãàâàéè

10,0

36 çåðêàëüíûõ ñåãìåíòîâ

Keck II

Ìàóíà-Êåà, Ãàâàéè

10.0

Hobby-Eberly

Ìàóíò Ôàóêñ, Òåõàñ

9.2

Subaru

Ìàóíà-Êåà, Ãàâàéè

8,3

Ñåððî Ïàðàíàëü, ×èëè

8,2

Èíòåðôåðîìåòð èç 4 ïðèåìíèêîâ

Gemini North

Ìàóíà-Êåà, Ãàâàéè

8,1

Äàþò ïîëíûé îáçîð íåáåñíîé ñôåðû

Gemini South

Ñåððî Ïà÷îí, ×èëè

8,1

Next Generation Space Telescope (Êîñìè÷åñêèé òåëåñêîï ñëåäóþùåãî ïîêîëåíèÿ)

Ãàëî Ãàëàêòèêè

7–9

Çàïóñòÿò â 2007 ã.

Hale

Ìàóíò-Ïàëîìàð, Êàíàäà

5,0

Ëó÷øèé èç ïðåäûäóùåãî ïîêîëåíèÿ (1950–1990 ãã.)

New Technology (Íîâàÿ òåõíîëîãèÿ)

Ñåððî Ëÿ Ñèéà, ×èëè

3,5

Hooker

Ìàóíò-Âèëñîí, Êàíàäà

2.5

Ñ åãî ïîìîùüþ áûëî îòêðûòî ðàñøèðåíèå Âñåëåííîé

Îêîëîçåìíàÿ îðáèòà

2.4

Óñòàíîâëåí íà ñïóòíèêå

VLT (Very Large Telescope — Î÷åíü áîëüøîé òåëåñêîï)

Hubble Space Telescope («Õàááë»)

èçëó÷åíèÿ, èñïóñêàåìîãî íåáåñíûìè òåëàìè, èñïîëüçóåòñÿ î÷åíü íåáîëüøîé èíòåðâàë äëèí âîëí, ñîîòâåòñòâóþùèé âîçìîæíîñòÿì ÷åëîâå÷åñêîãî ãëàçà, — îò 400 äî 700 íàíîìåòðîâ. Èññëåäîâàíèÿ êîñìîñà â îïòè÷åñêîì äèàïàçîíå íà÷àëèñü î÷åíü äàâíî, åùå â òå âðåìåíà, êîãäà ÷åëîâåê ïðîñòî ðàçãëÿäûâàë çâåçäû. Ýòî ïàññèâíîå ñîçåðöàíèå áûëî äîñòàòî÷íî ïðîäóêòèâíûì è íå òîëüêî ïîçâîëÿëî ïðåäñêàçûâàòü ëóííûå è ñîëíå÷íûå çàòìåíèÿ, íî è ïîìîãëî ñôîðìóëèðîâàòü îñíîâíûå çàêîíû íåáåñíîé ìåõàíèêè. Îäíàêî èñòèííûì íà÷àëîì àñòðîíîìèè ñòàëî èçîáðåòåíèå Ãàëèëååì òåëåñêîïà.

198

Ãëàâà 4. Èíñòðóìåíòàðèé

Ðèñ. 4.1. Òåëåñêîïû «Êåê I» è «Êåê II» íà ãîðå Ìàóíà-Êåà (Ãàâàéè). Ôîòî ñ èíòåðíåò-ñòðàíèöû http://www.zavasek.narod.ru/telescope.html

Ïåðâûé îïòè÷åñêèé òåëåñêîï áûë ôàêòè÷åñêè ïðîñòî ïîäçîðíîé òðóáîé. Ñîâðåìåííûå òåëåñêîïû, èñïîëüçóåìûå â àñòðîíîìèè, ñèëüíî óñîâåðøåíñòâîâàëèñü è îòëè÷àþòñÿ îò ñâîèõ ïðåäêîâ êàê âíåøíèì âèäîì, òàê è êîíñòðóêöèåé. Ëèøü ñàìà èäåÿ îñòàëàñü íåèçìåííîé — êîíöåíòðàöèÿ ëó÷åé ñâåòà, ñîáðàííûõ ñ áîëüøîé ïëîùàäè ëèíçû èëè çåðêàëà, íà íåáîëüøîì ó÷àñòêå, ãäå íàõîäèòñÿ äåòåêòîð. Ýòè óíèêàëüíûå ïðèáîðû, ñîçäàííûå ñîâìåñòíûì òðóäîì ó÷åíûõ, èíæåíåðîâ è ïðîãðàììèñòîâ, ïîçâîëÿþò ðàçãëÿäåòü òàêèå îáúåêòû è ïîëó÷èòü èíôîðìàöèþ î òàêèõ êîñìè÷åñêèõ ÿâëåíèÿõ, ñóùåñòâîâàíèå êîòîðûõ ðàíåå è íå ïðåäïîëàãàëîñü. Èì ìû îáÿçàíû òåì ïðîðûâîì â êîñìîëîãèè è ïîíèìàíèè óñòðîéñòâà Âñåëåííîé, êîòîðûé ïðîèñõîäèò íà íàøèõ ãëàçàõ. Äåòåêòîðû ðåíòãåíîâñêîãî è ãàììà-èçëó÷åíèÿ

Âñå ÷àùå àñòðîíîìàì ïðèõîäèòñÿ âûíîñèòü ñâîè ïðèáîðû â êîñìîñ. Ïðè÷èíà ïðîñòà: íàáëþäåíèÿ ñ Çåìëè êîðîòêîâîëíîâîãî ýëåêòðîìàãíèòíîãî èçëó÷åíèÿ â ÷èñòîì âèäå íåâîçìîæíû, ïîñêîëüêó ýëåêòðîìàãíèòíûå âîëíû ïîãëîùàþòñÿ àòìîñôåðîé òåì ñèëüíåå, ÷åì ìåíüøå èõ äëèíà. Óëüòðàôèîëåòîâûå ëó÷è Äåòåêòîðû ýëåêòðîìàãíèòíîãî èçëó÷åíèÿ

199

oñëàáëÿþòñÿ âîçäóõîì ãîðàçäî ýôôåêòèâíåå, ÷åì âèäèìûé ñâåò. Ðåíòãåíîâñêîå è ãàììà-èçëó÷åíèå çàòóõàþò åùå ñèëüíåå è ïðàêòè÷åñêè íå äîñòèãàþò ïîâåðõíîñòè Çåìëè. Èçáàâèòüñÿ îò ýòîãî êðàéíå íåæåëàòåëüíîãî ýôôåêòà ìîæíî, òîëüêî ðàçìåñòèâ ïðèáîðû â îòêðûòîì êîñìîñå. Êîñìè÷åñêîå ïðîñòðàíñòâî íàñòîëüêî ïóñòûííî, ÷òî íàøà òîíêàÿ 10-êèëîìåòðîâàÿ àòìîñôåðà äëÿ êîñìè÷åñêèõ ëó÷åé ðàâíîçíà÷íà ìèëëèàðäàì ñâåòîâûõ ëåò ìåæãàëàêòè÷åñêîãî ïðîñòðàíñòâà. Âïðî÷åì, è íàáëþäåíèÿ ñ çåìíîé ïîâåðõíîñòè ìîãóò ðàññêàçàòü ó÷åíûì ìíîãî èíòåðåñíîãî î êîñìè÷åñêèõ ëó÷àõ, íî îá ýòîì ÷óòü ïîçæå. Ïåðâûå èññëåäîâàíèÿ â ãàììà-äèàïàçîíå áûëè ïðîâåäåíû â 1962 ã., êîãäà ðàêåòà ïîäíÿëà äåòåêòîð â âåðõíèå ñëîè àòìîñôåðû1. Èçìåðåíèÿ äëèëèñü âñåãî òðè ìèíóòû, íî è ýòîãî âðåìåíè õâàòèëî, ÷òîáû îáíàðóæèòü ñîâåðøåííî íîâûé íåîáû÷íûé îáúåêò, êîòîðûé ïîçäíåå èäåíòèôèöèðîâàëè êàê íåéòðîííóþ çâåçäó.  1960-å ãã., äî íà÷àëà ðåãóëÿðíûõ èññëåäîâàíèé ñ ïîìîùüþ ñïåöèàëüíûõ ðåíòãåíîâñêèõ îáñåðâàòîðèé «Óõóðó» è «Ýéíøòåéí», áûëî èçâåñòíî âñåãî äâà èñòî÷íèêà ðåíòãåíîâñêîãî è ãàììà-èçëó÷åíèÿ — Êðàáîâèäíàÿ òóìàííîñòü è ñòðàííàÿ çâåçäà Ñêîðïèîí Õ-1.  íàñòîÿùåå âðåìÿ äåòåêòîðû ãàììà-èçëó÷åíèÿ óñòàíîâëåíû íà ìíîãèõ ñïóòíèêàõ, è îíè, ëåòàÿ â áåçâîçäóøíîì ïðîñòðàíñòâå, âåäóò íåïðåðûâíûé ìîíèòîðèíã äàëüíåãî êîñìîñà. Çàïóñêè äâóõ íîâûõ ðåíòãåíîâñêèõ îáñåðâàòîðèé: «×àíäðà» (Chandra), ïðèíàäëåæàùåé NASA, è «Íüþòîí» (XMM-Newton) Åâðîïåéñêîãî êîñìè÷åñêîãî àãåíòñòâà — ïîçâîëèëè ïîëó÷èòü êà÷åñòâåííî íîâóþ èíôîðìàöèþ îá èñòî÷íèêàõ ðåíòãåíîâñêîãî èçëó÷åíèÿ â êîñìîñå. Îáñåðâàòîðèÿ GLAST (Gamma-ray Large Area Space Telescope) äîëæíà áûòü çàïóùåíà â 2005 ã. Îíà ïðåäíàçíà÷åíà äëÿ ðåãèñòðàöèè ôîòîíîâ ñ ýíåðãèåé 20–300 ÌýÂ. Ðåíòãåíîâñêàÿ è ãàììà-àñòðîíîìèÿ ñåãîäíÿ ÿâëÿþòñÿ îäíèì èç âàæíåéøèõ èíñòðóìåíòîâ â èçó÷åíèè êîñìîñà. Êîëè÷åñòâî îòêðûòûõ èñòî÷íèêîâ æåñòêîãî ýëåêòðîìàãíèòíîãî èçëó1

Âî âðåìåíà «õîëîäíîé âîéíû» ó÷åíûì èç ÌÃÓ óäàëîñü óáåäèòü âîåííûõ ïðè èñïûòàòåëüíûõ ïóñêàõ áàëëèñòè÷åñêèõ ðàêåò ðàçìåñòèòü íà íèõ äåòåêòîðû âìåñòî ìàêåòîâ ÿäåðíûõ áîåãîëîâîê. Âñåãî áûëî çàïóùåíî ÷åòûðå óñòàíîâêè ðàçíûõ ìîäèôèêàöèé. Ïîäðîáíåå ñì. [7]. — Ïðèìå÷. ðåä.

200

Ãëàâà 4. Èíñòðóìåíòàðèé

Ðèñ. 4.2. Êîñìè÷åñêàÿ îáñåðâàòîðèÿ «×àíäðà». Èëëþñòðàöèÿ ñ ñàéòà http://chandra.harvard.edu

÷åíèÿ âñå âðåìÿ ðàñòåò. Ïðè÷åì ýòî íå îáû÷íûå ñïîêîéíûå çâåçäû, êîòîðûì, ÷òîáû áûòü äîñòàòî÷íî ÿðêèìè â ðåíòãåíîâñêîì äèàïàçîíå, íàäî áûëî áû èìåòü òåìïåðàòóðó ïîâåðõíîñòè, ðàâíóþ ìíîãèì ìèëëèîíàì ãðàäóñîâ, à ðàçíûå ýêçîòè÷åñêèå îáúåêòû, â òîì ÷èñëå è íàõîäÿùèåñÿ íà ñàìîì êðàþ Âñåëåííîé. Áîëüøèíñòâî îáíàðóæåííûõ ñåãîäíÿ èñòî÷íèêîâ ãàììà-èçëó÷åíèÿ èìåþò íåòåïëîâóþ ïðèðîäó è ñâÿçàíû ñ ðàçíîãî ðîäà íåñòàöèîíàðíûìè è âçðûâíûìè ïðîöåññàìè. Ýëåêòðîìàãíèòíûå âîëíû ñ äëèíîé ìåíüøå 300 íì ïîëíîñòüþ ïîãëîùàþòñÿ àòìîñôåðîé Çåìëè, ïîýòîìó äåòåêòîðû äëÿ èõ ðåãèñòðàöèè äîëæíû äîñòàâëÿòüñÿ â ñàìûå âûñîêèå ñëîè àòìîñôåðû èëè óñòàíàâëèâàòüñÿ íà ñïóòíèêàõ. Íî âîò âîïðîñ: åñëè ýòî òàê ñëîæíî è íàâåðíÿêà äîðîãî, òî íóæíû ëè òàêèå äåòåêòîðû? Âåäü ó íàñ óæå åñòü òåëåñêîïû äëÿ áîëüøèõ äëèí âîëí. Îêàçûâàåòñÿ, íóæíû, è î÷åíü. Äåëî â òîì, ÷òî êàæäàÿ òî÷êà ïðîñòðàíñòâà âî Âñåëåííîé èìååò ñâîþ òåìïåðàòóðó.  îñíîâíîì ýòî, êîíå÷íî, òåìïåðàòóðà ðåëèêòîâîãî èçëó÷åíèÿ, ðàâíàÿ 2,73 K, íî åñòü çâåçäû, åñòü êâàçàðû, ãîðÿ÷èå îáëàêà âîäîðîäà, åñòü ÷åðíûå äûðû, èñïóñêàþùèå äæåòû, åñòü, íàêîíåö, è ãàììà-âñïëåñêè. Èíòåðâàë òåìïåðàòóð â ýòèõ èñòî÷íèêàõ äîñòèãàåò ìèëëèîíîâ ãðàäóñîâ. Ëþáàÿ íàãðåòàÿ îáëàñòü Äåòåêòîðû ýëåêòðîìàãíèòíîãî èçëó÷åíèÿ

201

èñïóñêàåò ñâåò ñàìûõ ðàçíûõ äëèí âîëí — îäíèõ áîëüøå, äðóãèõ ìåíüøå. Íó à ìàêñèìóì èíòåíñèâíîñòè èçëó÷åíèÿ, ñîãëàñ íî çàêîíó Âèíà, ïðèõîäèòñÿ íà äëèíó âîëíû, îäíîçíà÷íî ñâÿ çàííóþ ñ òåìïåðàòóðîé: ÷åì âûøå òåìïåðàòóðà íåêîòîðîé îáëàñòè ïðîñòðàíñòâà, òåì ìåíüøå äëèíà âîëíû ïðåîáëàäàþùåãî èçëó÷åíèÿ. Ïîýòîìó ãîðÿ÷èå òî÷êè Âñåëåííîé èçëó÷àþò ïðåèìóùåñòâåííî â êîðîòêîâîëíîâîé ÷àñòè ñïåêòðà. Êðîìå òîãî, íàáëþäåíèÿ â ðåíòãåíîâñêîì äèàïàçîíå èíôîðìàòèâíåå, ÷åì â âèäèìîé îáëàñòè ñïåêòðà, ïðè ïîìîùè îáû÷íûõ òåëåñêîïîâ. Íàïðèìåð, èçëó÷åíèå ñàìûõ ðàçíûõ äëèí âîëí ïîñòóïàåò ê íàì îò öåíòðàëüíîé îáëàñòè Ãàëàêòèêè, ñîäåðæàùåé ÷åðíóþ äûðó. Ñîãëàñíî çàêîíàì ýëåêòðîäèíàìèêè, ÷åì ñ áîëüøèì óñêîðåíèåì äâèæåòñÿ çàðÿæåííàÿ ÷àñòèöà, òåì áîëåå ýíåðãè÷íûå êâàíòû ñâåòà îíà èñïóñêàåò. Íî óñêîðåíèå òåì áîëüøå, ÷åì áëèæå ÷àñòèöà ê ÷åðíîé äûðå, — ñëåäîâàòåëüíî, áîëåå ýíåðãè÷íûå ôîòîíû ïðèëåòàþò ê íàì èç íåïîñðåäñòâåííîé åå îêðåñòíîñòè. Èññëåäóÿ ñïåêòðàëüíûé ñîñòàâ èçëó÷åíèÿ, ìîæíî îöåíèòü ìàññó ÷åðíîé äûðû, åå çàðÿä è ñêîðîñòü âðàùåíèÿ.  ðåíòãåíîâñêîì äèàïàçîíå ñïåêòðà èçëó÷àþò îáúåêòû, íàãðåòûå äî òåìïåðàòóð ïîðÿäêà 1 ìëí. ãðàäóñîâ, — íàïðèìåð, ãîðÿ÷èå îáëàêà ãàçà â ìåæãàëàêòè÷åñêîì ïðîñòðàíñòâå. Íàèáîëåå êîðîòêîâîëíîâîå ýëåêòðîìàãíèòíîå èçëó÷åíèå íàçûâàþò ãàììà-ëó÷àìè. Èõ õàðàêòåðèçóþò óæå íå äëèíîé âîëíû, à ýíåðãèåé îòäåëüíîãî êâàíòà â ýëåêòðîí-âîëüòàõ. Äëèíà âîëíû òàêîãî èçëó÷åíèÿ ìíîãî ìåíüøå ðàçìåðîâ àòîìîâ. Òâåðäàÿ ïîâåðõíîñòü çåðêàëà òåëåñêîïà íå ÿâëÿåòñÿ ïîìåõîé äëÿ ãàììà-ëó÷åé, îíè íå ôîêóñèðóþòñÿ, ïîýòîìó îñíîâíàÿ ôóíêöèÿ òåëåñêîïà ïðèìåíèòåëüíî ê íèì íå âûïîëíÿåòñÿ. Äëÿ èõ ðåãèñòðàöèè èñïîëüçóþòñÿ ñöèíòèëëÿòîðû, â êîòîðûõ êâàíò ïîðîæäàåò âòîðè÷íûå ôîòîíû ìåíüøèõ ýíåðãèé è ýëåêòðîíû. Èçìåðèâ ñóììàðíóþ ýíåðãèþ âòîðè÷íûõ ÷àñòèö, ìîæíî îöåíèòü ýíåðãèþ ïðèëåòåâøåãî ãàììà-êâàíòà. ×àñòî äåòåêòîð íàöåëåí íà ðåãèñòðàöèþ îòäåëüíûõ ãàììà-êâàíòîâ. Íà ïðàêòèêå ïîëó÷åíèå âíÿòíîãî ðåçóëüòàòà îáû÷íî çàòðóäíÿþò ðàçëè÷íûå äîñàäíûå äåòàëè, è äîñòèæåíèå öåëè ïðåâðàùàåòñÿ èç ðóòèíû â ñëîæíûé, òâîð÷åñêèé ïðîöåññ. Êàê

202

Ãëàâà 4. Èíñòðóìåíòàðèé

óçíàòü, ÷òî âûçâàëî êàñêàä âòîðè÷íûõ ÷àñòèö: ãàììà-êâàíò èëè ýíåðãè÷íàÿ çàðÿæåííàÿ ÷àñòèöà, ïðèëåòåâøàÿ èç êîñìîñà? Êàêóþ ÷àñòü âòîðè÷íûõ ÷àñòèö óëàâëèâàåò äåòåêòîð (î÷åâèäíî, ÷òî íå 100%)? Äîñòàòî÷íî ëè áûñòðî ñðàáàòûâàåò ñöèíòèëëÿòîð? Êàêîâî íàïðàâëåíèå äâèæåíèÿ ãàììà-êâàíòà? Âîò ëèøü íåáîëüøàÿ äîëÿ âîïðîñîâ, êîòîðûå äîëæíû ðåøèòü ýêñïåðèìåíòaòîðû. Ðàçðåøàþùàÿ ñïîñîáíîñòü îáñåðâàòîðèè «×àíäðà» íàñòîëüêî âûñîêà, ÷òî, íàïðèìåð, â ãàëàêòèêå NGC 6240 óäàëîñü îáíàðóæèòü íå îäíó, à öåëûõ äâå ìàññèâíûå ÷åðíûå äûðû íà ðàññòîÿíèè âñåãî 3 000 ñâåòîâûõ ëåò äðóã îò äðóãà. Èõ âîçìîæíîå ñëèÿíèå áóäåò çàõâàòûâàþùèì çðåëèùåì äëÿ íàøèõ ïîòîìêîâ. Íåäàâíî ýòà æå îáñåðâàòîðèÿ îáíàðóæèëà ìîùíûé èñòî÷íèê ãðàâèòàöèîííûõ âîëí â íàøåé Ãàëàêòèêå: ñèñòåìà J 0806 ïðåäñòàâëÿåò ñîáîé äâà áåëûõ êàðëèêà, îíè íà ðàññòîÿíèè âñåãî 80 òûñ. êì îáðàùàþòñÿ âîêðóã îáùåãî öåíòðà ìàññ. Ïåðèîä îáðàùåíèÿ óìåíüøàåòñÿ íà 1,2 ìèëëèñåêóíäû çà ãîä. Î÷åâèäíî, ÷òî ãðàâèòàöèîííûå âîëíû óíîñÿò ýíåðãèþ èç ñèñòåìû. Ïðàâäà, ýòè âîëíû åùå íå îáíàðóæåíû, íî òåîðåòè÷åñêèå ðàñ÷åòû íà îñíîâå ñòàíäàðòíîé ÎÒÎ äàþò èìåííî òàêîé ðåçóëüòàò. Òàê ÷òî äàííîå íàáëþäåíèå îáñåðâàòîðèè ìîæíî ñ÷èòàòü êîñâåííûì îáíàðóæåíèåì ãðàâèòàöèîííûõ âîëí. Íåêîòîðûå çâåçäû çàêàí÷èâàþò ñâîå ñóùåñòâîâàíèå âçðûâîì, ïîñëå êîòîðîãî îñòàåòñÿ ïëîòíûé, ñëàáî ñâåòÿùèéñÿ îáúåêò è ãîðÿ÷åå, ðàñøèðÿþùååñÿ è ìåäëåííî îñòûâàþùåå ãàçîâîå îáëàêî. Îíî èçëó÷àåò ôîòîíû ñàìûõ ðàçíûõ ýíåðãèé, âêëþ÷àÿ ðåíòãåíîâñêèé äèàïàçîí. Äàííûå, ïîëó÷åííûå îáñåðâàòîðèåé «×àíäðà», íàñòîëüêî òî÷íû, ÷òî ïîçâîëÿþò îïðåäåëÿòü ñêîðîñòè ðàçëè÷íûõ ÷àñòåé ýòîãî îáëàêà: îêàçàëîñü, íàïðèìåð, ÷òî íåêîòîðûå îáëàñòè îñòàòêîâ ñâåðõíîâîé E 0102-72 â Ìàëîì Ìàãåëëàíîâîì Îáëàêå äâèæóòñÿ â íàøó ñòîðîíó. Íî âîëíîâàòüñÿ íå ñòîèò — ãàç äîéäåò äî íàñ ÷åðåç ìèëëèîíû ëåò, îñòûâøèì è ðàçðåæåííûì. Ñëàáî ñâåòÿùåéñÿ îáúåêò, îñòàþùåéñÿ ïîñëå âçðûâà, — ýòî, êàê ïðàâèëî, íåéòðîííàÿ çâåçäà èëè ÷åðíàÿ äûðà. Îáñåðâàòîðèÿ «×àíäðà» îáíàðóæèëà â ñêîïëåíèè 47 Òóêàíà íåîæèäàííî ìíîãî ýêçîòè÷åñêèõ çâåçäíûõ ñèñòåì. Âîîáùå Äåòåêòîðû ýëåêòðîìàãíèòíîãî èçëó÷åíèÿ

203

ãoâîðÿ, «íîðìàëüíûå» çâåçäû èçëó÷àþò ïðåèìóùåñòâåííî â îïòè÷åñêîì äèàïàçîíå. ×òîáû èçëó÷åíèå ñòàëî áîëåå æåñòêèì, íóæíû îñîáûå óñëîâèÿ. Òàêèå óñëîâèÿ ñîçäàþòñÿ â äâîé íûõ çâåçäàõ, ñîñòîÿùèõ èç íîðìàëüíîé çâåçäû è êîìïàêòíîãî îáúåêòà: áåëîãî êàðëèêà, íåéòðîííîé çâåçäû èëè ÷åðíîé äûðû.  ýòîì ñëó÷àå ÷àñòèöû èç íîðìàëüíîé çâåçäû, çàõâà÷åííûå åå ñîñåäîì, äâèæóòñÿ ñ êîëîññàëüíûì óñêîðåíèåì è èçëó÷àþò ôîòîíû ðàçëè÷íûõ ýíåðãèé. Åñëè «çàõâàò÷èê» — íåéòðîííàÿ çâåçäà, òî ïðè óäàðå î åå ïîâåðõíîñòü èçëó÷àåòñÿ äîïîëíèòåëüíàÿ ýíåðãèÿ. Ó ÷åðíîé äûðû òâåðäàÿ ïîâåðõíîñòü îòñóòñòâóåò, à çíà÷èò, íåò è äîïîëíèòåëüíîãî èçëó÷åíèÿ: ýòî îäèí èç ñïîñîáîâ îòëè÷èòü ÷åðíóþ äûðó îò íåéòðîííîé çâåçäû. Ðàç â ñêîïëåíèè 47 Òóêàíà îêàçàëîñü íåìàëî äâîéíûõ çâåçä, àêòèâíî èçëó÷àþùèõ â ðåíòãåíîâñêîì äèàïàçîíå, çíà÷èò, òàì ìíî ãî ÷åðíûõ äûð èëè íåéòðîííûõ çâåçä. Âìåñòå ñ òåì âûÿñíèëîñü, ÷òî â ñêîïëåíèè, ïîõîæå, íåò áîëüøîé öåíòðàëüíîé ÷åð íîé äûðû. «Áîëüøîé», òî÷íåå «ñâåðõìàññèâíîé», îáû÷íî íàçûâàåòñÿ ÷åðíàÿ äûðà ñ ìàññîé íå ìåíåå ìèëëèîíà ñîëíå÷íûõ ìàññ. Òàê ÷òî äûðû ñ ìàññîé ïîðÿäêà ñîëíå÷íîé âïîëíå ìîãóò îáðàçîâûâàòü äâîéíûå ñèñòåìû ñ íîðìàëüíûìè çâeçäàìè. Îäèí èç ñïóòíèêîâ NASA ñ íàó÷íîé àïïàðàòóðîé áûë çàïóùåí â êîíöå 2004 ã. Íàçâàëè åãî â ÷åñòü ïòè÷êè «Ñòðèæ» (Swift). Ýòî îõîòíèê çà ãàììà-âñïûøêàìè, î÷åðåäíîé çàãàäêîé Âñåëåííîé. Ìîùíåéøåå èçëó÷åíèå ïðèõîäèò èç ñëó÷àéíûõ òî÷åê ïðîñòðàíñòâà, â ñëó÷àéíûå ìîìåíòû âðåìåíè, äëèòñÿ ñåêóíäû, èíîãäà ïàðó ìèíóò, çàòåì åãî èíòåíñèâíîñòü ðåçêî ñíèæàåòñÿ. Âïåðâûå òàêèå âñïûøêè áûëè îáíàðóæåíû âîåííûìè ñïóòíèêàìè «Âýëà» â 1968 ã. Ïîñêîëüêó äàííûå, ïîëó÷åííûå âîåííûìè, áûëè îïóáëèêîâàíû òîëüêî â 1973 ã., ìîæíî ëèøü ïðåäñòàâèòü ñåáå, ÷òî ïðîèñõîäèëî íà çàêðûòûõ äèñêóññèÿõ â Ïåíòàãîíå. Âèäèìî, ïåðâîå âîçáóæäåíèå áûñòðî ïðîøëî, êîãäà ñòàëî ïîíÿòíî, ÷òî ýòî èçëó÷åíèå íå ïðèõîäèò íè ñ ïîâåðõíîñòè Çåìëè, íè èç àòìîñôåðû, íè äàæå èç Ñîëíå÷íîé ñèñòåìû. Êîãäà ñòàëî ÿñíî, ÷òî âñïûøêè ïðîèñõîäÿò ãäå-òî â Ãàëàêòèêå, àìåðèêàíñêèå âîåííûå, âèäèìî, ðåøèëè, ÷òî «âðÿä ëè ðóññêèå äîáðàëèñü äî Ãàëàêòèêè», è îòäàëè äîñåëå ñåêðåòíûå äàííûå ó÷åíûì äëÿ äàëüíåéøåãî àíàëèçà. ×åðåç íåêîòîðîå âðåìÿ ñòà-

204

Ãëàâà 4. Èíñòðóìåíòàðèé

Ðèñ. 4.3. Ñïóòíèê NASA «Swift», ïðåäíàçíà÷åííûé äëÿ èññëåäîâàíèé êîñìè÷åñêîãî ãàììà-èçëó÷åíèÿ. Èëëþñòðàöèÿ ñ ñàéòà http://swift.sonoma.edu

ëî ïîíÿòíî, ÷òî âñïûøêè íèêàê íå ñâÿçàíû è ñ íàøåé Ãàëàêòèêîé.  ïðîòèâíîì ñëó÷àå îíè ïðîèñõîäèëè ïðåèìóùåñòâåííî â ãàëàêòè÷åñêîì äèñêå, ãäå ðàñïîëîæåíî áîëüøèíñòâî çâåçä, ëèáî â øàðîâûõ ñêîïëåíèÿõ. Âîçìîæíî, ïðè÷èíîé ãàììàâñïëåñêîâ ÿâëÿþòñÿ âçðûâû çâåçä, ñâåðõíîâûå. Åñëè îáðàçóþùèéñÿ äæåò íàïðàâëåí â ñòîðîíó íàáëþäàòåëÿ, òî îí âèäèò ìîùíóþ âñïûøêó, åñëè íåò — òî «îáû÷íóþ» ñâåðõíîâóþ. Åùå îäèí âàðèàíò — ñëèÿíèå íåéòðîííûõ çâåçä ëèáî ÷åðíûõ äûð. Çà òàêîå êîðîòêîå âðåìÿ òðóäíî îïðåäåëèòü íàïðàâëåíèå, ÷òîáû íàïðàâèòü òóäà ìîùíûå òåëåñêîïû. Öåëü «Ñòðèæà» — óñïåòü îïðåäåëèòü íàïðàâëåíèå íà ãàììà-âñïûøêè. Îí íåïðåðûâíî ñêàíèðóåò íåáî äåòåêòîðîì ãàììà-ëó÷åé. Ïðè îáíàðóæåíèè âñïûøêè «Ñòðèæ» áûñòðî ðàçâîðà÷èâàåò ñâîè òåëåñêîïû — ðåíòãåíîâñêèé è îïòè÷åñêèé — è èññëåäóåò ñîáûòèå. Î÷åíü ïîõîæå íà ñòðèæà â ïîëåòå, ìãíîâåííî ìåíÿþùåãî íàïðàâëåíèå, ÷òîáû ïîéìàòü ìîøêó, — ïîýòîìó òàê è íàçâàëè1. Êîíå÷íî, ñóùåñòâóþò è áîëåå ìîùíûå îáñåðâàòîðèè, ÷åì «Ñòðèæ», íî âñå îíè ìåäëèòåëüíû. Îíè õîðîøè òàì, ãäå íóæíà 1

Äîïîëíèòåëüíóþ èíôîðìàöèþ ìîæíî íàéòè íà ñàéòàõ: http://swift.gsfc. nasa.gov/docs/swift; http://grb.sonoma.edu. Äåòåêòîðû ýëåêòðîìàãíèòíîãî èçëó÷åíèÿ

205

Ðèñ. 4.4. Ïîñòîÿííûé ïðîãðåññ â òåõíèêå, è â ÷àñòíîñòè íàëàäêà òåëåñêîïà «Õàááë», ïîçâîëÿþò óëó÷øàòü êà÷åñòâî ñíèìêîâ.

òî÷íîñòü, à íå ñêîðîñòü. Òàê, êîñìè÷åñêîìó çîíäó «Íüþòîí» òðåáóåòñÿ îêîëî 8 ÷àñîâ, ÷òîáû íàñòðîèòüñÿ íà îïðåäåëåííûé îáúåêò, à îáñåðâàòîðèè «×àíäðà» — è âîâñå 20 ÷àñîâ. Ñïîñîáíîñòü «Ñòðèæà» áûñòðî êîíöåíòðèðîâàòüñÿ â íóæíîì íàïðàâëåíèè óæå ïðèíåñëà ðåçóëüòàòû. Íàïðèìåð, ãàììà-âñïëåñê GRB 050502B, íàáëþäàâøèéñÿ 2 ìàÿ 2005 ã. â ñîçâåçäèè Ëüâà, äëèëñÿ 17 ñåêóíä. Ó÷åíûå óæå ñâûêëèñü ñ ñóùåñòâîâàíèåì òàêèõ îäèíî÷íûõ êðàòêîâðåìåííûõ âçðûâîâ ñ èñïóñêàíèåì ãàììà-èçëó÷åíèÿ è ñîçäàëè ðàçëè÷íûå ìîäåëè âçðûâà ñâåðõíîâîé, èõ îïèñûâàþùèå. Òåïåðü âñå îíè äîëæíû

Ðèñ. 4.5. Òàê âèäåëè àñòðîíîìû çâåçäó Ìåëüíèê-34. Ñëåâà — íàèëó÷øåå èçîáðàæåíèå çâåçäû ñ íàçåìíîé îáñåðâàòîðèè, â ñåðåäèíå — òà æå çâåçäà, ñôîòîãðôèðîâàííàÿ òåëåñêîïîì «Õàááë» äî þñòèðîâêè îïòèêè, ñïðàâà — ïîñëå.

206

Ãëàâà 4. Èíñòðóìåíòàðèé

áûòü ïåðåñìîòðåíû, ïîñêîëüêó «Ñòðèæ» ÷åðåç 8–9 ìèíóò çàôèêñèðîâàë åùå îäèí âçðûâ â ðåíòãåíîâñêîì äèàïàçîíå, â ñîòíþ ðàç ìîùíåå ïðåäûäóùåãî. Ýòî îçíà÷àåò, ÷òî òåîðèÿ, ðàñ ñìàòðèâàþùàÿ ñâåðõíîâûå êàê ïðè÷èíó ãàììà-âñïûøåê, åùå äàëåêà îò çàâåðøåíèÿ. Íàñêîëüêî âïå÷àòëÿþùå ìåíÿåòñÿ êà÷åñòâî èíôîðìàöèè çà äåñÿòèëåòèå, ìîæíî óáåäèòüñÿ íà ïðèìåðå çíàìåíèòîãî òåëåñêîïà «Õàááë» (ðèñ. 4.4). Ïîñìîòðèòå íà äâà èçîáðàæåíèÿ ãàëàêòèêè — äî è ïîñëå 1993 ã. (â ýòîì ãîäó áûëè óñòðàíåíû ïðîáëåìû ñ îïòèêîé). Âèäíî, íàñêîëüêî óëó÷øèëîñü èçîáðàæåíèå. Òåïåðü ìîæíî ðàçãëÿäåòü, íàñêîëüêî ìàëî ÿðêîå ïÿòíî â öåíòðå ãàëàêòèêè. Åùå îäèí ïðèìåð ïðèâåäåí íà ðèñ. 4.5.

Êâàíòû-ãèãàíòû Ïåðâàÿ êîñìè÷åñêàÿ îáñåðâàòîðèÿ «Óõóðó» ïîëó÷èëà ñâîå èìÿ îò åäèíèöû èçìåðåíèÿ ïîòîêà ðåíòãåíîâñêèõ êâàíòîâ, ïðîëåòàþùèõ ÷åðåç îäèí êâàäðàòíûé ñàíòèìåòð çà ñåêóíäó. Îäíàêî îêàçàëîñü, ÷òî íàðÿäó ñ íåïðåðûâíûì ïîòîêîì, èçìåðÿåìûì ìèëëèàðäàìè ãàììà-êâàíòîâ â ñåêóíäó, ñóùåñòâóþò îñîáåííûå êâàíòû, êîòîðûå ëèøü èçðåäêà ïàäàþò íà íàøó Çåìëþ. Ðå÷ü èäåò î ÷àñòèöàõ ñ ýíåðãèÿìè èçìåðÿåìûìè ìèëëèàðäàìè ãèãàýëåêòðîí-âîëüò. Ýòî ìîãóò áûòü è çàðÿæåííûå ÷àñòèöû, êàê, íàïðèìåð, ïðîòîíû è ýëåêòðîíû, òàê è íåéòðàëüíûå ãàììà-êâàíòû. Äëÿ èõ èññëåäîâàíèÿ íóæíû ñïåöèàëüíûå óñèëèÿ è îáñåðâàòîðèè íîâîãî êëàññà. Ãëàâíàÿ ïðîáëåìà ñîñòîèò â òîì, ÷òî ÷àñòèöû, íåïîñðåäñòâåííî ïðèëåòåâøèå èç êîñìîñà, ïîâåðõíîñòè Çåìëè íå äîñòèãàþò. Îäíà âûñîêîýíåðãè÷íàÿ ïðèëåòåâøàÿ ÷àñòèöà, ñòàëêèâàÿñü ñ ÿäðàìè àòîìîâ, âõîäÿùèõ â ñîñòàâ ìîëåêóë âîçäóõà, âûçûâàåò ïîòîê íîâûõ ÷àñòèö ðàçíûõ âèäîâ. Òå, â ñâîþ î÷åðåäü, íà ïóòè ê ïîâåðõíîñòè ñòàëêèâàþòñÿ ñ äðóãèìè ìîëåêóëàìè âîçäóõà è òàêæå ïîðîæäàþò íîâûå ÷àñòèöû. Òàêèì îáðàçîì, îäíà î÷åíü ýíåðãè÷íàÿ ÷àñòèöà, ïðèëåòåâøàÿ èç êîñìîñà, ãåíåðèðóåò øèðîêèé àòìîñôåðíûé ëèâåíü èç ðàçíîîáðàçíûõ ÷àñòèö. Ðåãèñòðèðóÿ òàêîé êàñêàä, ìîæíî îïðåäåëèòü òèï ÷àñòèöû, èíèöèèðîâàâøåé ýòîò ëèâåíü, è åå ýíåðãèþ. Êâàíòû-ãèãàíòû

207

Ïî âñåìó ìèðó ðàçáðîñàíî äîñòàòî÷íî ìíîãî òàêèõ îáñåðâàòîðèé, îäíà èç êîòîðûõ, HEGRA (High Energy Gamma Ray Astronomy), ðàñïîëîæåíà íà Êàíàðñêèõ îñòðîâàõ. Îíà çàíèìàåòñÿ ðåãèñòðàöèåé è àíàëèçîì øèðîêèõ àòìîñôåðíûõ ëèâíåé, ñîñòîÿùèõ èç ÷àñòèö, ïîðîæäàåìûõ âûñîêîýíåðãè÷íûìè êîñìè÷åñêèìè ÷àñòèöàìè.  ðàñïîðÿæåíèè ó÷åíûõ èìåþòñÿ ðàçëè÷íûå ïðèáîðû, ðàçìåùåííûå íà ïëîùàäè íåñêîëüêî ñîòåí êâàäðàòíûõ ìåòðîâ. Îíè äåòåêòèðóþò âòîðè÷íûå çàðÿæåííûå ÷àñòèöû è ôîòîíû, ïîïàäàþùèå íà ïîâåðõíîñòü Çåìëè. HEGRA ñïîñîáíà ðåãèñòðèðîâàòü ÷àñòèöû ñâåðõâûñîêèõ ýíåðãèé, íåäîñòóïíûå äëÿ äåòåêòîðîâ, âûâåäåííûõ â êîñìîñ. Ãäå è â êàêèõ ïðèðîäíûõ óñêîðèòåëÿõ ïîðîæäàþòñÿ ñòîëü ýíåðãè÷íûå êîìïîíåíòû êîñìè÷åñêèõ ëó÷åé, ìû ïîêà íå çíàåì, íî ôàêò îñòàåòñÿ ôàêòîì — ïî êîñìîñó ãóëÿþò ñòîëü ýíåðãè÷íûå ñòðàííèêè, ÷òî ïðè ñòîëêíîâåíèè ñ ìîëåêóëàìè àòìîñôåðíîãî ãàçà îíè ïîðîæäàþò ëàâèíó èç ìèëëèîíîâ âòîðè÷íûõ ýëåìåíòàðíûõ ÷àñòèö. Ôèêñèðóÿ ýòîò ëèâåíü ÷àñòèö, ìîæíî îïðåäåëèòü íå òîëüêî ýíåðãèþ è íàïðàâëåíèå ïðèëåòà, íî òèï èñõîäíîé ÷àñòèöû. Èíòåðåñ ê âûñîêîýíåðãè÷íûì êîìïîíåíòàì êîñìè÷åñêèõ ëó÷åé îáóñëîâëåí åùå è òåì îáñòîÿòåëüñòâîì, ÷òî çåìíûå óñêîðèòåëè ïîêà íå ìîãóò ðàçîãíàòü ÷àñòèöû äî ñòîëü áîëüøèõ ýíåðãèé, è êîñìîñ â äàííîì ñëó÷àå ìîæåò ïîìî÷ü â ðàçãàäûâàíèè òàéí ìèêðîìèðà [7]. Íåéòðèííûå äåòåêòîðû

Òî, ÷òî íåéòðèíî î÷åíü ñëàáî âçàèìîäåéñò âóþò ñ ëþáûìè ÷àñòèöàìè, ñîçäàåò òðóäíîñòè ïðè ïðîåêòèðîâàíèè íåéòðèííûõ äåòåêòîðîâ, íî ýòî èõ ñâîéñòâî èìååò è ïîëîæèòåëüíóþ ñòîðîíó: îíè ïðèíîñÿò íåèñêàæåííóþ èíôîðìàöèþ î äàëåêèõ è, çíà÷èò, äàâíèõ ñîáûòèÿõ. Ôîòîíû, ïðîõîäÿ ñêâîçü ãàëàêòèêè è îáëàêà ìåæçâåçäíîãî ãàçà, â òîé èëè èíîé ìåðå ïîãëîùàþòñÿ; çàðÿæåííûå ÷àñòèöû, ïîïàäàÿ â ìàãíèòíîå ïîëå ãàëàêòèê, ìåíÿþò ñâîþ òðàåêòîðèþ. È òîëüêî íåéòðèíî, êàê è ôîòîíû, ðàñïðîñòðàíÿþòñÿ ñòðîãî ïî ãåîäåçè÷åñêîé, ò. å. ïî ïðÿìîé, â ïðèñóòñòâèè ãðàâèòàöèîííîãî âëèÿíèÿ ãàëàêòèê è ñêðûòîé ìàññû (ñì. ðèñ. 3.16). Ïî ñðàâíåíèþ ñ ôîòîíîì ó íåéòðèíî åñòü íåñîìíåííîå ïðåèìóùåñòâî — îíî ëåãêî ïðîõîäèò ñêâîçü ãàçî-

208

Ãëàâà 4. Èíñòðóìåíòàðèé

âûå è ìîëåêóëÿðíûå îáëàêà, íî ó åñòü è óæå óïîìÿíóòûé íåäîñòàòîê: åãî òðóäíî «ïîéìàòü» â äåòåêòîðå. ×òîáû ïîëó÷èòü ðåçóëüòàò, íóæíî ìíîãî ÷àñòèö-ìèøåíåé. Èòàê, ÷òîáû äåòåêòèðîâàòü íåéòðèíî, íóæíû êàê ìîæíî áî2ëüøèå ìàññû âåùåñòâà, ïðèíàäëåæàùåãî äåòåêòîðó, è âäîáàâîê îíî äîëæíî áûòü êàê ìîæíî áîëåå õîëîäíûì, ÷òîáû òåìïåðàòóðíûå ôëóêòóàöèè íå ñëèøêîì ìåøàëè èäåíòèôèêàöèè ñîáûòèé. Ïîýòîìó âîçíèêëà èäåÿ âçÿòü çà îñíîâó óæå ñóùåñòâóþùèé ëåä íà ïîëþñàõ Çåìëè è «îêðóæèòü» èõ äåòåêòîðàìè. Îäèí òàêîé äåòåêòîð, ÀÌÀÍÄÀ, óæå ðàáîòàåò â Àíòàðêòèêå. Îí ñïîñîáåí äåòåêòèðîâàòü íåéòðèíî ñ ýíåðãèÿìè íå áîëüøå 1015 ýÂ. Áóäóùèå äåòåêòîðû ïîäíèìóò ïëàíêó äî 1018 ýÂ. ×òî æå ïðîèñõîäèò â äåòåêòîðå ïîñëå òîãî, êàê îäíî èç ìíîãèõ íåéòðèíî, ïðîëåòàÿ, ñòîëêíåòñÿ ñ íåéòðîíîì?  ýòîì ñëó÷àå îáðàçóþòñÿ âûñîêîýíåðãè÷íûå ýëåêòðîí è ïðîòîí, êîòîðûå ëåòÿò áûñòðåå ñâåòà â âîäå èëè âî ëüäó. Âîçíèêàåò õîðîøî èçâåñòíûé ýôôåêò ×åðåíêîâà1, ïî êîòîðîìó è îïðåäåëÿþò ïàðàìåòðû ïðèëåòåâøåãî íåéòðèíî. Õîòåëîñü áû äåòåêòèðîâàòü è àíòèíåéòðèíî, íî ýòî íå òàê ïðîñòî. Àíòèíåéòðèíî âçàèìîäåéñòâóåò ñ ïðîòîíîì, à íå ñ íåéòðîíîì, îáðàçóÿ ýíåðãè÷íûå íåéòðîí è ïîçèòðîí. Äåòåêòèðîâàòü òàêîé íåéòðîí ìîæíî ïî åãî âîçäåéñòâèþ íà ìàòåðèàë äåòåêòîðà, äëÿ ÷åãî îí, â ñâîþ î÷åðåäü, äîëæåí ñòîëêíóòüñÿ ñ ÿäðàìè àòîìîâ, èç êîòîðîãî ñîñòîèò äåòåêòîð, è ïåðåäàòü èì ñâîþ ýíåðãèþ. Íî íåéòðîí ñëàáî âçàèìîäåéñòâóåò ñ ÿäðàìè è ìîæåò âûëåòåòü èç äåòåêòîðà íåçàìå÷åííûì, ÷òî íåæåëàòåëüíî. Êàíàäñêèå ôèçèêè èç íåéòðèííîé îáñåðâàòîðèè (Sudbury Neutrino Observatory, SNO) íàøëè îñòðîóìíîå ðåøåíèå ïðîáëåìû: îíè ïðîñòî ðàñòâîðèëè 2 òîííû îáû÷íîé (íî ÷èñòîé) ñîëè, NaCl, â ðàáî÷åì âåùåñòâå ñâîåãî äåòåêòîðà, âòðîå óâåëè÷èâ åãî ÷óâñòâèòåëüíîñòü. Ñàìà íåéòðèííàÿ îáñåðâàòîðèÿ SNO íàõîäèòñÿ íà ãëóáèíå 2 êì â øàõòå ïî äîáû÷å íèêåëÿ. Îäíîé èç îñíîâíûõ åå çàäà÷ ÿâëÿåòñÿ äåòåêòèðîâàíèå ñîëíå÷íûõ íåéòðèíî. Íî åñòü è äðóãèå íåéòðèíî, êîòîðûå ðîæäàþòñÿ â àòìîñôåðå Çåìëè, êîãäà 1

Èçëó÷åíèå ñâåòà ïðè äâèæåíèè â âåùåñòâå çàðÿæåííûõ ÷àñòèö ñî ñêîðîñòüþ, ïðåâûøàþùåé ñêîðîñòü ñâåòà â ýòîì âåùåñòâå.

Êâàíòû-ãèãàíòû

209

â íåå âëåòàåò ýíåðãè÷íàÿ ÷àñòèöà, ÷àùå âñåãî ýëåêòðîí èëè ïðîòîí. Êàê âûäåëèòü íåéòðèíî, ïðèøåäøèå èìåííî îò Ñîëíöà? Êàê óæå ãîâîðèëîñü, Çåìëÿ ïðîçðà÷íà äëÿ íåéòðèíî. Çíà÷èò, âñå íåéòðèíî, êðîìå ñîëíå÷íûõ, áóäóò ïðèõîäèòü â äåòåêòîð ñî âñåõ ñòîðîí ðàâíîìåðíî. Íàïðàâëåíèå èõ äâèæåíèÿ îïðåäåëÿåòñÿ ïî äâèæåíèþ âòîðè÷íûõ ÷àñòèö. Íàïðàâëåíèå æå ñîëíå÷íûõ íåéòðèíî ìåíÿåòñÿ â òå÷åíèå ñóòîê íà 360° èç-çà âðàùåíèÿ Çåìëè. Èäåÿ, àíàëîãè÷íàÿ äîáàâêå NaCl, íî åùå áîëåå ýôôåêòèâíàÿ, áûëà ïðåäëîæåíà äëÿ ïîâûøåíèÿ ÷óâñòâèòåëüíîñòè äðóãîãî íåéòðèííîãî äåòåêòîðà — Ñóïåð-Êàìèîêàíäå â ßïîíèè. Ðàáî÷èì âåùåñòâîì åìó ñëóæèò 50 000 ò ñâåðõ÷èñòîé âîäû, ïîìåùåííîé íà ãëóáèíó 100 ì â øàõòå Êàìèîêà Ìîçóìè. Ýòè ñòî ìåòðîâ çåìëè ñëóæàò åñòåñòâåííûì áàðüåðîì äëÿ âñåõ êîñìè÷åñêèõ ëó÷åé, êðîìå íåéòðèíî, — âîò ãäå ïðèãîäèëîñü òî, ÷òî íåéòðèíî ðåäêî âçàèìîäåéñòâóþò ñ âåùåñòâîì!  ßïîíèè áûëè òå æå ïðîáëåìû ñ äåòåêòèðîâàíèåì àíòèíåéòðèíî, ÷òî è â Êàíàäå. Íî òàì áûëî ïðåäëîæåíî äîáàâèòü â âîäó 100 òîíí òðèõëîðèäà ãàäîëèíèÿ (GdCl3), ÷òî äîëæíî âî ìíîãî ðàç ïîâûñèòü ýôôåêòèâíîñòü äåòåêòîðà. Ýòî ñâÿçàíî ñ òåì, ÷òî âåðîÿòíîñòü âçàèìîäåéñòâèÿ íåéòðîíà ñ ÿäðîì ãàäîëèíèÿ î÷åíü âåëèêà. Èìåííî íà ýòîì äåòåêòîðå áûëî óñòàíîâëåíî, ÷òî ðàçíîñòü ìàññ ìþîííîãî è ýëåêòðîííîãî íåéòðèíî ëåæèò â èíòåðâàëå îò 0,03 äî 0,1 ýÂ. Ýòî çàìå÷àòåëüíîå îòêðûòèå îçíà÷àåò, ÷òî ïî êðàéíåé ìåðå îäèí ñîðò íåéòðèíî äîëæåí èìåòü íåíóëåâóþ ìàññó, è ñòàíäàðòíàÿ ìîäåëü ýëåìåíòàðíûõ ÷àñòèö Âàéíáåðãà—Ñàëàìà äîëæíà áûòü ìîäåðíèçèðîâàíà.

Ëàéìàí-àëüôà ëåñ Ó÷åíûå èñïîëüçóþò ëþáûå — çàêîííûå — ñïîñîáû äëÿ ïîëó÷åíèÿ íîâîé è ïîäòâåðæäåíèÿ óæå èçâåñòíîé èíôîðìàöèè. Îäèí èç ëþáîïûòíûõ ýôôåêòîâ — Lyman Alpha Forest (÷èòàåòñÿ «Ëàéìàí1 àëüôà ôîðåñò»). Ñàì ýôôåêò ñîñòîèò â ñëåäóþ1

Òåîäîð Ëàéìàí (1874–1954) — àìåðèêàíñêèé ôèçèê, àâòîð òðóäîâ ïî îïòèêå è ñïåêòðîñêîïèè. Èìåíåì Ò. Ëàéìàíà íàçâàíà ñåðèÿ ëèíèé â ñïåêòðå ïîãëîùåíèÿ àòîìà âîäîðîäà.

210

Ãëàâà 4. Èíñòðóìåíòàðèé

Çåìëÿ ëó÷ ñâåòà I

äëèíà âîëíû, ñì

Ðèñ. 4.6. Íà ãðàôèêå îòëîæå íà èíòåíñèâíîñòü îäíîé ëèíèè ñïåêòðà, ñîîòâåòñòâóþùåé ïåðåõîäó La.

ùåì. Ïðåäïîëîæèì, íà áîëüøîì ðàññòîÿíèè îò íàñ íàõîäèòñÿ èñòî÷íèê ýëåêòðîìàãíèòíîãî èçëó÷åíèÿ ñ øèðîêèì äèàïàçîíîì äëèí âîëí. Ôîòîíû, ïåðåä òåì êàê ïîïàñòü íà Çåìëþ, ïðîõîäÿò íà ñâîåì ïóòè ÷åðåç íåñêîëüêî îáëàêîâ âîäîðîäà. ×àñòü ôîòîíîâ ïîãëîùàåòñÿ — â îñíîâíîì ôîòîíû, ñïîñîáíûå ïåðåâåñòè ýëåêòðîí â àòîìå âîäîðîäà ñ îñíîâíîãî óðîâíÿ íà ïåðâûé; ýòîò ïåðåõîä îáîçíà÷àåòñÿ La (Ëàéìàí àëüôà).  íàáîðå ïðèøåäøèõ íà Çåìëþ ôîòîíîâ îíè áóäóò îòñóòñòâîâàòü, è â ñïåêòðå, ðåãèñòðèðóåìîì ïðèáîðîì, îáíàðóæèòñÿ «ïðîâàë» â ñîîòâåòñòâóþùåì ìåñòå (ðèñ. 4.6). Âòîðîé õîðîøî èçâåñòíûé ýôôåêò — ýòî êðàñíîå ñìåùåíèå: ýíåðãèÿ ôîòîíà ñî âðåìåíåì óìåíüøàåòñÿ èç-çà êîñìîëîãè÷åñêîãî ðàñøèðåíèÿ. Áëàãîäàðÿ ýòîìó ýôôåêòó îáëàêà,

Ðèñ. 4.7. Îäíà èç êîìïüþòåðíûõ ìîäåëåé ðàñïðåäåëåíèÿ ëàéìàí-àëüôà-îáëàêîâ íà ðàññòîÿíèè, ñîîòâåòñòâóþùåì êðàñíîìó ñìåùåíèþ, ðàâíîìó 3. Èëëþñòðàöèÿ ñ èíòåðíåòñòðàíèöû http://sai.msu.su/apod/ ap980224.html Ëàéìàí-àëüôà ëåñ

211

âñòðå÷àåìûå ëó÷îì ñâåòà íà ðàçíûõ ðàññòîÿíèÿõ, áóäóò ïî ãëîùàòü óæå ôîòîíû, êîòîðûå â ñâîå âðåìÿ ðîäèëèñü, èìåÿ áî2ëüøèå ýíåðãèè. Ñêîëüêî îáëàêîâ íà ñâîåì ïóòè âñòðåòèò ïîòîê ôîòîíîâ, ñòîëüêî ëèíèé ïîãëîùåíèÿ áóäåò â ñïåêòðå. «Ëåñîì» (forest) îáðàçíî íàçûâàþò íàáîð ýòèõ ëèíèé. Ïî èõ ðàñïîëîæåíèþ ìîæíî ñóäèòü î ðàññòîÿíèÿõ äî îáëàêîâ è èñòî÷íèêà èçëó÷åíèÿ. Òàê îäíè íàó÷íûå îòêðûòèÿ (â äàííîì ñëó÷àå äèñêðåòíîñòü óðîâíåé ýíåðãèè àòîìîâ) ñëóæàò îñíîâîé äëÿ ñîâåðøåííî äðóãèõ îòêðûòèé.

Ãëàâà 5

ÊÎÍÑÒÐÓÊÒÎÐ ÂÑÅËÅÍÍÛÕ ß õî÷ó çíàòü, êàê Áîã ñîçäàë ýòîò ìèð. Ìíå íåèíòåðåñíî òî èëè èíîå ÿâëåíèå, ñïåêòð òîãî èëè èíîãî ýëåìåíòà. ß õî÷ó çíàòü Åãî ìûñëè, îñòàëüíîå — äåòàëè. À. Ýéíøòåéí

Â

ïðåäûäóùèõ ãëàâàõ ìû ïîçíàêîìèëèñü ñ îñíîâíûìè ýòàïàìè æèçíåííîãî ïóòè íàøåé Âñåëåííîé è óçíàëè îá îñíîâíûõ çàêîíàõ, êîòîðûì ïîä÷èíÿåòñÿ Ïðèðîäà. Êîíå÷íî, äàëåêî íå âñå çàêîíû óæå îòêðûòû, ìíîãèå åùå æäóò ñâîåãî ÷àñà. Ðàçâèòèå íàóêè èäåò øèðîêèì ôðîíòîì âî ìíîãîì áëàãîäàðÿ ïðîðûâó â êîñìîëîãèè, èñïîëüçóþùåé äîñòèæåíèÿ âñåõ íàó÷íûõ íàïðàâëåíèé. Ýòî è íåóäèâèòåëüíî — âåäü êîñìîëîãèÿ ïðèçâàíà îáúÿñíèòü ñâîéñòâà âñåé Âñåëåííîé, íà÷èíàÿ ñ ìîìåíòà åå ðîæäåíèÿ. Ïîýòîìó â ýòîé áûñòðî ðàçâèâàþùåéñÿ îáëàñòè ìîæåò áûòü âîñòðåáîâàí ñïåöèàëèñò â ëþáîé îáëàñòè ôèçèêè. Ñåé÷àñ êàê ðàç ïîäõîäÿùèé ìîìåíò îñòàíîâèòüñÿ è ïîäóìàòü î áîëåå ãëóáîêèõ ïðîáëåìàõ, à èìåííî: ê ÷åìó, ñîáñòâåííî, ó÷åíûå äîëæíû ñòðåìèòüñÿ? Î÷åâèäíûé îòâåò «ê îáúÿñíåíèþ çàêîíîâ ïðèðîäû» ñëèøêîì àáñòðàêòåí è óäîâëåòâîðÿåò óæå äàëåêî íå âñåõ. Îáñóæäàþòñÿ âîïðîñû òèïà «ìîæíî ëè îáúÿñíèòü âñå çàêîíû ïðèðîäû?», «ïî÷åìó âûïîëíÿþòñÿ èìåííî ýòè çàêîíû, à íå äðóãèå?», è, íàêîíåö, «ïî÷åìó çàêîíû âîîáùå âûïîëíÿþòñÿ?». Ïðåäïîëîæèì, ìû ïðèøëè ê öåëè è ñîçäàëè îêîí÷àòåëüíóþ «Òåîðèþ âñåãî».  ñîâðåìåííîé íàó÷íîé ëèòåðàòóðå òàêàÿ âîçìîæíîñòü îáñóæäàåòñÿ è äàæå ââåäåíà óñòîÿâøàÿñÿ àááðåâèàòóðà ÒÎÅ, ïî-àíãëèéñêè «Theory Of Everything». ×òî îíà ñîáîé äîëæíà ïðåäñòàâëÿòü è íà ÷åì äîëæíà áûòü îñíîâàíà? Ïîõîæå, åñòü òðè îñíîâíûõ âàðèàíòà. Êîíñòðóêòîð âñåëåííûõ

213

À. Çàêîíû ñîçäàíû íåêèì âûñøèì ðàçóìîì äëÿ êàêèõ-òî ñâîèõ öåëåé. Âåäü ñîçäàþò æå ó÷åíûå ïèòàòåëüíóþ ñðåäó â ïðîáèðêàõ è ÷àøêàõ Ïåòðè äëÿ ðàçìíîæåíèÿ ìèêðîáîâ. È öåëè èõ ñîâñåì íå òå, î êîòîðûõ äóìàëè áû ìèêðîáû, áóäü îíè ðàçóìíûìè. Á. Çàêîíû ïðèðîäû ñòðîãî âûâîäÿòñÿ èç íà÷àëüíîãî åäèíîãî ïîñòóëàòà è ïðîñòî íå ìîãóò áûòü äðóãèìè. Âñÿ èñòîðèÿ íàóêè âèäèòñÿ êàê ïðèáëèæåíèå ê ýòîìó ïîñòóëàòó. Â. Ñóùåñòâóåò ìíîãî âñåëåííûõ ñ ðàçëè÷íûìè çàêîíàìè, è ìû æèâåì â îäíîé èç íèõ. Ýòîò ïîäõîä ïðèîáðåòàåò âñå áîëüøå ñòîðîííèêîâ, íî ÿâëÿåòñÿ ëè îí êîíñòðóêòèâíûì? Âàðèàíò À âîçìîæåí. Íå î÷åíü ÿñíî, ïðàâäà, êàê ýòîò ðàçóì íå ðàçðóøèëñÿ èç-çà âûñîêèõ òåìïåðàòóð â ìîìåíò ðîæäåíèÿ Âñåëåííîé. Êðîìå òîãî, ïåðâîíà÷àëüíûé ðàçìåð áûë ÷ðåçâû÷àéíî ìàë, ïîðÿäêà 10–1 ñì. Òåì íå ìåíåå ñ ðàçâèòèåì íàóêè ïîÿâëÿþòñÿ äîïîëíèòåëüíûå âîçìîæíîñòè.  ãëàâå, ïîñâÿùåííîé ïîèñêó ðàçóìà âî Âñåëåííîé, ìû ïîãîâîðèì îá ýòîì. Ïîýòîìó áóäåì îñòîðîæíû è ïðåäïîëîæèì, ÷òî òàêàÿ âîçìîæíîñòü ñóùåñòâóåò. Íî â òàêîì ñëó÷àå ðàçðàáîòêà èäåè âûñøåãî ðàçóìà ñêîðåå äîëæíà ïðèíàäëåæàòü áîãîñëîâàì. Ó÷åíûé äîëæåí èñõîäèòü èç ïðîòèâîïîëîæíîé ïðåäïîñûëêè — îá îòñóòñòâèè ñâåðõðàçóìà. Ïðåäïîëîæèì îáðàòíîå — ó÷åíûå âåðèëè áû, ÷òî çàêîíû ïðèðîäû áûëè ñîçäàíû âûñøèìè ñóùåñòâàìè. Òîãäà íàóêè ïðîñòî íå ñóùåñòâîâàëî áû. Äåéñòâèòåëüíî, ñ òî÷êè çðåíèÿ òàêîãî ó÷åíîãî, íàïðèìåð, òî, ÷òî ÿáëîêè ïàäàþò íà Çåìëþ, — ýòî ïðîñòî «ñâîéñòâî òàêîå», ââåäåííîå ñâåðõðàçóìîì, è ó íàñ íå áûëî áû ñåé÷àñ òåîðèè òÿãîòåíèÿ. Îðáèòû ïëàíåò? Òîæå «ñâîéñòâî òàêîå». È íèêîãäà ëþäè íå óâèäåëè áû ñâÿçè ìåæäó ýòèìè ÿâëåíèÿìè, íå ìîãëè áû ïðåäñêàçûâàòü òðàåêòîðèè íåáåñíûõ òåë. Íå áûëî áû âîîáùå íèêàêèõ òåîðèé, äà è íàóêè â öåëîì: ñâåðõðàçóì îáúÿñíÿåò âñå! Èòàê, âàðèàíò À èñêëþ÷èòü íåëüçÿ, íî îñòàâèì åãî áîãîñëîâàì è ôèëîñîôàì. Óäåë ó÷åíîãî — èññëåäîâàòü ïðèðîäó, ïðåäïîëàãàÿ, ÷òî âàðèàíò À íåâåðåí. Äëÿ íåãî îñòàåòñÿ âûáîð ìåæäó âàðèàíòàìè Á è Â. Âàðèàíò Á. Íàéòè òåîðèþ, îáúÿñíÿþùóþ óñòðîéñòâî ìèðà, — äîñòîéíàÿ çàäà÷à. Íî äàæå â òàêîé «îêîí÷àòåëüíîé òåî-

214

Ãëàâà 5. Êîíñòðóêòîð âñåëåííûõ

ðèè» äîëæíû áûòü èñõîäíûå ïîñòóëàòû. Íàïðèìåð, â Ì-òåî ðèè, îäíîé èç ñîâðåìåííûõ òåîðèé, ïðåòåíäóþùåé íà ìíîãîå, ïðåäïîëàãàåòñÿ, ÷òî ïðîñòðàíñòâî íà ñàìîì äåëå èìååò 10 èçìåðåíèé (â íåêîòîðûõ ìîäåëÿõ — 11 è 26). Êîíå÷íî æå, ñëåäóþùèå ïîêîëåíèÿ ó÷åíûõ áóäóò ïûòàòüñÿ ñäåëàòü ñëåäó þùèé øàã, êîòîðûé áû îáúÿñíÿë, ïî÷åìó ïðîñòðàíñòâî èìå åò èìåííî 10 èçìåðåíèé è èç ÷åãî ñîñòîÿò îáúåêòû òàêîãî ìíîãîìåðíîãî ìèðà. «Âñå îïÿòü ïîâòîðèòñÿ ñíà÷àëà». Íó ÷òî æå, áûòü âñåãäà â ïóòè — íå ñàìàÿ ïëîõàÿ ó÷àñòü. Òîëüêî âû áðàâ åå, íàäî ïîíèìàòü, ÷òî ýòà äîðîãà èìååò íà÷àëî, íî íå èìååò êîíöà. Ïóòü, ïðîéäåííûé íàìè äî ñèõ ïîð, êîðî÷å òîãî ïóòè, êîòîðûé ïðåäñòîèò ïðîéòè, è òàê áóäåò âñåãäà. È âñå ãäà áóäåò îñòàâàòüñÿ âîïðîñ: ïî÷åìó èçíà÷àëüíûå ïîñòóëàòû òàêîâû, ÷òî â ðåçóëüòàòå ìíîæåñòâà ìåòàìîðôîç ñòàíîâèòñÿ âîçìîæíûì ñóùåñòâîâàíèå ðàçóìíîé æèçíè? Íàñêîëüêî ñåðüåçåí ýòîò âîïðîñ, ÷èòàòåëü ïîéìåò ïîñëå îçíàêîìëåíèÿ ñ ýòîé ãëàâîé. È òîãäà íà ïîâåñòêó äíÿ âûõîäèò Âàðèàíò Â. Êàê áû âû îòíåñëèñü ê ÷åëîâåêó, ðàçðàáàòûâàþùåìó òåîðèþ, ñ ïîìîùüþ êîòîðîé îí ñîáèðàåòñÿ îáúÿñíèòü êîíêðåòíîå ÷èñëî — ìàññó íàøåé ïëàíåòû Çåìëÿ? Ïîä÷åðêíó: íå ðàññ÷èòàòü, à âûâåñòè èç ïåðâîíà÷àëüíûõ ïîñòóëàòîâ. Íàâåðíîå, âû áû ïîïûòàëèñü îáúÿñíèòü åìó, ÷òî ïëàíåò ìíîãî, ÷òî êàæäàÿ îáðàçóåòñÿ â ðåçóëüòàòå ìíîæåñòâà ñëó÷àéíîñòåé. Êîðî÷å, ÷òî òàêîé òåîðèè íå ñóùåñòâóåò, ïðîñòî åñòü ìíîãî âàðèàíòîâ, à ÷åëîâå÷åñòâî ðåàëèçîâàëîñü íà îäíîì èç íèõ, îêàçàâøåìñÿ áëàãîïðèÿòíûì. Íî ãäå ãàðàíòèÿ, ÷òî, íàïðèìåð, ñ ìàññîé ýëåêòðîíà ñèòóàöèÿ íå àíàëîãè÷íà? Ìîæåò áûòü, âñåëåííûõ ìíîãî, â êàæäîé èç íèõ — ñâîÿ ìàññà ýëåêòðîíà, à ìû ñëó÷àéíî îêàçàëèñü â îäíîé èç íèõ? Êîíå÷íî, è â ýòîì ïîäõîäå âîçíèêàåò ìíîãî âîïðîñîâ — ãäå ýòè âñåëåííûå ðàñïîëîæåíû, ïî÷åìó ó íèõ ñâîéñòâà ðàçíûå è ò. ä. Êðîìå òîãî, åñëè «âñå âîçìîæíî», òî çà÷åì èçó÷àòü êîíêðåòíóþ âñåëåííóþ? Íå áóäåì ëè ìû íàïîìèíàòü ÷åðâÿ÷êîâ, æèâóùèõ íà îäíîì èç ÿáëîê è ñ óâëå÷åíèåì îáñóæäàþùèõ öâåò, òîïîëîãèþ è ðàçìåðû èõ ÿáëîêà-âñåëåííîé? È íåâäîìåê èì, ÷òî âîêðóã íèõ — ÿáëîíåâûé ñàä. Òåì íå ìåíåå âñå áîëüøå äoâîäîâ â ïîëüçó èìåííî âàðèàíòà Â. È, êàê ìû óâèäèì, íà Êîíñòðóêòîð âñåëåííûõ

215

âoïðîñû î ñâîéñòâàõ íàøåé âñåëåííîé-ÿáëîêà òàêæå ñòîèò îòâå÷àòü. Ýòà ãëàâà è ïîñâÿùåíà èõ îáñóæäåíèþ.

Àíòðîïíûé ïðèíöèï Ïðîáëåìà ìíîæåñòâåííîñòè âñåëåííûõ òåñíî ñâÿçàíà ñ òàê íàçûâàåìûì àíòðîïíûì ïðèíöèïîì (ÀÏ). Èñòîðè÷åñêè ñëîæèëîñü òàê, ÷òî èìååòñÿ öåëûõ äâå åãî âåðñèè. Ñëàáûé ÀÏ — ïðåäïîëàãàåòñÿ, ÷òî çàêîíû ïðèðîäû «òàêîâû, êàêîâû îíè åñòü, è áîëüøå íèêàêîâû», à ðàçóìíàÿ æèçíü âîçíèêàåò òàì, ãäå äëÿ íåå åñòü óñëîâèÿ. Íàïðèìåð, íà äàííûé ìîìåíò ñ÷èòàåòñÿ, ÷òî íàøà Âñåëåííàÿ ðîäèëàñü 14 ìëðä. ëåò íàçàä è áóäåò ñóùåñòâîâàòü âå÷íî. Ïî÷åìó æå ìû æèâåì â äàííóþ ýïîõó, îòíîñèòåëüíî áëèçêî ê ìîìåíòó åå ðîæäåíèÿ? Ïðîñòî ïîòîìó, ÷òî çâåçä ñ íóæíûì õèìè÷åñêèì ñîñòàâîì äåñÿòîê ìèëëèàðäîâ ëåò íàçàä íå áûëî è ñïóñòÿ íåñêîëüêî äåñÿòêîâ ìèëëèàðäîâ ëåò íå áóäåò. Ðàçóìíàÿ æèçíü íàøåãî òèïà ñòàíåò íåâîçìîæíà. Ñèëüíûé ÀÏ ïðåäïîëàãàåò, ÷òî ñàìè çàêîíû ïðèðîäû è ïàðàìåòðû òèïà ãðàâèòàöèîííîé ïîñòîÿííîé, ìàññû ýëåêòðîíà è ò. ä. òàêîâû, ÷òî äîëæíà âîçíèêàòü ðàçóìíàÿ æèçíü. Ñåé÷àñ ñòàíîâèòñÿ âñå áîëåå î÷åâèäíûì, ÷òî îáà ïðèíöèïà óòâåðæäàþò ïðàêòè÷åñêè îäíî è òî æå. Êàê ìû óæå çíàåì ïîñëå îòêðûòèÿ èíôëÿöèîííîãî ìåõàíèçìà, íàøà Âñåëåííàÿ — íå åäèíñòâåííàÿ. Íàîáîðîò, ïî-âèäèìîìó, ñóùåñòâóåò ìíîãî, à ñêîðåå, áåñêîíå÷íî ìíîãî âñåëåííûõ. Åñëè èõ ñâîéñòâà âàðüèðóþòñÿ â øèðîêèõ ïðåäåëàõ, òî ãîâîðÿò î Ìåòàâñåëåííîé (àíãëèéñêèé òåðìèí — multiverse) — àíñàìáëå âñåëåííûõ. Íó à æèçíü âîçíèêàåò â «ãîñòåïðèèìíûõ» âñåëåííûõ, ãäå çàêîíû ïðèðîäû ïîäõîäÿò äëÿ ïîÿâëåíèÿ è æèçíè ðàçóìíûõ ñóùåñòâ. Íàäî ñêàçàòü, ÷òî ñðåäè ó÷åíûõ íàáëþäàåòñÿ øèðîêèé ðàçáðîñ ìíåíèé îá àíòðîïíîì ïðèíöèïå: îò êàòåãîðè÷íîãî «ýòî íå íàóêà» ñ ïîäðîáíûì ïåðå÷íåì äîâîäîâ, ÷åðåç ðàâíîäóøèå («ìíå íåò äî ýòîãî äåëà, ÿ èçó÷àþ êîíêðåòíûé ôèçè÷åñêèé ïðîöåññ â íàøåé âñåëåííîé, à èíôîðìàöèÿ î äðóãèõ âñåëåííûõ âñå ðàâíî íåäîñòóïíà»), äî âîñòîðæåííûõ îòçûâîâ. Îäíàêî ïðåæäå âñåãî íåîáõîäèìî îïðåäåëèòü, ÷òî òàêîå «ðàçóìíàÿ æèçíü». Äîâîëüíî îáùåå îïðåäåëåíèå ìîæíî íàéòè

216

Ãëàâà 5. Êîíñòðóêòîð âñåëåííûõ

ó Ýíãåëüñà: «æèçíü — ýòî ñïîñîá ñóùåñòâîâàíèÿ áåëêîâûõ òåë». Íî òîëüêî ëè áåëêîâàÿ æèçíü âîçìîæíà? Ñóùåñòâóåò ìíîæåñòâî îïðåäåëåíèé ôåíîìåíà æèçíè, íî äëÿ íàñ áîëåå âàæíûì ÿâëÿåòñÿ ïðèëàãàòåëüíîå «ðàçóìíàÿ». Èíòóèòèâíî ïîíÿòíî, ÷òî ðàçóìîì, ñïîñîáíîñòüþ ê àíàëèçó, ìîæåò îáëàäàòü ëèøü äîñòàòî÷íî ñëîæíàÿ ñòðóêòóðà. Îêàçûâàåòñÿ, ÷òî ñîçäàíèå óñëîâèé äëÿ ïîÿâëåíèÿ è ïîääåðæàíèÿ â ðàáî÷åì ñîñòîÿíèè òàêèõ ñòðóêòóð — ñëîæíåéøàÿ çàäà÷à. Êàêèìè ñâîéñòâàìè äîëæíà îáëàäàòü âñåëåííàÿ, ÷òîáû ýòî ñòàëî âîçìîæíûì? Îáñóæäåíèþ ýòèõ âîïðîñîâ è ïîñâÿùåíà íàñòîÿùàÿ ãëàâà. Õîòåëîñü áû ïîä÷åðêíóòü, ÷òî îáñóæäàþòñÿ âíåøíèå óñëîâèÿ, íåîáõîäèìûå äëÿ ñóùåñòâîâàíèÿ ðàçóìà, à íå äåòàëè åãî âîç íèêíîâåíèÿ. Îïðåäåëåíèå ïîíÿòèÿ «ðàçóì» — íå ìåíåå ñëîæíàÿ çàäà÷à, ÷åì îïðåäåëåíèå ïîíÿòèÿ «æèçíü». Ñïîñîáíîñòü ê ìûøëåíèþ? Íî ÷òî òàêîå ìûøëåíèå? Íåîòúåìëåìûì ñâîéñòâîì ðàçóìíîé æèçíè ÿâëÿåòñÿ åå ñïîñîáíîñòü ê îáìåíó èíôîðìàöèåé ñ âíåøíåé ñðåäîé. Êîíå÷íî, êàê è äëÿ âñÿêîãî êðàòêîãî óòâåðæäåíèÿ, âîçìîæíû ïîãðàíè÷íûå ñëó÷àè, ñ êîòîðûìè íåïîíÿòíî, ÷òî äåëàòü. Íàïðèìåð, ÷åëîâåê â êîìå — æèâàÿ ñòðóêòóðà èëè íåò? Õî÷åòñÿ âåðèòü, ÷òî äà, õîòÿ èíôîðìàöèåé ñî ñðåäîé îí ÿâíî íå îáìåíèâàåòñÿ. À àâòîïèëîò íà ñàìîëåòå — ðàçóìíûé èëè íåò? Äèñêóññèÿ ìîæåò äëèòüñÿ áåñêîíå÷íî, íî ïðåêðàòèì åå, îïðåäåëèâ, ÷òî ñòðóêòóðà ñ÷èòàåòñÿ ðàçóìíîé, åñëè îíà ñóùåñòâóåò áëàãîäàðÿ îáìåíó èíôîðìàöèåé. Ýòî äîñòàòî÷íî åìêîå îïðåäåëåíèå. Òàê, àâòîïèëîò èëè òåëåôîííûé àâòîîòâåò÷èê õîòÿ è îáìåíèâàþòñÿ èíôîðìàöèåé, íî èõ ñóùåñòâîâàíèå îò ýòîãî íàïðÿìóþ íå çàâèñèò. Äëÿ ïðèâåðæåíöåâ àíòðîïíîãî ïðèíöèïà î÷åíü óáåäèòåëåí áûë ðåçóëüòàò, ïîëó÷åííûé Ñ. Âàéíáåðãîì ñ èñïîëüçîâàíèåì ñèëüíîãî àíòðîïíîãî ïðèíöèïà â 1987 ã. Îí ðàññóæäàë òàê. Ïðåäïîëîæèì, ÷òî âñå ïàðàìåòðû íàøåé Âñåëåííîé ïîäîãíàíû òàê, ÷òîáû ïîÿâèëñÿ ðàçóì. Äëÿ ýòîãî íóæíû ãàëàêòèêè, à ÷òîáû ãàëàêòèêè ìîãëè îáðàçîâûâàòüñÿ, ïëîòíîñòü ýíåðãèè âàêóóìà íå äîëæíà ïðåâûøàòü íåêîòîðîãî çíà÷åíèÿ. Íàïîìíþ, ÷òî âàêóóì îçíà÷àåò âñåãî ëèøü îòñóòñòâèå ÷àñòèö. Ïðè ýòîì äîïóñêàåòñÿ, ÷òî ïðîñòðàíñòâî çàïîëíåíî ñòàòè÷íûì Àíòðîïíûé ïðèíöèï

217

ïoëåì ëþáîé ïðèðîäû. Ïîëÿ âñòðå÷àþòñÿ â òåîðèè íà êàæäîì øàãó, è íå î÷åíü ïîíÿòíî, ïî÷åìó èõ ýíåðãèÿ äîëæíà ðàâíÿòü ñÿ íóëþ, êàê ýòî ïðåäïîëàãàëîñü ðàíüøå. Âàéíáåðã óêàçàë èíòåðâàë, â êîòîðîì íàäî èñêàòü ýòó ïëîòíîñòü ýíåðãèè âàêóóìà, è âñå, â îáùåì, çàáûëè ïðî ýòî. Íî â 1998 ã. ïëîòíîñòü ýíåðãèè âàêóóìà áûëà îáíàðóæåíà è îïðåäåëåíà! Åå çíà÷åíèå ïîïàëî â èíòåðâàë, ïðåäñêàçàííûé Âàéíáåðãîì. Çàìå÷àòåëüíûé ðåçóëüòàò ñ òî÷êè çðåíèÿ ñòîðîííèêîâ àíòðîïíîãî ïðèöè ïà. Íî íå ïðîòèâíèêîâ, êîòîðûå ìîãóò ñêàçàòü: «Íà îñíîâå òîãî íàáëþäàòåëüíîãî ôàêòà, ÷òî ñóùåñòâóþò ãàëàêòèêè, ïîëó÷åí ðåçóëüòàò, êîòîðûé ïîäòâåðäèëñÿ. Ïðåêðàñíî, íî ïðè ÷åì çäåñü ðàçóìíàÿ æèçíü?» È áóäóò ïî-ñâîåìó ïðàâû. Îäíà èç âîçìîæíûõ ôîðìóëèðîâîê àíòðîïíîãî ïðèíöèïà çâó÷èò òàê: Âñåëåííàÿ òàêîâà, êàêîé ìû åå âèäèì, ïîñêîëüêó â íåé ñóùåñòâóåì ìû, òî åñòü íàáëþäàòåëè, ñïîñîáíûå çàäàòüñÿ âîïðîñîì î ñâîéñòâàõ Âñåëåííîé. Ïðè äðóãèõ ïàðàìåòðàõ âî Âñåëåííîé íåâîçìîæíû ñëîæíûå ñòðóêòóðû è æèçíü â èçâåñòíûõ íàì ôîðìàõ. Êàæåòñÿ âñå-òàêè, ÷òî ýòà ôîðìóëèðîâêà ñëèøêîì ñèëüíàÿ. Ñëåäóÿ ýòîìó óòâåðæäåíèþ, íàïðèìåð, áåëûå ìåäâåäè ïîëàãàëè áû, ÷òî æèçíü âîçìîæíà òîëüêî â òåõ ðàéñêèõ óãîëêàõ Âñåëåííîé, ãäå çåìëÿ ñïëîøü ïîêðûòà ñíåãîì, íî÷ü äëèòñÿ ïîëãîäà, à â âîäå âîäÿòñÿ ïîëåçíûå äëÿ çäîðîâüÿ òþëåíè è ðûáà. À êàê æå èíà÷å? Âåäü â ïðîòèâíîì

218

Ãëàâà 5. Êîíñòðóêòîð âñåëåííûõ

ñëó÷àå íå áûëî èõ, íàáëþäàòåëåé! Äóìàþ, ÷òî ÿùåðèöà, ïðîæèâàþùàÿ ãäå-íèáóäü â Ñàõàðå, ñ íèìè íå ñîãëàñèëàñü áû. Âèäèìî, ñëåäóåò äîïóñêàòü ñóùåñòâîâàíèå âñåëåííûõ ñ äðóãèì íàáîðîì ïàðàìåòðîâ è çàêîíîâ, â êîòîðûõ, òåì íå ìåíåå, ñóùåñòâóåò æèçíü, ïóñòü è íå ïîõîæàÿ íà íàøó. Æèçíü â êàêîé-òî ìåðå ìîæåò ïðèñïîñàáëèâàòüñÿ ê ðàçëè÷íûì âíåøíèì óñëîâèÿì. Èíòåðåñíî, â êàêîé ìåðå? Íå ìîæåò ëè îêàçàòüñÿ, ÷òî ðàçóì âîçíèêàåò ïî÷òè ïðè ëþáûõ óñëîâèÿõ? Íåóäèâèòåëüíî òîãäà, ÷òî è íàøà Âñåëåííàÿ îáçàâåëàñü ðàçóìíîé æèçíüþ. Ìû óñëîâèëèñü ïîä «ðàçóìíîé æèçíüþ» ïîíèìàòü ñòðóêòóðû, ñóùåñòâóþùèå áëàãîäàðÿ îáìåíó èíôîðìàöèåé. ×òîáû îïðåäåëèòü äîëþ âñåëåííûõ, ãäå âîçìîæíû òàêèå ñòðóêòóðû, íå îáÿçàòåëüíî ñîçäàâàòü èõ âñå íà ïðàêòèêå. Ïðè íàëè÷èè õîðîøåãî êîìïüþòåðà â áóäóùåì ëþäè ñìîãóò ìîäåëèðîâàòü âñåëåííûå ñ ðàçíûìè ñâîéñòâàìè è ñëåäèòü, íå âîçíèêíóò ëè òàì èíòåðåñíûå ñòðóêòóðû. Ïîñëå ñîòíè-äðóãîé ïîïûòîê ñòàíåò ïîíÿòíî, êàêîâà äîëÿ âñåëåííûõ, çàñåëåííûõ ðàçóìîì. Ìîå ìíåíèå — äîëÿ òàêèõ âñåëåííûõ ìèçåðíà, íî ãëàâíîå, ÷òî îíà íå ðàâíà íóëþ. Èäåÿ ìíîæåñòâåííîñòè Âñåëåííûõ ïîçâîëÿåò åñòåñòâåííûì îáðàçîì îáúÿñíèòü óäèâèòåëüíî òî÷íûé ïîäáîð ïàðàìåòðîâ, ïðîèçâåäåííûé ïðèðîäîé. Ïîÿñíþ ýòî óòâåðæäåíèå íà ïðèìåðå. Ïóñòü èìååòñÿ òûñÿ÷à-äðóãàÿ õàîòè÷åñêè ðàçáðîñàííûõ îñòðîâîâ â îêåàíàõ. Ïîäàâëÿþùåå èõ áîëüøèíñòâî íåïðèãîäíî äëÿ æèçíè è ïîýòîìó áåçëþäíî. Íî íåñêîëüêèì îñòðîâàì ïîâåçëî: îíè ïîêðûòû ðàñòèòåëüíîñòüþ è íàõîäÿòñÿ â òåïëûõ è ñïîêîéíûõ øèðîòàõ. Ïîýòîìó íèêòî íå óäèâèòñÿ, óçíàâ, ÷òî íà ýòèõ íåñêîëüêèõ (èç òûñÿ÷!) îñòðîâàõ æèâóò ëþäè. À òåïåðü âñòàíåì íà òî÷êó çðåíèÿ òóçåìöåâ. Îíè, êîíå÷íî, íè÷åãî íå çíàþò î äðóãèõ òûñÿ÷àõ îñòðîâîâ è, áóäó÷è ôèëîñîôè÷åñêè íàñòðîåííûìè, áóäóò âîñõèùàòüñÿ óñòðîéñòâîì ñâîåãî ìèðà è ïîäìå÷àòü åãî çàìå÷àòåëüíûå ñâîéñòâà, ïîçâîëÿþùèå èì áåçáåäíî ñóùåñòâîâàòü. È ïîðàæàòüñÿ, íàñêîëüêî õîðîøî ñâîéñòâà ìèðà ïîäîáðàíû äëÿ èõ óäîáñòâà.  òî÷íîñòè, êàê ìû ýòî äåëàåì îòíîñèòåëüíî íàøåé Âñåëåííîé. Ñåé÷àñ óæå ìíîãèå ó÷åíûå, çàíèìàþùèåñÿ êîñìîëîãèåé, ñêëîíÿþòñÿ ê ìûñëè î ìíîæåñòâåííîñòè âñåëåííûõ. ÐàçðàáàÀíòðîïíûé ïðèíöèï

219

òûâàþòñÿ èäåè, îáúÿñíÿþùèå ðàçëè÷èå èõ ñâîéñòâ è ïðåäñêàçûâàþùèå âåðîÿòíîñòü ïîÿâëåíèÿ âñåëåííûõ, ñõîäíûõ ñ íà øåé. Áåäà â òîì, ÷òî ýòè âñåëåííûå íàì íåäîñòóïíû â ïðèíöèïå. Ïî êðàéíåé ìåðå, ñ òî÷êè çðåíèÿ ñîâðåìåííîé íàóêè. Ïîýòîìó íà ñíèñõîäèòåëüíûé âîïðîñ î ïðîâåðêå ýòîé èäåè åå àïîëîãåòû îòâåòà, â îáùåì, íå èìåþò. Ëþáîïûòíàÿ êàðòèíà âûðèñîâûâàåòñÿ, åñëè ïîñìîòðåòü íà ýòó ñèòóàöèþ ñ äðóãîé ñòîðîíû. Êîëè÷åñòâî ñòàòåé, ïîñâÿùåííûõ óñòðîéñòâó íàøåé Âñåëåííîé, î÷åíü âåëèêî, è êàæäûé äåíü ïîÿâëÿþòñÿ íîâûå. Âñå îíè îòëè÷àþòñÿ äðóã îò äðóãà, èíà÷å áû èõ íå ïóáëèêîâàëè. Íî ïðàâèëüíûõ, àäåêâàòíî îïèñûâàþùèõ íàøó Âñåëåííóþ, — ìàëàÿ äîëÿ, åñëè îíè âîîáùå åñòü. Ïðîñòî ïîòîìó, ÷òî â íàøåé Âñåëåííîé ðåàëèçîâàíî êàêîå-òî îäíî ïðåäïîëîæåíèå, îñòàëüíûå, ñîîòâåòñòâåííî, íåâåðíû. Çíà÷èò, ëüâèíàÿ äîëÿ ñòàòåé, îïèñûâàþùèõ îñíîâû ìèðà, íå èìååò îòíîøåíèÿ ê äåéñòâèòåëüíîñòè. Íî ðàç ýôôåêòèâíîñòü òàê ìàëà, íàäî ëè ïðîäîëæàòü èññëåäîâàíèÿ? Îòâåò — äà, ðàäè òåõ íåìíîãèõ, ïðàâèëüíûõ. Âåäü äåðåâüÿ êàæäûé ãîä ðàññåèâàþò ìíîæåñòâî ñåìÿí — òîëüêî ðàäè òåõ åäèíèö, êîòîðûå ïðîðàñòóò è ïðåâðàòÿòñÿ â íîâûå äåðåâüÿ. Ãðóñòíàÿ ñèòóàöèÿ äëÿ ó÷åíûõ, ÷üè èäåè îêàæóòñÿ íåâîñòðåáîâàííûìè â íàøåé Âñåëåííîé. Åñëè æå Ìåòàâñåëåííàÿ ñóùåñòâóåò, òî, ñêîðåå âñåãî, íàéäåòñÿ êàêàÿ-ëèáî âñåëåííàÿ ñî ñâîéñòâàìè, ïðåäïîëàãàåìûìè àâòîðîì ëþáîé íàó÷íîé ãèïîòåçû. Ñëåäîâàòåëüíî, ëþáàÿ íàó÷íàÿ ñòàòüÿ ïðàâèëüíî îïèñûâàåò íåêîòîðóþ âñåëåííóþ. Ïîñìîòðèì æå, òàê ëè ñëîæíî ñîçäàòü èëè íàéòè âñåëåííóþ, â êîòîðîé åñòü óñëîâèÿ äëÿ çàðîæäåíèÿ ðàçóìíîé æèçíè. Ïî ïðàâäå ãîâîðÿ, äàëåå ÿ ïîïûòàþñü ïîêàçàòü, ÷òî ïîäîáðàòü ïîäõîäÿùóþ âñåëåííóþ íå ïðîñòî ñëîæíî, à ÷ðåçâû÷àéíî ñëîæíî. Äëÿ ïðîñòîòû áóäåì îðèåíòèðîâàòüñÿ íà ðàçóìíóþ æèçíü íàøåãî òèïà, ò. å. íà ñóùåñòâ èç ìîëåêóë è àòîìîâ, îáèòàþùèõ íà ïëàíåòàõ, êîòîðûå íàõîäÿòñÿ îêîëî çâåçä. Íóæíî «âñåãî ëèøü», ÷òîáû ñóùåñòâîâàëè ýòè ñàìûå çâåçäû, ïëàíåòû è àòîìû. Êàê ìû âñêîðå óâèäèì, îáåñïå÷èòü óñëîâèÿ èõ ñóùåñòâîâàíèÿ äàëåêî íå ïðîñòî.

220

Ãëàâà 5. Êîíñòðóêòîð âñåëåííûõ

Ñîçäàåì Âñåëåííóþ Ðèñóÿ âåòêó, íàäî ñëûøàòü, êàê ñâèñòèò âåòåð. Òèí Íóí

Ïðåäïîëîæèì, ÷òî íàì ïðåäîñòàâëåíà âîçìîæíîñòü ïîñòðîèòü ñâîþ ñîáñòâåííóþ âñåëåííóþ, ïîäîáíî òîìó, êàê äåòè ñòðîÿò öåëûå ãîðîäà èç êîíñòðóêòîðîâ òèïà «Ëåãî». Âîñïîëüçîâàâøèñü òåì, ÷òî â íàøåì ðàñïîðÿæåíèè íåîãðàíè÷åííûå ðåñóðñû, ñêîíñòðóèðóåì íå êàêîé-íèáóäü ñêó÷íûé ìèð, à Âñåëåííóþ, íàñåëåííóþ æèâûìè ñóùåñòâàìè. Ê ñîæàëåíèþ, èìååòñÿ îäíî îãðàíè÷åíèå: çàêàçûâàòü íåîáõîäèìûå èíãðåäèåíòû íà «ñêëàäå» ìîæíî òîëüêî äî íà÷àëà ðàáîòû. Âìåøèâàòüñÿ è èçìåíÿòü ïðàâèëà èãðû ïî õîäó äåéñòâèÿ íåëüçÿ, è åñëè ÷òî íå òàê, ïðèäåòñÿ íà÷èíàòü âñå ñíà÷àëà. Ïîýòîìó íàì íàäî âíèìàòåëüíî ïðîäóìàòü ïîñëåäñòâèÿ íàøåãî âûáîðà, ÷òîáû äîñòè÷ü öåëè — ïîñòðîèòü Âñåëåííóþ ñ ðàçóìíîé æèçíüþ â íåé. Ïðåæäå âñåãî íåîáõîäèìî çàòðåáîâàòü ïîäõîäÿùåå ïðîñòðàíñòâî. Íå îáîéòèñü òàêæå è áåç òåîðèè îòíîñèòåëüíîñòè è êâàíòîâîé òåîðèè. Çíà÷èò, ïîíàäîáÿòñÿ òàêèå ôóíäàìåíòàëüíûå êîíñòàíòû, êàê ñêîðîñòü ñâåòà «c» è ïîñòîÿííàÿ Ïëàíêà «ž». Ìû âïðàâå âûáèðàòü èõ çíà÷åíèÿ ïî ñâîåìó óñìîòðåíèþ, íî äàâàéòå áëàãîðàçóìíî îñòàâèì èõ òàêèìè, êàê â íàøåé Âñåëåííîé. Èç ãëàâû 1 ìû çíàåì, ÷òî ñòàíäàðòíàÿ ìîäåëü ýëåìåíòàðíûõ ÷àñòèö ñîäåðæèò ïðèìåðíî 20 ïàðàìåòðîâ. Ñîçäàåì Âñåëåííóþ

221

Ñòàíäàðòíàÿ êîñìîëîãè÷åñêàÿ ìîäåëü òàêæå ñîäåðæèò ïîðÿäêà 15 ïàðàìåòðîâ. Ñòàðàíèÿ òåîðåòèêîâ íàïðàâëåíû, â ÷àñòíîñòè, íà ñîçäàíèå òåîðèè, â êîòîðîé ýòè ïàðàìåòðû îïðåäåëÿëèñü áû «åñòåñòâåííûì îáðàçîì» èç åäèíîé òåîðèè. Íî ñåé÷àñ òàêîé òåîðèè íåò, è ìû ñïîêîéíî ìîæåì ïîäáèðàòü çíà÷åíèÿ ïàðàìåòðîâ ïî ñâîåìó óñìîòðåíèþ. Íàäî ñ ñàìîãî íà÷àëà èìåòü â âèäó, ÷òî âûáèðàòü çíà÷åíèÿ ïàðàìåòðîâ ïðèäåòñÿ ñ îñòîðîæíîñòüþ. Íàïðèìåð, êàê ìû óâèäèì â äàëüíåéøåì, åñëè ìàññó íåéòðîíà âçÿòü âñåãî ëèøü íà 1% ìåíüøå, òî ÿäðà, à çíà÷èò, è àòîìû ñòàíóò íåñòàáèëüíûìè, à âñåëåííàÿ — óíûëîé, áåç çâåçä è ïëàíåò. Êàêóþ æå âûáðàòü ðàçìåðíîñòü ïðîñòðàíñòâà? Óæå äàâíî èçâåñòíî, ÷òî ïîäõîäèò òîëüêî òðåõìåðíîå ïðîñòðàíñòâî. Åñëè ÷èñëî èçìåðåíèé áîëüøå 3, òî íå óäàåòñÿ óäåðæàòü ïëàíåòû îêîëî çâåçä — íåò ñòàöèîíàðíûõ îðáèò. Åñëè ïðîñòðàíñòâî èìååò âñåãî äâà èçìåðåíèÿ, òî òðóäíî îáåñïå÷èòü æèçíåñïîñîáíîñòü ñëîæíîé ñòðóêòóðû. Êðîìå òîãî, ïðîñòðàíñòâî äîëæíî áûòü äîñòàòî÷íî áîëüøèì, ÷òîáû âìåñòèòü ìíîãî ïëàíåò è çâåçä. Íî, êàê ìû çíàåì èç ãëàâû 2, áîëüøîå ïðîñòðàíñòâî âîçíèêàåò, òîëüêî åñëè â ñàìîì íà÷àëå ïðîèñõîäèëà èíôëÿöèÿ — åãî ñâåðõáûñòðîå ðàñøèðåíèå. Äëÿ îñóùåñòâëåíèÿ èíôëÿöèè è äëÿ ñîçäàíèÿ â äàëüíåéøåì çâåçä è ïëàíåò íàì ïîòðåáóåòñÿ ãðàâèòàöèîííîå ïîëå, êîòîðîå õàðàêòåðèçóåòñÿ íüþòîíîâñêîé ïîñòîÿííîé G. Èíôëÿöèîííûé ïåðèîä ìîæåò áûòü îáåñïå÷åí áëàãîäàðÿ äèíàìèêå ïîëÿ íîâîãî òèïà, íàçâàííîãî èíôëàòîííûì. Íî ïðè îäíîì óñëîâèè: ìàññà ÷àñòèö — êâàíòîâ ýòîãî ïîëÿ — äîëæíà áûòü î÷åíü ìàëåíüêîé. Íî ïî ñðàâíåíèþ ñ ÷åì ìàëåíüêîé? Îòñòóïëåíèå. Î ðàçóìíûõ çíà÷åíèÿõ ôèçè÷åñêèõ âåëè÷èí è îñíîâíûõ ïàðàìåòðàõ

Êàæäàÿ òåîðèÿ îáû÷íî íà÷èíàåòñÿ ñ ïîñòóëàòîâ, êîòîðûå íå äîêàçûâàþòñÿ ïî îïðåäåëåíèþ. Êàê ïðàâèëî, ïðåæäå âñåãî âûáèðàþòñÿ äèíàìè÷åñêèå ïåðåìåííûå — ïîëÿ, âèä èõ êèíåòè÷åñêîé è ïîòåíöèàëüíîé ýíåðãèè è ôîðìà âçàèìîäåéñòâèÿ ñ äðóãèìè ïîëÿìè. Âñå ýòî ñîäåðæèò íåèçâåñòíûå ïàðàìåòðû, ÷èñëåííûå çíà÷åíèÿ êîòîðûõ îïðåäåëÿþòñÿ ýêñïåðèìåíòàëüíî. Íàïðèìåð, çàðÿä ýëåêòðîíà âûñòóïàåò êàê ìåðà âçàèìîäåéñòâèÿ ýëåêòðîíîâ è ôîòîíîâ. Åñëè êàêîé-òî ïàðàìåòð îêà-

222

Ãëàâà 5. Êîíñòðóêòîð âñåëåííûõ

çûâàåòñÿ î÷åíü ìàëåíüêèì, òî ýòî ñ÷èòàåòñÿ ñòðàííûì è òðåáóþùèì îáúÿñíåíèÿ. ×òîáû ïî÷óâñòâîâàòü ïðîáëåìó, ïðèâåäó ïðèìåð. Ïðåä ñòàâüòå ñåáå, ÷òî âû äàëè çàäàíèå ãðóïïå äåòåé ñäåëàòü èç ïëàñòèëè íà ÷àøêó. Êîãäà âû âîçâðàùàåòåñü ÷åðåç 20 ìèíóò, òî íà ñòîëå âèäè òå ÷àøêè ñàìûõ ðàçíûõ ðàçìåðîâ, îòðàæàþùèõ èíäèâèäóàëüíîñòü èõ ñîçäàòåëåé. Ïðèãëÿäåâøèñü, âû çàìå÷àåòå àêêóðàòíî ñäåëàííóþ ÷à øå÷êó ðàçìåðîì 1 ìèëëèìåòð. Ñîãëàñèòåñü — ýòî ïðèâëå÷åò âàøå âíèìàíèå, è âû íà÷íåòå äóìàòü î ñïîñîáå è ïðè÷èíàõ åå èçãîòîâëå íèÿ. Òî æå ñàìîå ïðîèñõîäèò è â íàóêå: êîãäà íåêèé ýêñïåðèìåíòàëü íî îïðåäåëåííûé ïàðàìåòð îêàçûâàåòñÿ àíîìàëüíî ìàëûì èëè áîëüøèì ïî ñðàâíåíèþ ñ îñòàëüíûìè ïàðàìåòðàìè, ýòî ïðèâëåêàåò âíèìàíèå ó÷åíûõ è çàñòàâëÿåò çàäóìàòüñÿ î ïðè÷èíàõ. Âûáåðåì â êà÷åñòâå îñíîâíûõ ïàðàìåòðîâ, îïðåäåëÿþùèõ õîä ôèçè÷åñêèõ ïðîöåññîâ, ñëåäóþùèå: — ìàññû ýëåêòðîíà, ïðîòîíà è íåéòðîíà me, mp è mn ñîîòâåòñòâåííî; e2 1 ; — çàðÿä ýëåêòðîíà e, èëè, â áåçðàçìåðíîì âèäå, a = ~ hc 137 — êîíñòàíòó ñèëüíîãî âçàèìîäåéñòâèÿ aS ~ 1; — êîíñòàíòó ãðàâèòàöèîííîãî âçàèìîäåéñòâèÿ G, èëè, â áåçðàçìåðGmp2 íîì âèäå, a G = » 10 -38 . hc Âîçìîæåí, êîíå÷íî, è äðóãîé âûáîð îñíîâíûõ âåëè÷èí, â çàâèñèìîñòè îò ïðåäïî÷òåíèé, íî äëÿ íàøèõ öåëåé ýòî íå òàê óæ è âàæíî. Îêàçûâàåòñÿ, ÷òî ìàññà èíôëàòîííîãî ïîëÿ äîëæíà áûòü ïðèìåðíî â ìèëëèîí ðàç ìåíüøå ïëàíêîâñêîé ìàññû! Îòêóäà áåðåòñÿ òàêàÿ ìàëàÿ âåëè÷èíà, íå ñîâñåì ïîíÿòíî, è êîñìîëîãè ýòèì ñèëüíî çàèíòðèãîâàíû.

Íî âåðíåìñÿ ê ñîçäàíèþ âñåëåííîé. Íàì ïîíàäîáÿòñÿ ÷àñòèöû — îñíîâíîé ñòðîèòåëüíûé ìàòåðèàë íàøåãî êîíñòðóêòîðà. Ýòî ïðåæäå âñåãî ïðîòîíû è ýëåêòðîíû, êîòîðûå óæå ïîçâîëÿþò ñîçäàòü ïðîñòåéøèé èç àòîìîâ — âîäîðîä. Ïðè óñëîâèè, êîíå÷íî, ÷òî ìåæäó ïðîòîíîì è ýëåêòðîíîì åñòü ñèëüíîå ïðèòÿæåíèå. Çà íåãî îòâå÷àåò ýëåêòðîìàãíèòíîå âçàèìîäåéñòâèå, êîòîðîå íàäî çàäàòü èçíà÷àëüíî, îïðåäåëèâ òàêæå è åãî âåëè÷èíó. Ïåðâûé øàã ñäåëàí, àòîìû âîäîðîäà ñòàáèëüíû, íî âñåëåííàÿ, çàïîëíåííàÿ àòîìàìè îäíîãî ñîðòà, — ñêó÷íîå çðåëèùå. Íóæíû áîëåå ìàññèâíûå ÿäðà, íàïðèìåð óãëåðîäà, èç êîòîðîãî ìîãóò áûòü ñäåëàíû æèâûå ñóùåñòâà. Íî âîò áåäà: ââåäÿ ïðèòÿæåíèå ìåæäó ðàçíîèìåííî çàðÿäàìè, ïðàêòè÷åñêè íåâîçìîæíî èçáåæàòü îòòàëêèâàíèÿ ìåæäó îäíîèìåííûÑîçäàåì Âñåëåííóþ

223

ìè. Ïîýòîìó ÿäðà, ñäåëàííûå èç îäíèõ ïðîòîíîâ, ìãíîâåííî ðàñïàäàþòñÿ èç-çà ñèëüíîãî ýëåêòðè÷åñêîãî îòòàëêèâàíèÿ ïðîòîíîâ êàê ÷àñòèö ñ îäèíàêîâûì çàðÿäîì. Âîçìîæíîñòè ýëåêòðîìàãíèòíîãî âçàèìîäåéñòâèÿ èñ÷åðïàíû, è íàì ïðèõîäèòñÿ ââîäèòü íîâîå, ñèëüíîå âçàèìîäåéñòâèå. Íî äåëàòü ýòî íàäî àêêóðàòíî. Âåäü åñëè ïðèòÿæåíèå ïðîòîíîâ, áëàãîäàðÿ ñèëüíîìó âçàèìîäåéñòâèþ, ïðåîäîëåâàåò èõ ýëåêòðè÷åñêîå îòòàëêèâàíèå (äëÿ ÷åãî, ñîáñòâåííî, ñèëüíîå âçàèìîäåéñòâèå ìû è ââåëè), òî áóäóò îáðàçîâûâàòüñÿ ãèãàíòñêèå ÿäðà. Ñëèøêîì áîëüøèå ÿäðà — òîæå ïëîõî: ñëèøêîì âûñîêà ïëîòíîñòü âåùåñòâà, ñäåëàííîãî èç íèõ. Ïîõîæå, ìû îïÿòü âåðíóëèñü íà êðóãè ñâîÿ, òîëüêî âìåñòî îòäåëüíûõ ÷àñòèö èìååì îòäåëüíûå î÷åíü ïëîòíûå êîìïëåêñû ÷àñòèö, ÿäðà. Òàêèå îáúåêòû äåéñòâèòåëüíî ñóùåñòâóþò, ýòî íåéòðîííûå çâåçäû — íî èõ ïëîòíîñòü ðàâíà ïðèìåðíî 1014 ã/ñì3. Æèçíü íà íèõ áûëà áû òÿæåëà âî âñåõ ñìûñëàõ. Íàïðèìåð, îáðó÷àëüíîå êîëüöî, ñäåëàííîå èç òàêîãî âåùåñòâà, âåñèëî áû 107 òîíí. Íàì æå õî÷åòñÿ èìåòü ðàçíîîáðàçíûå ñòðóêòóðû, ñîñòîÿùèå èç ìîëåêóë, ò. å. áîëüøîãî ÷èñëà êîìïëåêñîâ. Ïðèðîäà íàøëà âûõîä èç ñîçäàâøåãîñÿ ïîëîæåíèÿ, è ìû ïîñëåäóåì åå ðåöåïòó: ñèëüíîå âçàèìîäåéñòâèå äîëæíî áûòü êîðîòêîäåéñòâóþùèì! Òîãäà ñ óâåëè÷åíèåì ðàññòîÿíèÿ ýëåêòðè÷åñêîå îòòàëêèâàíèå íà÷èíàåò äîìèíèðîâàòü, è ìàññèâíûå ÿäðà îêàçûâàþòñÿ íåóñòîé÷èâûìè. Ñèòóàöèÿ ñóùåñòâåííî óëó÷øèëàñü, íî ÿäðà õîòü è ìåäëåííî, íî âñå-òàêè ðàñïàäàþòñÿ. Êàê òîëüêî îäèí èç ïðîòîíîâ ÿäðà çà ñ÷åò êâàíòîâûõ ôëóêòóàöèé óäàëÿåòñÿ îò îñòàëüíûõ, ñèëüíîå âçàèìîäåéñòâèå óæå íå â ñîñòîÿíèè ïðîòèâîäåéñòâîâàòü ýëåêòðè÷åñêîìó îòòàëêèâàíèþ, è ïðîòîí óëåòàåò, ÿäðî ðàñïàäàåòñÿ. Âèäíî, ÷òî öåëü áëèçêà: íàäî ñîâñåì íåìíîãî, ÷òîáû ÿäðà áûëè è ñòàáèëüíûìè, è äîñòàòî÷íî òÿæåëûìè, íî íå ñëèøêîì.

224

Ãëàâà 5. Êîíñòðóêòîð âñåëåííûõ

Ïîñëåäíèé øòðèõ — ââîäèì íåéòðîíû, çàðÿäà íå èìåþùèå, íî ó÷àñòâóþùèå â ñèëüíîì âçàèìîäåéñòâèè. Áëàãîäàðÿ ýòîìó óäàåòñÿ íåñêîëüêî óâåëè÷èòü ñèëó ïðèòÿæåíèÿ, íå óâåëè÷èâàÿ êóëîíîâñêèõ ñèë îòòàëêèâàíèÿ. Òåïåðü ÿäðà ñîñòîÿò èç ïðîòîíîâ è íåéòðîíîâ è ñòàáèëüíû âïëîòü äî ÿäåð æåëåçà. Íà÷èíàÿ ñ æåëåçà, óâåëè÷åíèå ÷èñëà íóêëîíîâ â ÿäðå ïðèâîäèò ê óìåíüøåíèþ ýíåðãèè ñâÿçè è çàòåì ê ïîÿâëåíèþ íåñòàáèëüíûõ ÿäåð òèïà óðàíà. Íó ÷òî æå, óñïåõ íàëèöî. Ðàçëè÷íûå ïîëîæèòåëüíî çàðÿæåííûå ÿäðà — â íàëè÷èè. Îòðèöàòåëüíî çàðÿæåííûå ýëåêòðîíû ñîçäàþò îáëàêà âîêðóã ÿäåð, îáðàçóþòñÿ ðàçëè÷íûå àòîìû. Íî ýòî òîëüêî íà÷àëî ïóòè. Âåäü ðàíüøå, â ýïîõó, êîãäà ïðåîáëàäàëî èçëó÷åíèå, ïðîòîíû, ýëåêòðîíû è íåéòðîíû æèëè ñàìîñòîÿòåëüíîé æèçíüþ. Óâû, íåéòðîí òÿæåëåå ïðîòîíà è ýëåêòðîíà âìåñòå âçÿòûõ, ÷òî ïîçâîëÿåò åìó ðàñïàäàòüñÿ íà ïðîòîí, ýëåêòðîí è àíòèíåéòðèíî (êîòîðîå çäåñü ìîæíî ñ÷èòàòü áåçìàññîâûì). Ïîëó÷àåòñÿ, âñå íåéòðîíû, ðîæäåííûå, êîãäà Âñåëåííàÿ áûëà ãîðÿ÷åé, äîëæíû ðàñïàñòüñÿ â äàëüíåéøåì. Íî íåéòðîíû íóæíû äëÿ îáðàçîâàíèÿ ÿäåð ãåëèÿ åùå äî ïîÿâëåíèÿ ïåðâûõ çâåçä! Íàì íàäî èìåòü â âèäó, ÷òî ÿäåðíûå ðåàêöèè â áóäóùèõ çâåçäàõ ÷óâñòâèòåëüíû ê íà÷àëüíîìó ñîñòàâó âåùåñòâà, è åñëè ãåëèé îòñóòñòâóåò ñ ñàìîãî íà÷àëà, òî òåìï ïðîöåññîâ â çâåçäàõ ìåíÿåòñÿ, â ðåçóëüòàòå ÷åãî óãëåðîäà, êèñëîðîäà è äðóãèõ òÿæåëûõ ýëåìåíòîâ îêàçûâåòñÿ ñëèøêîì ìàëî. Êðîìå òîãî, ÿäðà ãåëèÿ ñîñòîÿò èç ÷åòûðåõ íóêëîíîâ (2 ïðîòîíà + 2 íåéòðîíà), à âåðîÿòíîñòü ñòîëêíîâåíèÿ îäíîâðåìåííî ÷åòûðåõ ÷àñòèö î÷åíü ìàëà. Êàê æå ñîçäàòü äîñòàòî÷íîå êîëè÷åñòâî ãåëèÿ? Ïðèðîäà íàøëà îñòðîóìíûé âûõîä èç ýòîãî òóïèêà. Ïðè ñòîëêíîâåíèè ïðîòîí è íåéòðîí îáúåäèíÿþòñÿ â îäíî öåëîå — ÿäðî äåéòåðèÿ ñîãëàñíî ðåàêöèè p + n ® D + g. Âíóòðè äåéòåðèÿ íåéòðîí ìîæåò ñóùåñòâîâàòü ñêîëü óãîäíî äîëãî. Îñòðîóìíîå ðåøåíèå, íî, ê ñîæàëåíèþ, êàê ðàç êîãäà Âñåëåííàÿ áûëà ãîðÿ÷åé, ôîòîíîâ áûëî ìíîãî è îíè áûëè Ñîçäàåì Âñåëåííóþ

225

ïðîòîí äåéòåðèé

ãåëèé

íåéòðîí òðèòèé

Ðèñ. 5.1. Îáðàçîâàíèå ãåëèÿ â õîäå ïåðâè÷íîãî íóêëåîñèíòåçà.

äîñòàòî÷íî ýíåðãè÷íû, ÷òîáû ýôôåêòèâíî ðàçðóøàòü ÿäðà äåéòåðèÿ, îñâîáîæäàÿ ïðè ýòîì íåéòðîíû: D + g ® p + n. Ìû âåðíóëèñü ê òîìó, ñ ÷åãî íà÷àëè. Íî õîðîøèå èäåè íå ïðîïàäàþò âòóíå. Óæå âèäíî, ÷òî ìû ñ ñàìîãî íà÷àëà âçÿëèñü çà ñëèøêîì ñëîæíóþ, ïî÷òè íåïîñèëüíóþ çàäà÷ó. Ê ñ÷àñòüþ, Ïðèðîäà óæå ïðîäåëàëà ýòîò òðóä, è ìû ìîæåì ðóêîâîäñòâîâàòüñÿ åå èäåÿìè. Ñëåäóÿ ðåöåïòó, ïðåäëîæåííîìó Ïðèðîäîé, ñäåëàåì íåéòðîí äîëãîæèâóùèì: íåñêîëüêèõ ìèíóò áóäåò äîñòàòî÷íî. Ïàðàìåòðû ñëàáîãî âçàèìîäåéñòâèÿ, ïðèâîäÿùåãî ê ðàñïàäó íåéòðîíà, ïîäîáðàíû òàê, ÷òî âðåìÿ åãî æèçíè ñîñòàâëÿåò 15 ìèíóò. Ýòî î÷åíü ìíîãî äëÿ ðàñïàäàþùèõñÿ ÷àñòèö. Íàïðèìåð, âðåìÿ æèçíè ìþîíà — âñåãî 2 · 10–6 ñåêóíäû, îñòàëüíûå íåñòàáèëüíûå ÷àñòèöû ðàñïàäàþòñÿ åùå áûñòðåå. Çà 15 ìèíóò òåìïåðàòóðà Âñåëåííîé óñïåâàåò ñèëüíî óìåíüøèòüñÿ, è ñðåäíÿÿ ýíåðãèÿ ôîòîíîâ ñòàíîâèòñÿ íåäîñòàòî÷íîé äëÿ ðàçðóøåíèÿ ÿäåð äåéòåðèÿ. Êòî-òî ìîæåò ïðåäëîæèòü ñîâñåì óáðàòü ñëàáîå âçàèìîäåéñòâèå, ñäåëàâ íåéòðîí ñòàáèëüíûì, íî íå áóäåì òîðîïèòüñÿ — îíî íàì ïîíàäîáèòñÿ â äàëüíåéøåì, è ìû, âñëåä çà Ïðèðîäîé, ïðåäóñìîòðèòåëüíî ó÷òåì ýòî. Êàê ìû óæå çíàåì, â ðåçóëüòàòå ïåðâè÷íîãî íóêëåîñèíòåçà ïîÿâëÿåòñÿ ñòàáèëüíûé ãåëèé. ßäåðíûå ðåàêöèè ìîãëè áû

226

Ãëàâà 5. Êîíñòðóêòîð âñåëåííûõ

è äàëüøå ïîñòåïåííî óâåëè÷èâàòü ìàññû ÿäåð, íî èõ «óòÿæåëåíèå» ñî âðåìåíåì ïðåêðàùàåòñÿ ïî íåñêîëüêèì ïðè÷èíàì. Âî-ïåðâûõ, â ðåçóëüòàòå ðàñøèðåíèÿ ïðîñòðàíñòâà ðàññòîÿ íèå ìåæäó ÷àñòèöàìè âîçðàñòàåò, è âåðîÿòíîñòü èõ ñòîëêíî âåíèÿ óìåíüøàåòñÿ. Âî-âòîðûõ, â ðåçóëüòàòå âñå òîãî æå ðàñ øèðåíèÿ ýíåðãèÿ ÷àñòèö óìåíüøàåòñÿ, è åå óæå íå õâàòàåò, ÷òîáû ïðåîäîëåòü ïîòåíöèàëüíûé áàðüåð ÿäåð, äàæå åñëè îíè ñòîëêíóòñÿ. Â-òðåòüèõ, ÿäðà ñ ÷èñëîì íóêëîíîâ, ðàâíûì ïÿòè, îêàçûâàþòñÿ ñîâåðøåííî íåñòàáèëüíûìè, ÷òî ÿâëÿåòñÿ ñåðüåçíûì, ïî÷òè íåïðåîäîëèìûì ïðåïÿòñòâèåì äëÿ ÿäåðíûõ ðåàêöèé â ðàííåé Âñåëåííîé. Ýòîò íåäîñòàòîê ïðèäåòñÿ êîìïåíñèðîâàòü â äàëüíåéøåì, â íàøèõ ñ âàìè èíòåðåñàõ. Âïðî÷åì, íåäîñòàòîê ëè ýòî? Âåäü â ïðîòèâíîì ñëó÷àå ïåðâè÷íûé íóêëåîñèíòåç íå îñòàíîâèëñÿ áû íà ãåëèè. Êîíå÷íûì ïðîäóêòîì ïîñëåäóþùèõ ÿäåðíûõ ðåàêöèé áûëè áû ÿäðà ñàìîãî óñòîé÷èâîãî ýëåìåíòà — æåëåçà. Õîðîøî ýòî èëè ïëîõî, íî æåëåçíûå æèâûå ñóùåñòâà áûâàþò òîëüêî â ñòðàíå Îç â ôîðìå Äðîâîñåêîâ. Âèäíî, ÷òî ýôôåêò áûñòðîãî ðàñøèðåíèÿ ïðîñòðàíñòâà ñîâåðøåííî íåîáõîäèì ïî ìíîãèì ïðè÷èíàì. Íî ñëèøêîì óâåëè÷èâàòü ñêîðîñòü ðàñøèðåíèÿ íåëüçÿ. Òî÷íåå, íàì íàäî îáåñïå÷èòü íå î÷åíü áûñòðîå ðàñøèðåíèå Âñåëåííîé, ÷òîáû óñïåëè îáðàçîâàòüñÿ ãàëàêòèêè, íî è íå î÷åíü ìåäëåííî, ÷òîáû íå äîïóñòèòü ñëèøêîì âûñîêîé ñðåäíåé ïëîòíîñòè — òîãäà îñòàíóòñÿ îäíè ÷åðíûå äûðû. Ïîñëåäíèå, êàê èçâåñòíî, ìàëî ïðèñïîñîáëåíû äëÿ æèçíè. Òåìï ðàñøèðåíèÿ âåùåñòâà çàâèñèò îò âåëè÷èíû ãðàâèòàöèîííîé ïîñòîÿííîé G, ïëîòíîñòè ìàòåðèè, èçëó÷åíèÿ è ïëîòíîñòè òåìíîé ýíåðãèè. Âñå ýòî äîëæíî áûòü î÷åíü äåëèêàòíî ïîäîãíàíî. Íàïðèìåð, òîëüêî ñåé÷àñ ïëîòíîñòü òåìíîé ýíåðãèè ñòàëà ïðåâûøàòü ïëîòíîñòü ìàòåðèè, è íå ñëó÷àéíî — åñëè áû ýòî ïðîèçîøëî íàìíîãî ðàíüøå, ãàëàêòèêè ïðîñòî íå îáðàçîâàëèñü áû. Äëÿ ïðîèçâîäñòâà æèâûõ ñóùåñòâ íåîáõîäèìî, êàê ìèíèìóì, ñûðüå. Îñíîâíûì íàøèì ñòðîèòåëüíûì ìàòåðèàëîì ÿâëÿåòñÿ óãëåðîä, íî, êàê ìû ïîìíèì èç ãëàâû 2, â ðåçóëüòàòå ïåðâè÷íîãî íóêëåîñèíòåçà îáðàçóþòñÿ ÿäðà íå òÿæåëåå ãåëèÿ. Âñå âîçìîæíîñòè èñ÷åðïàíû, à ìû îïÿòü ñòîèì ïåðåä, êàÑîçäàåì Âñåëåííóþ

227

çàëîñü áû, íåðàçðåøèìîé ïðîáëåìîé: ñ îäíîé ñòîðîíû, Âñåëåííàÿ äîëæíà îõëàæäàòüñÿ, ÷òîáû ïîÿâèëèñü ïëàíåòû ñ æèâûìè îðãàíèçìàìè, à ñ äðóãîé ñòîðîíû, ïîíèæåíèå òåìïåðàòóðû «çàìîðàæèâàåò» ÿäåðíûå ðåàêöèè, è òÿæåëûå ýëåìåíòû íå îáðàçóþòñÿ. Äà è êàêàÿ ðàçóìíàÿ æèçíü ìîæåò áûòü ïðè òåìïåðàòóðå, áëèçêîé ê íóëþ? Ïîñìîòðèì, êàê ñ ýòîé ïðîáëåìîé ñïðàâèëàñü Ïðèðîäà. À îíà íàøëà ýëåãàíòíûé âûõîä èç ïîëîæåíèÿ. Îñòàâèâ ïðîñòðàíñòâó âîçìîæíîñòü ðàñøèðÿòüñÿ è îõëàæäàòüñÿ, Ïðèðîäà ïðåäóñìîòðåëà ëîêàëüíûå íàãðåâàòåëè — çâåçäû! Îíè íàãðåâàþò íåáîëüøóþ îáëàñòü ïðîñòðàíñòâà è âûïîëíÿþò ñðàçó äâå âàæíåéøèå ôóíêöèè: âñå ÿäðà, áîëåå ñëîæíûå, ÷åì ãåëèé, îáðàçóþòñÿ â ðåçóëüòàòå ðåàêöèé âíóòðè çâåçä, è ýòè æå ÿäåðíûå ðåàêöèè ñëóæàò «ïå÷êîé» äëÿ áóäóùèõ æèâûõ ñóùåñòâ íà ïëàíåòàõ. Âîîáùå-òî îðãàíèçîâàòü ðàâíîìåðíîå ãîðåíèå ÿäåðíîãî òîïëèâà â òå÷åíèå äåñÿòêà ìèëëèàðäîâ ëåò — íåïðîñòàÿ çàäà÷à, íî ìû îáñóäèì åå ïîçæå, ïîñêîëüêó åñòü ïðîáëåìà è ïîâàæíåå. Êñòàòè, ìåäëåííîå ãîðåíèå çâåçä — îäíà èç âàæíåéøèõ ïðè÷èí, ïî êîòîðîé íåîáõîäèìî ñëàáîå âçàèìîäåéñòâèå. Èìåííî áëàãîäàðÿ ñëàáîìó âçàèìîäåéñòâèþ çâåçäà ýêîíîìíî ðàñõîäóåò çàïàñ òîïëèâà â òå÷åíèå ìèëëèàðäîâ ëåò, à íå âçðûâàåòñÿ, êàê àòîìíàÿ áîìáà. Êàçàëîñü áû, ìîæíî è îòäîõíóòü îò òðóäîâ ïðàâåäíûõ, íî íîâàÿ íåïðèÿòíîñòü íå ïðåäîñòàâëÿåò íàì òàêîé âîçìîæíîñòè. Åñëè òÿæåëûå ÿäðà ðîæäàþòñÿ òîëüêî âíóòðè çâåçä, òî òàì îíè è îñòàíóòñÿ ïîñëå òîãî, êàê ãîðþ÷åå â ÿäåðíîé ïå÷êå çâåçäû áóäåò èñ÷åðïàíî! Âíóòðè çâåçä, ïóñòü è îñòûâàþùèõ, òðóäíî ñîçäàòü óñëîâèÿ äëÿ ïîÿâëåíèÿ ðàçóìíûõ ñóùåñòâ. Ïðèðîäà ðåøèëà è ýòó ïðîáëåìó, è ìû ïîñëåäóåì åå ðåöåïòó. Äëÿ ýòîãî ïðèäåòñÿ âåðíóòüñÿ ê ñàìîìó íà÷àëó è ïîäáèðàòü ïàðàìåòðû ÷àñòèö è âçàèìîäåéñòâèé òàê, ÷òîáû çâåçäû â êîíöå ñâîåãî ñóùåñòâîâàíèÿ íå ïðîñòî îñòûâàëè, à âçðûâàëèñü. Âîò çäåñü-òî è ïðèãîäèòñÿ ñëàáîå âçàèìîäåéñòâèå! Íåéòðèíî ñòàëêèâàåòñÿ ñ äðóãèìè ÷àñòèöàìè òîëüêî áëàãîäàðÿ ñëàáîìó âçàèìîäåéñòâèþ, è ïîýòîìó ñòîëêíîâåíèÿ ïðîèñõîäÿò êðàéíå ðåäêî. Ïîýòîìó íåéòðèíî ñïîñîáíû óíåñòè îñíîâíóþ

228

Ãëàâà 5. Êîíñòðóêòîð âñåëåííûõ

ýíåðãèþ îò öåíòðàëüíîé ÷àñòè çâåçäû, ïîçâîëÿÿ åå âíóòðåííèì ñëîÿì ðåçêî ñæèìàòüñÿ, êîëëàïñèðîâàòü.  òî æå âðåìÿ âåëè÷èíà ñëàáîãî âçàèìîäåéñòâèÿ íå äîëæíà áûòü ñëèøêîì ìàëåíüêîé.  ïðîòèâíîì ñëó÷àå ÷èñëî íåéòðèíî, ðîæäàþùèõñÿ â çâåçäå, âî-ïåðâûõ, áûëî áû ñëèøêîì ìàëûì, è, âî-âòîðûõ, âíåøíèå ñëîè âçðûâàþùåéñÿ çâåçäû íå ïîëó÷èëè áû îò íåéòðèíî äîñòàòî÷íîé ýíåðãèè, ÷òîáû ðàçëåòåòüñÿ â êîñìè÷åñêîì ïðîñòðàíñòâå. Èòàê, ïîäîáðàâ ïàðàìåòðû ñëàáîãî âçàèìîäåéñòâèÿ, óäàåòñÿ îáåñïå÷èòü âûëåò â îêðóæàþùèé êîñìîñ îáðàçîâàâøèõñÿ â çâåçäàõ óãëåðîäó è äðóãèì òÿæåëûì ýëåìåíòàì. Íî åñëè çâåçäû èñ÷åçíóò, òî êòî áóäåò îáîãðåâàòü ðàçóìíûõ ñóùåñòâ? Ïîýòîìó íàäî ñîçäàòü óñëîâèÿ äëÿ îáðàçîâàíèÿ íîâûõ çâåçä â äàëüíåéøåì. Ïðèðîäà ïîøëà èìåííî ïî ýòîìó ïóòè: ïåðâûå çâåçäû ñîñòîÿëè èç ïðîòîíîâ è àëüôà-÷àñòèö (ÿäåð àòîìîâ âîäîðîäà è ãåëèÿ), à çâåçäû ñëåäóþùèõ ïîêîëåíèé áûëè óæå îáîãàùåíû òÿæåëûìè ýëåìåíòàìè. Ýôôåêòèâíîå îáðàçîâàíèå çâåçä ïðîèñõîäèò ïðè ñòîëêíîâåíèè ãàëàêòèê. Ãàëàêòèêè æå è çâåçäû ïîÿâëÿþòñÿ òàì, ãäå íà ðàííåì ýòàïå ýâîëþöèè Âñåëåííîé âîçíèêëè ôëóêòóàöèè ïëîòíîñòè ýíåðãèè. Îêàçûâàåòñÿ, ÷òî îíè òàêæå íå ìîãóò áûòü ïðîèçâîëüíî ìàëåíüêèìè èëè áîëüøèìè. Äåéñòâèòåëüíî, ôëóêòóàöèè ïëîòíîñòè â ðàííåé Âñåëåííîé îáóñëîâëåíû Ñîçäàåì Âñåëåííóþ

229

êâàíòîâûìè ôëóêòóàöèÿìè â èíôëÿöèîííûé ïåðèîä,.ïîýòîìó èõ ïåðâîíà÷àëüíûé ðàçìåð ÷ðåçâû÷àéíî ìàë, ïîðÿäêà 10–27 ñì. Íî òå æå ïðîöåññû, ÷òî çàñòàâëÿþò ðàñøèðÿòüñÿ âñþ Âñåëåííóþ, ñïîñîáñòâóþò ðàñøèðåíèþ è ôëóêòóàöèé. Âåäü è ñàìà Âñåëåííàÿ îáðàçîâàëàñü èç ïðîñòðàíñòâåííîé îáëàñòè òàêîãî æå ðàçìåðà, ïðîñòî îíà íà÷àëà ðàñøèðÿòüñÿ ðàíüøå, à ïîýòîìó è ïðåóñïåëà â ýòîì áîëüøå. Íàáëþäåíèÿ ãîâîðÿò, ÷òî àìïëèòóäà ôëóêòóàöèé î÷åíü ìàëà — êîíòðàñò ïëîòíîñòè Q = dr/r ñîñòàâëÿåò ïðèìåðíî 10–5. Ýòî íàêëàäûâàåò ñèëüíûå îãðàíè÷åíèÿ íà ïàðàìåòðû èíôëÿöèîííîé òåîðèè.  ÷àñòíîñòè, ôîðìà ïîòåíöèàëîâ, îòâåòñòâåííûõ çà ýòîò ïåðèîä, äîëæíà áûòü ÷ðåçâû÷àéíî ïîëîãîé, íàñòîëüêî, ÷òî ýòî ñ÷èòàåòñÿ ñåðüåçíûì íåäîñòàòêîì òåîðèè. Åñëè áû ôîðìà ïîòåíöèàëà áûëà áîëåå «åñòåñòâåííîé», ôëóêòóàöèè áûëè áû áîëüøå è íàñ ñ âàìè íå ñóùåñòâîâàëî áû. Ïî÷åìó Ïðèðîäà âûáðàëà ñîâåðøåííî íååñòåñòâåííûé ïîòåíöèàë — åå çàãàäêà. Ðàäè íàñ? À çà÷åì, ñîáñòâåííî, íàì íóæíà òàêàÿ ìàëàÿ âåëè÷èíà ïàðàìåòðà Q? È ìîãëà ëè îíà áûòü åùå ìåíüøå? Ýòèì âîïðîñîì çàäàëñÿ àñòðîôèçèê Ìàðòèí Ðèñ (Martin J. Rees), è âîò ÷òî îí âûÿñíèë. Îêàçûâàåòñÿ, ïðè êîíòðàñòå ïëîòíîñòè Q ~ 10–6, ò. å. âñåãî íà ïîðÿäîê ìåíüøå, êëàñòåðû ãàëàêòèê íå îáðàçîâàëèñü áû ê íàñòîÿùåìó âðåìåíè, à ñàìè ãàëàêòèêè áûëè áû ìàëåíüêèìè è àíåìè÷íûìè, äà è ñôîðìèðîâàëèñü áû îíè ãîðàçäî ïîçæå (â ñòàòüå M. Ðèñà [31] äåòàëüíî ðàññìîòðåíû ýòè è äðóãèå âîïðîñû). Áóäó÷è ñëàáî ñâÿçàííûìè, òàêèå ãàëàêòèêè íå ñìîãóò óäåðæàòü ðàçëåòàþùèéñÿ ãàç ïîñëå âçðûâîâ ñâåðõíîâûõ, è ñëåäóþùèõ ïîêîëåíèé çâåçä ïðîñòî íå áóäåò. Íàïðèìåð, íàøåãî Ñîëíöà â ïîäîáíîì ñëó÷àå íå ñóùåñòâîâàëî áû. È, êîíå÷íî, íèêàêèõ ïëàíåò! À êàê âûãëÿäåëà áû Âñåëåííàÿ ïðè áî2ëüøèõ çíà÷åíèÿõ ôëóêòóàöèé? Ïðè Q = 10–4 ïëîòíîñòü îêàçàëàñü áû íà ïîðÿäîê âûøå, è â ðåçóëüòàòå ìû áû èìåëè áîëåå ìàññèâíûå ãàëàêòèêè è ñêîïëåíèÿ ãàëàêòèê. Áîëåå ìàññèâíûìè áûëè áû è çâåçäû, à çíà÷èò, ñðåäíåå âðåìÿ èõ æèçíè áûëî áû çíà÷èòåëüíî ìåíüøå, à ñàìè îíè — ãîðÿ÷åå. Åùå áî2ëüøàÿ ïëîòíîñòü, Q = 10–3, ïðèâåëà áû ê íåïðèÿòíîñòÿì: ñëèøêîì ïëîò-

230

Ãëàâà 5. Êîíñòðóêòîð âñåëåííûõ

íûå ãàëàêòèêè êîëëàïñèðîâàëè áû â ãèãàíòñêèå ÷åðíûå äûpû. Òåïåðü ïîíÿòíî, ÷òî ïëîòíîñòü íåêîòîðûõ îáëàñòåé ñ ÷àñòèöàìè äîëæíà è ìîæåò áûòü ëèøü íåìíîãî óâåëè÷åíà, ïîñëå ÷åãî îíè ñàìè íà÷íóò ñæèìàòüñÿ ïîä äåéñòâèåì ãðàâèòàöèîííûõ ñèë. È çäåñü ìû â î÷åðåäíîé ðàç íåîæèäàííî ñòàëêèâàåìñÿ ñ ïðîáëåìîé. ×òîáû êîíäåíñàöèÿ âåùåñòâà ïðîèçîøëà áûñòðî (âåäü íàì íàäî óñïåòü îáðàçîâàòü çâåçäû, äàòü èì âîçìîæíîñòü íàðàáîòàòü òÿæåëûå ýëåìåíòû, íà ÷òî íàäî íåñêîëüêî ìèëëèàðäîâ ëåò, è ñîçäàòü õîòÿ áû åùå îäíî ïîêîëåíèå çâåçä è ïëàíåò âîêðóã íèõ, íàñûùåííûõ óãëåðîäîì, êèñëîðîäîì è ò. ä.), íåîáõîäèìî óâåëè÷èòü ïëîòíîñòü ÷àñòèö. Íî! Îêàçàëîñü, ÷òî òðåáóåìàÿ ïëîòíîñòü ÷àñòèö ïðèâåäåò ê ñëèøêîì ìàññèâíûì çâåçäàì, ÷òî ïëîõî — ñì. âûøå. Ðàçðåøàÿ ýòîò êîíôëèêò, ïðèðîäà ïîøëà ïî ïóòè íàèìåíüøåãî ñîïðîòèâëåíèÿ. Îáû÷íûå ÷àñòèöû — ïðîòîíû è ýëåêòðîíû — ìîãóò ýôôåêòèâíî óìåíüøàòü ñâîþ êèíåòè÷åñêóþ ýíåðãèþ, èçëó÷àÿ ôîòîíû. Èìåííî ïîýòîìó îíè ñîáèðàþòñÿ âî âñå áîëåå ïëîòíûé îáúåêò, ïîêà íå çàæèãàþòñÿ ÿäåðíûå ðåàêöèè. Íå ìóäðñòâóÿ ëóêàâî, Ïðèðîäà ââåëà íîâûé âèä ìàòåðèè, êîòîðûé ñ ôîòîíàìè íå âçàèìîäåéñòâóåò, à çíà÷èò, íå óìåíüøàåò ñâîþ êèíåòè÷åñêóþ ýíåðãèþ è íå êîíöåíòðèðóåòñÿ â ìàëûõ îáëàñòÿõ. Ýòî òåìíàÿ ìàòåðèÿ (ñêðûòàÿ ìàññà). Ôëóêòóàöèè åå ïëîòíîñòè ìîãóò áûòü áîëüøèìè, è èìåííî îáëàñòè ïîâûøåííîé êîíöåíòðàöèè ñêðûòîé ìàññû ñâîåé ãðàâèòàöèåé ïðèòÿãèâàþò áàðèîíû, îñòàâàÿñü ðàçðåæåííûìè. Ïîõîæå, Ïðèðîäà íå ñîçäàâàëà íè÷åãî ëèøíåãî.  íàøåé Âñåëåííîé ëþáîå ñâîéñòâî, ëþáîå ÿâëåíèå ñòðîãî íåîáõîäèìî è äîñòàòî÷íî äëÿ çàðîæäåíèÿ ðàçóìà. Îáúÿñíåíèå ýòîãî ôàêòà ÿâëÿåòñÿ âàæíåéøåé çàäà÷åé. Íî âåðíåìñÿ ê çâåçäàì. Çâåçäû ÿâëÿþòñÿ êëþ÷åâûì çâåíîì ïðè ïîñòðîåíèè Âñåëåííîé. Ýòî ñëîæíåéøèå îáúåêòû, â êîòîðûõ ó÷òåíî ìíîæåñòâî íþàíñîâ. Íàïðèìåð, òî, ÷òî ðàçóìíûì ñóùåñòâàì, êîòîðûå ïîÿâÿòñÿ ÷åðåç ìèëëèàðäû ëåò ïîñëå ðîæäåíèÿ ïåðâûõ çâåçä, êðîìå óãëåðîäà, ïîíàäîáèòñÿ êèñëîðîä äëÿ äûõàíèÿ. Îí òàêæå îáðàçóåòñÿ â çâåçäàõ â ðåçóëüòàòå ÿäåðíûõ ðåàêöèé. Ñîçäàåì Âñåëåííóþ

231

ßñíî, ÷òî ñêîðîñòü ðåàêöèé, à çíà÷èò, è îáèëèå óãëåðîäà è êèñëîðîäà çàâèñÿò îò âåëè÷èíû íå òîëüêî ñëàáîãî, íî è ñèëüíîãî âçàèìîäåéñòâèÿ, îáåñïå÷èâàþùèõ ýòè ðåàêöèè. Êîãäà ìû â ñàìîì íà÷àëå «çàêàçûâàëè» ñâîéñòâà ñèëüíîãî âçàèìîäåéñòâèÿ, òî áûëè çàæàòû â î÷åíü óçêèå ðàìêè: èçìåíåíèå åãî âåëè÷èíû áîëåå ÷åì íà ïîëïðîöåíòà ïðèâåäåò ê ñåðüåçíîìó íåäîñòàòêó óãëåðîäà ëèáî êèñëîðîäà â ïåðâûõ çâåçäàõ. Îêàçûâàåòñÿ, ÷òî ïðîöåññû è ÿäåðíûå ðåàêöèè â çâåçäàõ ÷ðåçâû÷àéíî ÷óâñòâèòåëüíû êî âñåì ïàðàìåòðàì, à íå òîëüêî ê âåëè÷èíå ñèëüíîãî âçàèìîäåéñòâèÿ. Òàê, íàïðèìåð, Áðýíäîí Êàðòåð (Brandon Carter) îáíàðóæèë, ÷òî ñóùåñòâîâàíèå çâåçä âîçìîæíî òîëüêî ïðè âûïîëíåíèè óñëîâèÿ: aG = C

a 12 , b4

ïðè÷åì êîíñòàíòà Ñ íå äîëæíà ñèëüíî îòëè÷àòüñÿ îò åäèíèöû. Çäåñü a = 1/137 – âåëè÷èíà, îäíîçíà÷íî ñâÿçàííàÿ ñ çàðÿäîì ýëåêòðîíà è íàçûâàåìàÿ ïîñòîÿííîé òîíêîé ñòðóêòóðû (ñì. â íà÷àëå ãëàâû Îòñòóïëåíèå «Î çíà÷åíèÿõ ôèçè÷åñêèõ âåëè÷èí è îñíîâíûõ ïàðàìåòðàõ»), b — îòíîøåíèå ìàññ ýëåêòðîíà è ïðîòîíà. Ïðèðîäà, ñîçäàâàÿ Âñåëåííóþ, ïðåäâèäåëà ýòó âîçìîæíîñòü è ïîçàáîòèëàñü î íàñ. Íà ïðàêòèêå Ñ = 2,944, è ýòî çíà÷åíèå îãðàíè÷èâàåò íàñ â âûáîðå ìàññ ïðîòîíà, ýëåêòðîíà è ïîñòîÿííîé òîíêîé ñòðóêòóðû. Èòàê, çâåçäû äîëæíû ïðîèçâîäèòü èç âîäîðîäà è ãåëèÿ âñå õèìè÷åñêèå ýëåìåíòû — 92 âèäà ÿäåð! — ïîñëå ÷åãî âçðûâàòüñÿ, äîñòàâëÿÿ èõ â îêðóæàþùåå ïðîñòðàíñòâî. Çàòåì äîëæíî óñïåòü ïîÿâèòüñÿ íîâîå ïîêîëåíèå çâåçä, ÷òîáû ñîãðåâàòü ñâîèì òåïëîì çàðîæäàþùóþñÿ æèçíü. Íàäåþñü, ÷èòàòåëü óæå ïîëó÷èë ïðåäñòàâëåíèå î òîì, íàñêîëüêî ñëîæíî ïîäîáðàòü îñíîâíûå ôèçè÷åñêèå ïàðàìåòðû òàê, ÷òîáû â ðåçóëüòàòå ýâîëþöèè âîçíèêëà âñåëåííàÿ ñ ðàçóìíîé æèçíüþ âíóòðè, è íàñêîëüêî ãðàíäèîçíàÿ ïî ñëîæíîñòè çàäà÷à ñòîÿëà ïåðåä Ïðèðîäîé. Íà ñàìîì äåëå áûëè ðàññìîòðåíû ëèøü íåêîòîðûå òðóäíîñòè êîíñòðóèðîâàíèÿ Âñåëåííîé, è â äåéñòâèòåëüíîñòè ñèòóàöèÿ ãîðàçäî áîëåå ñëîæíàÿ.

232

Ãëàâà 5. Êîíñòðóêòîð âñåëåííûõ

Äëÿ èëëþñòðàöèè ñòîèò ïðèâåñòè îäèí ïðèìåð.  çâåçäàõ óãëåðîä îáðàçóåòñÿ â äâå ñòóïåíè. Ñíà÷àëà ñëèâàþòñÿ äâå àëüôà-÷àñòèöû, îáðàçóÿ íåñòàáèëüíûé èçîòîï áåðèëëèé-8. Çàòåì ê áåðèëëèþ äîáàâëÿåòñÿ åùå îäíà, òðåòüÿ àëüôà-÷àñòèöà, è ïîÿâëÿåòñÿ ÿäðî óãëåðîäà. Íî óâû — áåðèëëèé-8 áûñòðî ðàñïàäàåòñÿ è ìîæåò íå äîæäàòüñÿ òðåòüåé àëüôà-÷àñòèöû. Ïðèõîäèòñÿ ïîòðåáîâàòü, ÷òîáû àëüôà-÷àñòèöà ðåàãèðîâàëà ñ áåðèëëèåì áûñòðåå, ÷åì òîò óñïååò ðàñïàñòüñÿ. Äëÿ ýòîãî â ÿäðå óãëåðîäà íàäî ñîçäàòü ñòðîãî îïðåäåëåííûé ýíåðãåòè÷åñêèé óðîâåíü ñ ýíåðãèåé, ïðèìåðíî ðàâíîé ñóììå ìàññ àëüôà-÷àñòèöû è ÿäðà áåðèëëèÿ-8, ÷òî óñêîðÿåò ðåàêöèþ è ïîçâîëÿåò â êîíå÷íîì èòîãå óãëåðîäó ýôôåêòèâíî îáðàçîâûâàòüñÿ. Ýòîò çíàìåíèòûé ýíåðãåòè÷åñêèé óðîâåíü, ðàâíûé 7,65 ÌýÂ, ëåæàùèé âñåãî íà 0,3 Ìý âûøå ñóììàðíîé ìàññû àëüôà-÷àñòèöû è ÿäðà áåðèëëèÿ, óâåëè÷èâàþùèé ýôôåêòèâíîñòü ðåàêöèè, áûë òåîðåòè÷åñêè ïðåäñêàçàí Ôðåäîì Õîéëîì â 1953 ã. èìåííî èç ýòèõ ñîîáðàæåíèé. Ýêñïåðèìåíò ïîäòâåðäèë ïðàâèëüíîñòü ïðåäñêàçàíèÿ. Çäåñü òðóäíî óäåðæàòüñÿ îò öèòàòû: «Êîãäà ñìîòðèøü íà äèàãðàììó ýíåðãåòè÷åñêèõ óðîâíåé ÿäðà 12Ñ è âèäèøü ïåðâûå òðè óðîâíÿ — 4,43 ÌýÂ, 7,65 Ìý è 9,64 ÌýÂ, òî äóøó îõâàòûâàåò ÷óâñòâî ãëóáîêîé áëàãîäàðíîñòè ê óðîâíþ 7,65 Ìý çà òî, ÷òî îí íå ñïóñòèëñÿ íà 0,5 Ìý íèæå. Êàêîé ìàëûé çàïàñ ïðî÷íîñòè ó âñåãî, ÷òî íàì òàê äîðîãî!»1 Èòàê, áåç óðîâíÿ 7,65 Ìý íå îáîéòèñü. Çíà÷èò, íåîáõîäèìî îïÿòü âåðíóòüñÿ ê íà÷àëó âðåìåí è çàíîâî ïîäáèðàòü ïàðàìåòðû ñèëüíîãî è ýëåêòðîìàãíèòíîãî âçàèìîäåéñòâèé. Òàê ÷òî êîãäà íàøà Âñåëåííàÿ òîëüêî çàðîæäàëàñü, Ïðèðîäà óæå äîëæíà áûëà «çíàòü» î áóäóùåé íåîáõîäèìîñòè ýòîãî óðîâíÿ. Âñå òå îñòðîóìíûå òðþêè, êîòîðûå èñïîëüçîâàëà Ïðèðîäà, ÷òîáû îðãàíèçîâàòü óñëîâèÿ äëÿ âîçíèêíîâåíèÿ ðàçóìíîé æèçíè, âïå÷àòëÿþò è, òåì íå ìåíåå, ìåðêíóò ïåðåä îáíàðóæåííûì íåñêîëüêî ëåò íàçàä ôåíîìåíîì. Äåéñòâèòåëüíî, ñ òåõ ïîð, êàê áûëî óñòàíîâëåíî, ÷òî ýíåðãèÿ âàêóóìà, ò. å. ñîñòîÿíèÿ, â êîòîðîì îòñóòñòâóþò ÷àñòèöû, íå ðàâíà íóëþ, 1

Îêóíü Ë. Á. Ôóíäàìåíòàëüíûå êîíñòàíòû ôèçèêè // ÓÔÍ. ¹ 9. 1991. Ñ. 185.

Ñîçäàåì Âñåëåííóþ

233

âîçíèêëà ëþáîïûòíàÿ ïðîáëåìà. Äåëî â òîì, ÷òî ïëîòíîñòü ýíåðãèè âàêóóìà íåíàìíîãî áîëüøå ïëîòíîñòè ýíåðãèè ñêðûòîé ìàññû è ÷àñòèö. (Êñòàòè, òîæå íå î÷åíü ïîíÿòíîå ñîâïàäåíèå.) Íî ýòî ñåé÷àñ, à ÷òî áûëî ðàíüøå? Âåäü ïëîòíîñòü ñêðûòîé ìàññû è ÷àñòèö óìåíüøèëàñü ïðèìåðíî â 10123 ðàç ñ ìîìåíòà îêîí÷àíèÿ èíôëÿöèè è Áîëüøîãî âçðûâà. Êàê èçìåíèëàñü ïëîòíîñòü ýíåðãèè âàêóóìà çà ýòî âðåìÿ — çàâèñèò îò ïðîèñõîæäåíèÿ ýòîé ýíåðãèè.  ñàìîì ïðîñòîì è åñòåñòâåííîì ñëó÷àå ïëîòíîñòü ýíåðãèè íå ìåíÿåòñÿ ñî âðåìåíåì. Ýòî çíà÷èò, ÷òî â ìîìåíò Áîëüøîãî âçðûâà ïëîòíîñòü ýíåðãèè âàêóóìà áûëà íà 123 ïîðÿäêà ìåíüøå, ÷åì ïëîòíîñòü âåùåñòâà! Êàê óæå ãîâîðèëîñü âûøå, åñòåñòâåííûì ýíåðãåòè÷åñêèì ìàñøòàáîì ÿâëÿåòñÿ ïëàíêîâñêèé ìàñøòàá, 1019 ÃýÂ, èëè ~ 10–5 ã. Ìàññó èíôëàòîíà, ïîëÿ, îòâåòñòâåííîãî çà ñâåðõáûñòðîå ðàñøèðåíèå â ñàìîì íà÷àëå, ïðèõîäèòñÿ äåëàòü â ìèëëèîí ðàç ìåíüøå. Èíà÷å ôëóêòóàöèè ïëîòíîñòè âåùåñòâà âî âñåëåííîé îêàæóòñÿ ñëèøêîì áîëüøèìè. Ìàññà ÷àñòèö — åùå ìåíüøå. Íàïðèìåð, ìàññà ïðîòîíà — ïðèìåðíî 1 ÃýÂ, à ýòî íà 19 ïîðÿäêîâ ìåíüøå ïëàíêîâñêîé. Ïðèðîäå ïðèøëîñü î÷åíü ïîñòàðàòüñÿ, ÷òîáû ïðîèçâåñòè ñòîëü ìåëêèå êèðïè÷èêè ìèðîçäàíèÿ. Íî ýòî åùå íè÷òî ïî ñðàâíåíèþ ñ òåìè óñèëèÿìè, êîòîðûå åé ïðèøëîñü ïðèëîæèòü, ÷òîáû ñäåëàòü ñîâðåìåííóþ ïëîòíîñòü òåìíîé ýíåðãèè òàêîé, êàêàÿ îíà åñòü, — íà 123 ïîðÿäêà ìåíüøå ïëàíêîâñêîé ïëîòíîñòè! Äî ñèõ ïîð íå ÿñíî, êàêîé ìåõàíèçì èñïîëüçîâàí äëÿ äîñòèæåíèÿ ýòîé öåëè. Äà è ñóùåñòâóåò ëè òàêîé ìåõàíèçì? Ïîñêîëüêó ìû ñîçäàåì ñâîþ âñåëåííóþ, òî íàäî îçàáîòèòüñÿ âîïðîñîì: åñëè óæ áåç ýíåðãèè âàêóóìà íå îáîéòèñü, òî ìîæíî ëè åå íå äåëàòü òàêîé ìàëåíüêîé? Îêàçûâàåòñÿ, íåëüçÿ! Òî÷íåå, óâåëè÷èòü ýòó ýíåðãèþ ìîæíî âñåãî â íåñêîëüêî ðàç — èíà÷å íè ãàëàêòèêè, íè çâåçäû íå ïîÿâÿòñÿ. Òî, ÷òî ïëîòíîñòü òåìíîé ýíåðãèè ïî ïîðÿäêó âåëè÷èíû ñîâïàäàåò ñ ïëîòíîñòüþ îáû÷íîãî âåùåñòâà (âêëþ÷àÿ è ñêðûòóþ ìàññó), ïðèâîäèò ê ëþáîïûòíîìó íàáëþäåíèþ. Ðàñ÷åòû ïîêàçûâàþò, ÷òî åñëè ïëîòíîñòü òåìíîé ýíåðãèè ïîñòîÿííà, òî ðàçìåð âèäèìîé ÷àñòè Âñåëåííîé äîñòèã ñâîåãî ìàêñè-

234

Ãëàâà 5. Êîíñòðóêòîð âñåëåííûõ

Ðèñ. 5.2. Îãðàíè÷åíèÿ íà êîíñòàíòó ñèëüíîãî âçàèìîäåéñòâèÿ è ïîñòîÿííóþ òîíêîé ñòðóêòóðû.

ìàëüíîãî çíà÷åíèÿ. Ïðîñòî ïîòîìó, ÷òî ïëîòíîñòü ýíåðãèè îáû÷íîé ìàòåðèè óìåíüøàåòñÿ ñ ðàñøèðåíèåì ïðîñòðàíñòâà, â îòëè÷èå îò ïëîòíîñòè òåìíîé ýíåðãèè. Ïîñòðàíñòâî ñòàíîâèòñÿ âñå áîëüøå ïîõîæèì íà ïðîñòðàíñòâî äå Ñèòòåðà, ñâîéñòâà êîòîðîãî îáñóæäàëèñü â ãëàâå 2. Îäèí èç âûâîäîâ, ñäåëàííûõ òàì, ñîñòîèò â òîì, ÷òî ñâåò, èñïóùåííûé ñåé÷àñ ñ Çåìëè, íèêîãäà íå äîñòèãíåò ãîðèçîíòà, íàõîäÿùåãîñÿ ñåé÷àñ íà ðàññòîÿíèè 1028 ñì. Íî ãàëàêòèêè, íàõîäÿùèåñÿ îò íàñ íà ñîëèäíîì ðàññòîÿíèè, ñìîãóò ïåðåñå÷ü ýòó íåâèäèìóþ ãðàíèöó, è ìû íàâñåãäà ïîòåðÿåì èõ èç âèäó. Ñåé÷àñ ìû æèâåì â ýïîõó íàèáîëüøåãî êîëè÷åñòâà âèäèìûõ çâåçä.  áóäóùåì ÷èñëî çâåçä áóäåò òîëüêî óìåíüøàòüñÿ, è ÷åðåç 10–20 ìëðä. Ñîçäàåì Âñåëåííóþ

235

Ðèñ. 5.3. Îãðàíè÷åíèÿ íà ñîîòíîøåíèå ìàññ ýëåêòðîíà è ïðîòîíà è ïîñòîÿííóþ òîíêîé ñòðóêòóðû.

ëåò â íàøåì ðàñïîðÿæåíèè îñòàíóòñÿ ëèøü íåñêîëüêî ãàëàêòèê ñ ñîòíåé-äðóãîé ìèëëèàðäîâ çâåçä. Íàäåþñü, âñå óæå ïîëó÷èëè ïðåäñòàâëåíèå î òîì, íàñêîëüêî òî÷íî âíóòðåííèå ñâîéñòâà íàøåé Âñåëåííîé «ïîäîãíàíû» äëÿ òîãî, ÷òîáû â íåé áûëî âîçìîæíî ñóùåñòâîâàíèå ðàçóìà. Ýòîé óäèâèòåëüíîé ïðîáëåìîé óæå äîâîëüíî äàâíî çàíèìàþòñÿ ïðîôåññèîíàëüíûå ó÷åíûå.  ÷àñòíîñòè, èçó÷àåòñÿ âîïðîñ, íàñêîëüêî ñèëüíî ìîæíî ìåíÿòü ðàçëè÷íûå ïàðàìåòðû Âñåëåííîé, íå íàðóøàÿ óñëîâèé, ïðè êîòîðûõ âîçíèêàåò ðàçóìíàÿ æèçíü. Óæå â ñåðåäèíå ÕÕ â. ñòàëî ïîíÿòíî, ÷òî ôóíäàìåíòàëüíûå êîíñòàíòû — ñ, G, ž — ìîæíî âàðüèðîâàòü ëèøü íåçíà÷èòåëüíî. Äàëüíåéøèå èññëåäîâàíèÿ ó÷åíûõ ïîêàçàëè, ÷òî, ïî-âèäèìîìó, âñå ñâîéñòâà ìîãóò ìåíÿòüñÿ ëèøü â óçêîì èí-

236

Ãëàâà 5. Êîíñòðóêòîð âñåëåííûõ

òåðâàëå. Âïå÷àòëÿþùèå ãðàôèêè, ñóììèðóþùèå ðàáîòó ìíîãèõ ó÷åíûõ, ïðèâåäåíû Ì. Òåãìàðêîì [35]. Íà ðèñ. 5.2 ïîêàçàíà îáëàñòü èçìåíåíèÿ äâóõ ïàðàìåòðîâ — êîíñòàíò ñèëüíîãî è ýëåêòðîìàãíèòíîãî âçàèìîäåéñòâèé. Ìàëåíüêèé ÷åðíûé êâàäðàòèê — îáëàñòü ðàçðåøåííûõ ïàðàìåòðîâ. Êàê êñòàòè, ÷òî ýòè çíà÷åíèÿ, ðàâíûå â íàøåé Âñåëåííîé 0,1 è 1/137 ñîîòâåòñòâåííî, íàõîäÿòñÿ èìåííî âíóòðè ýòîãî ÷åðíîãî êâàäðàòèêà! Íà ðèñ. 5.3 èçîáðàæåíà àíàëîãè÷íàÿ ñèòóàöèÿ, íî âìåñòî êîíñòàíòû ñèëüíîãî âçàèìîäåéñòâèÿ ïî îñè îðäèíàò — îòíîøåíèå ìàññû ýëåêòðîíà ê ìàññå ïðîòîíà. Ñâÿçè, îáíàðóæåííûå Êàðòåðîì, îòìå÷åíû ïóíêòèðíîé ëèíèåé. È îïÿòü îáëàñòü, îòìå÷åííàÿ ÷åðíûì êâàäðàòèêîì (ãäå âîçìîæíà æèçíü), ìàëà, íî, òåì íå ìåíåå, ïðèðîäà ïîçàáîòèëàñü î òîì, ÷òîáû íàáëþäàåìûå ïàðàìåòðû ïîïàëè â ýòîò êâàäðàò.

Çâåçäû ñîçäàíû — ÷òî äàëüøå? Íî âîò, íàêîíåö, ìû, ïîñëå ìíîãî÷èñëåííûõ ïîïûòîê, ñîçäàëè ïîäõîäÿùóþ âñåëåííóþ, çâåçäû è ïëàíåòû. Ìîæåò ëè òåïåðü â òàêîé Âñåëåííîé çàðîäèòüñÿ æèçíü? Óâû, åñëè ìû âñå-òàêè õîòèì ñîçäàòü óñëîâèÿ, áëàãîïðèÿòíûå äëÿ æèâûõ ñóùåñòâ, òî äî çàâåðøåíèÿ åùå äàëåêî. Íà÷íåì ñ òîãî, ÷òî íàäî ñîçäàòü ñðåäó, óäîáíóþ äëÿ ðàçâèòèÿ è óñëîæíåíèÿ ìîëåêóë. Òî åñòü ïåðâûå îáúåêòû (ïðîòîñóùåñòâà) äîëæíû èìåòü âîçìîæíîñòü ïåðåìåùàòüñÿ â ýòîé ñóáñòàíöèè è áûñòðî íàõîäèòü îáúåêòû äëÿ ñëèÿíèÿ/ïîãëîùåíèÿ. Ýòèì óñëîâèÿì óäîâëåòâîðÿþò æèäêîñòè. Çíà÷èò, íà ïëàíåòå äîëæíî áûòü ìíîãî æèäêîñòè, è âîäà — õîðîøèé êàíäèäàò. Ïðàâäà, èíòåðâàë òåìïåðàòóð, ïðè êîòîðûõ îíà íàõîäèòñÿ â æèäêîé ôàçå, íåâåëèê — îò 273 äî 373 K. Ïðèäåòñÿ ðàçìåñòèòü ïëàíåòó òàê, ÷òîáû ñðåäíÿÿ òåìïåðàòóðà íà åå ïîâåðõíîñòè ïîïàäàëà â ýòîò èíòåðâàë, è, êñòàòè, ñäåëàòü åå îðáèòó ïî÷òè êðóãîâîé, èíà÷å çèìû áóäóò äîëãèìè è õîëîäíûìè è âñå æèâîå ïîâûìåðçíåò1. Ïðè÷åì òå, êòî âûæèâåò çèìîé, âðÿä ëè ïåðåíåñóò ñëèøêîì ãîðÿ÷åå ëåòî. 1

Çåìëÿ êàê ðàç èìååò ïî÷òè êðóãîâóþ îðáèòó; ñìåíà âðåìåí ãîäà ïðîèñõîäèò áëàãîäàðÿ íàêëîíó çåìíîé îñè. Çâåçäû ñîçäàíû — ÷òî äàëüøå?

237

Íàñêîëüêî êðèòè÷íî ðàññòîÿíèå îò Çåìëè äî Ñîëíöà? Ñóùåñòâóþò ìîäåëüíûå ðàñ÷åòû, è îíè ïîêàçûâàþò ñëåäóþùåå (õîòÿ ýêñïåðèìåíòàëüíî ïðîâåðèòü èõ ïðàâèëüíîñòü, åñòåñòâåííî, íåâîçìîæíî): åñëè áû ðàäèóñ îðáèòû Çåìëè áûë íà íåñêîëüêî ïðîöåíòîâ ìåíüøå, ýòî íåèçáåæíî âûçâàëî áû ïàðíèêîâûé ýôôåêò è ïåðåãðåâ ïëàíåòû. Óâåëè÷åíèå ðàäèóñà îðáèòû Çåìëè íà òå æå íåñêîëüêî ïðîöåíòîâ ïðèâåëî áû ê òîìó, ÷òî Çåìëÿ ïîëíîñòüþ è íàâñåãäà ïîêðûëàñü ëüäîì. Èòàê, ïëàíåòà, íà êîòîðîé âîçìîæíî ñóùåñòâîâàíèå ðàçóìíîé æèçíè, äîëæíà óäîâëåòâîðÿòü ìíîæåñòâó óñëîâèé. Ïðîáëåìà, òåì íå ìåíåå, âïîëíå ðåøàåìà.  íàøåé Âñåëåííîé óæå èìååòñÿ îêîëî 1022 çâåçä, à çíà÷èò, è ÷èñëî ïëàíåò — òîãî æå ïîðÿäêà. Ïëàíåòû íàõîäÿòñÿ íà ñàìûõ ðàçíûõ ðàññòîÿíèÿõ îò ñâîèõ çâåçä, â çàâèñèìîñòè îò ñëó÷àéíîñòåé â ìîìåíò èõ îáðàçîâàíèÿ. ×àñòü èç íèõ èìååò ïîäõîäÿùèå îðáèòû. Ìû óæå ðåøèëè, ÷òî ïðîòîñóùåñòâà áóäóò çàðîæäàòüñÿ â âîäå. Íî âîò ïðîáëåìà: çèìîé ÷àñòü âîäû ïåðåõîäèò â òâåðäóþ ôàçó — ëåä, à òâåðäàÿ ôàçà îáû÷íî èìååò áî2ëüøóþ ïëîòíîñòü.  ýòîì ñëó÷àå òâåðäàÿ ôàçà îïóñêàëàñü áû íà äíî âîäîåìîâ è ê êîíöó çèìû âñå âîäîåìû íàõîäèëèñü áû â òâåðäîé ôàçå. Èçâåñòíû ôîðìû æèçíè, ñïîñîáíûå ïåðåçèìîâàòü, áóäó÷è ïîëíîñòüþ çàìîðîæåííûìè. Ê òàêîâûì îòíîñÿòñÿ, íàïðèìåð, ëÿãóøêè. Íî ýòî íå î÷åíü ïðèâëåêàòåëüíûé âàðèàíò. ×òîáû íàéòè âûõîä èç ïîëîæåíèÿ, ïîñìîòðèì, êàê ñ ýòèì ñïðàâèëàñü ïðèðîäà, — à îíà ñäåëàëà ëåä ëåã÷å âîäû! Ýòî áûëî íåïðîñòî, è âîäà — îäíî èç î÷åíü íåìíîãèõ âåùåñòâ, òâåðäàÿ ôàçà êîòîðîãî ëåã÷å æèäêîé. Äàëåêî íå ïðè âñÿêèõ ñîîòíîøåíèÿõ çàðÿäîâ è ìàññ ÷àñòèö, âõîäÿùèõ â ñîñòàâ âåùåñòâà, ýòî âîçìîæíî, è ïîäîáíîå ðàçâèòèå ñîáûòèé äîëæíî áûëî áûòü íàìè ïðåäóñìîòðåíî ñ ñàìîãî íà÷àëà, êîãäà ìû ïîäáèðàëè ñâîéñòâà ÷àñòèö. Çàîäíî íàäî îáåñïå÷èòü ïðîçðà÷íîñòü âîäû, ò. å. âîçìîæíîñòü ïðîíèêíîâåíèÿ ñâåòà âãëóáü ìåòðîâ íà ïÿòüäåñÿò, áåç ÷åãî ôîòîñèíòåç íåâîçìîæåí. Êñòàòè, íóæíî, ÷òîáû âîäà íå òîëüêî áûëà ïðîçðà÷íà äëÿ ñâåòà, ò. å. äëÿ ýëåêòðîìàãíèòíûõ âîëí îïòè÷åñêîãî äèàïàçîíà, íî è íå ïðîïóñêàëà æåñòêîå óëüòðàôèîëåòîâîå èçëó÷åíèå, ñìåðòåëüíî îïàñíîå äëÿ æèâûõ îðãàíèçìîâ.

238

Ãëàâà 5. Êîíñòðóêòîð âñåëåííûõ

Âåðíåìñÿ íåíàäîëãî ê ïðîáëåìå ïðîìåðçàíèÿ âîäîåìîâ. Òàê ëè óæ âñå ïëîõî? Âåäü åñòü ýêâàòîðèàëüíàÿ çîíà, ãäå êðóãëûé ãîä òåïëî. Íî ãäå ãàðàíòèÿ, ÷òî ïðîìåðçàíèå âîäîåìîâ, íà÷àâøååñÿ ñ ñåâåðà, íå äîéäåò äî ýêâàòîðà? Êîìïüþòåðíîå ìîäåëèðîâàíèå ïðîöåññà òàêîãî ãëîáàëüíîãî îëåäåíåíèÿ ÷ðåçâû÷àéíî ñëîæíî. Ìû æå, íà îñíîâå àíòðîïíîãî ïðèíöèïà, ïîïðîáóåì ïðåäñêàçàòü ðåçóëüòàò. Êàê ìû òåïåðü ïîíèìàåì, ñîçäàòü âåùåñòâî ñ áîëåå ëåãêîé òâåðäîé ôàçîé î÷åíü íåïðîñòî, èíà÷å òàêèõ âåùåñòâ áûëî áû ìíîãî. Çíà÷èò, ýòî íóæíî äëÿ ñóùåñòâîâàíèÿ ðàçóìíîé æèçíè (âîò îí, àíòðîïíûé ïðèöèï). Íî ïðè ãëîáàëüíîì îëåäåíåíèè ðàçóìíàÿ æèçíü âðÿä ëè âîçìîæíà. Çíà÷èò, ñâîéñòâà âîäû òàêîâû, ÷òîáû íå áûëî âñåîáùåãî ïðîìåðçàíèÿ Çåìëè. Ñëåäîâàòåëüíî, åñëè áû ëåä îïóñêàëñÿ íà äíî, ãëîáàëüíîå îëåäåíåíèå îáÿçàòåëüíî ïðîèçîøëî áû. Ýòî òèïè÷íîå ðàññóæäåíèå ñ èñïîëüçîâàíèåì àíòðîïíîãî ïðèíöèïà, è ìîæíî ïîíÿòü ìíîãèõ ó÷åíûõ, êîòîðûå îòêàçûâàþòñÿ ñ÷èòàòü òàêèå ðàññóæäåíèÿ íàóêîé. Ïóñòü òàê, íî ôàêòîì ÿâëÿåòñÿ òî, ÷òî àíòðîïíûé ïðèíöèï ÷àñòî äàåò óäèâèòåëüíî ïðàâèëüíûå ïðåäñêàçàíèÿ. Âñïîìíèòå íåíóëåâóþ ýíåðãèþ âàêóóìà è ýíåðãåòè÷åñêèé óðîâåíü ÿäðà óãëåðîäà, ïðåäñêàçàííûå èìåííî èç ýòèõ ñîîáðàæåíèé. Íàóêà äîëæíà îáúÿñíèòü ýòîò ôåíîìåí. Òåïåðü, êîãäà ïîíÿòíî, íàñêîëüêî ãðàíäèîçíà çàäà÷à ñîçäàíèÿ âñåëåííîé, ïîõîæåé íà íàøó, ñòîèò âåðíóòüñÿ ê âîïðîñó, ïîñòàâëåííîìó â íà÷àëå ýòîé ãëàâû. Äåéñòâèòåëüíî, òðóäíîñòè áûëè ñâÿçàíû ñ òåì, ÷òî ïàðàìåòðû, îïðåäåëÿþùèå ýâîëþöèþ Âñåëåííîé, ìîæíî âàðüèðîâàòü â êðàéíå îãðàíè÷åííûõ ïðåäåëàõ. Ïðè ýòîì, èçíà÷àëüíî çàäàâàÿ ïàðàìåòðû, òàêèå, íàïðèìåð, êàê ìàññû ÷àñòèö è êîíñòàíòû âçàèìîäåéñòâèÿ, íàäî ó÷èòûâàòü ìíîæåñòâî äåëèêàòíûõ ïðîáëåì â áóäóùåì. Ìû óæå âèäåëè, ÷òî ñèíòåç áàðèîíîâ è ÿäåð î÷åíü ÷óâñòâèòåëåí ê âåëè÷èíàì ïàðàìåòðîâ; òî æå ñàìîå îòíîñèòñÿ è ê ïðîöåññàì, ïðîòåêàþùèì âíóòðè çâåçä. Ñóùåñòâóþò è ïîñòîÿííî ïîïîëíÿþòñÿ íîâûå ñâèäåòåëüñòâà î òîíêîé íàñòðîéêå ïàðàìåòðîâ íàøåé Âñåëåííîé. Êàêèì æå îáðàçîì áûëà ïðîâåäåíà ñòîëü òî÷íàÿ åå «þñòèðîâêà»? Êàê ìîæíî áûëî òàê òî÷íî ïðåäóñìîòðåòü çàðàíåå ñîòíè ïðè÷èííûõ ñâÿçåé, âûáðàòü ÷àñÇâåçäû ñîçäàíû — ÷òî äàëüøå?

239

òèöû è çàäàòü èõ ñâîéñòâà? Òåïåðü, ïîëó÷èâ èíôîðìàöèþ, êà æäûé ìîæåò âûáðàòü èç ïðåäëîæåííûõ â íà÷àëå ãëàâû âàðèàíòîâ òîò, êîòîðûé åìó áîëüøå íðàâèòñÿ, èëè ïðåäëîæèòü ñâîé ñîáñòâåííûé. Ñ òî÷êè çðåíèÿ àâòîðà, íàèáîëåå ïðîñòûì ñïîñîáîì ñîçäàíèÿ Âñåëåííîé ñ êîìôîðòíûìè äëÿ ðàçóìà óñëîâèÿìè ïðåäñòàâëÿåòñÿ ñëåäóþùèé ìåòîä: íå çàáîòèòüñÿ î êîíêðåòíûõ äåòàëÿõ, à «ïðîñòî» ñîçäàòü ìíîæåñòâî âñåëåííûõ ñî âñåâîçìîæíûìè âèäàìè ÷àñòèö, çíà÷åíèÿìè èõ ìàññ, ñ òåìíîé ýíåðãèåé è îñòàëüíûìè ôèçè÷åñêèìè ïàðàìåòðàìè — êàêàÿ-íèáóäü âñåëåííàÿ äà ïîäîéäåò. Ðàññìîòðèì àíàëîãèþ. Ïðåäïîëîæèì, âàì êàê êîìàíäèðó ïîëêà òðåáóåòñÿ âî ÷òî áû òî íè ñòàëî ïîðàçèòü î÷åíü ìàëåíüêóþ ìèøåíü. Îíà ñëèøêîì ìàëà äàæå äëÿ ñíàéïåðà, äà è íî÷ü íà äâîðå. Âûõîä èç ïîëîæåíèÿ åñòü — íàäî ïðèêàçàòü, ÷òîáû âåñü ïîëê íà÷àë ñòðåëÿòü â öåëü, êàæäûé èç ñâîåãî îðóæèÿ. Êòî-íèáóäü êîãäà-íèáóäü äà ïîïàäåò! Êîíå÷íî, ìíîæåñòâî ïóëü ïðîïàäåò íàïðàñíî, íî öåëü áóäåò äîñòèãíóòà. Êîìó-òî òàêîå ðåøåíèå ïðîáëåìû ìîæåò ïîêàçàòüñÿ ìàëîýñòåòè÷íûì è ñêó÷íûì. Íó ÷òî æ, î âêóñàõ íå ñïîðÿò. Åäèíñòâåííûì àðãóìåíòîì â ïîëüçó åãî ñëóæèò òîëüêî òî, ÷òî îíî ðàáîòàåò! À âîçìîæíî, è òîëüêî îíî. Ìîæåò áûòü, è ïðèðîäå ïðîùå ñîçäàâàòü âñåëåííûå ñ ñàìûìè ðàçíûìè ñâîéñòâàìè, íå çàáîòÿñü î äåòàëÿõ. Òîãäà ñðåäè íèõ îáÿçàòåëüíî íàéäóòñÿ ïîäõîäÿùèå äëÿ âîçíèêíîâåíèÿ æèâûõ ñóùåñòâ. Êîíå÷íî, ìíîæåñòâî âñåëåííûõ ïðè ýòîì áóäóò «íåæèçíåñïîñîáíûìè», íó è ïóñòü èõ. Ïðèðîäà íå çàáîòèòñÿ î ïðîèãðàâøèõ è íå ñîæàëååò î íàïðàñíûõ òðóäàõ ñâîèõ. Èç òûñÿ÷ èêðèíîê ëèøü íåñêîëüêî ïðåâðàùàþòñÿ â ïîëíîöåííûõ ðûá, ñóäüáà îñòàëüíûõ âîëíóåò òîëüêî îõîòíèêîâ çà èêðîé.

Î êðàñîòå òåîðèé Ó÷åíûå ïîëàãàþò, è íå áåç îñíîâàíèé, ÷òî ëèøü êðàñèâàÿ òåîðèÿ ìîæåò áûòü ïðàâèëüíîé. Íî ÷òî òàêîå êðàñèâàÿ òåîðèÿ? Êîíå÷íî, êàæäûé ñ÷èòàåò ñâîþ òåîðèþ êðàñèâîé, íî íà ýòîì ñîãëàñèå è çàêàí÷èâàåòñÿ. Èçâåñòåí ïîó÷èòåëüíûé ïðèìåð èç

240

Ãëàâà 5. Êîíñòðóêòîð âñåëåííûõ

XVII â. Êåïëåðó è Ãàëèëåþ î÷åíü íå íðàâèëèñü ýëëèïòè÷åñêèå îðáèòû ïëàíåò. Òî ëè äåëî òàêàÿ èäåàëüíàÿ ôèãóðà, êàê êðóã! Íî êîãäà Íüþòîí îòêðûë ñâîé çàêîí òÿãîòåíèÿ, ñèòóàöèÿ ðåçêî èçìåíèëàñü. Îäíà ôîðìóëà îïèñûâàåò âñå ìíîãîîáðàçèå îðáèò, äà åùå è äâèæåíèå òåë â ïîëå òÿæåñòè Çåìëè! Ýòî ëè íå êðàñèâî? «Íåýëåãàíòíûå» ýëëèïòè÷åñêèå îðáèòû îêàçàëèñü ÷àñòüþ çàìå÷àòåëüíî êðàñèâîé òåîðèè. Î÷åâèäíî, ïîíÿòèå êðàñîòû íàó÷íîé òåîðèè íåñêîëüêî ðàñïëûâ÷àòî, íî ëþáîïûòíûì ôàêòîì ÿâëÿåòñÿ òî, ÷òî âåðíûå òåîðèè îêàçûâàþòñÿ êðàñèâûìè. Ýòî íåñêîëüêî ñòðàííî, ïîòîìó ÷òî çàêîíû ïðèðîäû âîçíèêëè çàäîëãî äî ïîÿâëåíèÿ ÷åëîâåêà è òåì áîëåå äî ôîðìèðîâàíèÿ ñàìîãî ïîíÿòèÿ êðàñîòû. Ìîæíî áûëî áû ïðåäïîëîæèòü, ÷òî, ðàáîòàÿ äîëãîå âðåìÿ ñ ïðàâèëüíîé òåîðèåé, ëþäè ê íåé ïðèâûêàþò, è îíà êàæåòñÿ èì êðàñèâîé. Íî ìíîãèå òåîðèè ñ ñàìîãî íà÷àëà ïðåäñòàâëÿëèñü êðàñèâûìè — îáùàÿ òåîðèÿ îòíîñèòåëüíîñòè, ìîäåëü Âàéíáåðãà—Ñàëàìà, èäåÿ ñóïåðñèììåòðèè (ïîñëåäíÿÿ äî ñèõ ïîð íå ïîäòâåðæäåíà). Çíà÷èò, åñòü ÷òî-òî íåóëîâèìîå, ÷òî îòëè÷àåò òåîðèè äðóã îò äðóãà âíå çàâèñèìîñòè îò òîãî, âåðíû îíè èëè íåò. Ïî-âèäèìîìó, êðèòåðèåì êðàñîòû ñëóæèò ñòåïåíü ýêîíîìíîñòè ñðåäñòâ, êîòîðûìè äîñòèãàåòñÿ öåëü — îáúÿñíåíèå íåêîòîðîãî êðóãà ÿâëåíèé è ïðåäñêàçàíèå íîâûõ. È êðóã ýòîò íå äîëæåí áûòü ìàëåíüêèì. Ìîæíî äàæå ïîïðîáîâàòü âûðàçèòü ýòî â âèäå ïðîñòîé ôîðìóëû: R =

N , P

ãäå R — êîýôôèöèåíò êà÷åñòâà òåîðèè, ÷åì îí âûøå, òåì êðàñèâåå òåîðèÿ êàæåòñÿ íàì; N — ÷èñëî îáúÿñíåííûõ ïðèðîäíûõ ÿâëåíèé, P — êîëè÷åñòâî èíôîðìàöèè (â áèòàõ), èñïîëüçîâàííîé äëÿ íà÷àëüíûõ ïîñòóëàòîâ òåîðèè. Âåëè÷èíó N òðóäíî îïðåäåëèòü îäíîçíà÷íî, íî â äàííîì ñëó÷àå ýòî è íå î÷åíü âàæíî. Òåïåðü âîïðîñ ìîæíî ñôîðìóëèðîâàòü ïî-äðóãîìó: Ïî÷åìó òåîðèè ñ áîëüøèì çíà÷åíèåì R îêàçûâàþòñÿ âåðíûìè? Ïðàâèëüíî ïîñòàâëåííûé âîïðîñ îáëåã÷àåò ïîèñê îòâåòà íà Î êðàñîòå òåîðèé

241

íåãî. Åñëè ïðèíÿòü èäåþ ìíîæåñòâåííîñòè âñåëåííûõ, ïðîáëåìà êðàñîòû òåîðèé ìîæåò áûòü ñâåäåíà ê ñëåäóþùåìó âîïðîñó: ïî÷åìó äîëÿ âñåëåííûõ ñ áîëüøèì êîýôôèöèåíòîì R âåëèêà ïî ñðàâíåíèþ ñ äîëåé äðóãèõ âñåëåííûõ?  ýòîì ñëó÷àå áûëî áû íåóäèâèòåëüíî, ÷òî íàøà öèâèëèçàöèÿ âîçíèêëà èìåííî â òàêîé âñåëåííîé. Èòàê, íàäî îáîñíîâàòü, ïî÷åìó äîëÿ âñåëåííûõ WUniverse ñ îïðåäåëåííûì çíà÷åíèåì R ïðîïîðöèîíàëüíà R, à òî÷íåå, WUniverse ~ R a, a > 0. Ñòðîãîå äîêàçàòåëüñòâî ýòîé ôîðìóëû ïîêà íå ïðåäñòàâëÿåòñÿ âîçìîæíûì, íî âûáðàòü ïîäõîäÿùèé âàðèàíò îáúÿñíåíèÿ âïîëíå ìîæíî. Áóäåì èñõîäèòü èç ïðåäïîëîæåíèÿ î ñóùåñòâîâàíèè áîëüøîãî ìíîæåñòâà âñåëåííûõ ñ ñàìûìè ðàçíûìè ñâîéñòâàìè. Òîãäà ðàçóìíî ñ÷èòàòü, ÷òî ÷åì ñëîæíåå óñòðîåíà êîíêðåòíàÿ âñåëåííàÿ, òåì ðåæå â ïðèðîäå âñòðå÷àþòñÿ âñåëåííûå òàêîãî òèïà. Êîíå÷íî, ðàçóìíàÿ æèçíü íå âîçíèêàåò â ñîâñåì ïðîñòûõ âñåëåííûõ, êàêèõ áîëüøèíñòâî. Åñòü íåêèé ïîðîã ñëîæíîñòè, íèæå êîòîðîãî íå ñòîèò îïóñêàòüñÿ. Ðàçóì ïîÿâëÿåòñÿ â òåõ âñåëåííûõ, ãäå ýòîò ïîðîã ïðåâûøåí. Èõ ÷èñëî ìíîãî ìåíüøå, ÷åì ïðîñòûõ âñåëåííûõ, íî òîëüêî îíè è èíòåðåñíû. Äðóãèìè ñëîâàìè, åñëè âñå ìíîæåñòâî âñåëåííûõ ðàçáèòü ïî ñòåïåíè èõ ñëîæíîñòè, òî ïîëó÷èì íàáîð: K1, K2, K3, … KU, KU+1 . Èíäåêñ îçíà÷àåò ñòåïåíü ñëîæíîñòè âñåëåííîé, K1 — ÷èñëî ñàìûõ ïðîñòûõ âñåëåííûõ, K2 — ÷èñëî âñåëåííûõ, óñòðîåííûõ ÷óòü áîëåå ñëîæíî, è ò. ä. ×èñëî ñàìûõ ïðîñòûõ âñåëåííûõ, ãäå âîçìîæíî ïîÿâëåíèå ðàçóìà, îáîçíà÷åíî êàê KU. KU+1 — ÷èñëî áîëåå ñëîæíûõ âñåëåííûõ, íàñåëåííûõ ðàçóìîì. Âûøå áûëî ïðåäïîëîæåíî, ÷òî ÷åì ñëîæíåå âñåëåííûå, òåì èõ äîëÿ ìåíüøå. Ýòî îçíà÷àåò, ÷òî K1 > K2 > K3 > … > KU > KU+1 . Íî ðàç ÷èñëî ïðîñòûõ âñåëåííûõ, íàñåëåííûõ ðàçóìîì, áîëüøå (à ñêîðåå, ìíîãî áîëüøå) ÷èñëà áîëåå ñëîæíûõ âñåëåííûõ, íàñåëåííûõ ðàçóìîì, òî âåðîÿòíîñòü ðàçóìíîé öèâèëèçàöèè îáíàðóæèòü ñåáÿ â ïðîñòîé âñåëåííîé âûøå (à ñêîðåå, ìíîãî âûøå), ÷åì â áîëåå ñëîæíîé. Òåðìèí «ïðîñòàÿ» â

242

Ãëàâà 5. Êîíñòðóêòîð âñåëåííûõ

äàííîì ñëó÷àå îçíà÷àåò, ÷òî ñâîéñòâà ýòîé âñåëåííîé îïðåäå ëÿþòñÿ íàèìåíüøèì ÷èñëîì ïîñòóëàòîâ. À ýòî êàê ðàç è îçíà÷àåò, ÷òî íàøà Âñåëåííàÿ, íàñåëåííàÿ ðàçóìíîé æèçíüþ äîë æíà îïèñûâàòüñÿ êðàñèâîé òåîðèåé. Èòàê, â íà÷àëå ýòîé ãëàâû áûëè ïåðå÷èñëåíû òðè îñíîâíûõ ïóòè ðàçâèòèÿ íàóêè. Âàðèàíò  — èäåÿ î ìíîæåñòâåííîñòè âñåëåííûõ — ïðåäñòàâëÿåòñÿ âïîëíå ðàáîòîñïîñîáíûì. Îí ïðåäëàãàåò íå çàáîòèòüñÿ î êîíêðåòíîì ñïîñîáå ñîçäàíèÿ âñåëåííîé ñî ñâîéñòâàìè, ïîäõîäÿùèìè äëÿ çàðîæäåíèÿ ðàçóìà, à «ïðîñòî» ñîçäàòü ìíîæåñòâî âñåëåííûõ ñî âñåâîçìîæíûìè çíà÷åíèÿìè òåìíîé ýíåðãèè è îñòàëüíûìè ôèçè÷åñêèìè ïàðàìåòðàìè â ðàñ÷åòå íà òî, ÷òî êàêàÿ-íèáóäü èç íèõ ïîäîéäåò. Âîïðîñ, êîòîðûé âîëíóåò âñåõ áåç èñêëþ÷åíèÿ, — ãäå æå âñå ýòè âñåëåííûå íàõîäÿòñÿ è ïî÷åìó èõ ñâîéñòâà ðàçëè÷ íû? Îòâåòó íà âòîðóþ ÷àñòü âîïðîñà ïîñâÿùåí ðàçäåë «Ñëó÷àéíûé ïîòåíöèàë». Êîíêðåòíàÿ ðåàëèçàöèÿ ìåõàíèçìà âîçíèêíîâåíèÿ ðàçëè÷íûõ ïî ñâîéñòâàì âñåëåííûõ ñåé÷àñ ðàçðàáàòûâàåòñÿ çàèíòåðåñîâàííûìè ó÷åíûìè, íàïðèìåð â òåîðèè ñòðóí. Îòâåò íà ïåðâóþ ÷àñòü âîïðîñà äàòü ïðîùå.  ãëàâå 2 áûë ðàññìîòðåí ìåõàíèçì èíôëÿöèè. Îäèí èç ðåçóëüòàòîâ ñîñòîèò â òîì, ÷òî íàøà Âñåëåííàÿ — ýòî âñåãî ëèøü íåáîëüøàÿ, âèäèìàÿ, ÷àñòü âñåé, Áîëüøîé, Âñåëåííîé, ðàçìåð êîòî12 ðîé ~ 1010 ñì (ðàçìåð âèäèìîé ÷àñòè Âñåëåííîé ~1028 ñì). Äðóãèå âñåëåííûå, ñ äðóãèìè ñâîéñòâàìè, íàõîäÿòñÿ íà ãðàíèöå íàøåé Áîëüøîé Âñåëåííîé è äàëüøå. Âíèìàòåëüíîå ÷òåíèå ýòîé êíèãè äîëæíî ïðèâåñòè ê ïîíèìàíèþ èñêëþ÷èòåëüíîé âàæíîñòè ïîíÿòèÿ ïîòåíöèàëà. Èìåííî îí îïðåäåëÿåò ñâîéñòâà ÷àñòèö è â êîíå÷íîì ñ÷åòå âñåé Âñåëåííîé. Îñíîâíîå âëèÿíèå îêàçûâàåò ôîðìà ìèíèìóìà ïîòåíöèàëà, ïðîñòî ïîòîìó, ÷òî èìåííî â îáëàñòè ìèíèìóìîâ ðàçâèâàþòñÿ îñíîâíûå ñîáûòèÿ — îïðåäåëÿþòñÿ ìàññû ÷àñòèö è óñòàíàâëèâàþòñÿ ïàðàìåòðû âçàèìîäåéñòâèÿ. Íî åñëè ïîòåíöèàë èìååò îäèí ìèíèìóì, òî è ñâîéñòâà âñåëåííûõ áóäóò îäèíàêîâûìè. Íàëè÷èå íåñêîëüêèõ ìèíèìóìîâ òîæå íå ñïàñàåò. Ïîñìîòðèì, ñîäåðæèò ëè ñîâðåìåííàÿ òåîðèÿ íàìåêè íà ïîòåíöèàëû ñ áîëüøèì, à ëó÷øå — ñ áåñêîíå÷íûì ÷èñëîì ìèíèìóìîâ. Î êðàñîòå òåîðèé

243

Ñëó÷àéíûé ïîòåíöèàë Íàñòîÿùèå ïðèêëþ÷åíèÿ íà÷èíàþòñÿ ñ ïîèñêà íå íîâûõ ïåéçàæåé, à ñâåæèõ ãëàç. Ìàðñåëü Ïðóñò

Íà ïðîòÿæåíèè âñåé ýòîé ãëàâû óïîìèíàëèñü âñåëåííûå ñ ðàçëè÷íûìè ñâîéñòâàìè. Âîïðîñû î ìåñòîíàõîæäåíèè ýòèõ âñåëåííûõ è î ïðè÷èíàõ, ïðèâîäÿùèõ ê ðàçëè÷èþ èõ ñâîéñòâ, îáõîäèëèñü ñòîðîíîé. Ñåé÷àñ ïîäõîäÿùèé ìîìåíò äëÿ îáñóæäåíèÿ ýòîé ïðîáëåìû.  ãëàâå 1 óæå ââîäèëîñü ïîíÿòèå ïîëÿ, îñíîâíîå äëÿ ñîâðåìåííîé ôèçèêè, è çäåñü îíî áóäåò èñïîëüçîâàíî. Ïîñêîëüêó, êàê ìû âèäåëè, äëÿ èíôëÿöèîííîé ñòàäèè íåîáõîäèìî ñóùåñòâîâàíèå ñêàëÿðíîãî ïîëÿ, çà îñíîâó âîçüìåì èìåííî åãî. Ñàìî ïîëå ôèçè÷åñêîãî ñìûñëà îáû÷íî íå íåñåò, â îòëè÷èå îò êèíåòè÷åñêîé è ïîòåíöèàëüíîé ýíåðãèè, ñâÿçàííîé ñ ýòèì ïîëåì. Òî÷íåå, ïîòåíöèàë V çàâèñèò îò çíà÷åíèÿ ïîëÿ j è èìååò ôèçè÷åñêèé ñìûñë ïëîòíîñòè ýíåðãèè ýòîãî ïîëÿ. Âèä ôóíêöèè V(j) ïîêàçûâàåò, êàêóþ ïëîòíîñòü ýíåðãèè èìååò ïðîñòðàíñòâî â çàâèñèìîñòè îò çíà÷åíèÿ ïîëÿ j â ýòîé îáëàñòè ïðîñòðàíñòâà. Ýòîò âèä èçíà÷àëüíî íå îïðåäåëåí è â òåîðåòè÷åñêèõ ìîäåëÿõ âûáèðàåòñÿ â çàâèñèìîñòè îò öåëåé èññëåäîâàíèÿ. Íàïðèìåð, ïðîñòåéøèå èíôëÿöèîííûå ìîäåëè îñíîâàíû íà ïîòåíöèàëàõ âèäà V(j) = aj2 ëèáî V(j) = aj4 (ïîñëåäíÿÿ, ïîõîæå, ïðîòèâîðå÷èò íàáëþäåíèÿì). Êèíåòè÷åñêàÿ ýíåðãèÿ ìîæåò çàâèñåòü îò ñàìîãî ïîëÿ è åãî ïðîèçâîäíûõ. Èìåííî ýòè äâå âåëè÷èíû îáû÷íî ïîñòóëèðóþòñÿ, è òîëüêî îíè èìåþò ôèçè÷åñêèé ñìûñë. ×àñòî èñïîëüçóþòñÿ è äðóãèå ôîðìû ïîòåíöèàëîâ, íî âñå îíè èìåþò íåêîòîðûå ñòðàííîñòè, êîòîðûå îáû÷íî íå îáñóæäàþòñÿ. Íàïðèìåð, ïðèíÿòî âûáèðàòü ìèíèìóì ïîòåíöèàëà îêîëî çíà÷åíèÿ j = 0. Íî åñëè âñå çíà÷åíèÿ ïîëÿ j íåïîñðåäñòâåííîãî ôèçè÷åñêîãî ñìûñëà íå èìåþò (à òîëüêî ýíåðãèÿ), òî ïî÷åìó îòäàåòñÿ ïðåäïî÷òåíèå èìåííî âåëè÷èíå j = 0? Êðîìå òîãî, ïðè ïëàíêîâñêèõ ïëîòíîñòÿõ ýíåðãèè êâàíòîâûå ôëóêòóàöèè çàâåäîìî âåëèêè, è, çíà÷èò, ïðè çíà÷åíèÿõ ïîëÿ j > jP , ïðè êîòîðûõ ïîòåíöèàëû ñòàíîâÿòñÿ áîëüøå ïëàíêîâ-

244

Ãëàâà 5. Êîíñòðóêòîð âñåëåííûõ

ñêîé ïëîòíîñòè, îíè òåðÿþò âñÿêèé ñìûñë. Ýòî îçíà÷àåò, ÷òî, ôèêñèðóÿ âèä ïîòåíöèàëà, ìû ñðàçó ñîçäàåì ñåáå ïðîáëåìû ïðè âûñîêèõ ïëîòíîñòÿõ ýíåðãèè. Åùå îäèí âàæíûé âîïðîñ ê áóäóùåé ñâåðõòåîðèè, îäíîçíà÷íî âûòåêàþùèé èç âñåãî ñêàçàííîãî â ýòîé ãëàâå. Çàêîíû Ïðèðîäû, êîòîðûå åùå ïðåäñòîèò îòêðûòü, äîëæíû îáúÿñíÿòü çíà÷åíèÿ ìàññ âñåõ ÷àñòèö, êîíñòàíòû âçàèìîäåéñòâèÿ, ñïèíû è ò. ä. Ýòè çàêîíû îáúåêòèâíî ñóùåñòâóþò è, êîíå÷íî, íèêàêîé ñâÿçè ñ ðàçóìíîé æèçíüþ íå ïîääåðæèâàþò. Îäíàêî îíè, çàêîíû, êàê áóäòî ñïåöèàëüíî ïðèâîäÿò ê òàêèì ïàðàìåòðàì (ìàññàì è ò. ä.) Âñåëåííîé, ÷òîáû ðàçóìíàÿ æèçíü ìîãëà âîçíèêíóòü. Áóäóùàÿ ñâåðõòåîðèÿ äîëæíà, êðîìå âñåãî ïðî÷åãî, ðàçðåøèòü ýòó çàãàäêó. Òàêîé òåîðèè ó íàñ ïîêà íåò. Òåì íå ìåíåå ìû ìîæåì ïðîàíàëèçèðîâàòü ðàçëè÷íûå âàðèàíòû ðåøåíèÿ ïðîáëåìû, íå âäàâàÿñü â äåòàëè èõ îñóùåñòâëåíèÿ. Óïðîñòèì ñåáå çàäà÷ó è áóäåì ñëåäèòü ëèøü çà ïîëîæåíèåì ìèíèìóìîâ ïîòåíöèàëà. Âûäåëåííàÿ ðîëü ìèíèìóìîâ ñîñòîèò â òîì, ÷òî ïîëå, ïðåäîñòàâëåííîå ñàìî ñåáå, ñòðåìèòñÿ èìåííî ê òàêîìó ñîñòîÿíèþ, ïðè êîòîðîì ïîòåíöèàë ìèíèìàëåí. Òàê æå è øàðèê ñêàòûâàåòñÿ ñ ãîðêè âíèç è ïîñëå íåäîëãèõ òåëîäâèæåíèé ðàñïîëàãàåòñÿ â äîëèíå. Èòàê, ìû æèâåì â îäíîì èç ìèíèìóìîâ. Êàêîâû æå âàðèàíòû èõ ðàñïîëîæåíèÿ, ò. å. ïðè êàêèõ çíà÷åíèÿõ ïîëÿ j ôóíêöèÿ V(j) ìèíèìàëüíà? Âàðèàíò 1. Çíà÷åíèå ïîëÿ j = 0 äåéñòâèòåëüíî âûäåëåíî. Ìèíèìóì (èëè êîíå÷íîå ÷èñëî ìèíèìóìîâ) ïîòåíöèàëà ðàñïîëîæåí(û) îêîëî íóëåâîãî çíà÷åíèÿ ïîëÿ, è äðóãèõ ìèíèìóìîâ íå ñóùåñòâóåò (ðèñ. 5.4). Ýòî äåéñòâèòåëüíî ìîæåò èìåòü ìåñòî, íàïðèìåð â ìíîãîìåðíûõ òåîðèÿõ, ãäå ïîëå j ñâÿçàíî ñ ðàçìåðîì äîïîëíèòåëüíîãî ïðîñòðàíñòâà. Ðèñ. 5.4. Ïîòåíöèàë ñ êîíå÷íûì ÷èñÒàêîé âàðèàíò âîçìîæåí, ëîì ìèíèìóìîâ, ðàñïîëîæåííûõ îêîëî íóëåâîãî çíà÷åíèÿ ïîëÿ. íî îòâåò íà «àíòðîïíóþ Ñëó÷àéíûé ïîòåíöèàë

245

Ðèñ. 5.5. Ïîòåíöèàë ñ áåñêîíå÷íûì ÷èñëîì ìèíèìóìîâ, ðàñïîëîæåííûõ ñîãëàñíî íåêîåìó çàêîíó.

ïðîáëåìó» (ïî÷åìó ïàðàìåòðû òåîðèè ïðèâîäÿò ê ïîÿâëåíèþ æèçíè) âðÿä ëè áóäåò ïîëó÷åí. Âàðèàíò 2. ×èñëî ìèíèìóìîâ ïîòåíöèàëà áåñêîíå÷íî âåëèêî. Îíè ðàñïîëîæåíû ïî íåêîòîðîìó, íåèçâåñòíîìó íàì ïîêà çàêîíó. Âîçìîæíûé âàðèàíò ïðåäñòàâëåí íà ðèñ. 5.5. Áóäóùàÿ òåîðèÿ, êîíå÷íî, îáúÿñíèò, ïî êàêîìó èìåííî çàêîíó, íî «àíòðîïíàÿ ïðîáëåìà» è çäåñü îñòàåòñÿ àêòóàëüíîé, õîòÿ è â îñëàáëåííîì âèäå. Äåéñòâèòåëüíî, ïî÷åìó â ñ÷åòíîì íàáîðå ìèíèìóìîâ, ïîä÷èíÿþùèõñÿ îïðåäåëåííîìó çàêîíó, äîëæåí ñóùåñòâîâàòü íåêèé óíèêàëüíûé ìèíèìóì, ñ òî÷íåéøåé ïîäñòðîéêîé ïàðàìåòðîâ, ïðèâîäÿùèõ ê ïîÿâëåíèþ æèçíè? Ýòî ìàëîâåðîÿòíàÿ ñèòóàöèÿ. Âàðèàíò 3. ×èñëî ìèíèìóìîâ ïîòåíöèàëà áåñêîíå÷íî âåëèêî, íî ðàñïîëîæåíû îíè ñëó÷àéíûì îáðàçîì. Íà ðèñ. 5.6 èçîáðàæåíà ÷àñòü òàêîãî «ñëó÷àéíîãî» ïîòåíöèàëà. Âîò ýòîò âàðèàíò âïîëíå ñàìîñîãëàñîâàííî îòâå÷àåò íà àíòðîïíûé âîïðîñ: «ñëó÷àéíîñòü» îçíà÷àåò, ÷òî âåðîÿòíîñòü êàæäîãî ñëåäóþùåãî ìèíèìóìà áûòü ïîäõîäÿùèì äëÿ âîçíèêíîâåíèÿ ðà-

Ðèñ. 5.6. Ïîòåíöèàë ñ áåñêîíå÷íûì ÷èñëîì ìèíèìóìîâ, ðàñïîëîæåííûõ õàîòè÷íî.

246

Ãëàâà 5. Êîíñòðóêòîð âñåëåííûõ

çóìà íå ðàâíà íóëþ, õîòÿ è î÷åíü ìàëà. À ïîñêîëüêó ìèíèìóìîâ áåñêîíå÷íî ìíîãî, ïîäõîäÿùèé îáÿçàòåëüíî íàéäåòñÿ. Äðóãèå âàðèàíòû ïðèäóìàòü íåïðîñòî. Èòàê, ïîõîæå, ÷òî ëþáàÿ îäíîçíà÷íî çàäàííàÿ ôîðìà ïîòåíöèàëà ïðîòèâîðå÷èò ôàêòó ñóùåñòâîâàíèÿ ðàçóìà âî Âñåëåííîé, è íå âàæíî, âûäóìàí ïîòåíöèàë èç ãîëîâû èëè ïîëó÷åí êàê ñëåäñòâèå áóäóùåé ñâåðõòåîðèè. Ñëèøêîì ìàëà âåðîÿòíîñòü òîãî, ÷òî èçíà÷àëüíî çàêëàäûâàåìûå ñâîéñòâà ìèðà áóäóò ïðèãîäíû äëÿ ðàçóìíîé æèçíè. Ñêîðåå âñåãî, ðåàëèçóåòñÿ òðåòèé âàðèàíò, è áóäóùàÿ òåîðèÿ äîëæíà óêàçàòü ïóòü ê åãî ðåàëèçàöèè. Êàêóþ æå èíôîðìàöèþ ìîæíî èçâëå÷ü, ñëåäóÿ âàðèàíòó ¹ 3, ò. å. ïðåäïîëàãàÿ, ÷òî ïîòåíöèàë — ñëó÷àéíàÿ ôóíêöèÿ? Íåñêîëüêî ëåò íàçàä àâòîðó óäàëîñü ïîêàçàòü, ÷òî ïîäîáíûé ïîäõîä èìååò ðÿä ïðåèìóùåñòâ è ÿâëÿåòñÿ ñàìîñîãëàñîâàííûì. Äàëåå ýòî äåìîíñòðèðóåòñÿ íà îäíîì ïðèìåðå. Îòñòóïëåíèå. Êîëè÷åñòâî ìèíèìóìîâ ñëó÷àéíîãî ïîòåíöèàëà

Ïðåæäå âñåãî ñôîðìóëèðóåì áîëåå òî÷íî ïîíÿòèå ñëó÷àéíîãî ïîòåíöèàëà. Ïóñòü èìååòñÿ ïëîòíîñòü âåðîÿòíîñòè P(V,j), îïðåäåëÿþùàÿ âåðîÿòíîñòü dP = P(V,j)dV íàéòè çíà÷åíèå ïîòåíöèàëà V â èíòåðâàëå dV, åñëè çíà÷åíèå ïîëÿ ðàâíî j. Èìåííî ôóíêöèþ P(V,j) äîëæíà áóäåò îïðåäåëèòü áóäóùàÿ òåîðèÿ, ñåé÷àñ æå ìû ìîæåì òîëüêî êîíñòàòèðîâàòü ôàêò åå ñóùåñòâîâàíèÿ. Òåïåðü åäèíñòâåííîå, ÷òî íàì íóæíî, — ýòî ñôîðìóëèðîâàòü óòâåðæäåíèå-ïîñòóëàò: Ïóñòü ïðè íåêîòîðîì çíà÷åíèè ïîëÿ j0 èçâåñòíî çíà÷åíèå ïîòåíöèàëà V0. Òîãäà ñóùåñòâóåò òàêîå F (0 < F < ¥), ÷òî äëÿ ëþáûõ V è j, òàêèõ, ÷òî |j–j0| > F, âûïîëíÿåòñÿ óñëîâèå P(V,j) > 0, íå çàâèñÿùåå îò j0. Ñòðîãèì ñëåäñòâèåì ýòîãî ïîñòóëàòà ÿâëÿåòñÿ íàëè÷èå áåñêîíå÷íîãî ÷èñëà ìèíèìóìîâ. Äëÿ äîêàçàòåëüñòâà ïðåäïîëîæèì îáðàòíîå: íà÷èíàÿ ñ íåêîòîðîãî çíà÷åíèÿ ïîëÿ j1 ìèíèìóìû îòñóòñòâóþò, è, ñëåäîâàòåëüíî, ôóíêöèÿ V(j) ñòðîãî ïîëîæèòåëüíà (èëè ñòðîãî îòðèöàòåëüíà). Òîãäà ïëîòíîñòü âåðîÿòíîñòè P(V < 0,j) = 0 (èëè P(V > 0,j)=0 ñîîòâåòñòâåííî) äëÿ ëþáûõ |j|> j1. Íî ýòî ïðîòèâîðå÷èò ïîñòóëàòó. Çíà÷èò, ÷èñëî ìèíèìóìîâ ÁÅÑÊÎÍÅ÷ÍÎ è ïîòåíöèàë âûãëÿäèò ïðèìåðíî òàê, êàê ïîêàçàíî íà ðèñ. 5.6. Êàê óæå óïîìèíàëîñü, íàøà Âñåëåííàÿ ðàñïîëîæåíà â îäíîì èç ìèíèìóìîâ ïîòåíöèàëà.

Èç âñåé ëîãèêè ïðåäûäóùåãî îáñóæäåíèÿ âûòåêàåò, ÷òî âåðîÿòíîñòü íàéòè çíà÷åíèå ïîòåíöèàëà â ìèíèìóìå, ò. å. â Ñëó÷àéíûé ïîòåíöèàë

247

òî÷êàõ m–1, m, m + 1, òî÷íî ðàâíûì íóëþ, áåñêîíå÷íî ìàëà. Ýòî çíà÷èò, ÷òî â íàøåé Âñåëåííîé, íàõîäÿùåéñÿ, ñêàæåì, â ìèíèìóìå m, ïëîòíîñòü ýíåðãèè âàêóóìà îáÿçàòåëüíî îòëè÷ íà îò íóëÿ. Êàê ìû çíàåì, íàáëþäàòåëüíûå äàííûå êàê ðàç è ïîäòâåðæäàþò ýòî. Êñòàòè, åñëè â áóäóùåì îêàæåòñÿ, ÷òî ïëîòíîñòü ýíåðãèè âàêóóìà âñå-òàêè ðàâíà íóëþ, ýòî îïðîâåðãíåò âñþ êîíñòðóêöèþ, îïèñàííóþ âûøå. Òî, ÷òî èìååòñÿ ïðèíöèïèàëüíàÿ âîçìîæíîñòü îïðîâåðãíóòü êàêóþ-ëèáî òåîðèþ, ÿâëÿåòñÿ ïîëîæèòåëüíûì ìîìåíòîì äëÿ íåå. Ñòðàííî âûãëÿäåëà áû òåîðèÿ, ëåãêî ïðèñïîñàáëèâàþùàÿñÿ ê íîâûì ýêñïåðèìåíòàëüíûì äàííûì. Ýòî îçíà÷àëî áû íóëåâóþ ïðåäñêàçàòåëüíóþ ñèëó òàêîé òåîðèè. È åùå îäèí ìîìåíò. Êàê èçâåñòíî, íàáëþäàåìîå çíà÷åíèå ïëîòíîñòè ýíåðãèè âàêóóìà êðàéíå ìàëî. Åå åñòåñòâåííîå çíà÷åíèå äîëæíî áûëî áû ñîñòàâëÿòü ~1 (â ïëàíêîâñêèõ åäèíèöàõ), íî îíà ðàâíà ïî ïîðÿäêó âåëè÷èíû 10–123! Ñîâðåìåííûå òåîðèè íå â ñîñòîÿíèè îáúÿñíèòü ýòîò ôàêò. Ñ ïîçèöèé æå ñëó÷àéíîãî ïîòåíöèàëà ñèòóàöèÿ âûãëÿäèò ñëåäóþùèì îáðàçîì. Èìååòñÿ áåñêîíå÷íîå ÷èñëî ìèíèìóìîâ, â êàæäîì èç êîòîðûõ, ñîãëàñíî ïîñòóëàòó, âåðîÿòíîñòü îáíàðóæèòü ïëîòíîñòü ýíåðãèè â ëþáîì ìàëîì èíòåðâàëå íå ðàâíà íóëþ. Çíà÷èò, âñåãäà íàéäóòñÿ ìèíèìóìû, ðàñïîëîæåííûå ñêîëü óãîäíî áëèçêî ê íóëþ. Äîëÿ èõ, êîíå÷íî, êðàéíå ìàëà, íî, ïîñêîëüêó âñåõ ìèíèìóìîâ áåñêîíå÷íî ìíîãî, ÷èñëî òàêèõ ìèíèìóìîâ òàêæå áåñêîíå÷íî. Èòàê, ñ òî÷êè çðåíèÿ ñëó÷àéíîãî ïîòåíöèàëà ìàëîå çíà÷åíèå ïëîòíîñòè ýíåðãèè îçíà÷àåò ëèøü òî, ÷òî äîëÿ âñåëåííûõ ñ òàêèì ñâîéñòâîì ìàëà. Ìû æèâåì â îäíîé èç íèõ, è íàì íåò äåëà äî îñòàëüíûõ âñåëåííûõ, ïîñêîëüêó âçàèìîäåéñòâèå ìåæäó âñåëåííûìè îòñóòñòâóåò.

Çàìå÷àíèå íàïîñëåäîê À òàê ëè óæ õîðîøî ïîçàáîòèëàñü Ïðèðîäà î äåòÿõ ñâîèõ? Èçáàâèëà ëè îíà íàñ îò îïàñíîñòè ãëîáàëüíûõ êàòàñòðîô, âåäóùèõ ê ãèáåëè âñåãî æèâîãî? Ïðèðîäíûå êàòàñòðîôû ïðîøëîãî âïîëíå ìîãëè ñòàòü ïðè÷èíîé ãèáåëè æèçíè íà Çåìëå. Ïåðâàÿ êàòàñòðîôà, ñîãëàñíî îäíîé èç ãèïîòåç, ïðîèçîøëà 2,3 ìëðä. ëåò íàçàä, â ïåðâûé

248

Ãëàâà 5. Êîíñòðóêòîð âñåëåííûõ

ëåäíèêîâûé ïåðèîä, êîãäà ëåä ïîêðûë Çåìëþ, âîçìîæíî, äà æå öåëèêîì. Ïðè÷èíû ñòîëü ãëóáîêîãî è äëèòåëüíîãî ïîõîëî äàíèÿ íà ïëàíåòå íå âïîëíå ÿñíû. Âûæèëè òîëüêî òå îäíîêëåòî÷íûå, êîòîðûå ñëó÷àéíî îêàçàëèñü â ìåñòàõ, íàãðåâàåìûõ òåïëîì, èäóùèì îò ÿäðà Çåìëè. Åùå îäíà êàòàñòðîôà ïðîèçîøëà 250 ìëí. ëåò íàçàä, íà ãðàíèöå ïàëåîçîÿ è ìåçîçîÿ, êîãäà ïîãèáëî îêîëî 90% ìîðñêèõ îðãàíèçìîâ. Òåïëî çåìíîãî ÿäðà, ñïàñøåå çàðîæäàâøóþñÿ æèçíü 2,5 ìëðä. ëåò íàçàä, ÷óòü íå âûçâàëî åå ãèáåëü: êîëîññàëüíûé âûáðîñ ïðîäóêòîâ âóëêàíèçìà â ðàéîíå íûíåøíåé Ñèáèðè 650 ìëí. ëåò íàçàä ïðèâåë ê êàòàñòðîôè÷åñêîìó ïàðíèêîâîìó ýôôåêòó. Òåìïåðàòóðà ïîâåðõíîñòè Çåìëè óâåëè÷èëàñü íà 10–20 °Ñ, ðåêè èñïàðèëèñü. Âòîðîé ëåäíèêîâûé ïåðèîä íà ãðàíèöå ìåçîçîÿ è êàéíîçîÿ, ïî ìíåíèþ ìíîãèõ áèîëîãîâ, ïðèâåë ê èçâåñòíîìó âûìèðàíèþ äèíîçàâðîâ. (×àñòü àâòîðîâ ñâÿçûâàåò ýòî âûìèðàíèå ñ ïàäåíèåì àñòåðîèäà, íî îíî åñëè è ñûãðàëî ðîëü, òî ëèøü äîïîëíèòåëüíóþ: «äîáèëî» âèäû, êîòîðûå è áåç ýòîãî øëè ê ñâîåìó êîíöó.) Âïðî÷åì, áèîñôåðà ïðåäñòàâëÿåò ñîáîé âåñüìà óñòîé÷èâóþ ñèñòåìó, ðàçðóøèòü êîòîðóþ ïîëíîñòüþ íå òàê-òî ïðîñòî.

Ãëàâà 6

ÆÈÇÍÜ ÖÈÂÈËÈÇÀÖÈÉ Îíè áóäóò ïðèëåæíî ñëóøàòü, íî íå óñëûøàò; îíè áóäóò âíèìàòåëüíî ñìîòðåòü, íî íå óâèäÿò. Åâàíãåëèå îò Ìàòôåÿ, 13 : 14

Â

íåçåìíîé ðàçóì, åãî ñóùåñòâîâàíèå, ïðîáëåìà îáíàðóæåíèÿ è âñòðå÷è ñ íèì — òåìà çàõâàòûâàþùàÿ. Íàâåðíîå, ïîýòîìó òàê âåëèêî ÷èñëî ïóáëèêàöèé íà ýòó òåìó, îò íàó÷íîôàíòàñòè÷åñêèõ ðîìàíîâ äî íàó÷íûõ ñòàòåé. Íàì òîæå ñòîèò îáñóäèòü íûíåøíþþ ñèòóàöèþ â äàííîì âîïðîñå. Ñ íàó÷íîé òî÷êè çðåíèÿ, ìû âñòóïàåì â íàèáîëåå ñïåêóëÿòèâíóþ îáëàñòü ñ áåäíûì ýêñïåðèìåíòàëüíûì è íàáëþäàòåëüíûì ìàòåðèàëîì. Ïî áîëüøîìó ñ÷åòó, èìååòñÿ âñåãî äâà íàáëþäàòåëüíûõ ôàêòà, îíè æå è òðèâèàëüíû: à) âî Âñåëåííîé ñóùåñòâóåò ïî êðàéíåé ìåðå îäíà öèâèëèçàöèÿ (íàøà) è á) õîòÿ ñâîéñòâà Âñåëåííîé îäèíàêîâû âî âñåõ åå çàêîóëêàõ, ñëåäîâ äðóãèõ öèâèëèçàöèé äî ñèõ ïîð íå îáíàðóæåíî. Òåì íå ìåíåå ëþáîçíàòåëüíàÿ ÷àñòü ÷åëîâå÷åñòâà êðàéíå çàèíòåðåñîâàíà ïðîáëåìîé ñîñåäåé ïî êîñìîñó è ðàçâèëà èíòåíñèâíóþ äåÿòåëüíîñòü ïî èõ ïîèñêó. Ïîíèìàÿ âñþ íåïîëíîòó íàøèõ çíàíèé î çàðîæäåíèè öèâèëèçàöèé, ïîïðîáóåì îöåíèòü âåðîÿòíîñòü âñòðå÷è ñ âíåçåìíûì ðàçóìîì. Äëÿ àíàëèçà âîçüìåì òîëüêî íàøó Ãàëàêòèêó ñ åå ñîòíåé ìèëëèàðäîâ çâåçä è ïîñìîòðèì, íàñêîëüêî áûñòðî ìîæåò ðàñøèðÿòüñÿ ñôåðà âëèÿíèÿ îäíîé öèâèëèçàöèè. Äëÿ íà÷àëà îöåíèì åå âîçðàñò. Íàøå Ñîëíöå çàæãëîñü 5 ìëðä. ëåò íàçàä, è ýòîãî âðåìåíè õâàòèëî íà îáðàçîâàíèå Çåìëè è íà òî, ÷òîáû ðàçóìíàÿ æèçíü ýâîëþöèîíèðîâàëà äî íàøåãî óðîâíÿ. Áóäåì ñ÷èòàòü, ÷òî ýòà öèôðà (5 ìëðä. ëåò) õàðàêòåðíà è äëÿ äðóãèõ öèâèëèçàöèé. Íî â íàøåé ãàëàêòèêå Ìëå÷íûé Ïóòü çâåçäû ðîæäàëèñü è äåñÿòü ìèëëèàðäîâ ëåò íàçàä.

250

Ãëàâà 6. Æèçíü öèâèëèçàöèé

Òîãäà ïîëó÷àåòñÿ, ÷òî ìîæåò ñóùåñòâîâàòü íåêàÿ öèâèëèçà öèÿ, êîòîðàÿ ñòàðøå íàñ íà 5 ìëðä. ëåò. Íå ðèñêóÿ åå îáè äåòü, áóäåì ñ÷èòàòü, ÷òî èçíà÷àëüíî îíà áûëà ïîõîæà íà íà øó. Çíà÷èò, èì, êàê è íàì, ïîòðåáîâàëîñü 10 òûñ. ëåò, ÷òîáû ïðîéòè ïóòü îò äèêîãî ñîñòîÿíèÿ äî êîñìè÷åñêèõ ïîëåòîâ. Äàæå åñëè äîáàâèòü åùå òûñÿ÷ó ëåò íà îñâîåíèå ìåæçâåçäíûõ ïåðåëåòîâ, ýòî íåáîëüøîé ñðîê ïî ñðàâíåíèþ ñ âðåìåíåì æèçíè äðåâíåé öèâèëèçàöèè è Ãàëàêòèêè â öåëîì. Èòàê, íåñêîëüêî ìèëëèàðäîâ ëåò íàçàä ïîÿâèëàñü öèâèëèçàöèÿ, ñòðåìÿùàÿñÿ îñâàèâàòü íîâûå ïëàíåòû (òàêàÿ ó íèõ öåëü). Îáû÷íî îöåíèâàåòñÿ êîëè÷åñòâî òàêèõ íåçàâèñèìûõ öèâèëèçàöèé. Ýòè îöåíêè ñîäåðæàò ìíîãî íåîïðåäåëåííîñòåé, íî çàáóäåì î íèõ íà âðåìÿ è ïðåäïîëîæèì, ÷òî ïîÿâèëàñü âñåãî îäíà öèâèëèçàöèÿ. Äàëåå äåëàåì ðàçóìíûå ïðåäïîëîæåíèÿ, êîòîðûå êàæäûé ÷èòàòåëü ñìîæåò çàòåì èçìåíÿòü ïî ñîáñòâåííîìó óñìîòðåíèþ. Áóäåì ñ÷èòàòü, ÷òî ýêñïàíñèÿ îñóùåñòâëÿåòñÿ ñëåäóþùèì îáðàçîì. Îò ïëàíåòû, çàñåëåííîé ïðà-öèâèëèçàöèåé, ñíàðÿæàåòñÿ òðè êîðàáëÿ, ëåòÿùèõ â ðàçíûå ñòîðîíû, ñ 1 òûñÿ÷åé ïîñåëåíöåâ è íåîáõîäèìîé òåõíèêîé. Êîðàáëè äîëåòàþò äî áëèæàéøèõ ïîäõîäÿùèõ çâåçä, è ïðà-ëþäè ïîñåëÿþòñÿ òàì. Ðàññòîÿíèå ìåæäó çâåçäàìè L ~ 1 ïàðñåê, ñêîðîñòü êîðàáëÿ v = 0,2 c (1/5 ñêîðîñòè ñâåòà), òàê ÷òî ëåòåòü îíè áóäóò 20 ëåò. Âûáðàííàÿ ñêîðîñòü êîðàáëÿ êàæåòñÿ ñåé÷àñ íåäîñòèæèìîé, íî íå áóäåì çàáûâàòü î âîçðàñòå öèâèëèçàöèè, à çíà÷èò, è î åå âîçìîæíîñòÿõ. Äà è ñåé÷àñ óæå ðàçðàáàòûâàþòñÿ ïàðóñà, èñïîëüçóþùèå ñîëíå÷íûé âåòåð — ïîòîê ýëåìåíòàðíûõ ÷àñòèö îò Ñîëíöà, êîòîðûé ïðèäàñò íà÷àëüíóþ ñêîðîñòü ìåæçâåçäíîìó êîðàáëþ. Î÷åíü âàæíî, ÷òîáû ïàðóñ áûë êàê ìîæíî áîëåå ëåãêèì; äîñòèãíóòûé ñåé÷àñ ðåçóëüòàò — â 50 ðàç òîíüøå ëèñòà áóìàãè ïðè ðàçìåðå â 20 ì. Íî âîò ïåðåñåëåíöû ëåò ÷åðåç 20 äîñòèãëè ïîäõîäÿùåé ïëàíåòû. Äàäèì èì åùå ëåò 300 ñïîêîéíî ïîæèòü è ðàçìíîæèòüñÿ, ÷òîáû îíè áûëè â ñîñòîÿíèè ïîâòîðèòü îïåðàöèþ — îòïðàâèòü åùå 3 òàêèõ æå êîðàáëÿ ê ñëåäóþùèì çâåçäàì. Ïðè òàêèõ ïðåäïîëîæåíèÿõ ïîñåëåíöû áóäóò ðàñïðîñòðàíÿòüñÿ ïî ãàëàêòèêå ñî ñêîðîñòüþ 1 ïàðñåê â 320 ëåò. Ðàçìåð Æèçíü öèâèëèçàöèé

251

íaøåé Ãàëàêòèêè — 60 êèëîïàðñåê, è, ÷òîáû çàñåëèòü åå âñþ, ïîòðåáóåòñÿ ïîâòîðèòü îïåðàöèþ 60 òûñÿ÷ ðàç. Íåòðóäíî ïîäñ÷èòàòü, ÷òî ÷åðåç 20 ìëí ëåò îäíà-åäèíñòâåííàÿ öèâèëèçàöèÿ çàïîëíèò âñþ Ãàëàêòèêó. Êîíå÷íî, ìû ïîëó÷èëè ëèøü ãðóáóþ îöåíêó. Íåó÷òåííûå ôàêòîðû ìîãóò èçìåíèòü ðåçóëü òàò â òó èëè äðóãóþ ñòîðîíó. Íàïðèìåð, ñîëèäíîå ÷èñëî çâåçä ñîñðåäîòî÷åíî áëèçêî ê öåíòðó Ãàëàêòèêè, è ðàññòîÿ íèå ìåæäó íèìè ãîðàçäî ìåíüøå 1 ïàðñåêà. Êðîìå òîãî, äàëåêî íå âñå çâåçäû èìåþò ïîäõîäÿùèå ïëàíåòû, è íà èõ çàñåëå íèå íå áóäåò ïîòðà÷åíî âðåìÿ. Òåì íå ìåíåå ýòà öèôðà — 20 ìëí ëåò — ñëèøêîì ìàëà ïî ñðàâíåíèþ ñî âðåìåíåì æèçíè äðåâíåé öèâèëèçàöèè â íåñêîëüêî ìèëëèàðäîâ ëåò, ÷òîáû ïî ïðàâêè ê íåé èçìåíèëè äàëüíåéøèå âûâîäû. Ñêîëüêî çâåçä ìîæíî çàñåëèòü ïîäîáíûì îáðàçîì? Ýòî òàêæå íåòðóäíî îöåíèòü: íà êàæäûé öèêë çàñåëåíèÿ ïîòðåáóåòñÿ 3 êîðàáëÿ, êàæäûé êîðàáëü îñâîèò îäíó ïëàíåòó, âñåãî 104 öèêëîâ. Èòîãî 310 000 = 104 771 ïëàíåò, ÷òî ìíîãî äàæå äëÿ âñåé Âñåëåííîé, à íå òîëüêî äëÿ íàøåé Ãàëàêòèêè. Êàê âèäíî, íå îáÿçàòåëüíî ïîñûëàòü ïî 3 êîðàáëÿ, îäíîãî-äâóõ îêàæåòñÿ äîñòàòî÷íî. Èòàê, çà 20 ìëí. ëåò Ãàëàêòèêà ìîæåò áûòü ïîëíîñòüþ çàñåëåíà êîëîíèÿìè òîëüêî îäíîé öèâèëèçàöèè. Ýòî î÷åíü ìàëûé ñðîê ïî ñðàâíåíèþ ñî âðåìåíåì ñóùåñòâîâàíèÿ Ãàëàêòèêè, òàê ÷òî ìû äîëæíû áûëè áû ïîÿâèòüñÿ, êîãäà âñå ìåñòà çàíÿòû è áàíêåò â ðàçãàðå. È ãäå æå îíè, êîëîíèñòû, öèâèëèçàöèÿ êîòîðûõ íàñ÷èòûâàåò ìèëëèàðäû ëåò? Ïî÷åìó íå âñòóïàþò ñ íàìè â êîíòàêò? Ïî÷åìó ïîèñêè ñëåäîâ èõ æèçíåäåÿòåëüíîñòè ïîêà áåçóñïåøíû? Ïîïðîáóåì ïåðå÷èñëèòü õîòÿ áû îñíîâíûå âàðèàíòû. 1. Âîçíèêíîâåíèå æèçíè, à òåì áîëåå ðàçóìíîé, — ðåäêîå ÿâëåíèå, äàæå ïðè íàëè÷èè ïîäõîäÿùèõ ïëàíåò. Ìû — ïåðâûå â Ãàëàêòèêå, à ñêîðåå âñåãî, è â íàøåé Âñåëåííîé. 2. Ñðîê ñóùåñòâîâàíèÿ öèâèëèçàöèè íå î÷åíü âåëèê. 3. Ïåðåìåùåíèå â êîñìîñå îïàñíî, è ðàçóìíûå ñóùåñòâà èçáåãàþò ýòîãî. Äåéñòâèòåëüíî, åñëè â ãàëàêòèêå èìååòñÿ ìíîæåñòâî íåáîëüøèõ ÷åðíûõ äûð èëè êðîòîâûõ íîð, òî ñòîëêíîâåíèå ñ îäíîé èç íèõ ÷ðåâàòî íåïðèÿòíûìè ïîñëåäñòâèÿìè.

252

Ãëàâà 6. Æèçíü öèâèëèçàöèé

4. Âîçìîæíî, ÷òî ìû èì ïðîñòî íåèíòåðåñíû. 5. Èì íåèíòåðåñíà ýêñïàíñèÿ ñîáñòâåííîé öèâèëèçàöèè. 6. Ìû åùå íå â ñîñòîÿíèè âîñïðèíèìàòü èõ ñèãíàëû. Ðàçáåðåìñÿ ñ êàæäîé âîçìîæíîñòüþ. 1. Âîçíèêíîâåíèå æèçíè — ðåäêîå ÿâëåíèå. Âîçìîæíî, ÷òî ýòî äåéñòâèòåëüíî òàê, íî ìû åùå íåäîñòàòî÷íî ïðîäâèíóëèñü, ÷òîáû äàæå îöåíèòü âåðîÿòíîñòü ýòîãî. Òàêèå îöåíêè, êîíå÷íî, äåëàþòñÿ, íî âûâîäû ñèëüíî çàâèñÿò îò òîãî, ÷òî êîíêðåòíûé àâòîð õî÷åò äîêàçàòü, à òàêæå îò èñõîäíûõ ïðåäïîñûëîê. Íàïðèìåð, äîëãî ñ÷èòàëîñü, ÷òî æèçíü çàðîæäàëàñü â òåïëîì áóëüîíå èç ðàñòâîðåííûõ â âîäå õèìè÷åñêèõ êîìïîíåíòîâ. Íî, ïî-âèäèìîìó, æèçíü íà Çåìëå âîçíèêëà ìèëëèàðäà 4 ëåò íàçàä.  òî âðåìÿ óñëîâèÿ íà Çåìëå áûëè äàëåêè îò èäèëëè÷åñêîãî òåïëîãî áóëüîíà — øåë ïðîöåññ ôîðìèðîâàíèÿ ïëàíåòíîé ñèñòåìû âîêðóã Ñîëíöà, ñîïðîâîæäàâøèéñÿ ìíîãî÷èñëåííûìè ñòîëêíîâåíèÿìè òâåðäûõ òåë ñàìîé ðàçíîé ìàññû. Íà Çåìëþ ïàäàëè ìåòåîðèòû, áîëüøèå è ìàëåíüêèå, ÷òî ïðèâîäèëî ê ñïîíòàííîìó è ðåçêîìó íàãðåâó ïîâåðõíîñòè, âîäà èñïàðÿëàñü. Ñîãëàñíî îäíîé èç òåîðèé, æèçíü ìîãëà çàðîäèòüñÿ ãëóáîêî ïîä Çåìëåé, â íåñêîëüêèõ êèëîìåòðàõ îò ïîâåðõíîñòè. Èíòåðåñíî, ÷òî ïðîáû âåùåñòâà, ïîäíÿòîãî ñ áîëüøîé ãëóáèíû, äàëè ïîëîæèòåëüíûé ðåçóëüòàò — ñëåäû æèçíè äåéñòâèòåëüíî áûëè íàéäåíû! Âèäèìî, òàêàÿ ôîðìà æèçíè íå ìîæåò áûòü îñíîâàíà íà ïîòðåáëåíèè êèñëîðîäà, ïîñêîëüêó ãëóáîêî ïîä çåìëåé åãî ìàëî. Èçâåñòíî, ÷òî ïîäîáíûå îðãàíèçìû — ýêñòðåìîôèëû — ñóùåñòâóþò è ñåé÷àñ, îíè áûëè íàéäåíû â ãîðÿ÷èõ ñåðíûõ èñòî÷íèêàõ. Òàêèì îáðàçîì, ÷òîáû îöåíèòü âåðîÿòíîñòü âîçíèêíîâåíèÿ æèçíè, íàäî ó÷åñòü âñå âîçìîæíîñòè, ÷òî íå ïðåäñòàâëÿåòñÿ ðåàëüíûì. Îäíàêî íàäî ïðèçíàòü, ÷òî æèçíü ìîæåò ñóùåñòâîâàòü ïðè ãîðàçäî áîëåå ñóðîâûõ óñëîâèÿõ, ÷åì êàçàëîñü äî ñèõ ïîð. Òàê, ìîõ, âûñòàâëåííûé íà äâå íåäåëè â îòêðûòûé êîñìîñ, ïåðåíåñ ýòî èñïûòàíèå áåç âðåäà äëÿ ñåáÿ. 2. Ñðîê ñóùåñòâîâàíèÿ öèâèëèçàöèè íå î÷åíü âåëèê. Ìàëîïðèÿòíàÿ ïåðñïåêòèâà, è, ÷òîáû îöåíèòü âàðèàíòû ðàçâèòèÿ ñîáûòèé, îãëÿíåìñÿ íà ñåáÿ. Æèçíü öèâèëèçàöèé

253

Âî-ïåðâûõ, íà ïðîòÿæåíèè âñåé ñâîåé èñòîðèè ÷åëîâå÷åñòâî çàíèìàëîñü ñàìîóíè÷òîæåíèåì.  êîíöå êîíöîâ îíî ìîæåò ïðåóñïåòü â ýòîì. Ê êàòàñòðîôå ñïîñîáíû ïðèâåñòè ãëîáàëèçàöèÿ òåððîðèçìà, ñëó÷àéíûå óòå÷êè âðåäîíîñíûõ áàêòåðèé, âîçíèêíîâåíèå íîâûõ ýïèäåìèé íàïîäîáèå ÑÏÈÄà. Êàæäàÿ èç âîçìîæíîñòåé ïðåäñòàâëÿåòñÿ ìàëîâåðîÿòíîé, íî îíà ñóùåñòâóåò, è çà äëèòåëüíûé ïðîìåæóòîê âðåìåíè âåðîÿòíîñòü âïîëíå ìîæåò ïðèáëèçèòüñÿ ê åäèíèöå. Âî-âòîðûõ, ÷åëîâå÷åñòâî ñòàëî ãëîáàëüíûì ôàêòîðîì, óíè÷òîæàþùèì åñòåñòâåííûå ñâÿçè, êîòîðûå óñòàíàâëèâàëèñü ìèëëèîíû ëåò. Ìîæíî äîëãî ïåðå÷èñëÿòü ïðèìåðû âûìèðàíèÿ âèäîâ, çàãðÿçíåíèÿ àòìîñôåðû è ò. ä. Òåì íå ìåíåå äóìàþ, ÷òî öèâèëèçàöèÿ ñïîñîáíà ñïðàâèòüñÿ ñ ýòèìè ïðîáëåìàìè. Íå íàøà öèâèëèçàöèÿ, òàê äðóãàÿ. Ýòî çíà÷èò, ÷òî âûøåíàçâàííûå ïðè÷èíû âðÿä ëè ñëóæàò ïðè÷èíîé ãèáåëè âñåõ öèâèëèçàöèé â Ãàëàêòèêå. Íî åñòü íå î÷åíü çàìåòíûé ôàêòîð, êîòîðûé ìîæåò ïðèâåñòè ê ñåðüåçíûì ïîñëåäñòâèÿì. ×òî ñàìîå ïå÷àëüíîå, ñåé÷àñ íå ÿñíî, êàê åãî èñêëþ÷èòü. Ýòîò ôàêòîð — îòñóòñòâèå åñòåñòâåííîãî îòáîðà. ×åëîâå÷åñòâî ëèáî èñêëþ÷èëî åñòåñòâåííûé îòáîð, ëèáî èçìåíèëî åãî íàïðàâëåíèå, è íåèçâåñòíî, ÷òî õóæå. Ïå÷àëüíî òî, ÷òî íàñóùíî íåîáõîäèìûé äëÿ ÷åëîâå÷åñêîãî ñîîáùåñòâà åñòåñòâåííûé îòáîð (ñëàáûå ïîãèáàþò, íå äàâ ïîòîìñòâà) ïðîòèâîðå÷èò ñàìèì ïðèíöèïàì ãóìàííîãî îáùåñòâà, áåç êîòîðûõ ñóùåñòâîâàíèå öèâèëèçàöèè òàêæå ïðîáëåìàòè÷íî. 3. Ïåðåìåùåíèå â êîñìîñå îïàñíî. Âîîáùå ãîâîðÿ, ýòîò àðãóìåíò íå ïðåäñòàâëÿåòñÿ î÷åíü ñåðüåçíûì.  êîíöå êîíöîâ, íàøà ïëàíåòà òîæå «ïåðåìåùàåòñÿ â êîñìîñå» ñî ñêîðîñòüþ 29 êì/ñ âîêðóã Ñîëíöà, äà è ñàìî Ñîëíöå ÿâëÿåòñÿ îäíîé èç òèïè÷íûõ çâåçä, ñêîðîñòü äâèæåíèÿ êîòîðûõ âîêðóã öåíòðà ãàëàêòèêè ñîñòàâëÿåò ïðèìåðíî 200 êì/ñ. È íè÷åãî ñòðàøíîãî ñ Çåìëåé äî ñèõ ïîð íå ïðîèçîøëî. ×òîáû ïîíÿòü, íàñêîëüêî àðãóìåíò îá îïàñíîñòÿõ êîñìîñà ñóùåñòâåíåí, ðàññìîòðèì âîçìîæíîñòü è ïîñëåäñòâèÿ ñòîëêíîâåíèÿ ñ ÷åðíîé äûðîé. Ïî-âèäèìîìó, ýòî íàèáîëåå íåïðèÿòíûé âàðèàíò èç èçâåñòíûõ — âåäü óâèäåòü ÷åðíóþ äûðó è

254

Ãëàâà 6. Æèçíü öèâèëèçàöèé

ïðåäîòâðàòèòü ñòîëêíîâåíèå ñ íåé íå òàê ïðîñòî. Ïðåæäå âñåãî îöåíèì èõ êîëè÷åñòâî â ãàëàêòèêå. Áóäåì ñ÷èòàòü, ÷òî âñÿ ñêðûòàÿ ìàññà ãàëàêòèêè çàêëþ÷åíà â ÷åðíûõ äûðàõ. Ñêîðåå âñåãî, ýòî íå òàê, íî ëó÷øå ïåðåîöåíèòü îïàñíîñòü, ÷åì íåäîîöåíèòü. Èòàê, ïóñòü ñóììàðíàÿ ìàññà âñåõ ÷åðíûõ äûð Ì×Ä =1012 M¤ =1045 ã. ×åðíûõ äûð ñ ìàññîé, ìåíüøåé, ÷åì Ììèí = 1015 ã (ìèëëèàðä òîíí!), áûòü íå äîëæíî: âñå îíè èñïàðèëèñü çà âðåìÿ ñóùåñòâîâàíèÿ Âñåëåííîé áëàãîäàðÿ ýôôåêòó, îòêðûòîìó Ñòèâåíîì Õîêèíãîì. Çíà÷èò, òàêèõ ÷åðíûõ äûð íå áîëüøå, ÷åì N×Ä = Ì×Ä/Ììèí =1030. Êîñìè÷åñêèé êîðàáëü, ñîâåðøèâ ïåðåëåò äëèíîé l, «çàìåòåò» îáúåì V = Sl, ãäå S — ïëîùàäü ïîïåðå÷íîãî ñå÷åíèÿ êîðàáëÿ. Íå áóäåì ñêóïèòüñÿ è ïîñòðîèì êîðàáëü ñ ïëîùàäüþ S = 1 êì2 . Äî ñîñåäíèõ çâåçä â ñðåäíåì 5 ïàðñåê. Çíà÷èò, îáúåì, â êîòîðîì ïîáûâàåò êîðàáëü çà âðåìÿ ïîëåòà, V = Sl ~ 10–26 (ïê3). Êîëè÷åñòâî ÷åðíûõ äûð â ýòîì îáúåìå (èìåííî ñòîëüêî ñòîëêíåòñÿ ñ êîðàáëåì ) ëåãêî âû÷èñëÿåòñÿ: n=

V N×Ä . V Gal

Îáúåì íàøåé Ãàëàêòèêè VGal = 1011 ïê3, ÷òî äàåò îäíî ñòîëêíîâåíèå íà 107 ïåðåëåòîâ. Ýòî íå òàê óæ è ìàëî — âåäü ìû ìîãëè íå ó÷åñòü, íàïðèìåð, êîððåëÿöèè ïëîòíîñòè ÷åðíûõ äûð è çâåçä (ðàçóìíî ïðåäïîëîæèòü, ÷òî ÷åì áîëüøå ïëîòíîñòü çâåçä, òåì áîëüøå ïëîòíîñòü ÷åðíûõ äûð). Ïîýòîìó ñòîèò ïîñâÿòèòü íåêîòîðîå âðåìÿ ïîñëåäñòâèÿì âñòðå÷è ÷åðíîé äûðû ñ êîðàáëåì. Èòàê, êîðàáëü, ëåòÿùèé ñ ñóáñâåòîâîé ñêîðîñòüþ, ñòàëêèâàåòñÿ ñ ÷åðíîé äûðîé ìàññîé â ìèëëèàðä òîíí.  âîîáðàæåíèè ðèñóþòñÿ êàðòèíû ãèáåëè Òèòàíèêà è ïðî÷èå íåïðèÿòíîñòè. Íî ÷åðíàÿ äûðà — íåîáû÷íûé îáúåêò. Âñÿ åãî ìàññà çàêëþ÷åíà ïîä åãî ñôåðîé Øâàðöøèëüäà, ðàäèóñ êîòîðîé äëÿ äàííîé ìàññû ðàâåí ïðèìåðíî 10–13 ñì. Ýòî â ñòî òûñÿ÷ ðàç ìåíüøå ðàçìåðà àòîìà. Âðÿä ëè ïîâðåæäåíèÿ, íàíåñåííûå òaêèì ñíàðÿäîì, áóäóò íåïîïðàâèìûìè. Êîíå÷íî, ïðîëåòàÿ Æèçíü öèâèëèçàöèé

255

ìèìî ÷àñòèö â àòîìàõ, ÷åðíàÿ äûðà èçìåíèò òðàåêòîðèè ýòèõ ÷àñòèö ñâîèì ãðàâèòàöèîííûì ïîëåì.  óñëîâèÿõ ïîñòàâëåííîé çàäà÷è íåòðóäíî îöåíèòü äîïîëíèòåëüíóþ ñêî ðîñòü, ïðèîáðåòàåìóþ ÷àñòèöåé, — ïðèìåðíî 10 ì/ñ. Ýòî ñîâñåì ìàëî ïî ñðàâíåíèþ ñî ñêîðîñòüþ òåïëîâîãî, õàîòè÷åñêîãî äâèæåíèÿ ÷àñòèö â ñîòíè ìåòðîâ â ñåêóíäó è òåì áîëåå ìàëî ïî ñðàâíåíèþ ñî ñêîðîñòüþ ýëåêòðîíîâ â àòîìàõ. ×òîáû âîçíèêëè ïðîáëåìû, ðàçìåð ïîâðåæäåíèé äîëæåí áûòü êàê ìèíèìóì ñ àòîì. Çíà÷èò, ÷åðíàÿ äûðà äîëæíà áûòü â ñòî òû ñÿ÷ ðàç ìàññèâíåå ìèíèìàëüíîãî çíà÷åíèÿ, ïîñêîëüêó — åùå îäíà ñòðàííîñòü ÷åðíûõ äûð — èõ ìàññà ïðîïîðöèîíàëüíà ðàäèóñó, à íå îáúåìó, êàê ó âñåõ íîðìàëüíûõ òåë. Íî òîãäà èõ äîëæíî áûòü â òå æå ñòî òûñÿ÷ ðàç ìåíüøå â ãàëàêòèêå, ïîñêîëüêó èõ ñóììàðíàÿ ìàññà îñòàåòñÿ ïðåæíåé — 1012 M¤.  ýòîì ñëó÷àå âåðîÿòíîñòü ñòîëêíîâåíèÿ äåéñòâèòåëüíî ìaëà. Ïîñëåäíèå òðè âîçìîæíîñòè (4–6) íåñêîëüêî áîëåå îïòèìèñòè÷íû. Ïðåäïîëîæèì, ÷òî öèâèëèçàöèè â Ãàëàêòèêå âîçíèêàþò è íåêîòîðûå èç íèõ ïðåîäîëåâàþò òå òðóäíîñòè è îïàñíîñòè, î êîòîðûõ ãîâîðèëîñü âûøå. Òîãäà, êàê ìû âèäåëè, îíè â ñîñòîÿíèè çàñåëèòü âñþ Ãàëàêòèêó çà 20 ìëí. ëåò. Ýòî íå òàêîé óæ è áîëüøîé ñðîê. Ïîñëå ðîæäåíèÿ íàøåãî Ñîëíöà èç ìåæçâåçäíîãî ãàçà ïðîøëî 5 ìëðä. ëåò, à ìû óæå ìîæåì ÷èòàòü, ïèñàòü è ëåòàòü. Ãàëàêòèêà æå ñóùåñòâóåò îêîëî 10 ìëðä. ëåò. Ïîýòîìó íàëè÷èå ñòàðûõ öèâèëèçàöèé, êîòîðûå ñòàðøå íàñ íà íåñêîëüêî ìèëëèàðäîâ ëåò, êàæåòñÿ âïîëíå âîçìîæíûì. Åñëè ïîäîáíàÿ öèâèëèçàöèÿ â ñâîå âðåìÿ ïîñâÿòèëà íåñêîëüêî ìèëëèîíîâ ëåò îáëåòó âñåõ çâåçä Ãàëàêòèêè, òî òàêàÿ ëþáîçíàòåëüíîñòü êàæåòñÿ åñòåñòâåííîé. Çíà÷èò, èíîïëàíåòÿíå çíàþò î Çåìëå è îáî âñåõ äðóãèõ îáèòàåìûõ ïëàíåòàõ, è çíàþò èõ òàê æå õîðîøî, êàê ìû ñâîþ ïëàíåòó. Èëè ëó÷øå. Ïî÷åìó æå îíè íå âñòóïàþò ñ íàìè â êîíòàêò? Èòàê, 4. Âîçìîæíî, ÷òî ìû èì ïðîñòî íåèíòåðåñíû. Åñëè îíè ñòàðøå íàñ íà ìèëëèàðäû ëåò, òî ýòî îçíà÷àåò òàêóþ æå ðàçíèöó âî âðåìåíè ýâîëþöèè. Òåïåðü âñïîìíèì, ÷òî áûëî 2–3 ìëðä. ëåò íàçàä íà Çåìëå. Æèçíü òîëüêî çàðîæäàëàñü. Äà-

256

Ãëàâà 6. Æèçíü öèâèëèçàöèé

æå òðèëîáèòû, ïðåäøåñòâåííèêè ðàêîâ, êðàáîâ è ïðî÷èõ ñîâðåìåííûõ ÷ëåíèñòîíîãèõ, ïîÿâèëèñü âñåãî ïîëìèëëèàðäà ëåò íàçàä. Ïðîãðåññ íàëèöî. Èõ ðîäñòâåííèêè æèâóò äî ñèõ ïîð, à åñòü ëè ó ÷èòàòåëÿ æåëàíèå âñòóïàòü ñ íèìè â êîíòàêò (èíòåëëåêòóàëüíûé)? Êàêèå òàêèå ïðîáëåìû ìîæíî îáñóæäàòü ñ êðåâåòêîé? Îòâåò î÷åâèäåí. Èòàê, äðåâíèì öèâèëèçàöèÿì ïðîñòî ñêó÷íî îáùàòüñÿ ñ òàêèìè ïðèìèòèâíûìè ñîçäàíèÿìè, êàê ìû. Íî åñëè îíè íàñòîëüêî ñîâåðøåííåå íàñ, òî èì íè÷åãî íå ñòîèëî çàñåëèòü íàøó ïëàíåòó äàâíûì-äàâíî, äî äèíîçàâðîâ, èëè åùå ðàíüøå, â ýïîõó òåõ æå òðèëîáèòîâ. Òîãäà ÷åëîâå÷åñòâî ïðîñòî íå âîçíèêëî áû. Íî ìû ñóùåñòâóåì! (?) È ýòî ìîæåò îçíà÷àòü, ÷òî 5. Èíîïëàíåòÿíàì íåèíòåðåñíà ýêñïàíñèÿ ñîáñòâåííîé öèâèëèçàöèè. Ñîáñòâåííî, ïî÷åìó öèâèëèçàöèÿ äîëæíà ñòðåìèòüñÿ ê óâåëè÷åíèþ ñâîåãî êîíòèíãåíòà? Ïî-âèäèìîìó, òàêîå ñòðåìëåíèå âûðàáîòàëîñü çà ìèëëèîíû ëåò ýâîëþöèè è çàëîæåíî â íàñ íà óðîâíå áåçóñëîâíûõ ðåôëåêñîâ. Âñå âèäû, íå îáëàäàâøèå ýòèì ñâîéñòâîì, áûëè âûòåñíåíû èç îáëàñòåé, ïðèñïîñîáëåííûõ äëÿ ðàçìíîæåíèÿ, è ïîýòîìó âûìåðëè. Íî öèâèëèçàöèÿ, êîòîðàÿ ïàðó ìèëëèàðäîâ ëåò íàçàä áûëà â ñîñòîÿíèè îáëåòåòü ãàëàêòèêó, íå íóæäàåòñÿ â òàêîì ðåôëåêñå. ×åëîâåêà, ìíîãî ïóòåøåñòâîâàâøåãî â òå÷åíèå æèçíè, òðóäíî ñîáëàçíèòü äàëüíèìè ñòðàíàìè â ïîæèëîì âîçðàñòå. Îí ñêîðåå çàéìåòñÿ êàêîé-ëèáî òâîð÷åñêîé äåÿòåëüíîñòüþ. Âîçìîæíî, òî æå ñàìîå ïðîèñõîäèò è ñ ïîæèëûìè öèâèëèçàöèÿìè. Âïðî÷åì, åñëè îíè è ïðîäîëæàþò ïóòåøåñòâîâàòü, òî, ñêîðåå âñåãî, óæå â äðóãèå ãàëàêòèêè. Ýòî îçíà÷àåò, ÷òî íàäåÿòüñÿ íà èõ ñòðåìëåíèå ñâÿçàòüñÿ ñ íàìè íå ñëåäóåò. 6. Êàê óæå ãîâîðèëîñü, íå ñòîèò ðàññ÷èòûâàòü íà èõ ïîïûòêè óñòàíîâèòü êîíòàêò. Âðÿä ëè åñòü íàäåæäà è íà îáíàðóæåíèå ñëó÷àéíûõ ñèãíàëîâ. Ïðîñòî ïîòîìó, ÷òî ìû åùå íå â ñîñòîÿíèè âîñïðèíèìàòü èõ ñèãíàëû. Çà âðåìÿ ðàçâèòèÿ îíè ìîãëè ïåðåéòè ê äðóãèì ñïîñîáàì ñâÿçè, íåæåëè ýëåêòðîìàãíèòíûå âîëíû. Ìû æå íàó÷èìñÿ ýòîìó åùå íå ñêîðî, õîòÿ èçìåíåíèÿ â ñïîñîáàõ ïåðåäà÷è èíôîðìàöèè ïðîèñõîäÿò íà íàøèõ ãëàçàõ. Ôðýíê Äðåéê (Frank Drake), ïðåçèäåíò èíñòèòóòà Æèçíü öèâèëèçàöèé

257

SETI (Search for Extra-Terrestrial Intelligence — Ïîèñê âíåçåìíîãî ðàçóìà), îáðàòèë âíèìàíèå íà òî, ÷òî ïîòîê ðàäèîâîëí îò íàøåé ïëàíåòû â îêðóæàþùåå ïðîñòðàíñòâî íå óâåëè÷èâàåòñÿ ñî âðåìåíåì, êàê ýòîãî ñëåäîâàëî îæèäàòü, à óìåíüøàåòñÿ. Ïðè÷èíà êðîåòñÿ â íîâûõ òåõíîëîãèÿõ, òàêèõ, íàïðèìåð, êàê êàáåëüíîå è ñïóòíèêîâîå òåëåâèäåíèå.  ñâÿçè ñ ýòèì èíòåðåñíî, ÷òî ðàçãîâîðû ïî ñîòîâûì òåëåôîíàì ïàññàæèðîâ ñàìîëåòîâ ìîãóò ìåøàòü ïîèñêó âíåçåìíûõ öèâèëèçàöèé â ðàìêàõ ïðîåêòà SETI. Ðàäèîâîëíû îò ñîòîâûõ òåëåôîíîâ ñ ëåãêîñòüþ óëàâëèâàþòñÿ ÷óâñòâèòåëüíûìè àíòåííàìè, íàïðàâëåííûìè â êîñìîñ, è ìîãóò èíòåðïðåòèðîâàòüñÿ êàê âíåçåìíîé ñèãíàë îò ðàçóìíûõ ñóùåñòâ. Äî ñèõ ïîð ìû îáñóæäàëè âçàèìîîòíîøåíèÿ ÷åëîâå÷åñòâà ñ öèâèëèçàöèåé, íàìíîãî ïðåâûøàþùåé íàøó ïî èíòåëëåêòóàëüíîìó óðîâíþ. Íî ñòîèò îæèäàòü êîíòàêòîâ è ñ áîëåå áëèçêèìè ïî ðàçâèòèþ ïàðòíåðàìè, êîòîðûå ïîÿâèëèñü ïðèìåðíî òîãäà æå, êîãäà è ìû. Èìåííî ýòà çàõâàòûâàþùàÿ è ìíîãîñòîðîííÿÿ ïðîáëåìà äàâíî è ïîäðîáíî îáñóæäàåòñÿ â ëèòåðaòóðå.  1961 ã. Ô. Äðåéê ïðåäëîæèë ôîðìóëó äëÿ îïðåäåëåíèÿ âåðîÿòíîñòè ïîÿâëåíèÿ öèâèëèçàöèè â íàøåé Ãàëàêòèêå: N = R · Fp · Ne · Fl · Fi · Fc · L, ãäå N — ÷èñëî ðàçâèòûõ öèâèëèçàöèé; R — ÷èñëî çâåçä, îáðàçóþùèõñÿ â ãîä; Fp — äîëÿ çâåçä ñ ïëàíåòàìè; Ne — äîëÿ ïëàíåò ñ ïîäõîäÿùèìè äëÿ âîçíèêíîâåíèÿ æèçíè óñëîâèÿìè; Fl — âåðîÿòíîñòü çàðîæäåíèÿ æèçíè â áëàãîïðèÿòíûõ óñëîâèÿõ; Fi — âåðîÿòíîñòü âîçíèêíîâåíèÿ ðàçóìà ïðè íàëè÷èè æèçíè; Fc — âåðîÿòíîñòü ðàçâèòèÿ öèâèëèçàöèè, ñïîñîáíîé ê ìåæçâåçäíûì êîíòàêòàì; L — âðåìÿ æèçíè öèâèëèçàöèè; Ôîðìóëà õîðîøà òåì, ÷òî åå àíàëèç ïîìîãàåò ïîíÿòü, íàñêîëüêî íåîïðåäåëåííû íàøè çíàíèÿ, à çíà÷èò, è ïðåäñêàçàíèÿ â ýòîé îáëàñòè. Êîå-÷òî ìû çíàåì äîñòîâåðíî, äðóãèå àñïåêòû — õóæå, à íåêîòîðûå è ñîâñåì ïëîõî. Òàê, ñêîðîñòü çâåçäîîáðàçîâàíèÿ â íàøåé ãàëàêòèêå R èçâåñòíà î÷åíü äàæå íåïëîõî: íåñêîëüêî íîâûõ çâåçä â ãîä. Äîëÿ çâåçä, îáëàäàþùèõ ïëàíåòíîé ñèñòåìîé, Fp ~ 1, òîæå íåïëîõî ïðåäñêàçûâàåòñÿ

258

Ãëàâà 6. Æèçíü öèâèëèçàöèé

ìîäåëüíûìè ðàñ÷åòàìè. Âåëè÷èíà Ne óæå íå î÷åíü îïðåäåëåííà. Ïðè åå îáñóæäåíèè ñðàçó íà÷èíàþòñÿ äåáàòû î òîì, ÷òî ñ÷èòàòü «æèçíüþ» è êàêèå óñëîâèÿ äîñòàòî÷íû äëÿ åå âîçíèêíîâåíèÿ. Îñíîâíûå ñïîðû âûçûâàåò âåëè÷èíà Fl, âåðîÿòíîñòü âîçíèêíîâåíèÿ æèçíè, äàæå åñëè óñëîâèÿ äëÿ ýòîãî ñîçäàíû. Ìíåíèå îäíèõ ó÷åíûõ î òîì, ÷òî Fl ~ 1, ñîâåðøåííî íå ðàçäåëÿåòñÿ òåìè, êòî ñ÷èòàåò òàêóþ âåðîÿòíîñòü áëèçêîé ê íóëþ. Ïðîáëåìà óñóãóáëÿåòñÿ òåì, ÷òî âîîáùå íå ÿñíî, êàêîé îáúåêò ñ÷èòàòü æèâûì è òåì áîëåå ðàçóìíûì. Ìíîæåñòâî íàó÷íî-ôàíòàñòè÷åñêèõ ðîìàíîâ êàê ðàç è îñíîâàíî íà íåäîðàçóìåíèÿõ ïîäîáíîãî ðîäà. Îöåíêà âåëè÷èí Fi è Fc òàêæå ñèëüíî çàâèñèò îò ìåíòàëèòåòà îöåíùèêà. Íó è, íàêîíåö, âðåìÿ æèçíè ðàçâèòîé öèâèëèçàöèè, L, êîëåáëåòñÿ îò 1 òûñÿ÷è ëåò äî áåñêîíå÷íîñòè. Îòìåòèì âàæíîå îáñòîÿòåëüñòâî: â ôîðìóëå Äðåéêà íå çàëîæåíî âëèÿíèå ñàìîé ñòàðîé öèâèëèçàöèè íà îòñòàâøèõ â ñâîåì ðàçâèòèè ñîñåäåé. Ýòîò ôàêòîð ñ òðóäîì ïîääàåòñÿ îöåíêå, ïîñêîëüêó íàì íåèçâåñòíà ìîðàëü öèâèëèçàöèè, ðàçâèâàâøåéñÿ íåñêîëüêî ìèëëèàðäîâ ëåò, à òàêæå èõ îòíîøåíèå êàê ê ñâîåìó áóäóùåìó, òàê è ê íàì, áðàòüÿì ñâîèì ìåíüøèì. Âïîëíå âîçìîæíî, ÷òî äðåâíÿÿ öèâèëèçàöèÿ ïîäàâëÿåò ðàçâèòèå áîëåå ìîëîäûõ. Âåäü è ìû ïî-ðàçíîìó îòíîñèìñÿ ê áàáî÷êàì è êîìàðàì. Ñïîñîáû ïîäàâëåíèÿ ìîãóò áûòü ðàçíûìè, íî íå áóäåì î ãðóñòíîì. Äà è åñòü ó ñâåðõöèâèëèçàöèè ïðîáëåìà, äîñòîéíàÿ èõ èíòåëëåêòà è âîçìîæíîñòåé, — ýòî ïðîáëåìà ñîáñòâåííîãî âûæèâàíèÿ â îõëàæäàþùåéñÿ Âñåëåííîé. Ñîâðåìåííûå ìîäåëè ýâîëþöèè Âñåëåííîé ïðåäîñòàâëÿþò íà âûáîð íåñêîëüêî ñöåíàðèåâ áóäóùåãî, è âñå îíè íå äàþò îñíîâàíèé äëÿ áëàãîäóøèÿ. Êðàòêî ïåðå÷èñëþ ãëàâíûå. Îñíîâíîé ñöåíàðèé ñîñòîèò â òîì, ÷òî Âñåëåííàÿ áóäåò âå÷íî ðàñøèðÿòüñÿ è îõëàæäàòüñÿ, ÷òî âîçìîæíî, åñëè êîñìîëîãè÷åñêàÿ ïîñòîÿííàÿ äåéñòâèòåëüíî íå ìåíÿåòñÿ ñî âðåìåíåì.  èòîãå îñòàíóòñÿ òîëüêî ÷àñòèöû — íåéòðèíî, ôîòîíû è, âîçìîæíî ýëåêòðîíû ñ ïðîòîíàìè. Íèêàêèõ çâåçä è ÷åðíûõ äûð. Òîëüêî ðàâíîìåðíî ðàñïðåäåëåííûå ÷àñòèöû, ðàçäåëåííûå áîëüøèìè ðàññòîÿíèÿìè. ×àñòèö è ñåé÷àñ-òî ìàëî — Æèçíü öèâèëèçàöèé

259

ìåíüøå îäíîãî ïðîòîíà íà êóáîìåòð, â äàëüíåéøåì æå èõ ïëîòíîñòü áóäåò òîëüêî óáûâàòü, ïðîñòî èç-çà ðàñøèðåíèÿ Âñåëåííîé. Òåìï ðàñøèðåíèÿ çàâèñèò îò ñîîòíîøåíèÿ ìåæäó ïëîòíîñòüþ ýíåðãèè è äàâëåíèåì, à îíî êàê ðàç è ÿâëÿåòñÿ ïîâîäîì äëÿ äèñêóññèé. Âåäü ñåé÷àñ îêîëî 70% ïëîòíîñòè ýíåðãèè äîñòàâëÿåòñÿ òåìíîé ýíåðãèåé, ñâîéñòâà êîòîðîé åùå äî êîíöà íå ÿñíû. Âûáåðåì íàèáîëåå ïðîñòîé âàðèàíò: ïëîòíîñòü òåìíîé ýíåðãèè ïîñòîÿííà. Òîãäà â óðàâíåíèÿõ, îïèñûâàþùèõ ðàñøèðåíèå ïðîñòðàíñòâà, äîáàâëÿåòñÿ ñëàãàåìîå, àíàëîãè÷íîå êîñìîëîãè÷åñêîé ïîñòîÿííîé, ñíà÷àëà ââåäåííîé, à çàòåì îòáðîøåííîé Ýéíøòåéíîì (ïîäðîáíîñòè îáñóæäàëèñü â ãëàâå 2). Äëÿ îöåíêè õàðàêòåðíîãî âðåìåíè ðàñøèðåíèÿ äîñòàòî÷íî ó÷åñòü òîëüêî âêëàä îò òåìíîé ýíåðãèè — îí è ñåé÷àñ âåëèê, à â äàëüíåéøåì áóäåò òîëüêî óâåëè÷èâàòüñÿ.  ýòîì ñëó÷àå ðàçìåðû ðàñòóò ñî âðåìåíåì ñîãëàñíî çàêîíó R(t) = R0e H 0 t . Ìû çíàåì, ÷òî ñîâðåìåííîå çíà÷åíèå ïàðàìåòðà Õàááëà H0 = 71 êì/(ñ · Ìïê). Ñåé÷àñ, åñëè ðàññðåäîòî÷èòü âñå àòîìû ïî Âñåëåííîé ðàâíîìåðíî, òî â êóáå ñî ñòîðîíîé 1 ì îêàæåòñÿ 1 ïðîòîí. Íåòðóäíî ñîîáðàçèòü, ÷òî ÷åðåç âðåìÿ æ1028 ö ÷ » 65H 0-1 = 910 (ìëðä. ëåò) t = H 0-1 ln çç ÷ è 1 ø

ýòîò êóá ðàñøèðèòñÿ äî ðàçìåðîâ âèäèìîé ÷àñòè Âñåëåííîé, êîòîðàÿ ñåé÷àñ ñîñòàâëÿåò 1028 ñì. Çíà÷èò, â îáúåìå, ðàâíîìó ðàçìåðó ñîâðåìåííîé Âñåëåííîé, îñòàíåòñÿ 1 ïðîòîí, èç êîòîðîãî âðÿä ëè óäàñòñÿ ñôîðìèðîâàòü ðàçóìíîå ñóùåñòâî. Çàäà÷à ñâåðõöèâèëèçàöèè — íå äàòü ðàçëåòåòüñÿ ýíåðãèè â ëþáîì âèäå: â âèäå ÷àñòèö, ýëåêòðîìàãíèòíîãî èëè ëþáîãî äðóãîãî èçëó÷åíèÿ, âêëþ÷àÿ ãðàâèòàöèîííîå. Ýòî íå òàê ïðîñòî ñäåëàòü, êàê áóäåò âèäíî èç äàëüíåéøåãî. Âòîðàÿ îïàñíîñòü — Âñåëåííàÿ ñîæìåòñÿ â ñîñòîÿíèå, ïðåäøåñòâóþùåå Áîëüøîìó âçðûâó. Âåðîÿòíîñòü òàêîãî ðàçâèòèÿ ñîáûòèé óìåíüøèëàñü ïîñëå îòêðûòèÿ òåìíîé ýíåðãèè, íî òåì íå ìåíåå ñóùåñòâóåò.

260

Ãëàâà 6. Æèçíü öèâèëèçàöèé

Òðåòüÿ îïàñíîñòü — òàê íàçûâàåìûé «Áîëüøîé ðàçðûâ». Ýòà èäåÿ áûëà âûäâèíóòà â 2003 ã. â ñòàòüå Ð. Ð. Êîëäâåëëà, Ì. Êàìèîíêîâñêîãî è Í. Í. Âàéíáåðãà «Ôàíòîìíàÿ ýíåðãèÿ è êîñìè÷åñêèé êîíåö ñâåòà» è ñ òåõ ïîð èíòåíñèâíî îáñóæäàåòñÿ. Åñòü îïðåäåëåííûå îñíîâàíèÿ ïðåäïîëàãàòü, ÷òî âåëè÷èíà âçàèìîäåéñòâèÿ ìåæäó ÷àñòèöàìè, áëàãîäàðÿ êîòîðîìó ñóùåñòâóþò âñå ñòðóêòóðû íà÷èíàÿ ñ àòîìîâ, ïîíèæàåòñÿ ñî âðåìåíåì. Òîãäà â êàêîé-òî ìîìåíò, êîãäà âçàèìîäåéñòâèå çíà÷èòåëüíî óìåíüøèòñÿ, ïðîèçîéäåò ðàñïàä âñåõ æèçíåííî âàæíûõ îáúåêòîâ, è ðàçóìà â òîì ÷èñëå. ×åòâåðòàÿ îïàñíîñòü. Âïîëíå âîçìîæíî, ÷òî íàøå ïðîñòðàíñòâî ñîñòîèò íå èç òðåõ ïðîñòðàíñòâåííûõ èçìåðåíèé, à èç (ãîðàçäî) áîëüøåãî ÷èñëà. Ìû íå çàìå÷àåì îñòàëüíûõ èçìåðåíèé ââèäó èõ ìàëîãî ðàçìåðà. Íî åñëè ðàçìåð äîïîëíèòåëüíûõ èçìåðåíèé ðàñòåò ñî âðåìåíåì, òî îíè óæå áóäóò ñåðüåçíî âëèÿòü íà äèíàìèêó íàøåãî ìèðà, è, êàê âñåãäà, íå â ëó÷øóþ ñòîðîíó. Ïÿòàÿ îïàñíîñòü. Ñîâðåìåííûå ìîäåëè ÷àñòî èñïîëüçóþò ïîíÿòèå «áðàíà». Ýòî ïîâåðõíîñòü â ìíîãîìåðíîì ïðîñòðàíñòâå, íà êîòîðîé ìû, êàê ïðåäïîëàãàåòñÿ, æèâåì. Åñëè ýòî òàê, òî ÷àñòèöû ìîãóò âûëåòàòü ñ áðàíû â ìíîãîìåðíîå ïðîñòðàíñòâî. Äëÿ íàñ ýòî áóäåò âûãëÿäåòü êàê âíåçàïíîå èñ÷åçíîâåíèå ÷àñòèöû. Ïîñêîëüêó íàøà Âñåëåííàÿ ñóùåñòâóåò óæå äîâîëüíî äîëãî, âåðîÿòíîñòü òàêèõ ñîáûòèé ìàëà, äàæå åñëè ýòè ìîäåëè âåðíû. Íî çà áîëüøîé ïðîìåæóòîê âðåìåíè, â áóäóùåì, ìîæåò èñïàðèòüñÿ âñå âåùåñòâî íàøåé Âñåëåííîé. Âðÿä ëè äðåâíþþ öèâèëèçàöèþ âîëíóþò òîëüêî âûøåïåðå÷èñëåííûå íàïàñòè, íî ïîâîä äëÿ îçàáî÷åííîñòè ÿâíî èìååòñÿ. Òàêèì îáðàçîì, åñëè äðåâíåé öèâèëèçàöèè íå áåçðàçëè÷íà ñîáñòâåííàÿ ñóäüáà (÷òî, âïðî÷åì, âïîëíå âîçìîæíî), òî îíà äîëæíà ïîñâÿòèòü ñåáÿ ðåøåíèþ ïðîáëåìû âûæèâàíèÿ. Îêàçûâàåòñÿ, ýòè âîïðîñû âîëíóþò è îòäåëüíûõ, íàèáîëåå ïðåäóñìîòðèòåëüíûõ, ïðåäñòàâèòåëåé ÷åëîâå÷åñòâà. Ðàññìîòðèì íåêîòîðûå âàðèàíòû âûõîäà èç ïîëîæåíèÿ. Ïðåäïîëîæèì ñíà÷àëà, ÷òî ðàçâèòèå èäåò ïî íàèáîëåå âåðîÿòíîìó ïåðâîìó ñöåíàðèþ. Òîãäà ãëàâíàÿ ïðîáëåìà — îòêóäà â áóäóùåì Æèçíü öèâèëèçàöèé

261

÷åðïàòü ýíåðãèþ? Íèêàêèõ ïðèâû÷íûõ îáúåêòîâ íå îñòàëîñü, òåìïåðàòóðà — ïðàêòè÷åñêè àáñîëþòíûé íóëü. Íî æèçíü, ÷òî áû ïîä ýòèì íè ïîäðàçóìåâàëîñü, ñîïðÿæåíà ñ ýíåðãåòè÷åñêèìè ïîòåðÿìè, è âîñïîëíåíèå èõ — âàæíåéøàÿ çàäà÷à. Íàïðèìåð, ïî ïðåäëîæåíèþ Äàéñîíà (Dyson), ìîæíî ïîíèæàòü òåìïåðàòóðó òåë, ÷òî, îêàçûâàåòñÿ, äàåò çíà÷èòåëüíóþ ýêîíîìèþ ýíåðãîçàòðàò. Ïðè îáû÷íîé òåìïåðàòóðå òåëà 309,6 K ÷å ëîâåê ïîòðåáëÿåò 100 Âò, à ïðè 155 K — â 4 ðàçà ìåíüøå. Ïðàâ äà, è ñîîáðàæàòü îí áóäåò âäâîå ìåäëåííåå. Íî ïîñëåäíåå íå òàê óæ è âàæíî, ïîñêîëüêó áóäåò ñïðàâåäëèâî äëÿ âñåõ è ïðè óñëîâèè áåñêîíå÷íîãî âðåìåíè æèçíè. Êîíå÷íî, ïðèñïîñàáëèâàÿñü ê íèçêèì òåìïåðàòóðàì, ïðèäåòñÿ ïîéòè íà íåêîòîðûå æåðòâû. Íàïðèìåð, íàäî áóäåò ïîëíîñòüþ ïåðåñòðîèòü òåëî, êîòîðîå âñåãî ëèøü çàùèòíàÿ îáîëî÷êà äëÿ ðàçóìà. (Èíòåðåñíî ïîñìîòðåòü êîíêóðñ êðàñîòû äàëåêîãî áóäóùåãî.) Îäíàêî äî ïîëíîé ïîáåäû åùå äàëåêî. Íàïðèìåð, åñëè îõëàæäàòüñÿ ïðèäåòñÿ áûñòðåå, ÷åì îõëàæäàåòñÿ Âñåëåííàÿ ïðè ðàñøèðåíèè, òî ó öèâèëèçàöèè âîçíèêíóò ïðîáëåìû ñ îòâîäîì òåïëà.  çàïàñå èìååòñÿ åùå îäèí òðþê, äàâíî îñâîåííûé æèâîòíûìè íà Çåìëå, — «çèìíÿÿ ñïÿ÷êà», âî âðåìÿ êîòîðîé ýíåðãèÿ ïðàêòè÷åñêè íå ðàñõîäóåòñÿ. Âïàäàÿ â àíàáèîç íà âñå áîëåå äëèòåëüíûé ñðîê, ìîæíî ïðîäëèòü ñâîå ñóùåñòâîâàíèå. Ê ñîæàëåíèþ, ýòîò ïëàí íåëüçÿ ïðåòâîðÿòü â æèçíü áåñêîíå÷íî äîëãî. Åùå îäíî íåïðèÿòíîå îãðàíè÷åíèå íàêëàäûâàåò êâàíòîâàÿ ìåõàíèêà. Ñîãëàñíî ïðèíöèïó íåîïðåäåëåííîñòè Ãåéçåíáåðãà, íåîïðåäåëåííîñòü â ïîëîæåíèè ñèñòåìû îáðàòíî ïðîïîðöèîíàëüíà èìïóëüñó. Óìåíüøàÿ ýíåðãèþ ñèñòåìû, à çíà÷èò, è åå èìïóëüñ, ìû âñå ñèëüíåå «ðàçìûâàåì» ñèñòåìó, îíà ñòàíîâèòñÿ âñå ìåíåå äåòåðìèíèðîâàííîé è ïðåäñêàçóåìîé. Íî ñîâðåìåííàÿ òåîðèÿ ïîëÿ ñîâìåñòíî ñ òåîðèåé ãðàâèòàöèè ïðåäîñòàâëÿþò ëþáîïûòíóþ âîçìîæíîñòü ñïàñåíèÿ. Îêàçûâàåòñÿ, ìîãóò ñóùåñòâîâàòü òàêèå íåîáû÷íûå îáúåêòû, êàê, íàïðèìåð, êðîòîâûå íîðû è ÷åðíûå äûðû ñî ñêàëÿðíûì ïîëåì âíóòðè íèõ.  ñîçäàíèè òàêèõ îáúåêòîâ ãðàâèòàöèÿ èãðàåò ïåðâîñòåïåííóþ ðîëü. Ìîæíî âîñïîëüçîâàòüñÿ òåì, ÷òî âðåìÿ âíóòðè òàêèõ îáúåêòîâ òå÷åò ñîâñåì íå òàê, êàê âäàëè îò

262

Ãëàâà 6. Æèçíü öèâèëèçàöèé

íèõ. Ïîýòîìó ñòîèò òîëüêî îêàçàòüñÿ âíóòðè íèõ, è ìîæíî ïðîäëèòü ñâîå ñóùåñòâîâàíèå êàê óãîäíî äîëãî. Ìîæíî âîçðàçèòü, ÷òî ÷åðíûå äûðû òàêæå íå âå÷íû, ÷òî, êàçàëîñü áû, îïðîâåðãàåò ýòó èäåþ. Äåéñòâèòåëüíî, äëÿ íàáëþäàòåëÿ, ñìîòðÿùåãî íà ÷åðíóþ äûðó «ñî ñòîðîíû», âðåìÿ æèçíè ÷åðíîé äûðû îãðàíè÷åíî. Íî ó òåõ, êòî âíóòðè, âðåìÿ òå÷åò ñîâñåì ïî-äðóãîìó, è äëÿ íèõ ÷åðíàÿ äûðà áóäåò ñóùåñòâîâàòü âå÷íî.

ÇÀÊËÞ×ÅÍÈÅ

×

èòàòåëü, äîáðàâøèéñÿ äî êîíöà ýòîé êíèãè, ïîíèìàåò òåïåðü, íàñêîëüêî ñëîæíû âçàèìîñâÿçè â íàøåé Âñåëåííîé, êàê òî÷íî ïîäîãíàíû âñå åå ÷àñòè. Áîëåå èëè ìåíåå ÿñíû ïðîøëîå íàøåé Âñåëåííîé è âîçìîæíûå âàðèàíòû áóäóùåãî. Òåïåðü, âïåðâûå â èñòîðèè ÷åëîâå÷åñòâà, ó÷åíûå ïðåäñòàâëÿþò ñåáå Âñåëåííóþ êàê åäèíûé ýâîëþöèîíèðóþùèé îáúåêò, à íå êàê ýêëåêòè÷íûé íàáîð ÿâëåíèé è ôåíîìåíîâ. Òåì íå ìåíåå ðÿä ïðîáëåì îñòàëñÿ íåðåøåííûì, è èõ ðåøåíèå — äåëî áóäóùåãî. Îñíîâíûå ïðîáëåìû ôèçèêè

1. Îáúåäèíåíèå ãðàâèòàöèè è êâàíòîâîé òåîðèè. 2. Ñòðåëà âðåìåíè. 3. Äîïîëíèòåëüíûå èçìåðåíèÿ, èõ ñòàáèëüíîñòü, êîìïàêòíîñòü, òîïîëîãèÿ. 4. Òîíêàÿ íàñòðîéêà ïàðàìåòðîâ íàøåé Âñåëåííîé íà âîçíèêíîâåíèå ðàçóìíîé æèçíè. 5. Ïðîèñõîæäåíèå ðàçëè÷íûõ ñîðòîâ ÷àñòèö. 6. Îáúÿñíåíèå íàáëþäàåìûõ âåëè÷èí ñ, G, ž. 7. Íàðóøåíèå ñèììåòðèè ÷àñòèö è àíòè÷àñòèö. 8. Ðàçâèòèå ìîäåëè Âàéíáåðãà—Ñàëàìà. 9. Òåîðèÿ ðàííåãî ôîðìèðîâàíèÿ ãàëàêòèê è êâàçàðîâ. Íåñêîëüêî çàìå÷àíèé. Êîíå÷íî, ýòîò ñïèñîê îòðàæàåò ìíåíèå àâòîðà. Äðóãèå ñïèñêè âêëþ÷àþò äðóãèå ïóíêòû, ëèáî òå æå, íî ñ äðóãèìè ïðèîðèòåòàìè. Ïðîáëåìû ïåðå÷èñëåíû â ïîðÿäêå óáûâàíèÿ èõ âàæíîñòè è ñëîæíîñòè, õîòÿ òàêîå äåëåíèå íåñêîëüêî óñëîâíî. Âïîëíå âîçìîæíî, ÷òî ðåøåíèÿ ïðîáëåì âçàèìîñâÿçàíû. Ïðîáëåìû ¹ 8–9 êàæóòñÿ ðåøàåìûìè. Ïðîáëåìà ¹ 7 èìååò ñëèøêîì ìíîãî ðåøåíèé, òàê ÷òî îñíîâíàÿ çàäà÷à íà áóäóùåå — âûáðàòü ïðàâèëüíîå. Ïðîáëåìà ¹ 6, âîçìîæíî, áóäåò ñíÿòà àâòîìàòè÷åñêè ïîñëå ðåøåíèÿ ïðî-

264

Çàêëþ÷åíèå

áëåì ¹ 1, 3 è 4. Ðåøåíèå ïðîáëåì ¹ 3–5 êàæåòñÿ ñèëüíî âçàèìîñâÿçàííûì. Îñîáíÿêîì ñòîèò ïðîáëåìà 2, êîòîðóþ ïûòàþòñÿ ðåøèòü óæå äåñÿòêè ëåò. Ïðîáëåìà ¹ 1 — íàèáîëåå âàæíàÿ è íàèáîëåå ñëîæíàÿ. Îíà, íåñìîòðÿ íà óñïåõè òåîðèè ñóïåðñòðóí è òåîðèè ïåòëåâîé ãðàâèòàöèè, åùå äàëåêà îò ðå øåíèÿ. Áîëåå òîãî, åñëè ïîäõîäû ê ðåøåíèþ ïðîáëåì ¹ 3–9 áîëåå èëè ìåíåå ïîíÿòíû, òî ðåøåíèå ïðîáëåì ¹ 1 è 2, ñêîðåå âñåãî, áóäåò î÷åíü íåîæèäàííûì.

ÏÐÈËÎÆÅÍÈß

1. Ñîîòíîøåíèå íåîïðåäåëåííîñòåé è ðàçìåð àòîìà Îöåíèì ðàçìåð r àòîìà âîäîðîäà, èñïîëüçóÿ ìèíèìóì øêîëüíûõ çíàíèé è ïðèíöèï íåîïðåäåëåííîñòè Ãåéçåíáåðãà. Ýíåðãèÿ ýëåêòðîíà â àòîìå âîäîðîäà åñòü ñóììà êèíåòè÷åñêîé è ïîòåíöèàëüíîé ýíåðãèé: E =

mv 2 e 2 - . 2 r

Èç ïðèíöèïà íåîïðåäåëåííîñòè ñëåäóåò, ÷òî èìïóëüñ ýëåêòðîíà p äîëæåí áûòü ïðèìåðíî ðàâåí p ~ ž/r. ×åì ìåíüøå îáëàñòü ëîêàëèçàöèè ýëåêòðîíà r, òåì áîëüøå åãî èìïóëüñ, à çíà÷èò, è ñêîðîñòü. Óæå ÿñíî, ÷òî ëîêàëèçîâàòü òàêîé îáúåêò íåïðîñòî. Äàëåå, ó÷èòûâàÿ, ÷òî èìïóëüñ ýëåêòðîíà p = mv, íåòðóäíî âûðàçèòü ýíåðãèþ ýëåêòðîíà ÷åðåç åãî ðàäèóñ: E =

h2 e2 - . 2 r 2mr

Ýíåðãèÿ ñèñòåìû îáû÷íî ñòðåìèòñÿ ê ìèíèìóìó, êîòîðûé â dE äàííîì ñëó÷àå ìîæíî íàéòè èç óñëîâèÿ = 0.  ðåçóëüdr h2 òàòå ïîëó÷àåì . r » me 2 Ýòî êàê ðàç òî, ÷òî ïîëó÷èë Íèëüñ Áîð, èñïîëüçóÿ ñâîè çíàìåíèòûå ïîñòóëàòû.

2. Ïðîñòðàíñòâî äå Ñèòòåðà Ïîñêîëüêó ãðàâèòàöèÿ èãðàåò îïðåäåëÿþùóþ ðîëü â äèíàìèêå ðàçâèòèÿ Âñåëåííîé, ââåäåì âåëè÷èíû, åå îïðåäåëÿþùèå.  ñïåöèàëüíîé òåîðèè îòíîñèòåëüíîñòè âàæíóþ ðîëü èãðàåò èíòåðâàë ìåæäó ñîáûòèÿìè:

266

Ïðèëîæåíèÿ

ds = dt2 – (dx2 + dy2 + dz2). Â îáùåé òåîðèè îòíîñèòåëüíîñòè âûðàæåíèå äëÿ èíòåðâàëà èìååò áîëåå ñëîæíûé âèä: ds2 =

4

å gmn (x ) dxm dx n .

m, n =1

µ

Çäåñü âåêòîð x îáîçíà÷àåò ïðîñòðàíñòâåííûå êîîðäèíàòû è âðåìÿ. Âåëè÷èíû gµn íàçûâàþòñÿ ìåòðè÷åñêèì òåíçîðîì, è èìåííî îíè ÿâëÿþòñÿ äèíàìè÷åñêèìè ïåðåìåííûìè ãðàâèòàöèîííîãî ïîëÿ. Óðàâíåíèÿ, ïðåäëîæåííûå Ýéíøòåéíîì äëÿ âû÷èñëåíèÿ ìåòðè÷åñêîãî òåíçîðà, ñëîæíû è êðàñèâû. Îíè óñòàíàâëèâàþò âçàèìîçàâèñèìîñòü ìåòðè÷åñêîãî òåíçîðà ñî ñâîéñòâàìè ìàòåðèè è ñïðàâåäëèâû âñþäó, ãäå íå íàäî ó÷èòûâàòü êâàíòîâóþ ïðèðîäó ïîëåé. Íàø îáúåêò — îäíîðîäíàÿ Âñåëåííàÿ, ÷òî ñèëüíî óïðîùàåò âñå óðàâíåíèÿ, äåëàÿ èõ îáîçðèìûìè, ïîñêîëüêó âñå êîìïîíåíòû ìåòðè÷åñêîãî òåíçîðà âûðàæàþòñÿ âñåãî ëèøü ÷åðåç îäíó ôóíêöèþ — ìàñøòàáíûé ôàêòîð a(t).  ýòîì ñëó÷àå èíòåðâàë èìååò âèä ds = dt2 – a(t2)dr 2 – a(t2)r 2dW2.

(Ï 2.1)

Ýòî õîòÿ è ïðàâèëüíîå, íî âñå-òàêè íå ñàìîå îáùåå âûðàæåíèå. Òåì íå ìåíåå îíî äîñòàòî÷íî â ïîäàâëÿþùåì áîëüøèíñòâå ñëó÷àåâ. Ôóíêöèÿ a(t) êàê ðàç è åñòü òîò ñàìûé ìàñøòàáíûé ôàêòîð, êîòîðûé ïîÿâèëñÿ âïåðâûå â âûðàæåíèè (2.1). Êàê ÿâñòâóåò èç (Ï 2.1), âûðàæåíèå dR=a(t)dr

(Ï 2.2)

îáîçíà÷àåò ìàëûé ïðîñòðàíñòâåííûé èíòåðâàë, ò. å. ðàññòîÿíèå ìåæäó äâóìÿ òî÷êàìè, ðàñïîëîæåííûìè âäîëü ðàäèóñà, òàê ÷òî òåëåñíûé óãîë dW = 0. Èìåííî îòñþäà âûòåêàåò ñâÿçü (2.1). Ïîñêîëüêó ãðàâèòàöèÿ îïèñûâàåòñÿ ìåòðè÷åñêèì òåíçîðîì, à îí â äàííîì ñëó÷àå ñâîäèòñÿ ê îäíîé-åäèíñòâåííîé ôóíêöèè a(t), óðàâíåíèÿ Ýéíøòåéíà óïðîùàþòñÿ è èìåþò âèä: a& 2 8pG L = r+ . 2 3 3 a 2. Ïðîñòðàíñòâî äå Ñèòòåðà

(Ï 2.3)

267

Ýòî îäíî èç óðàâíåíèé.  ïðàâîé ÷àñòè îíî ñîäåðæèò ïëîòíîñòü ýíåðãèè âåùåñòâà r, ïðîïîðöèîíàëüíóþ ãðàâèòàöèîííîé ïîñòîÿííîé G, è âåëè÷èíó L, ïðîïîðöèîíàëüíóþ ïëîòíîñòè ýíåðãèè âàêóóìà. Êàê ïðèíÿòî â ôèçèêå, òî÷êà íàä áóêda . âîé îçíà÷àåò ïðîèçâîäíóþ ïî âðåìåíè: a& = dt Ïðåæäå âñåãî ðàññìîòðèì âåñüìà ïîó÷èòåëüíûé ñëó÷àé r = 0, ÷òî ñîîòâåòñòâóåò îòñóòñòâèþ ÷àñòèö. Ïîñêîëüêó ìû óæå çíàåì ïðî ñóùåñòâîâàíèå òåìíîé ýíåðãèè è, áîëåå òîãî, ïðî åå ïðåîáëàäàíèå â ñîâðåìåííóþ ýïîõó, íàøè ïðåäñòîÿùèå òðóäû ïîëåçíû è ïîó÷èòåëüíû. Óðàâíåíèå (Ï 2.3) ñâîäèòñÿ ê åùå áîëåå ïðîñòîìó: a& L . = ± a 3

(Ï 2.4)

Ðåøåíèå ýòîãî óðàâíåíèÿ — òðèâèàëüíî: a (t ) = a (0)e t

L/ 3

(îñòàâëåíî ñëàãàåìîå, íå ñòðåìÿùååñÿ ê íóëþ ñî âðåìåíåì). Íà÷àëüíîå çíà÷åíèå ìàñøòàáíîãî ôàêòîðà a(0) çàâèñèò îò âûáîðà åäèíèöû èçìåðåíèÿ äëèíû, êàê ýòî îáúÿñíåíî ðàíåå, â ïàðàãðàôå ïðî ñòðàííûõ íàáëþäàòåëåé. Îäíîé èç âàæíåéøèõ âåëè÷èí â êîñìîëîãèè ÿâëÿåòñÿ âåëè÷èíà, íàçûâàåìàÿ ïàðàìåòðîì Õàááëà, êîòîðàÿ ïî îïðåäåëåíèþ ðàâíà a& H º . a  íàøåì, ïðîñòåéøåì, ñëó÷àå îíà ðàâíà êîíñòàíòå H = HL º

L , 3

(Ï 2.5)

è ïîýòîìó ñèòóàöèÿ ñèëüíî óïðîùàåòñÿ, îñòàâàÿñü òåì íå ìåíåå ïîó÷èòåëüíîé. Òàêîå ïðîñòðàíñòâî íàçûâàåòñÿ ïðîñòðàíñòâîì äå Ñèòòåðà, â ÷åñòü ó÷åíîãî, èçó÷àâøåãî åãî â íà÷àëå ïðîøëîãî âåêà. ×òîáû ïîíÿòü óäèâèòåëüíûå ñâîéñòâà ýòîãî ïðîñòðàíñòâà, ïîñìîòðèì, êàêîå ðàññòîÿíèå ïðîëåòàåò ñâåò çà îïðåäåëåííîå âðåìÿ. Èç ñïåöèàëüíîé òåîðèè îòíîñèòåëüíîñòè

268

Ïðèëîæåíèÿ

ìû çíàåì, ÷òî ñâåò äâèæåòñÿ òàê, ÷òîáû èíòåðâàë ds áûë ðàâåí íóëþ. Áóäåì òàêæå ñ÷èòàòü, ÷òî ñâåò äâèæåòñÿ âäîëü ðà äèóñà, òàê ÷òî ïîëÿðíûé è àçèìóòàëüíûé óãëû íå ìåíÿþòñÿ è dW = 0. Òîãäà èç óðàâíåíèÿ (Ï 2.1) è óñëîâèÿ ds = 0 ñëåäóåò âûðàæåíèå äëÿ ïåðåìåùåíèÿ dr çà âðåìÿ dt: dr =

dt . a (t )

Ïîëíûé ïóòü, êîòîðûé ïðîëåòàåò ñâåò, íà÷àâøèé ñâîå äâèæåíèå â ìîìåíò âðåìåíè t0 è îêîí÷èâøèé â ìîìåíò t1, ðàâåí ñóììå ïåðåìåùåíèé: t1

r (t1 , t 0 ) =

dt

ò a (t ) .

(Ï 2.6)

t0

Êñòàòè, ýòî óðàâíåíèå ñïðàâåäëèâî íå òîëüêî äëÿ ïðîñòðàíñòâà äå Ñèòòåðà, íî è äëÿ áîëüøèíñòâà ñëó÷àåâ, êîãäà âåùåñòâî ðàñïðåäåëåíî îäíîðîäíî, ÷òî ïðèáëèæåííî âûïîëíÿåòñÿ íà âñåõ ýòàïàõ ýâîëþöèè Âñåëåííîé. Íó à äëÿ íàøåãî ïðîñòðàíñòâà äå Ñèòòåðà ïîâåäåíèå ìàñøòàáíîãî ôàêòîðà õîðîøî èçâåñòíî — ñì. (Ï 2.4, Ï 2.5) — è ìû ìîæåì âû÷èñëèòü ïóòü, ïðîéäåííûé ñâåòîì:

[

]

r (t1 , t 0 ) = e - H L t0 - e - H L t1 .

(Ï 2.7)

Çäåñü èñïîëüçîâàí ÷àñòî âñòðå÷àþùèéñÿ âûáîð íà÷àëüíîãî çíà÷åíèÿ ìàñøòàáíîãî ôàêòîðà, a(0) = H L-1. Ïîëó÷åííûé ðåçóëüòàò — çíàìåíàòåëüíûé è î÷åíü ñòðàííûé. Äåéñòâèòåëüíî, ïîñìîòðèì, íàïðèìåð, êàêîå ðàññòîÿíèå ïðîëåòèò ñâåò, åñëè áóäåò äâèãàòüñÿ áåñêîíå÷íî äîëãî. Äëÿ ýòîãî ïîëàãàåì â ôîðìóëå (Ï 2.7) t1 = ¥ è ïîëó÷àåì êîíå÷íûé îòâåò: r (¥ , t 0 ) = e - H L t0 . Çà áåñêîíå÷íîå âðåìÿ ñâåò ïðîäåëàë êîíå÷íûé ïóòü! Çíà÷èò, âñå, ÷òî íàõîäèòñÿ äàëüøå, ñîâåðøåííî íåäîñòóïíî äëÿ íàáëþäàòåëÿ, ðàñïîëîæèâøåãîñÿ â öåíòðå, ò. å. â òî÷êå r = 0. È ýòî åùå íå âñå. Åñëè ýòîò íàáëþäàòåëü ïóñòèë äðóãîé ëó÷ ñâåòà ïîçæå, òî âòîðîé ëó÷ ïðîëåòèò ìåíüøåå ðàññòîÿíèå, ïîñêîëüêó âðåìÿ t0 óâåëè÷èëîñü. 2. Ïðîñòðàíñòâî äå Ñèòòåðà

269

Çäåñü ñëåäóåò ïåðåâåñòè äóõ è âñïîìíèòü, ÷òî ïîêà ìû íàõîäèìñÿ â ñîïóòñòâóþùåé (êîîðäèíàòíîé) ñèñòåìå îòñ÷åòà. Íó à ÷òî æå ïðîèñõîäèò ñ òî÷êè çðåíèÿ íàáëþäàòåëÿ, èñïîëüçóþùåãî ôèçè÷åñêèå êîîðäèíàòû? Ïîäñòàâëÿÿ (Ï 2.4) è (Ï 2.7) â (2.1), ïîëó÷àåì, ÷òî ñâåò çà áîëüøîé ïðîìåæóòîê âðåìåíè ïðîõîäèò ðàññòîÿíèå R (t ® ¥ ) = H L-1e H L t .

È, íàêîíåö, ïîñìîòðèì, êàê èçìåíÿåòñÿ ôèçè÷åñêîå ðàññòîÿíèå R12 ìåæäó äâóìÿ íàáëþäàòåëÿìè, íàõîäÿùèìèñÿ íà êîîðäèíàòíîì ðàññòîÿíèè r12 äðóã îò äðóãà. Ïðè íàëè÷èè ôîðìóë (2.1), (Ï 2.4) è (Ï 2.7) ýòî ñîâñåì ïðîñòî: R12 = r12 e H L t .

Ôèçè÷åñêîå ðàññòîÿíèå ìåæäó ëþáûìè äâóìÿ íàáëþäàòåëÿìè ðàñòåò ýêñïîíåíöèàëüíî áûñòðî. Ýòî ñîâñåì íå ïîõîæå íà òî, ê ÷åìó ìû ïðèâûêëè, îáèòàÿ â ïðîñòðàíñòâå Ìèíêîâñêîãî, êîãäà ðàññòîÿíèå, ïðîéäåííîå ñâåòîì, ïðîïîðöèîíàëüíî âðåìåíè. Êàê ìû âèäèì, ïðîñòðàíñòâî äå Ñèòòåðà, ïðè âñåé ñâîåé ïðîñòîòå, îáëàäàåò âåñüìà ñòðàííûìè ñâîéñòâàìè. Êñòàòè, íàøèì ïîòîìêàì, ñêîðåå âñåãî, ïðèäåòñÿ æèòü èìåííî â òàêîì ìèðå. Óæå ñåé÷àñ âêëàä òåìíîé ýíåðãèè â îáùóþ ïëîòíîñòü ñîñòàâëÿåò 70%, à ñî âðåìåíåì ýòà äîëÿ òîëüêî âîçðàñòàåò, ïîñêîëüêó ïëîòíîñòü ÷àñòèö óìåíüøàåòñÿ. Çíà÷èò, èñïóñêàåìûé íàìè ñâåò áóäåò ïðîõîäèòü âñå ìåíüøåå ðàññòîÿíèå è äîëåòàòü äî âñå ìåíüøåãî ÷èñëà ãàëàêòèê. Ïðàâäà, ïðîèçîéäåò ýòî ÷åðåç ìíîãî ìèëëèàðäîâ ëåò.

3. Ìàññà Äæèíñà Îïðåäåëèì ðàçìåð è ìàññó ôëóêòóàöèè, íà÷èíàÿ ñ êîòîðûõ ãðàâèòàöèîííîå ñæàòèå ïðåîäîëåâàåò ñèëû âíóòðåííåãî äàâëåíèÿ. Ïóñòü îáëàñòü ñëåãêà ïîâûøåííîé ïëîòíîñòè èìååò ðàçìåð d. Êîíå÷íî, ìàññà ýòîé îáëàñòè ñëåãêà ïðåâûøàåò ìàññó òàêèõ æå ñîñåäíèõ îáëàñòåé, ïîýòîìó ãðàâèòàöèîííûå ñèëû ñòðåìÿòñÿ åå ñæàòü. Íåòðóäíî îöåíèòü âðåìÿ ñæàòèÿ òàêîé îáëàñòè èç ðàçìåðíûõ ñîîáðàæåíèé: â íàøåì ðàñïîðÿæåíèè åñòü ïëîòíîñòü ñðåäû r, õàðàêòåðíûé ðàçìåð îáëàñòè L è ãðà-

270

Ïðèëîæåíèÿ

âèòàöèîííàÿ ïîñòîÿííàÿ G. Èç ýòèõ âåëè÷èí ìîæíî åäèíñòâåííûì îáðàçîì çàïèñàòü âûðàæåíèå ñ ðàçìåðíîñòüþ âðåìåíè — ýòî (rG)–1/2. Çíà÷èò, õàðàêòåðíîå âðåìÿ tãðàâ ãðàâèòàöèîííîãî ñæàòèÿ ïî ïîðÿäêó âåëè÷èíû äîëæíî ðàâíÿòüñÿ tãðàâ » (rG)–1/2. Ìîæíî, êîíå÷íî, íàïèñàòü ñëîæíîå óðàâíåíèå è ÷åñòíî åãî ðåøèòü. Ýòî ïðèâåäåò ëèøü ê óòî÷íåíèþ ÷èñëåííîãî ìíîæèòåëÿ. Ñàìî æå âûðàæåíèå äëÿ âðåìåíè ñæàòèÿ ïîä äåéñòâèåì ãðàâèòàöèîííûõ ñèë îñòàíåòñÿ òàêèì æå — ó íàñ ïðîñòî íåò â ðàñïîðÿæåíèè äðóãèõ ðàçìåðíûõ âåëè÷èí, îòíîñÿùèõñÿ ê äàííîé ïðîáëåìå, èç êîòîðûõ ìîæíî áûëî áû ñîñòàâèòü íå÷òî ñ ðàçìåðíîñòüþ âðåìåíè. Ïðîòèâîñòîÿòü ñæàòèþ ìîæåò òîëüêî äàâëåíèå, ñîçäàâàåìîå ñðåäîé âíóòðè ýòîé îáëàñòè. Íî êàê âíóòðåííÿÿ îáëàñòü «óçíàåò», ÷òî ïåðèôåðèéíûå ó÷àñòêè íà÷àëè äâèæåíèå âíóòðü ïîä äåéñòâèåì ãðàâèòàöèîííûõ ñèë? Åñòü äâå âîçìîæíîñòè: ñ ïåðèôåðèè ïðèáûâàþò àòîìû, ïëîòíîñòü â öåíòðå âîçðàñòàåò, à ñ íåé è äàâëåíèå. Âòîðàÿ âîçìîæíîñòü — ïðèõîä âîëíû ñæàòèÿ (çâóêîâîé âîëíû) ñ ïåðèôåðèè. Ê ñ÷àñòüþ, îáå ýòè âåëè÷èíû — ñêîðîñòü àòîìîâ è ñêîðîñòü çâóêîâûõ âîëí uçâóê — ïðèìåðíî ðàâíû äðóã äðóãó. Ïîýòîìó âðåìÿ, íåîáõîäèìîå ñæèìàåìîé îáëàñòè äëÿ ïåðåãðóïïèðîâêè ñèë è îðãàíèçàöèè ñîïðîòèâëåíèÿ täàâë » L/uçâóê. Åñëè ýòî âðåìÿ ìåíüøå âðåìåíè ñæàòèÿ ãðàâèòàöèîííûìè ñèëàìè, òî äàâëåíèå áóäåò óñïåâàòü íåéòðàëèçîâûâàòü ãðàâèòàöèîííîå ñæàòèå.  ïðîòèâíîì ñëó÷àå îáëàñòü áóäåò ïðîäîëæàòü ñæèìàòüñÿ. Èòàê, óñëîâèå íà÷àëà ñæàòèÿ åñòü ðàâåíñòâî âðåìåí: täàâë = tãðàâ . Ïðîñòûå âû÷èñëåíèÿ íà îñíîâå âûøåïðèâåäåííûõ ôîðìóë äàþò ðàçìåð îáëàñòè, ïðè êîòîðîì íà÷èíàåòñÿ ñæàòèå: L J » uçâóê(rG)–1/2, à ìàññà òàêîé îáëàñòè, ñëåäîâàòåëüíî: MJ » rL3J . 3. Ìàññà Äæèíñà

271

Èíäåêñ «J» íàïîìèíàåò íàì î ôèçèêå Äæèíñå, âïåðâûå èññëåäîâàâøåì ýòó ïðîáëåìó. Îöåíèì ðàçìåð îáëàñòè è åå ìàññó, íà÷èíàþùóþ ñæèìàòüñÿ â ïåðèîä ðåêîìáèíàöèè, êîãäà îáðàçîâàëèñü íåéòðàëüíûå àòîìû. Ñêîðîñòü çâóêà â ýòîò ïåðèîä uçâóê » 5 êì/ñ, ïëîòíîñòü r »10–22 ã/ñì3 (ïîäðîáíåå ýòè âîïðîñû ðàññìîòðåíû â ëåêöèÿõ Ê. Ïîñòíîâà [21]). Òåïåðü ïî ôîðìóëàì, ïðèâåäåííûì âûøå, ïîëó÷àåì ðàçìåð îáëàñòè LJ ~ 1020ñì è ìàññó âíóòðè íåå MJ ~ 106 M¤.

4. Âçàèìîñâÿçü ñâîéñòâ ïðîñòðàíñòâà-âðåìåíè è ìàòåðèè Çäåñü íà áîëåå ñòðîãîì óðîâíå ðàññìàòðèâàþòñÿ ñâîéñòâà ïðîñòðàíñòâà, çàïîëíåííîãî îäíîðîäíî ðàñïðåäåëåííîé ìàòåðèåé. Èç Ïðèëîæåíèÿ 2 ìû ïîíÿëè, íàñêîëüêî íåîáû÷íûìè ñâîéñòâàìè îáëàäàåò ïðîñòðàíñòâî äå Ñèòòåðà, ïðîñòåéøåå íåòðèâèàëüíîå ïðîñòðàíñòâî, åñëè êîððåêòíî ó÷åñòü ãðàâèòàöèþ. Ñâîéñòâà ýòîãî ïðîñòðàíñòâà îáóñëîâëåíû íåíóëåâûì çíà÷åíèåì ýíåðãèè âàêóóìà. Åñëè íå áûòü î÷åíü òðåáîâàòåëüíûìè, òî ïðèáëèæåííî òàêèå æå ñâîéñòâà ïðîñòðàíñòâà ìîæíî ïîëó÷èòü è äðóãèì ñïîñîáîì, íà ÷åì è îñíîâàíà ñàìà èäåÿ èíôëÿöèè. Êëþ÷åâóþ ðîëü â ïîäîáíûõ ñëó÷àÿõ èãðàåò ìàñøòàáíûé ôàêòîð. Èìåííî â íåì çàëîæåíà âñÿ èíôîðìàöèÿ î ìåòðè÷åñêîì òåíçîðå è, ñëåäîâàòåëüíî, î êîíôèãóðàöèè ãðàâèòàöèîííîãî ïîëÿ, åñëè ýíåðãèÿ â ïðîñòðàíñòâå ðàñïðåäåëåíà îäíîðîäíî.  íàøå âðåìÿ, êàê áûëî îáíàðóæåíî ñîâñåì íåäàâíî, ýíåðãèÿ âàêóóìà äîìèíèðóåò, íî òàê áûëî äàëåêî íå âñåãäà. Ðàíüøå ïëîòíîñòü âåùåñòâà è èçëó÷åíèÿ áûëà ãîðàçäî âûøå ïëîòíîñòè ýíåðãèè âàêóóìà (òåìíîé ýíåðãèè), ïðîñòî ïîòîìó, ÷òî ïîñëåäíÿÿ íå ìåíÿåòñÿ ïðè ðàñøèðåíèè Âñåëåííîé, à ïëîòíîñòü ýíåðãèè îáû÷íîãî âåùåñòâà — óìåíüøàåòñÿ. Çíà÷èò, áûëè ýïîõè â èñòîðèè Âñåëåííîé, êîãäà ïëîòíîñòüþ ýíåðãèè âàêóóìà ìîæíî áûëî ïðåíåáðå÷ü. Êàê ðàç ýòî ìû ñåé÷àñ è ñäåëàåì, ÷òîáû ïîñìîòðåòü, êàê ðàñøèðÿëàñü Âñåëåííàÿ â òå âðåìåíà. Ìû óâèäèì, ÷òî íå òîëüêî ïëîòíîñòü ýíåðãèè çàâèñèò îò ìàñøòàáíîãî ôàêòîðà, íî è ñàì ìàñøòàáíûé ôàêòîð îïðåäåëÿåòñÿ êàê ïëîòíîñòüþ ýíåðãèè ñðåäû, òàê è åå ñâîéñòâàìè.

272

Ïðèëîæåíèÿ

Êàê ãîâîðèëîñü âûøå, óðàâíåíèÿ Ýéíøòåéíà âêëþ÷àþò â ñåáÿ äèíàìè÷åñêèå ïåðåìåííûå ãðàâèòàöèîííîãî ïîëÿ è ìàòåðèè. Ê ïðîñòðàíñòâó äå Ñèòòåðà ìû åùå âåðíåìñÿ, à ïîêà ðàññìîòðèì âàæíûé ñëó÷àé ïðåîáëàäàíèÿ ýíåðãèè îáû÷íîãî âåùåñòâà.  îäíîðîäíîì ñëó÷àå ãðàâèòàöèîííîå ïîëå ïðåäñòàâëåíî ìàñøòàáíûì ôàêòîðîì a(t), à âåùåñòâî — ïëîòíîñòüþ ýíåðãèè r è äàâëåíèåì p. Âî ìíîãèõ âàæíûõ ñëó÷àÿõ åäèíñòâåííàÿ õàðàêòåðèñòèêà âåùåñòâà, êîòîðàÿ ïîòðåáóåòñÿ äëÿ àíàëèçà, — ýòî ñâÿçü äàâëåíèÿ è ïëîòíîñòè ýíåðãèè, çàïèñûâàþùàÿñÿ îáû÷íî â âèäå p = wr.

(Ï 4.1)

Ýòà ôîðìóëà îõâàòûâàåò òàêèå ðàñïðîñòðàíåííûå ñëó÷àè, êàê ïûëü, êîãäà äàâëåíèå ðàâíî íóëþ, à çíà÷èò, è w = 0, à òàêæå èçëó÷åíèå, ïðè êîòîðîì w = 1/3. Ïîä òåðìèíîì «èçëó÷åíèå» â ýòîì êîíòåêñòå îáû÷íî ïîíèìàåòñÿ ïðîñòðàíñòâî, çàïîëíåííîå ôîòîíàìè ëèáî ðåëÿòèâèñòñêèìè ÷àñòèöàìè, ìàññà êîòîðûõ ìàëà ïî ñðàâíåíèþ ñ èõ êèíåòè÷åñêîé ýíåðãèåé. Òåïåðü ìîæíî âûïèñàòü óðàâíåíèÿ, ÿâëÿþùèåñÿ «âûæèìêîé» èç óðàâíåíèé Ýéíøòåéíà. Ïåðâîå èç íèõ — óæå çíàêîìîå óðàâíåíèå (Ï 2.3): a& 2 8pG = r. 2 3 a

(Ï 4.2)

Çäåñü ìû óæå ïðåíåáðåãàåì âêëàäîì ýíåðãèè âàêóóìà ïî ñðàâíåíèþ ñ âêëàäîì âåùåñòâà è èçëó÷åíèÿ. Âòîðîå óðàâíåíèå â îêîí÷àòåëüíîì âèäå òàêîâî: dr r = -3 (1 + w ) . da a

(Ï 4.3)

Îíî äàåò ñâÿçü ìåæäó ìàñøòàáíûì ôàêòîðîì, ò. å. ñêîðîñòüþ ðàñøèðåíèÿ Âñåëåííîé, è ïëîòíîñòüþ âåùåñòâà. Ñâîéñòâà ñàìîãî âåùåñòâà ó÷èòûâàþòñÿ ïàðàìåòðîì w. Óðàâíåíèå (Ï 4.3) ëåãêî ðåøàåòñÿ, ïðèâîäÿ ê ñâÿçè ìåæäó ïëîòíîñòüþ âåùåñòâà è ìàñøòàáíûì ôàêòîðîì: C (Ï 4.4) r = 3(1 + w ) . a 4. Âçàèìîñâÿçü ñâîéñòâ ïðîñòðàíñòâà-âðåìåíè è ìàòåðèè

273

Îáû÷íî íåñóùåñòâåííàÿ êîíñòàíòà Ñ ìîæåò áûòü îïðåäåëåíà èç íà÷àëüíûõ óñëîâèé. Òåïåðü óæå è ðåøåíèå óðàâíåíèÿ (Ï 4.2) íå ïðåäñòàâëÿåò òðóäíîñòåé. Îíî èìååò âèä 2

a (t ) = C ¢ × t 3(1 + w )

(Ï 4.5)

ïðè áîëüøèõ âðåìåíàõ t. Ïîñëå îêîí÷àíèÿ èíôëÿöèîííîãî ïåðèîäà Âñåëåííàÿ áûëà ñèëüíî ðàçãîðÿ÷åíà, ÷àñòèöû èìåëè ñâåðõâûñîêèå ýíåðãèè, ìíîãî áîëüøèå, ÷åì èõ ìàññû. Äà è ïëîòíîñòü ôîòîíîâ áûëà âûñîêà.  ýòèõ óñëîâèÿõ ïàðàìåòð w = 1/3, à çíà÷èò, ñîãëàñíî ôîðìóëå (Ï 4.5), âñå ðàññòîÿíèÿ âî Âñåëåííîé óâåëè÷èâàþòñÿ ñî âðåìåíåì êàê R ~ a (t ) ~ t . Ïëîòíîñòü ýíåðãèè êàê ôóíêöèÿ âðåìåíè ìîæåò áûòü îïðåäåëåíà èç ôîðìóëû (Ï 4.4): r(t ) =

1 1 ~ 2. a ( t )4 t

(Ï 4.6)

Ïëîòíîñòü ýíåðãèè áûñòðî óáûâàåò ñî âðåìåíåì. Ñîâñåì äðóãàÿ êàðòèíà âîçíèêàåò, êîãäà Âñåëåííàÿ êàê ñëåäóåò îñòûëà, ÷àñòèöû ñòàëè ìåäëåííûìè è îñíîâíîé âêëàä â ïëîòíîñòü ýíåðãèè âíîñèò óæå ìàññà ÷àñòèö, áî2ëüøàÿ ïî ñðàâíåíèþ ñ èõ êèíåòè÷åñêîé ýíåðãèåé. Ìàëîïîäâèæíûå ÷àñòèöû óæå íå ñîçäàþò äàâëåíèÿ, à òàêîå ñîñòîÿíèå, ñ ïàðàìåòðîì w = 0, êàê ìû óæå çíàåì, íàçûâàåòñÿ «ïûëüþ». Âñåëåííàÿ ñ ïûëüþ â êà÷åñòâå ñîäåðæèìîãî ðàñøèðÿåòñÿ ïî çàêîíó R(t) ~ a(t) ~ t 2/3, ñì. (Ï 4.5), à ïëîòíîñòü óìåíüøàåòñÿ ñ òîé æå ñêîðîñòüþ, ÷òî è ïðè äîìèíèðîâàíèè èçëó÷åíèÿ: r(t ) ~

1 1 ~ 2, a ( t )3 t

(Ï 4.7)

êàê ýòî ñëåäóåò èç ôîðìóëû (Ï 4.4). Èòàê, âàæíåéøèé âûâîä, ñîñòîèò â òîì, ÷òî òåìï ðàñøèðåíèÿ ïðîñòðàíñòâà çàâèñèò îò ñîäåðæèìîãî, â äàííîì ñëó÷àå îò âåëè÷èíû ïàðàìåòðà w.

274

Ïðèëîæåíèÿ

5. Ðàñøèðåíèå ïðîñòðàíñòâà è äèíàìèêà ÷àñòèö  Ïðèëîæåíèè 4 áûëî ïîêàçàíî, ÷òî ñâîéñòâà ìàòåðèè âëèÿþò íà ãëîáàëüíûå ñâîéñòâà ñàìîãî ïðîñòðàíñòâà, è â ÷àñòíîñòè íà äèíàìèêó åãî ðàñøèðåíèÿ. Íî îáðàòíîå òîæå âåðíî: îêàçûâàåòñÿ, ðàñøèðåíèå ïðîñòðàíñòâà ïðèâîäèò ê óìåíüøåíèþ ñêîðîñòè ÷àñòèö. Äîêàæåì ýòî äëÿ ìàññèâíîé íåðåëÿòèâèñòñêîé ÷àñòèöû. Ïóñòü èìååòñÿ äâà íàáëþäàòåëÿ, íàõîäÿùèåñÿ íà êîîðäèíàòíîì ðàññòîÿíèè dr äðóã îò äðóãà. Ñ÷èòàåì èõ íåïîäâèæíûìè, ò. å. dr = const. Îäíàêî â ôèçè÷åñêèõ êîîðäèíàòàõ, ñîãëàñíî âûâåäåííîìó íàìè çàêîíó Õàááëà, âòîðîé íàáëþäàòåëü äâèæåòñÿ îòíîñèòåëüíî ïåðâîãî ñî ñêîðîñòüþ dvobs = H(t)dR, ãäå dR — ðàññòîÿíèå ìåæäó íèìè â ôèçè÷åñêèõ êîîðäèíàòàõ. ×àñòèöà, èìåþùàÿ ñêîðîñòü V (t) îòíîñèòåëüíî ïåðâîãî íàáëþäàòåëÿ è ïðîëåòàþùàÿ ìèìî íåãî â ìîìåíò âðåìåíè t, äîëåòèò îò íåãî äî âòîðîãî íàáëþäàòåëÿ çà âðåìÿ dt =

dR . V (t )

Åñëè áû ïðîñòðàíñòâî íå ðàñøèðÿëîñü, òî ñêîðîñòü ÷àñòèöû V(t) áûëà áû ïîñòîÿííîé.  ðàñøèðÿþùåéñÿ âñåëåííîé ýòî íå òàê. ×åðåç âðåìÿ dt ñêîðîñòü ÷àñòèöû èçìåðÿåò âòîðîé íàáëþäàòåëü, êîòîðûé äâèæåòñÿ îòíîñèòåëüíî ïåðâîãî ñî ñêîðîñòüþ dvobs. Îí îïðåäåëèò, ÷òî ñêîðîñòü ïðîëåòàþùåé ìèìî íåãî ÷àñòèöû ðàâíà V(t + dt) = V(t) – dvobs = V(t) – H(t)dR. Èç ýòîãî ðàâåíñòâà î÷åâèäíî, ÷òî dV dR da dt . = - H (t ) = -V dt dt a

Ïîñëåäíåå ðàâåíñòâî — ýòî ïðîñòî îïðåäåëåíèå ïàðàìåòðà Õàááëà. Îêîí÷àòåëüíî èìååì ñëåäóþùåå òðèâèàëüíîå óðàâíåíèå: dV da = - , V a 5. Ðàñøèðåíèå ïðîñòðàíñòâà è äèíàìèêà ÷àñòèö

275

ðåøåíèå êîòîðîãî èìååò âèä: const . a Êîíñòàíòà îïðåäåëÿåòñÿ íà÷àëüíûìè óñëîâèÿìè, êàê îáû÷íî. Ñàìîå èíòåðåñíîå — îáðàòíàÿ ïðîïîðöèîíàëüíîñòü ìàñøòàáíîìó ôàêòîðó. Åñëè Âñåëåííàÿ ðàñøèðèëàñü â 2 ðàçà, òî ñêîðîñòü ñâîáîäíî ëåòÿùåé ÷àñòèöû óìåíüøèëàñü â äâà ðàçà. Çàêîí Íüþòîíà ñïðàâåäëèâ òîëüêî â ïðîñòðàíñòâå Ìèíêîâñêîãî, â êîòîðîì a(t) = 1. V =

6. Èíôëÿöèÿ — ïåðâûå ìãíîâåíèÿ æèçíè Âñåëåííîé Ìû èçó÷àëè ðàñøèðåíèå ïðîñòðàíñòâà, êîãäà äàâëåíèå è ïëîòíîñòü ýíåðãèè áûëè ñâÿçàíû ïðîñòîé ôîðìóëîé p = wr. Íî íà èíôëÿöèîííîé ñòàäèè äîìèíèðóåò ýíåðãèÿ íå ÷àñòèö, à ïîëÿ, äëÿ êîòîðîãî ýòà ñâÿçü íå ñîâñåì ïîíÿòíà. Ïîñìîòðèì, ÷òî çäåñü ìîæíî ñäåëàòü è ÷åì æå òàê èíòåðåñíà ýòà ýïîõà. Êàê óæå ãîâîðèëîñü âûøå, èíôëÿöèîííóþ ñòàäèþ, ò. å. ñòàäèþ ñâåðõáûñòðîãî ðàñøèðåíèÿ Âñåëåííîé, ìîæíî îáúÿñíèòü, ââåäÿ íîâîå ïîëå, êîòîðîå òàê è íàçûâàåòñÿ — «èíôëàòîí», èëè «èíôëàòîííîå ïîëå». Êðîìå òîãî, ïðåäïîëàãàåòñÿ, ÷òî äðóãèå ïîëÿ è ÷àñòèöû íå âíîñÿò çàìåòíîãî âêëàäà â äèíàìèêó âñåé ñèñòåìû.  ýòîì ñëó÷àå óäàåòñÿ, èñõîäÿ èç ïðîâåðåííûõ óðàâíåíèé Ýéíøòåéíà, íàéòè çàâèñèìîñòü ìàñøòàáíîãî ôàêòîðà îò âðåìåíè. Ôîðìóëà (Ï 4.2), ïîëó÷åííàÿ íà îñíîâå îäíîãî èç óðàâíåíèé Ýéíøòåéíà, ïðèãîäíà è â äàííîì ñëó÷àå. Áîëåå òîãî, åñëè ðàíüøå ïëîòíîñòü ýíåðãèè r íàäî áûëî ñâÿçûâàòü ñ äàâëåíèåì, ÷òî ëåãêî ñäåëàòü ëèøü â ïðîñòûõ ñëó÷àÿõ, òî òåïåðü îíà îäíîçíà÷íî âûðàæàåòñÿ ÷åðåç åäèíñòâåííóþ äèíàìè÷åñêóþ ïåðåìåííóþ — èíôëàòîííîå ïîëå j. Òî÷íåå, ïëîòíîñòü ýíåðãèè åñòü ïðîñòî ñóììà ïëîòíîñòè êèíåòè÷åñêîé è ïîòåíöèàëüíîé ýíåðãèè: 1 (Ï 6.1) r = j& 2 + V (j). 2 Ðàçëè÷íûå ìîäåëè èíôëÿöèè îòëè÷àþòñÿ äðóã îò äðóãà ôîðìîé ïîòåíöèàëà, ò. å. âèäîì ôóíêöèè V(j). Ñåé÷àñ, ïðàâäà, ïîÿâèëèñü ìîäåëè, â êîòîðûõ ìîäåðíèçèðóåòñÿ êèíåòè÷åñêîå

276

Ïðèëîæåíèÿ

ñëàãàåìîå, ïåðâîå â ôîðìóëå (Ï 6.1), âìåñòî ñêó÷íîãî ìíîæèòåëÿ 1/2 ïîäñòàâëÿåòñÿ ïðîèçâîëüíàÿ ôóíêöèÿ K(j). Íà ïåðâûõ ïîðàõ âèä ôóíêöèè ïîñòóëèðîâàëñÿ áåç êàêèõ-ëèáî îáîñíîâàíèé. Ñ ðàçâèòèåì ýòîãî íàó÷íîãî íàïðàâëåíèÿ ðîñëî ïîíèìàíèå ïðåèìóùåñòâ è íåäîñòàòêîâ èíôëÿöèîííîãî ñöåíàðèÿ, ïîòåíöèàë âûáèðàëñÿ âñå áîëåå ñëîæíîãî âèäà. Êðîìå òîãî, ñåé÷àñ óæå íåëüçÿ äîâîëüñòâîâàòüñÿ åãî ïðîñòûì ïîñòóëèðîâàíèåì, íåîáõîäèìî èñêàòü îáîñíîâàíèå âûáîðà åãî ôîðìû â ñî âðåìåííûõ ìíîãîìåðíûõ ìîäåëÿõ òèïà ìíîãîìåðíîé ãðàâèòàöèè è òåîðèè ñóïåðñòðóí. Äëÿ íàñ æå âàæíî ïîíÿòü ñóòü ïðîáëåìû, è ìû â äàëüíåéøåì âîñïîëüçóåìñÿ ïðîñòåéøåé ôîðìîé ïîòåíöèàëà. Êëþ÷åâûì ìîìåíòîì ïîäàâëÿþùåãî áîëüøèíñòâà ìîäåëåé èíôëÿöèè ÿâëÿåòñÿ ìåäëåííîå èçìåíåíèå ïîëÿ ñî âðåìåíåì.  êîíöå âû÷èñëåíèé íàäî áóäåò ïðîâåðèòü, äåéñòâèòåëüíî ëè ýòî òàê, ÷òîáû ìîäåëü áûëà ñàìîñîãëàñîâàííîé, è â êàêèõ ñèòóàöèÿõ ýòî óñëîâèå ìîæåò âûïîëíÿòüñÿ. Âòîðîå óðàâíåíèå Ýéíøòåéíà çàïèøåì, óæå èñïîëüçóÿ ìåäëåííîñòü äâèæåíèÿ ïîëÿ: 3H

dj dV (j) . = dt dj

(Ï 6.2)

Ê ýòîìó óðàâíåíèþ äîáàâèì óðàâíåíèå a& = H = a

8pG V (j ), 3

(Ï 6.3)

âûòåêàþùåå èç âûðàæåíèé (Ï 4.2) è (Ï 6.1). Çäåñü óæå ó÷òåíî, ÷òî â ïëîòíîñòü ýíåðãèè âíîñèò âêëàä òîëüêî ïîòåíöèàëüíàÿ ýíåðãèÿ, ïîñêîëüêó äâèæåíèå ïðåäïîëàãàåòñÿ ìåäëåííûì, è, ñëåäîâàòåëüíî, êèíåòè÷åñêàÿ ýíåðãèÿ ìàëà ïî ñðàâíåíèþ ñ ïîòåíöèàëüíîé: 2

1 æ dj ö 1 ç ÷ º j& 2nV (j ) . 2 è dt ø 2

(Ï 6.4)

Âûáðàâ ôîðìó ïîòåíöèàëà V(j) è èñïîëüçóÿ ñèñòåìó óðàâíåíèé (Ï 6.2, Ï 6.3), ìîæíî íàéòè ïîâåäåíèå ïîëÿ j(t) è ìàñøòàáíîãî ôàêòîðà a(t), ñâåäÿ ýòè óðàâíåíèÿ ê îäíîìó: 6. Èíôëÿöèÿ — ïåðâûå ìãíîâåíèÿ æèçíè Âñåëåííîé

277

dj = dt

dV (j ) 1 . 24pGV (j ) dj

Ïðè âèäå ýòîé ôîðìóëû ñòàíîâèòñÿ ÿñíî, ÷òî îáëàñòü ïðèìåíèìîñòè óðàâíåíèÿ (ìàëûå ïðîèçâîäíûå ïî âðåìåíè) íóæíî èñêàòü òàì, ãäå ïîòåíöèàë èìååò áîëüøèå çíà÷åíèÿ è çíàìåíàòåëü ôîðìóëû âåëèê. Ïîäáîðîì ïàðàìåòðîâ ýòîãî âïîëíå ìîæíî äîáèòüñÿ.  êà÷åñòâå ïðèìåðà ðàññìîòðèì ïðîñòåéøóþ ìîäåëü èíôëÿöèè, ñ ïîòåíöèàëîì âèäà V (j ) =

1 2 2 mj . 2

(Ï 6.5)

Ïðåæäå âñåãî ïðîâåðèì, ïðè êàêèõ çíà÷åíèÿõ ïîëÿ j, êîòîðîå íàçûâàåòñÿ «èíôëàòîí», âûïîëíÿåòñÿ óñëîâèå ìåäëåííîãî ñêàòûâàíèÿ (Ï 6.4). Èñïîëüçóÿ óðàâíåíèå (Ï 6.2) äëÿ ïîëÿ j, ïîëó÷èì 1 dV (j ) nV (j ). 6H dj

Ïîäñòàâëÿÿ â ýòî íåðàâåíñòâî êîíêðåòíûé âèä ïîòåíöèàëà (Ï 6.5), ïîëó÷èì çíà÷åíèÿ ïîëÿ j (èíôëàòîíà), ïðè êîòîðîì ñïðàâåäëèâû âñå ðàñ÷åòû jo

MP . 12p

×åì áîëüøå âåëè÷èíà ïîëÿ, òåì òî÷íåå íàøè ðàñ÷åòû, íî òåì áîëüøå è çíà÷åíèå ïîòåíöèàëà. Òî, ÷òî ñàìî ïîëå áîëüøå ïëàíêîâñêîãî çíà÷åíèÿ, åùå íå ñòðàøíî, ãëàâíîå, ÷òîáû ïîòåíöèàë áûë ìåíüøå ïëàíêîâñêîé ïëîòíîñòè M P4 .  ïðîòèâíîì ñëó÷àå ìû ïîïàäàåì â îáëàñòü êâàíòîâûõ ýôôåêòîâ â ãðàâèòàöèè, è âñå óðàâíåíèÿ ñòàíîâÿòñÿ áîëåå ÷åì ñîìíèòåëüíûìè.  íàøåì ñëó÷àå êâàäðàòè÷íîãî ïîòåíöèàëà óñëîâèå V(j) n M P4 ñâîäèòñÿ ê îãðàíè÷åíèþ íà ìàññó èíôëàòîíà m n 6pM P . Èòàê, åñëè â íåêîòîðîé îáëàñòè ïðîñòðàíñòâà, çà ñ÷åò êâàíòîâûõ ôëóêòóàöèé, âîçíèêëî ïîëå jin > MP (èíäåêñ «in»

278

Ïðèëîæåíèÿ

îáîçíà÷àåò íà÷àëüíóþ âåëè÷èíó), òî ñàìî ïîëå áóäåò ñìåùàòüñÿ ê ìèíèìóìó ïîòåíöèàëà, êàê íà ðèñ. 2.4. Èçìåíåíèå ðàçìåðà ïðîñòðàíñòâåííîé îáëàñòè, â êîòîðîé ýòî âñå ïðîèñõîäèò, äèêòóåòñÿ ìàñøòàáíûì ôàêòîðîì. Ìàíèïóëèðîâàíèå óðàâíåíèÿìè (Ï 6.2) è (Ï 6.3) ïðèâîäèò ê ñëåäóþùåìó ðåçóëü òàòó äëÿ ìàñøòàáíîãî ôàêòîðà é 2p ù a (t ) = ain exp ê 2 j 2in - j(t )2 ú . ë MP û

(

)

Êàê ìû óæå âûÿñíèëè, jin > MP, à êîíå÷íîå çíà÷åíèå ïîëÿ — â ìèíèìóìå ïîòåíöèàëà, ò. å. ïðè j = 0. Î÷åâèäíî, ÷òî ôàêòîð é 2p ù a (t ) = ain exp ê 2 j 2in ú » M P4 M ë P û

(Ï6.6)

ïîêàçûâàåò, âî ñêîëüêî ðàç óâåëè÷èëñÿ ðàçìåð ïðîñòðàíñòâà (îñíîâíîå ñâîéñòâî ìàñøòàáíîãî ôàêòîðà). Êðèòè÷íûì ÿâëÿåòñÿ âûáîð íà÷àëüíîãî çíà÷åíèÿ ïîëÿ jin. Åãî ìîæíî ïîëó÷èòü, ñ÷èòàÿ, ÷òî â íà÷àëüíûé ìîìåíò ïîòåíöèàë èìåë ïëàíêîâñêóþ âåëè÷èíó: 1 V (j in ) = m2j 2in » M P4 . 2 Çíà÷èò, íà÷àëüíîå çíà÷åíèå ïîëÿ ðàâíî ïðèáëèçèòåëüíî M2 j in » 2 P . Ïîäñòàâëÿÿ ýòî â âûðàæåíèå (Ï 6.6), ïîëó÷àåì m é M2 ù P ~ exp ê4p 2P ú . m û ë

(Ï6.7)

Ïðåäïîëàãàåòñÿ, ÷òî ìàññà èíôëàòîíà j ïðèìåðíî â ìèëëèîí ðàç ìåíüøå ïëàíêîâñêîé ìàññû, òàê ÷òî ïðîñòðàíñòâåííàÿ îáëàñòü, èçíà÷àëüíî îáðàçîâàâøàÿñÿ ñ ïëàíêîâñêîé ïëîòíî13 ñòüþ, óâåëè÷èòñÿ ñîãëàñíî (Ï 6.7) â P ~ e10 ðàç. Äàæå åñëè åå ðàçìåð áûë ðàâåí òîìó æå ïëàíêîâñêîìó, ò. å íàèìåíüøåìó, ïðè êîòîðîì ñïðàâåäëèâû âñå óðàâíåíèÿ, òî òîëüêî çà èíôëÿöèîííûé ïåðèîä, äëèâøèéñÿ ïðèìåðíî 10–37 ñ, ðàçìåð ïðîñò13 12 ðàíñòâà ñòàë áîëüøèì: l ~ e10 · 10–37 ~ 1010 ñì. Ýòî íåñðàâíèìî áîëüøå âèäèìîé ÷àñòè Âñåëåííîé (1028 ñì). Ïðîñòî ñâåò åùå íå óñïåë äîëåòåòü äî íàñ ñ ðàññòîÿíèé, áî2ëüøèõ, ÷åì 1028 ñì. 6. Èíôëÿöèÿ — ïåðâûå ìãíîâåíèÿ æèçíè Âñåëåííîé

279

Äàëåå áóäåò ðàññìîòðåí êîíêðåòíûé ïðèìåð, à ïîêà — ñàìîå ãëàâíîå è êðàñèâîå. Ïîñìîòðèòå íà ôîðìóëó (Ï 6.3). Åñëè ïîëå ìåíÿåòñÿ ìåäëåííî, òî ïðàâàÿ ÷àñòü — ïî÷òè ïîñòîÿííàÿ âåëè÷èíà. Ñëåâà æå ñòîèò ïàðàìåòð Õàááëà, ðàâíûé ïî îïðåäåëåíèþ H = a& (t)/a(t). Ïîýòîìó óðàâíåíèå (Ï 6.3), ñïðàâåäëèâîå íà èíôëÿöèîííîé ñòàäèè, ïðèáëèæåííî ýêâèâàëåíòíî óðàâíåíèþ (Ï 2.4) äëÿ ïðîñòðàíñòâà äå Ñèòòåðà. Çíà÷èò, íà èíôëÿöèîííîé ñòàäèè ìîæíî ïîëüçîâàòüñÿ ôîðìóëàìè, ïîëó÷åííûìè íàìè äëÿ ýòîãî õîðîøî èçó÷åííîãî ïðîñòðàíñòâà. Ïðîñòî òåïåðü ïàðàìåòð L âûðàæàåòñÿ ÷åðåç ïîòåíöèàë ïîëÿ j: L @ 8pGV(j). Èòàê, ìàñøòàáíûé ôàêòîð, óêàçûâàþùèé, êàê ìåíÿåòñÿ ðàññòîÿíèå ìåæäó äâóìÿ ëþáûìè íàáëþäàòåëÿìè, â èíôëÿöèîííûé ïåðèîä ðàñòåò ïî ýêñïîíåíöèàëüíîìó çàêîíó a(t) @ a(0) · exp(tHA),

(Ï 6.8)

ãäå ïàðàìåòð Õàááëà ïî÷òè ïîñòîÿíåí è ðàâåí HA =

8pGV (j ) . 3

Êàê ìû âèäèì, ïðè áîëüøîì çíà÷åíèè ïîòåíöèàëà èçìåíåíèå ïîëÿ ñ òå÷åíèåì âðåìåíè âïîëíå ìîæåò áûòü ìåäëåííûì. Íî ïîëå, õîòü è ìåäëåííî, áóäåò äâèãàòüñÿ ê ìèíèìóìó ïîòåíöèàëà (ñì. ðèñ. 2.7).  êîíöå êîíöîâ îíî íà÷íåò ñêàòûâàòüñÿ áûñòðî, à äîñòèãíóâ ìèíèìóìà, áóäåò ñîâåðøàòü òàì êîëåáàíèÿ. Èìåííî ýòà ôàçà îçíà÷àåò îêîí÷àíèå èíôëÿöèîííîãî ïåðèîäà. Êîëåáàíèÿ ïîëÿ ñîâåðøàþòñÿ íåîáû÷àéíî áûñòðî, ñ ÷àñòîòîé ïîðÿäêà 1036 Ãö (ñðàâíèòå ñ ÷àñòîòîé ïåðåìåííîãî òîêà — 50 Ãö). Î÷åâèäíî, ÷òî òàêèå èíòåíñèâíûå êîëåáàíèÿ îäíîãî ïîëÿ — èíôëàòîííîãî — ïîðîæäàþò êîëåáàíèÿ âñåõ îñòàëüíûõ ïîëåé. Íî ÷àñòèöû — ýòî è åñòü êîëåáàíèÿ ñîîòâåòñòâóþùèõ ïîëåé! Çíà÷èò, â êîíöå èíôëÿöèîííîé ñòàäèè ðîæäàåòñÿ ìíîæåñòâî âñåâîçìîæíûõ ÷àñòèö âûñîêèõ ýíåðãèé. Ðàçìåð âèäèìîé ÷àñòè íàøåé Âñåëåííîé â ýòîò ìîìåíò ñîñòàâëÿë 0,1 ñì ïî ïîðÿäêó âåëè÷èíû.

280

Ïðèëîæåíèÿ

Òàêèì îáðàçîì, ñðàçó ïîñëå îêîí÷àíèÿ èíôëÿöèè èìååòñÿ êîðîòêèé ïåðèîä áûñòðûõ îñöèëëÿöèé ïîëÿ, ïîðîæäàþùèõ ðåëÿòèâèñòñêèå ÷àñòèöû è òåì ñàìûì íàãðåâàþùèõ ïðîñòðàíñòâî äî òåìïåðàòóð ïîðÿäêà 109 Ãý (â äðóãèõ ìîäåëÿõ — ìåíüøå). Èìåííî ýòîò ïåðèîä ìû âîñïðèíèìàåì êàê Áîëüøîé âçðûâ. Ïîó÷èòåëüíî ïðîñëåäèòü çà ýâîëþöèåé ïðè÷èííûõ ñâÿçåé â íàøåé Âñåëåííîé. Ñíà÷àëà â íàøåì ðàñïîðÿæåíèè ëèøü èíôëàòîííîå ïîëå, åãî ôëóêòóàöèè âîçíèêàþò íåïðåðûâíî áëàãîäàðÿ êâàíòîâûì ýôôåêòàì. Ïóñòü â íåêîòîðûé ìîìåíò âðåìåíè t = 0 ñëó÷àéíûì îáðàçîì âîçíèêëà ôëóêòóàöèÿ, ñîñòîÿùàÿ èç íåáîëüøîé îáëàñòè, çàïîëíåííîé ïðîñòðàíñòâåííî îäíîðîäíûì èíôëàòîííûì ïîëåì. Êàê ìû óæå çíàåì, ïîñêîëüêó ïðîñòðàíñòâî âî âðåìÿ èíôëÿöèîííîé ñòàäèè î÷åíü ïîõîæå íà ïðîñòðàíñòâî äå Ñèòòåðà, ôîðìóëû, ïîëó÷åííûå äëÿ íåãî, âåðíû è â íàøåì ñëó÷àå. Ïðîùå âñåãî ðàáîòàòü â êîîðäèíàòíîé ñèñòåìå îòñ÷åòà, â êîòîðîé ðàññòîÿíèå ìåæäó ïîêîÿùèìèñÿ íàáëþäàòåëÿìè íå ìåíÿåòñÿ ñî âðåìåíåì. Ýòî ðàññòîÿíèå îáîçíà÷èì r0. Ñâåò, èñïóùåííûé â ìîìåíò âðåìåíè t0, ê ìîìåíòó t ïðîõîäèò ðàññòîÿíèå (ñì. Ï 2.7) r (t, t0) = e - Ht0 – e–Ht. Ìàêñèìàëüíîå ðàññòîÿíèå áóäåò ïðîéäåíî ñâåòîì çà âðåìÿ t ® ¥ è ñîâïàäåò ñ ðàçìåðîì ãîðèçîíòà: r (¥, t0) º lhorizon = e - Ht0 . Âàæíî, ÷òî ðàçìåð ãîðèçîíòà óìåíüøàåòñÿ ñî âðåìåíåì. Òî÷íåå, ñâåò, èñïóùåííûé ïîçæå (t0 áîëüøå), ïîêðîåò ìåíüøåå ðàññòîÿíèå.  êàêîé-òî ìîìåíò âðåìåíè, êîãäà lhorizon < r0, äâà íàáëþäàòåëÿ íå ñìîãóò ñîîáùàòüñÿ è âëèÿòü äðóã íà äpóãà. Èòàê, íà èíôëÿöèîííîé ñòàäèè ïðè÷èííî ñâÿçàííûå îáëàñòè ñ òå÷åíèåì âðåìåíè ïåðåñòàþò áûòü òàêîâûìè. À ÷òî æå ïðîèñõîäèò ïîñëå îêîí÷àíèÿ èíôëÿöèè? Îêàçûâàåòñÿ, ÷òî ñèòóàöèÿ ìåíÿåòñÿ êàðäèíàëüíûì îáðàçîì — ÷åðåç íåêîòîðîå âðåìÿ íàáëþäàòåëè îïÿòü îêàæóòñÿ â ïðè÷èííî ñâÿçàííîé îáëàñòè è ñìîãóò ïîñûëàòü äðóã äðóãó ïîçäðàâëåíèÿ ñ ïðàçäíèêàìè. È ýòî íåñìîòðÿ íà òî, ÷òî â ôèçè÷åñêèõ 6. Èíôëÿöèÿ — ïåðâûå ìãíîâåíèÿ æèçíè Âñåëåííîé

281

Ðèñ. Ï 6.1. Óìåíüøåíèå çîíû âëèÿíèÿ öåíòðàëüíîãî íàáëþäàòåëÿ ñî âðåìåíåì.

êoîðäèíàòàõ ïðîñòðàíñòâî ïðîäîëæàåò ðàñøèðÿòüñÿ, ðàññòîÿ íèå ìåæäó äâóìÿ íàáëþäàòåëÿìè ðàñòåò ïðîïîðöèîíàëüíî ìàñøòàáíîìó ôàêòîðó, êîòîðûé â ïîñëåèíôëÿöèîííûé ïåðè îä èçìåíÿåòñÿ êàê a(t) = t qR0, q < 1. Âñå-òàêè ïðîäîëæàåì ðàññóæäåíèÿ â êîîðäèíàòíîé (ñîïóòñòâóþùåé) ñèñòåìå îòñ÷åòà. Ðàññòîÿíèå ìåæäó íàáëþäàòåëÿìè ïðîäîëæàåò îñòàâàòüñÿ ðàâíûì r0 è ïîñëå îêîí÷àíèÿ èíôëÿöèè (íóìåðàöèÿ òî÷åê íå ìåíÿåòñÿ). Ñâåò â ýòîé ñèñòåìå çà âðåìÿ t ïðîéäåò ïóòü t

rlight (t ) =

dt¢ t1 - q @ ò a (t ¢ ) 1 - q . t 1

Çäåñü ìîìåíò t1, êîãäà èíôëÿöèÿ çàêîí÷èëàñü, äàåò ìàëûé âêëàä, êîòîðûé ïîýòîìó è îïóùåí. Ìû âèäèì, ÷òî òåïåðü ñâåò ïðîõîäèò âñå á2îëüøèå ðàññòîÿíèÿ ñî âðåìåíåì è â íåêîòîðûé ìîìåíò îí äîñòèãíåò âòîðîãî íàáëþäàòåëÿ!  ôèçè÷åñêîé ñèñòåìå îòñ÷åòà ïðèíöèïèàëüíî íè÷åãî íå ìåíÿåòñÿ. Òå, êòî ïðåäïî÷èòàåò ðàáîòàòü â íåé, äîëæíû âñå ðàññòîÿíèÿ è ðàçìåðû óìíîæèòü íà ìàñøòàáíûé ôàêòîð, ñâîé äëÿ èíôëÿöèîííîé è ïîñòèíôëÿöèîííîé ñòàäèè. Âûðèñîâûâàåòñÿ ñëåäóþùàÿ êàðòèíà. Íà èíôëÿöèîííîé ñòàäèè äâå ïðè÷èííî ñâÿçàííûå òî÷êè «ðàçáåãàþòñÿ» ñ òàêîé ñêîðîñòüþ, ÷òî ñî âðåìåíåì óæå íå ìîãóò âëèÿòü äðóã íà äðóãà äàæå ñ ïîìîùüþ ñâåòà. Ïîñëå îêîí÷àíèÿ èíôëÿöèè ðàñøèðåíèå ïðîñòðàíñòâà èäåò ìåäëåííåå, è ñâåò îò îäíîãî íàáëþ-

282

Ïðèëîæåíèÿ

äàòåëÿ â êàêîé-òî ìîìåíò äîãîíèò âòîðîãî, îíè îêàæóòñÿ â ïðè÷èííî ñâÿçàííîé îáëàñòè. Åñëè èíôëÿöèîííûé ïåðèîä — âðåìÿ ðàçáðàñûâàòü êàìíè, òî ïîñòèíôëÿöèîííûé — âðåìÿ ñîáèðàòü èõ.

7. Ìàññà áåëîãî êàðëèêà è ïðèíöèï Ïàóëè Êàê áûëî ïîÿñíåíî âûøå, ñâîéñòâà áåëîãî êàðëèêà çàâèñÿò îò ñâîéñòâ ýëåêòðîíîâ. Åñëè ïîñëåäíèå ñîáðàíû â îäíó ñèñòåìó, òî äîëæíû íàõîäèòüñÿ â ðàçíûõ ñîñòîÿíèÿõ, ò. å. ñ ðàçíûìè èìïóëüñàìè. Òî÷íûé ðàñ÷åò ïðèâîäèò ê ñëåäóþùåìó âûðàæåíèþ äëÿ çàâèñèìîñòè ìàêñèìàëüíîãî èìïóëüñà ýëåêòðîíà pF (èìïóëüñ Ôåðìè, â ÷åñòü èòàëüÿíñêîãî ó÷åíîãî) îò èõ ÷èñëà N: pF =

3

(3p )2

3

N h, V

(Ï 7.1)

ãäå V — îáúåì ñèñòåìû. Ôîðìóëà ïîëó÷åíà äëÿ èäåàëèçèðîâàííîé ñèñòåìû ñëàáîâçàèìîäåéñòâóþùèõ ôåðìèîíîâ. Ñâîéñòâà áåëûõ êàðëèêîâ åùå íå èñïîëüçîâàíû. Î÷åâèäíî, ÷òî â áåëîì êàðëèêå ýëåêòðîíû âçàèìîäåéñòâóþò ñ áàðèîíàìè, ïîýòîìó ôîðìóëà (Ï 7.1) ìîæåò ñëóæèòü ëèøü äëÿ îöåíîê. Êðîìå òîãî, ñ÷èòàåì, ÷òî íàèáîëüøèå ñêîðîñòè ýëåêòðîíîâ ïðèáëèæàþòñÿ ê ñêîðîñòè ñâåòà (v ~ c = 1). Ýòî îçíà÷àåò, ÷òî ýíåðãèÿ ýëåêòðîíîâ ïðèìåðíî ðàâíà èõ èìïóëüñó, eF. » pF. Îáúåì áåëîãî êàðëèêà, êàê è îáúåì ëþáîãî øàðà, åñòü V = 4pR3/3. Ñîáèðàÿ âñå âìåñòå, ïîëó÷àåì îöåíêó äëÿ íàèáîëüøåé ýíåðãèè ýëåêòðîíîâ â çàâèñèìîñòè îò ðàäèóñà áåëîãî êàðëèêà è ÷èñëà ýëåêòðîíîâ â íåì: e F » pF »

3

æ 9p ö 3 N h. ç ÷ è 4 ø R

(Ï 7.2)

Ýòà îöåíêà âåðíà, åñëè ìîæíî ïðåíåáðå÷ü ãðàâèòàöèîííûìè ýôôåêòàìè. Åñëè æå â ñèñòåìó äîáàâëÿòü íóêëîíû è ýëåêòðîíû â îäèíàêîâîì êîëè÷åñòâå (÷òîáû ñîõðàíèòü íóëåâîé çàðÿä áåëîãî êàðëèêà), òî óâåëè÷èâàòüñÿ áóäåò íå òîëüêî ýíåðãèÿ ýëåêòðîíîâ — ñì. (Ï 7.2). Áóäåò óâåëè÷èâàòüñÿ è ãðàN B m2B . Êîãäà âèòàöèîííàÿ ýíåðãèÿ íóêëîíîâ, ðàâíàÿ e G = -G R 7. Ìàññà áåëîãî êàðëèêà è ïðèíöèï Ïàóëè

283

ïîñëåäíÿÿ ñòàíåò áîëüøîé, âñÿ ñèñòåìà âûõîäèò èç ðàâíîâåñíîãî ñîñòîÿíèÿ è ñæèìàåòñÿ (êîëëàïñèðóåò). Ïðîèñõîäèò ýòî êîãäà eG ïðèìåðíî ñðàâíèâàåòñÿ ñ ýíåðãèåé Ôåðìè eF.  ýòîì ñëó÷àå ýëåêòðîíàì õâàòàåò ýíåðãèè, ÷òîáû â ñòîëêíîâåíèÿõ ïîðîæäàòü íóêëîíû. Ïðè ýòîì ñàì ýëåêòðîí óíè÷òîæàåòñÿ. Ìàññà áàðèîíîâ (íóêëîíîâ) mB ïðèìåðíî ðàâíà ìàññå ïðîòîíà, à ÷èñëî áàðèîíîâ (ïðîòîíû + íåéòðîíû) NB ïðèìåðíî âäâîå áîëüøå ÷èñëà ýëåêòðîíîâ. Èòàê, êîëëàïñ áåëîãî êàðëèêà íà÷èíàåòñÿ, êîãäà eF » |eG|. Ïîäñòàâëÿÿ âñå íàïèñàííîå âûøå â ýòó ôîðìóëó, ïîëó÷àåì ìàêñèìàëüíîå ÷èñëî áàðèîíîâ â áåëîì êàðëèêå: 3

N max »

2

æ h ö çç ÷ » 1057. 2÷ Gm è Bø

(Ï 7.3)

Ïîñêîëüêó óæå âèäíî, ÷òî ýòî òîëüêî îöåíêà ïî ïîðÿäêó âåëè÷èíû, âñå ÷èñëåííûå ìíîæèòåëè îòáðîøåíû. Çíà÷èò, â áåëîì êàðëèêå ïðèìåðíî 1057 áàðèîíîâ, è íå áîëüøå! Ñëåäoâàòåëüíî, è åãî ìàññà (â ãðàììàõ) îãðàíè÷åíà âåëè÷èíîé Mmax » mB Nmax » 1033, à ýòî ïðèìåðíî ìàññà Ñîëíöà. Íåóäèâèòåëüíî, ÷òî â ðåçóëüòàòå òî÷íîãî ðàñ÷åòà ïîëó÷åíà öèôðà 1,4 M¤. Òåïåðü ìû ìîæåì îöåíèòü ìàêñèìàëüíûé ðàäèóñ áåëîãî êàðëèêà. Äåéñòâèòåëüíî, åñëè ïðîäîëæàòü óâåëè÷èâàòü ÷èñëî ýëåêòðîíîâ, òî èõ êèíåòè÷åñêàÿ ýíåðãèÿ ñòàíåò òàê âåëèêà, ÷òî ñðàâíÿåòñÿ ñ ìàññîé ýëåêòðîíà. Ïðè ýòîì âàæíóþ ðîëü íà÷èíàþò èãðàòü âçàèìîäåéñòâèÿ ýëåêòðîíîâ ñ ôîòîíàìè è áàðèîíàìè. Ìû óæå íå ìîæåì ïðèìåíÿòü óðàâíåíèå (Ï 7.1), ïðèãîäíîå äëÿ íåâçàèìîäåéñòâóþùèõ ÷àñòèö; áåëûé êàðëèê âûõîäèò èç ðàâíîâåñèÿ è êîëëàïñèðóåò. Òàêèì îáðàçîì, ïðåäåëüíàÿ ýíåðãèÿ îäíîãî ýëåêòðîíà, íàõîäÿùåãîñÿ â áåëîì êàðëèêå, ïðèìåðíî ðàâíà åãî ìàññå, eF » me .

284

(Ï 7.4) Ïðèëîæåíèÿ

Èñïîëüçóÿ çäåñü ôîðìóëû (Ï 7.2) è (Ï 7.3), íàõîäèì ðàäèóñ áåëîãî êàðëèêà â êèëîìåòðàõ: Rcrit » h

N crit » 5 × 103. me2

(Ï 7.5)

8. Ñâåðõñâåòîâûå ñêîðîñòè äæåòîâ? Íà ðèñóíêå, ïðèâåäåííîì íèæå, óñëîâíî èçîáðàæåí äæåò, ëåòÿùèé ñî ñêîðîñòüþ v ïîä óãëîì a. Ñêîðîñòü åãî, êîíå÷íî, ìåíüøå ñêîðîñòè ñâåòà. Èñòî÷íèê íàõîäèòñÿ â òî÷êå Î, à Çåìëÿ ñ ïðèåìíèêîì — â òî÷êå Ç.

A c

v O

O'

c

Ç

Ïóñòü ôðîíò äæåòà áûë èñïóùåí â ìîìåíò âðåìåíè t = 0. Ïîñêîëüêó ôðîíò ïðåäñòàâëÿåò ñîáîé ðàñêàëåííóþ ïëàçìó, òî îí, åñòåñòâåííî, èñïóñêàåò ýëåêòðîìàãíèòíûå âîëíû âî âñåõ íàïðàâëåíèÿõ, è â ÷àñòíîñòè â íàïðàâëåíèè Çåìëè.Ðàññìîòðèì äâà ìîìåíòà âðåìåíè: t = 0 è t = t'. Çà âðåìÿ t' ôðîíò ïåðåìåñòèëñÿ â òî÷êó À è òàêæå èñïóñòèë ñâåòîâîé ñèãíàë â íàïðàâëåíèè Çåìëè (â ÷àñòíîñòè). Íàáëþäàòåëþ ñ Çåìëè áóäåò êàçàòüñÿ, ÷òî èñòî÷íèê èçëó÷åíèÿ ïåðåìåñòèëñÿ èç òî÷êè Î' â òî÷êó À. Ìåæäó òî÷êàìè Î è À ðàññòîÿíèå r = vt'. Âðåìÿ ïðèõîäà ñèãíàëîâ â òî÷êó Ç èç òî÷åê Î è À ðàçëè÷àåòñÿ íà âåëè÷èíó Dt, êîòîðóþ åùå ïðåäñòîèò âû÷èñëèòü. Òîãäà êàæóùàÿñÿ ïîïåðå÷íàÿ ñêîðîñòü åñòü ïðîñòî vobs = RO'A/Dt (ïðîäîëüíàÿ ñîñòàâëÿþùàÿ ñêîðîñòè, âäîëü îñè ÎÇ, íå äåòåêòèðóåòñÿ è ïîýòîìó íå îïðåäåëÿåòñÿ). Âåëè÷èíà Dt îïðåäåëÿåòñÿ êàê ðàçíîñòü: R R Dt = t¢ + AÇ - OÇ . c ñ Òåïåðü îñòàëîñü âñå âûðàçèòü ÷åðåç óãîë a è ñêîðîñòü v. Èòàê, RO'A = vt¢sina, ïîñêîëüêó ðàññòîÿíèå îò èñòî÷íèêà äî Çåìëè âåëèêî, ìîæíî ñ÷èòàòü ñ õîðîøåé òî÷íîñòüþ, ÷òî RA3 @ RO'3 = ROÇ – ROÎ', è òîãäà 8. Ñâåðõñâåòîâûå ñêîðîñòè äæåòîâ?

285

Dt = t¢ +

ROÇ - ROO¢ ROÇ R cos a . = t¢ - OO¢ = t¢ - vt¢ c c c c

È îêîí÷àòåëüíî: v obs =

RO ¢A sin a . =v× Dt 1 - v c × cos a

Òàêèì îáðàçîì, ìû ïîëó÷èëè, ÷òî êàæóùàÿñÿ ñêîðîñòü äæåòà vobs ìîæåò áûòü áîëüøå ñêîðîñòè ñâåòà ïðè íåêîòîðûõ óãëàõ a è ñêîðîñòÿõ v.

9. Ðàçðóøèòåëüíîå âëèÿíèå ïðèëèâíûõ ñèë Íàéäåì óñëîâèÿ, ïðè êîòîðûõ ðàçðóøàåòñÿ ïëàíåòà (èëè çâåçäà) ñ ìàññîé Ì è ðàäèóñîì R ïðè ïîäëåòå ê ÷åðíîé äûðå ñ ìàññîé MBH. Îáúåêò, à òî÷íåå, åãî öåíòð ìàññ, äâèæåòñÿ ê ÷åðíîé äûðå ñ óñêîðåíèåì: GM BH w planet = . r2 Ëþáûå òåëà (êàìíè, ìîëåêóëû…) íà ïîâåðõíîñòè ïëàíåòû èñïûòûâàþò ðåçóëüòèðóþùåå óñêîðåíèå ïîä äåéñòâèåì ãðàâèòàöèè ñàìîé ïëàíåòû, GM g = 2, R è ãðàâèòàöèè ÷åðíîé äûðû w =

GM BH GM BH R = ~ 2GM BH 3 . (r + R )2 r2 r

Çäåñü ó÷òåíî òî, ÷òî âñÿ ïëàíåòà êàê öåëîå òàêæå äâèæåòñÿ ñ óñêîðåíèåì, à òåëî íàõîäèòñÿ â òî÷êå ïîâåðõíîñòè ïëàíåòû, áëèæàéøåé ê ÷åðíîé äûðå. Ïîýòîìó è âîçíèêàåò ðàçíîñòü ìåæäó óñêîðåíèåì öåíòðà ìàññ ïëàíåòû è óñêîðåíèåì íà åå ïîâðõíîñòè. Âòîðîå, ïðèáëèæåííîå ðàâåíñòâî ïîëó÷åíî ðàçëîæåíèåì â ðÿä Òåéëîðà ïî ñòåïåíÿì R/r n 1. Îñíîâíûå ñîáûòèÿ ðàçâèâàþòñÿ íà ðàññòîÿíèè îò ÷åðíîé äûðû, ðàâíîì åå ãðàâèòàöèîííîìó ðàäèóñó, r = rg =

286

2GM BH . c2 Ïðèëîæåíèÿ

Ðèñ. Ï 9.1. Âëèÿíèå ïðèëèâíûõ ñèë íà ïðîòÿæåííûé îáúåêò òèïà ïëàíåòû

Óñêîðåíèÿ g è w íàïðàâëåíû â ðàçíûå ñòîðîíû, è êàê òîëüêî w ïðåâûñèò g, âñå êàìíè è ìîëåêóëû ñ ïîâåðõíîñòè ïëàíåòû ïîëåòÿò â ñòîðîíó ÷åðíîé äûðû, ò. å. ââåðõ. Ïîýòîìó óñëîâèå w = g ñ÷èòàåòñÿ óñëîâèåì ðàçðóøåíèÿ ïëàíåòû èëè çâåçäû ïðè ïîäëåòå ê ÷åðíîé äûðå. Ïîñëå íåñëîæíûõ âû÷èñëåíèé ïîëó÷àåì ñâÿçü ìåæäó ïàðàìåòðàìè ïîäëåòàþùåãî îáúåêòà è ìàññîé ÷åðíîé äûðû, ïðè êîòîðûõ íà÷èíàåòñÿ åãî ðàçðóøåíèå: M 2 -2 » M BH 3 . 27 R Çäåñü ìàññû èçìåðÿþòñÿ â ñîëíå÷íûõ ìàññàõ, à ðàäèóñ îáúåêòà — â êèëîìåòðàõ. Èíòåðåñíî, ÷òî îòíîøåíèå ñëåâà ïðîïîðöèîíàëüíî ñðåäíåé ïëîòíîñòè ïëàíåòû èëè çâåçäû.

ËÆÅÍÀÓÊÀ È ×ÒÎ Ñ ÝÒÈÌ ÌÎÆÍÎ ÏÎÄÅËÀÒÜ Ïðèåçæàéòå êî ìíå, äîðîãîé ñîñåäóøêî, åé-áîãó. Îòêðîåì ÷òî-íèáóäü âìåñòå… è Âû ìåíÿ… âû÷èñëåíèÿì ðàçëè÷íûì ïîó÷èòå. À. Ï. ×åõîâ. Ïèñüìî ê ó÷åíîìó ñîñåäó

Ï

ðåäïîëîæèì, ÷èòàòåëü, ÷òî âàì íàäî îáúÿñíèòü ìàðñèàíèíó, ÷òî îçíà÷àåò ïîíÿòèå «êðàñèâûé ÷åëîâåê» è ïî êàêèì ïðèçíàêàì åãî ìîæíî îòëè÷èòü îò íåêðàñèâîãî. Ïîäóìàéòå íåìíîãî, è, íàäåþñü, âû ñî ìíîé ñîãëàñèòåñü, ÷òî çàäà÷à íå òàê ïðîñòà. Òðóäíî îáúÿñíÿòü î÷åâèäíîå. Ñõîæàÿ ñèòóàöèÿ è ñ ëæåíàó÷íûìè òåîðèÿìè. Äëÿ ïðîôåññèîíàëüíîãî ó÷åíîãî îáû÷íî íå ïðåäñòàâëÿåò òðóäà îïðåäåëèòü, ÷òî2 ïåðåä íèì, íî âíÿòíîå îáîñíîâàíèå òðåáóåò óñèëèé. ×òî æå äåëàòü ÷èòàòåëþ, èñêðåííå æåëàþùåìó ðàçîáðàòüñÿ â ïðîáëåìå? Êàê èçâåñòíî, ïîëåçíî áûâàåò âñòàòü íà ñòîðîíó îïïîíåíòà è ïîâòîðèòü åãî ïóòü, òî åñòü â äàííîì ñëó÷àå ñîçäàòü ñâîþ ñîáñòâåííóþ ëæåíàó÷íóþ òåîðèþ. Êîíå÷íî, ðàçðàáîòàòü äîáðîòíóþ, õîðîøî ðàçâåòâëåííóþ ëæåíàó÷íóþ òåîðèþ äîâîëüíî ñëîæíî. Ïðåòåíäåíòû äîëæíû îñîçíàâàòü âñþ ãðàíäèîçíîñòü ïðåäïðèÿòèÿ. ×òîáû ïîìî÷ü ÷èòàòåëþ, àâòîð ïðåäëàãàåò ïåðâûé â ìèðå Êðàòêèé ñàìîó÷èòåëü ïî ñîçäàíèþ ëæåíàó÷íûõ òåîðèé. Öåííîñòü åãî ñîñòîèò â òîì, ÷òî âñå ñîâåòû âçÿòû àâòîðîì èç ðåàëüíîé æèçíè è, ñëåäîâàòåëüíî, õîðîøî îïðîáîâàíû.

288

Ïðèëîæåíèÿ

Êðàòêèé ñàìîó÷èòåëü ïî ñîçäàíèþ ëæåíàó÷íûõ òåîðèé Âàøå äåéñòâèå

Ïðèìåðû

Êîììåíòàðèé

1. Âûáðàòü êàêîå-ëèáî ïîëå

Âîçìîæíû 4 âàðèàíòà: à) áèîïîëå; á) èíôîðìàöèîííîå ïîëå; â) ýíåðãåòè÷åñêîå ïîëå; ã) ïðîèçâîëüíàÿ ñìåñü òðåõ ïðåäûäóùèõ èëè ëþáîå íîâîå, íåèçâåñòíîå íàóêå ïîëå, íàïðèìåð òîðîííîå ïîëå.

Ëó÷øå íå îòêëîíÿòüñÿ îò ïðåäëîæåííûõ âàðèàíòîâ. Îáû÷íî ëþäè íå çàäàþò âîïðîñîâ òèïà «÷òî çíà÷èò „áèîïîëå“ è êàêèì çàêîíàì îíî ïîä÷èíÿåòñÿ», à ïðî íåïðèâû÷íîå äëÿ íèõ òîðîííîå ìîãóò è ñïðîñèòü.

2. Ññûëêè íà ñòàòüè âåëèêèõ ó÷åíûõ

Ïðèìåðû: Ýéëåð, Ëåéáíèö, Ïóàíêàðå. Ýéíøòåéí — îáÿçàòåëüíî. Íà Íüþòîíà íå ññûëàòüñÿ — íàäîåë â øêîëå.

Õîðîøî òàêæå èìåòü â çàïàñå òðóäû äðóãîãî îïðîâåðãàòåëÿ çàêîíîâ. Òîãäà â äèñïóòàõ ìîæíî ñïðîñèòü ñ óäèâëåíèåì: «Êàê, âû íå çíàêîìû ñ òðóäàìè Õ?». È íå âàæíî, ÷òî ýòè òðóäû îïóáëèêîâàíû íà êîíôåðåíöèè ïî ñïåëåîëîãèè 20 ëåò íàçàä. Ýôôåêò îáåñïå÷åí.

3. Îïðåäåëèòü, êàêàÿ èìåííî ïîëüçà îò ýòîãî âñåìó ÷åëîâå÷åñòâó.

Îáåùàòü âèäèìûé ýôôåêò ÷åðåç 2–5 ëåò. Ìåíüøå äâóõ — íå óñïåþò çàáûòü è ïîòðåáóþò ïðåäúÿâèòü; áîëüøå ïÿòè — íå áóäóò æäàòü è ïîòåðÿþò èíòåðåñ.

Òåì íå ìåíåå âàøà îïûòíàÿ óñòàíîâêà, êîíå÷íî, óæå ðàáîòàåò, íî èìåííî â äàííûé ìîìåíò åå îñìîòðåòü íåëüçÿ (âàðèàíòû îáúÿñíåíèÿ: íàõîäèòñÿ â äðóãîì ãîðîäå, äîðàáàòûâàåòñÿ, âèäíà òîëüêî òåì, êòî âî âñå ýòî âåðèò).

4. Íàéòè îáîñíîâàíèå, ïî÷åìó äî ñèõ ïîð íèêòî «ýòîãî» íå îáíàðóæèë.

Ýòî — ñàìîå ñëîæíîå, åñëè ó÷èòûâàòü ï. 3. Èìåííî çäåñü íàäî âêëþ÷èòü âîîáðàæåíèå. Íàïðèìåð, âàøå ïîëå ìîæåò óëàâëèâàòüñÿ òîëüêî êàêèì-ëèáî îðãàíîì ÷åëîâåêà (ëó÷øå — ìîçãîì, õîòÿ âîçìîæíû âàðèàíòû).

Æåëàòåëüíî èìåòü óñòðîéñòâî, «óëàâëèâàþùåå» âàøå ïîëå. Åñëè çàõîòÿò äåòàëüíî îçíàêîìèòüñÿ, ñêàæèòå, ÷òî ñìîæåòå ýòî ñäåëàòü ïîñëå ïîëó÷åíèÿ ïàòåíòà, è ïîíèìàþùå óëûáíèòåñü.

Êðàòêèé ñàìîó÷èòåëü ïî ñîçäàíèþ ëæåíàó÷íûõ òåîðèé

289

Âàøå äåéñòâèå

Ïðèìåðû

Êîììåíòàðèé

5. Ââåñòè ÷òî-íèáóäü ÿïîíñêîå èëè êèòàéñêîå.

Ïðèìåðû èç «îáû÷íîé» íàóêè: ïðîèçâîäíàÿ Ëè, ìàòðèöà Êîáàÿøè—Ìàñêàâà.

Ïðèäàåò çàãàäî÷íîñòü è ãëóáèíó âàøåé òåîðèè. Ïîòåíöèàë Ëèôøèöà íå èñïîëüçîâàòü — îí íå ÿïîíåö.

Îïàñíîñòè è êàê èõ èçáåæàòü

Ïðîôåññèîíàëüíûå ó÷åíûå îìðà÷àþò ñóùåñòâîâàíèå ëæåó÷åíûõ è ïðåäñòàâëÿþò ñîáîé îñíîâíóþ îïàñíîñòü. Ê ñîæàëåíèþ, äëÿ ðàçâèòèÿ âàøåãî äåòèùà êîíòàêòîâ ñ íèìè íå èçáåæàòü. Ïîýòîìó íóæíà ñåðüåçíàÿ ïîäãîòîâêà. Íàäî çíàòü ìíîãî ðàçäåëîâ ôèçèêè. ×èòàéòå íàó÷íî-ïîïóëÿðíûå æóðíàëû. Íà ïåðâûõ ïîðàõ ïóáëè÷íûé ñïîð ñ ó÷åíûìè íåæåëàòåëåí. Ìîæíî íà÷àòü ñ çàî÷íûõ ñïîðîâ èëè äèñêóññèé ñ ëþäüìè, çíàþùèìè ôèçèêó åùå õóæå âàñ. Ïóáëèêàöèè.  æóðíàëàõ, ïîñâÿùåííûõ îáû÷íîé íàóêå, ðåöåíçåíòû «çàðóáÿò». Îáúÿñíÿòü ýòî ìîæíî, íàïðèìåð ñãîâîðîì «ðåëÿòèâèñòîâ» (èç ðåàëüíîãî ðàçãîâîðà ñ ó÷àñòèåì àâòîðà ýòîé êíèãè: èìåëèñü â âèäó ñòîðîííèêè ñïåöèàëüíîé òåîðèè îòíîñèòåëüíîñòè). Ïóáëèêóéòåñü â òðóäàõ ëþáûõ èíñòèòóòîâ — çà äåíüãè ñåé÷àñ èíîãäà ïîëó÷àåòñÿ, ó÷àñòâóéòå â ëþáûõ êîíôåðåíöèÿõ, êóäà óäàñòñÿ ïîïàñòü. Íåìíîãî îñâîèâøèñü, ìîæíî âñòóïàòü â äèñïóòû ñ ó÷åíûì.  ñïîðàõ ÷àñòî ââîäèòå íîâûå òåðìèíû, ññûëàéòåñü íà ó÷åíûõ íà÷àëà ïðîøëîãî âåêà, òâåðäî ñòîéòå íà òîì, ÷òî ó âàñ — «äðóãàÿ íàóêà», à âàøè îïïîíåíòû — çàøîðåííûå ðåòðîãðàäû áåç êàïëè âîîáðàæåíèÿ. ×òîáû âàñ ïîíÿòü, íàäî ïîäíÿòüñÿ íà íîâûé óðîâåíü ñîçíàíèÿ, ÷òî íåäîñòóïíî ïðîôåññèîíàëüíûì ó÷åíûì, êîïàþùèõñÿ â ìåëî÷àõ. È ñàìîå ãëàâíîå — ðàáîòà íàä îøèáêàìè! Ïîñëå êàæäîãî ñïîðà ñ ëþáûì ó÷åíûì àíàëèçèðóéòå åãî âîçðàæåíèÿ è ïðîäóìûâàéòå îòâåòíûå õîäû. Òàêèì îáðàçîì, ñî âðåìåíåì âàøà ïîçèöèÿ áóäåò òîëüêî óêðåïëÿòüñÿ.

290

Ïðèëîæåíèÿ

Î ëæåó÷åíûõ Íàäåþñü, ÷òî, ïðî÷èòàâ Ñàìîó÷èòåëü, ÷èòàòåëè óæå ñìîãóò ðàçîáðàòüñÿ â ñèòóàöèè, äàæå íå îñîáåííî âäàâàÿñü â äåòàëè êîíêðåòíîé òåîðèè. ×åì áîëüøå ýëåìåíòîâ èç Ñàìîó÷èòåëÿ âû îáíàðóæèòå, òåì âåðíåå ìîæåòå óòâåðæäàòü, ÷òî ïåðåä âàìè — ëæåíàó÷íàÿ òåîðèÿ. Àâòîð ñàì íåîäíîêðàòíî óáåæäàëñÿ â óäèâèòåëüíîé ýôôåêòèâíîñòè Ñàìîó÷èòåëÿ, íàïèñàííîãî äåñÿòîê ëåò íàçàä. Ñàìè ëæåó÷åíûå íå ïðåäñòàâëÿþò ñîáîé êàêîé-ëèáî õàðàêòåðíûé òèï, õîòÿ èõ ñîðòàìåíò îãðàíè÷åí. Îáùåå ìåæäó íèìè îäíî — îíè íå ðàçáèðàþòñÿ â òîé îáëàñòè ôèçèêè, òåðìèíàìè êîòîðîé îïåðèðóþò. Ïðèñìîòðèìñÿ ê íèì ïîâíèìàòåëüíåå. Ïåðâûé òèï — èñêðåííèå áëàãîäåòåëè ÷åëîâå÷åñòâà. Ýòî õîðîøèå, íî íåñ÷àñòíûå ëþäè, èñêðåííå íå ïîíèìàþùèå, ïî÷åìó îò íèõ âñå îòìàõèâàþòñÿ. Âåäü èõ èäåÿ òàê ïðîñòà è ñóëèò òàêèå âûãîäû! Íó è ÷òî, ÷òî îíà ïðîòèâîðå÷èò, ñêàæåì, óðàâíåíèÿì Ìàêñâåëëà. Çíà÷èò, ýòè óðàâíåíèÿ íàäî íåìíîãî ïîäïðàâèòü! Ó÷àñòü òàêèõ ëþäåé ïå÷àëüíà. Âòîðîé òèï — îïðîâåðãàòåëè îñíîâ ôèçèêè. Ýòî òîæå áîëåå èëè ìåíåå áåçîáèäíûå ëþäè, èçäàþùèå çà ñâîé ñ÷åò öåëûå ó÷åáíèêè ñ Íîâîé Ôèçèêîé (êñòàòè, îíè ëåãêî îïîçíàþòñÿ ïî áîëüøîìó ÷èñëó âîñêëèöàòåëüíûõ çíàêîâ â òåêñòå è áîëüøîìó ÷èñëó ñëîâ, íà÷èíàþùèõñÿ ñ çàãëàâíîé áóêâû). Çäåñü óìåñòíî îòñòóïëåíèå. Âåäü è îáû÷íûå ó÷åíûå òîæå ïðåäëàãàþò íîâûå çàêîíû, ââîäÿò íîâûå ïîëÿ. Òàê ïî÷åìó æå îäèí — ïðîñòî ó÷åíûé, à äðóãîé — ñ îáèäíîé ïðèñòàâêîé «ëæå-»? Íà ñàìîì äåëå ÷åëîâåê, êîòîðûé îòâàæèâàåòñÿ íà ëþáûå íîâîââåäåíèÿ â íàóêå, âçâàëèâàåò íà ñåáÿ òÿæåëîå áðåìÿ: îí äîëæåí äîêàçàòü, ÷òî åãî èäåÿ íå ïðîòèâîðå÷èò âñåì ýêñïåðèìåíòàëüíûì äàííûì. Èìåííî ýòî îòëè÷àåò ó÷åíîãî îò äðóãèõ ëþäåé, òàêæå ïûòàþùèõñÿ îáúÿñíèòü ïðèðîäíûå ÿâëåíèÿ. Èòàê, åùå ðàç: ó÷åíûé, ðàçðàáàòûâàÿ íîâóþ òåîðèþ, ïîñòîÿííî ïðîâåðÿåò, íå ïðîòèâîðå÷èò ëè îíà ýêñïåðèìåíòàëüíûì äàííûì. Ïðè ýòîì íå íàäî çàíîâî ïðîâîäèòü âñå ýêñïåðèìåíòû. Óæå ñóùåñòâóþùèå çàêîíû êàê ðàç íà íèõ è ïîñòðîåíû. Çíà÷èò, íàäî, ÷òîáû íîâàÿ òåîðèÿ «âñåãî ëèøü» íå Êðàòêèé ñàìîó÷èòåëü ïî ñîçäàíèþ ëæåíàó÷íûõ òåîðèé

291

ïðîòèâîðå÷èëà óæå ïðîâåðåííûì çàêîíàì â îáëàñòè ïðèìåíèìîñòè ïîñëåäíèõ. Ëæåó÷åíûé, íàîáîðîò, ñîçäàâ ñâîþ òåî ðèþ, íàèâíî ñ÷èòàåò, ÷òî åãî äåëî ñäåëàíî è îñòàåòñÿ òîëüêî ñëåãêà ïîäïðàâèòü èçâåñòíûå çàêîíû. Ýòèì ìîãóò çàíÿòüñÿ ìåíåå òàëàíòëèâûå, ÷åì îí, ëþäè. ×èòàòåëü, êîòîðûé ïðî÷åë ýòó êíèãó, ïîíèìàåò, íàñêîëüêî íàèâíà òàêàÿ òî÷êà çðåíèÿ. Òðåòèé òèï — ìîøåííèêè, óìíûå è áåñïðèíöèïíûå. Îòêóäà ó íèõ ïåðâîíà÷àëüíûé êàïèòàë — òðóäíî ñêàçàòü. Âîçìîæíî, îíè íàõîäÿò ïðîñòîäóøíûõ ÷èíîâíèêîâ, è, îáåùàÿ çîëîòûå ãîðû ÷åðåç íåñêîëüêî ëåò, ïîëó÷àþò äåíåæíûå ñóáñèäèè. ×àñòü ýòèõ äåíåã òðàòèòñÿ íà ñòàòüè î ñåáå â îáû÷íûõ ãàçåòàõ è æóðíàëàõ, êîòîðûì íóæíû ëþáûå ñåíñàöèè (àâòîð íåîäíîêðàòíî ïîðàæàëñÿ, êàêàÿ àõèíåÿ ïóáëèêóåòñÿ äàæå â õîðîøî èçâåñòíûõ èçäàíèÿõ, ïðè îòñóòñòâèè ïîïóëÿðíûõ îáçîðîâ ñîâðåìåííûõ îòêðûòèé, ïóáëèêóåìûõ â íàó÷íûõ æóðíàëàõ), ïîñëå ÷åãî ìîæíî îïÿòü èäòè ê ÷èíîâíèêàì. Ýòîò òèï ëæåó÷åíûõ ïðèíîñèò íàèáîëüøèé âðåä. Îíè îòâëåêàþò è áåç òîãî ñêóäíûå äåíåæíûå ñðåäñòâà, íàïðàâëÿåìûå â íàóêó, è îäíîâðåìåííî äèñêðåäèòèðóþò åå. Åñëè ïåðâûå äâà òèïà îòíîñèòåëüíî áåçâðåäíû, òî òðåòèé ÿâëÿåòñÿ ñåðüåçíîé ïðîáëåìîé.  íîðìàëüíî ðàçâèâàþùåìñÿ îáùåñòâå ýòî ÿâëåíèå ìîæíî ñâåñòè ê ìèíèìóìó. Ãàçåòû, ïå÷àòàþùèå âñå ýòî, áóäóò òåðÿòü äîâåðèå ÷èòàòåëåé, ÷òî, âïðî÷åì, óæå è ïðîèñõîäèò â íàøåé ñòðàíå. À òåïåðü, êàê íè ñòðàííî, Î ïîëüçå ëæåíàóêè

Åñëè ðàññìàòðèâàòü íàóêó ñî âñåìè åå ðàçäåëàìè è íàïðàâëåíèÿìè êàê íåêóþ ñïîíòàííî ðàçâèâàþùóþñÿ ñèñòåìó, òî î÷åâèäíî, ÷òî åå ðàçâèòèå íå ìîæåò ïðîõîäèòü èäåàëüíî ãëàäêî. Íàîáîðîò, òîëüêî çà ñ÷åò áîëüøîãî ÷èñëà òåîðèé-ïîïûòîê, îñíîâíàÿ ìàññà êîòîðûõ — òóïèêîâûå, ïîñòåïåííî âûáèðàåòñÿ âåðíûé ïóòü. Êòî ìîæåò ñêàçàòü çàðàíåå, êàêîå íàïðàâëåíèå îêàæåòñÿ âåðíûì? Áûâàëè îøèáêè è ó ñåðüåçíûõ ó÷åíûõ. Îñòðîãðàäñêèé ñ ïðåíåáðåæåíèåì îòíîñèëñÿ ê äåÿòåëüíîñòè Ëîáà÷åâñêîãî, Ôðàíöóçñêàÿ àêàäåìèÿ îòêàçûâàëàñü ïðèçíàâàòü ñóùåñòâîâàíèå íå òîëüêî âå÷íûõ äâèãàòå-

292

Ïðèëîæåíèÿ

ëåé, íî è ìåòåîðèòîâ — ïî òîé ïðîñòîé ïðè÷èíå, ÷òî êàìíè ñ íåáà ïàäàòü íå ìîãóò. Êîíå÷íî, â ðÿäîâûõ ñëó÷àÿõ, îïèñàííûõ âûøå, äèàãíîç î÷åâèäåí, íî âåäü ñóùåñòâóþò è ïðîìåæóòî÷íûå âàðèàíòû. Íà ëþáîé êîíôåðåíöèè ïî êîñìîëîãèè ÷òî-íèáóäü òàêîå íåòíåò äà è ïðîñêî÷èò. ×òî æå äåëàòü? Ïî ìåðå âîçìîæíîñòè áîðîòüñÿ ñ ìîøåííèêàìè è, ðàäè áóäóùèõ Ëîáà÷åâñêèõ, òåðïåòü ïðîñòàêîâ.

ÑËÎÂÀÐÜ ÒÅÐÌÈÍÎÂ1

ÀÁÑÎËÞÒÍÛÉ ÍÓËÜ òåìïåðàòóðû — ñàìîå íèçêîå èç âñåõ âîçìîæíûõ çíà÷åíèé òåìïåðàòóðû òåëà, ñîñòîÿùåãî èç àòîìîâ. ÀÍÍÈÃÈËßÖÈß — ïðîöåññ, ïðè êîòîðîì ÷àñòèöà è åå àíòè÷àñòèöà, ñòàëêèâàÿñü, ïðåâðàùàþòñÿ â äðóãèå ÷àñòèöû, ïðåèìóùåñòâåííî â ôîòîíû è/èëè êâàðêè. ÀÍÒÐÎÏÍÛÉ ÏÐÈÍÖÈÏ: Âñåëåííàÿ òàêîâà, ïîòîìó ÷òî, áóäü îíà äðóãîé, íàñ áû â íåé íå áûëî è ìû áû íå ìîãëè åå íàáëþäàòü (216, 217, 218). ÀÊÊÐÅÖÈß — ïàäåíèå âåùåñòâà íà îáúåêò ïîä äåéñòâèåì ãðàâèòàöèîííîãî ïðèòÿæåíèÿ. ÀÒÎÌ — íàèìåíüøàÿ ÷àñòèöà âåùåñòâà. Ñîñòîèò èç ïîëîæèòåëüíî çàðÿæåííîãî òÿæåëîãî ÿäðà è äâèæóùèõñÿ âîêðóã íåãî ýëåêòðîíîâ. ÁÅËÛÉ ÊÀÐËÈÊ — îñòûâàþùàÿ çâåçäà íåáîëüøèõ ðàçìåðîâ, íàõîäÿùàÿñÿ â ðàâíîâåñèè áëàãîäàðÿ òîìó, ÷òî â ñîîòâåòñòâèè ñ ïðèíöèïîì èñêëþ÷åíèÿ Ïàóëè ìåæäó ýëåêòðîíàìè äåéñòâóþò ñèëû îòòàëêèâàíèÿ (136–139). ÁÎËÜØÎÉ ÂÇÐÛ — ýëåìåíò êîñìîëîãè÷åñêîé òåîðèè ðàñøèðÿþùåéñÿ Âñåëåííîé. Ñ÷èòàåòñÿ, ÷òî ïîðÿäêà 14 ìèëëèàðäîâ ëåò íàçàä ïðîèçîøåë Áîëüøîé âçðûâ, âî âðåìÿ êîòîðîãî ðîäèëèñü ÷àñòèöû âûñîêèõ ýíåðãèé, à âñå, ÷òî ìû ñåé÷àñ íàáëþäàåì, åñòü ðåçóëüòàò ýòîãî âçðûâà.  ïîëüçó ýòîé òåîðèè ãîâîðèò ñóùåñòâîâàíèå ðåëèêòîâîãî èçëó÷åíèÿ è íàáëþäàåìîå ðàçáåãàíèå ãàëàêòèê (39, 67–69, 73–74, 280). ÁÐÀÍÀ — â ìíîãîìåðíûõ ìîäåëÿõ – ïðîñòðàíñòâî ìåíüøåé ðàçìåðíîñòè ïî ñðàâíåíèþ ñ îñíîâíûì ïðîñòðàíñòâîì (117). ÂÅÙÅÑÒÂÎ — âèä ìàòåðèè, ñîñòîÿùåé èç ÷àñòèö, êîòîðûå îáëàäàþò ìàññîé ïîêîÿ. ÂÈÐÒÓÀËÜÍÀß ×ÀÑÒÈÖÀ — ÷àñòèöà ëþáîãî âèäà, ðîæäàþùàÿñÿ íà êîðîòêîå âðåìÿ è óíè÷òîæàþùàÿñÿ â òîì æå ñàìîì ïðîöåñ1

Öèôðû â ñêîáêàõ óêàçûâàþò ñòðàíèöû, ñîäåðæàùèå áîëåå ïîäðîáíóþ èíôîðìàöèþ î ðàññìàòðèâàåìîì ïîíÿòèè.

294

ñå. Åå íåâîçìîæíî íåïîñðåäñòâåííî çàðåãèñòðèðîâàòü ïðè ïîìîùè ïðèáîðà, íî ñóùåñòâîâàíèå òàêèõ ÷àñòèö ïîäòâåðæäàåòñÿ êîñâåííûìè íàáëþäàåìûìè ýôôåêòàìè. ÂÑÅËÅÍÍÀß — âåñü íàáëþäàåìûé ìèð; â áîëåå óçêîì ñìûñëå — ÷àñòü ìàòåðèàëüíîãî ìèðà, äîñòóïíàÿ èçó÷åíèþ àñòðîíîìè÷åñêèìè ñðåäñòâàìè. Íàøà (âèäèìàÿ) Âñåëåííàÿ ñîñòîèò èç ïðèìåðíî 1011 ãàëàêòèê è èìååò ðàçìåð îêîëî 1028 ñì. ÂÛÐÎÆÄÅÍÍÛÉ ÃÀÇ — íàáîð îäèíàêîâûõ ÷àñòèö, ñâîéñòâà êîòîðîãî îáóñëîâëåíû ïðèíöèïîì Ïàóëè (íåðàçëè÷èìîñòüþ îäèíàêîâûõ ÷àñòèö â êâàíòîâîé ìåõàíèêå). ÃÀÌÌÀ-ÈÇËÓ×ÅÍÈÅ — ýëåêòðîìàãíèòíîå èçëó÷åíèå ñ î÷åíü ìàëîé äëèíîé âîëíû, èñïóñêàåìîå, íàïðèìåð, ïðè ñîóäàðåíèÿõ ýëåìåíòàðíûõ ÷àñòèö. ÃÀËÀÊÒÈÊÀ — ãèãàíòñêàÿ çâåçäíàÿ ñèñòåìà, äî ñîòåí ìèëëèàðäîâ çâåçä, îáðàùàþùèõñÿ âîêðóã îáùåãî öåíòðà. ÃÅÎÄÅÇÈ×ÅÑÊÀß — ñàìûé êîðîòêèé ïóòü ìåæäó äâóìÿ òî÷êàìè.  îòñóòñòâèå ãðàâèòàöèè — ïðÿìàÿ. ÃÐÀÂÈÒÀÖÈÎÍÍÛÉ ÐÀÄÈÓÑ — ðàäèóñ âîîáðàæàåìîé ñôåðû (òàê íàçûâàåìîé ñôåðû Øâàðöøèëüäà), îòäåëÿþùåé îáëàñòü, íåäîñòóïíóþ äëÿ âíåøíåãî íàáëþäàòåëÿ. Ãðàâèòàöèîííûé ðàäèóñ Çåìëè ðàâåí ïðèáëèçèòåëüíî 9 ìì, Ñîëíöà — 3 êì. ÄÅÒÅÊÒÎÐ ýëåìåíòàðíûõ ÷àñòèö — ïðèáîð äëÿ ðåãèñòðàöèè âëåòàþùèõ â íåãî ÷àñòèö, èõ ýíåðãèé, íàïðàâëåíèÿ äâèæåíèÿ è çàðÿäîâ. ÄÆÅÒÛ — ñòðóè ðåëÿòèâèñòñêèõ ÷àñòèö, îáðàçóþùèåñÿ ïðè ïàäåíèè âåùåñòâà íà íåéòðîííóþ çâåçäó èëè ÷åðíóþ äûðó (143, 154). ÄËÈÍÀ ÂÎËÍÛ — ðàññòîÿíèå ìåæäó äâóìÿ ñîñåäíèìè åå ãðeáíÿìè. ÄÎÏËÅÐÀ ÝÔÔÅÊÒ — èçìåíåíèå ÷àñòîòû âîëí ïðè äâèæåíèè èñòî÷íèêà è íàáëþäàòåëÿ îòíîñèòåëüíî äpyr äðóãà (36, 84, 169). ÇÀÊÎÍ ÑÎÕÐÀÍÅÍÈß ÝÍÅÐÃÈÈ — çàêîí, ñîãëàñíî êîòîðîìó ýíåðãèÿ çàìêíóòîé ñèñòåìû íå ìåíÿåòñÿ ñî âðåìåíåì. ÈÍÔËßÖÈß — ñâåðõáûñòðîå ðàñøèðåíèå Âñåëåííîé íà ðàííåì ýòàïå åå ýâîëþöèè (70, 75–78, 97). ÊÂÀÍÒ — ìèíèìàëüíàÿ ïîðöèÿ ýíåðãèè. ×àñòî — ñèíîíèì ôîòîíà. ÊÂÀÇÀÐÛ — ìîùíûå âíåãëàêòè÷åñêèå èñòî÷íèêè ýëåêòðîìàãíèòíîãî èçëó÷åíèÿ; ïî ñîâðåìåííûì ïðåäñòàâëåíèÿì, ÿâëÿþòñÿ àêòèâíûìè ÿäðàìè ãàëàêòèê (48).

295

ÊÂÀÐÊ — ýëåìåíòàðíàÿ çàðÿæåííàÿ ÷àñòèöà, ó÷àñòâóþùàÿ â ñèëüíîì âçàèìîäåéñòâèè. Èç êâàðêîâ ñîñòîÿò ïðîòîíû è íåéòðîíû. ÊÎËËÀÏÑ — áûñòðîå íåîáðàòèìîå ñæàòèå. ÊÎÐÏÓÑÊÓËßÐÍÎ-ÂÎËÍÎÂÎÉ ÄÓÀËÈÇÌ: â ðàçëè÷íûõ îáñòîÿòåëüñòâàõ ìèêðîîáúåêòû ïðîÿâëÿþò ñâîéñòâà ëèáî ÷àñòèö (êîðïóñêóë), ëèáî âîëí. ÊÎÑÌÎËÎÃÈ×ÅÑÊÀß ÏÎÑÒÎßÍÍÀß — âñïîìîãàòåëüíàÿ âåëè÷èíà, ââåäåííàÿ Ýéíøòåéíîì â óðàâíåíèÿ îáùåé òåîðèè îòíîñèòåëüíîñòè äëÿ òîãî, ÷òîáû ïðîñòðàíñòâî-âðåìÿ, îïèñûâàåìîå ýòèìè óðàâíåíèÿìè ìîãëî áûòü ñòàöèîíàðíûì. ÊÎÑÌÎËÎÃÈ×ÅÑÊÎÅ ÐÀÑØÈÐÅÍÈÅ — íåñòàöèîíàðíîñòü Âñåëåííîé, ïðîÿâëÿþùàÿñÿ â òîì, ÷òî ðàññòîÿíèå ìåæäó ëþáûìè äâóìÿ åå «òî÷êàìè» (ñêîïëåíèÿìè ãàëàêòèê) óâåëè÷èâàåòñÿ ïî åäèíîìó çàêîíó. Ïðèâîäèò ê ýôôåêòó «ðàçáåãàíèÿ ãàëàêòèê». ÊÎÑÌÎËÎÃÈß — íàóêà, çàíèìàþùàÿñÿ èçó÷åíèåì Âñåëåííîé â öåëîì. ÊÐÀÑÍÎÅ ÑÌÅÙÅÍÈÅ — óâåëè÷åíèå äëèí âîëí, èñïóñêàåìûõ óäàëÿþùèìñÿ îò íàáëþäàòåëÿ èñòî÷íèêîì èçëó÷åíèÿ. ËÈÍÇÈÐÎÂÀÍÈÅ — èçìåíåíèå íàáëþäàåìîé ôîðìû îáúåêòà èç-çà îòêëîíåíèÿ ëó÷åé ñâåòà ãðàâèòàöèîííâì ïîëåì. ÌÀÑÑÀ — îäíà èç îñíîâíûõ õàðàêòåðèñòèê îáúåêòà. Ïðîïîðöèîíàëüíà ýíåðãèè ïîêîÿùåãîñÿ îáúåêòà. ÌÅÒÀÂÑÅËÅÍÍÀß — ãèïîòåòè÷åñêàÿ ñîâîêóïíîñòü áîëüøîãî ÷èñëà âñåëåííûõ. ÍÅÉÒÐÈÍÎ — ëåã÷àéøàÿ èç èçâåñòíûõ íà äàííûé ìîìåíò ýëåìåíòàðíûõ ÷àñòèö âåùåñòâà, ó÷àñòâóþùàÿ òîëüêî â ñëàáûõ è ãðàâèòàöèîííûõ âçàèìîäåéñòâèÿõ. ÍÅÉÒÐÎÍ — íåçàðÿæåííàÿ ÷àñòèöà, ó÷àñòâóþùàÿ â ñèëüíûõ âçàèìîäåéñòâèÿõ. Âõîäèò â ñîñòàâ àòîìíîãî ÿäðà. ÍÅÉÒÐÎÍÍÀß ÇÂÅÇÄÀ — îäíà èç êîíå÷íûõ ñòàäèé ýâîëþöèè çâåçä. Ñîñòîèò èç ïëîòíî «óïàêîâàííûõ» ÿäåð òÿæåëûõ ýëåìåíòîâ è íåéòðîíîâ (44, 45, 139–145). ÎÁÙÀß ÒÅÎÐÈß ÎÒÍÎÑÈÒÅËÜÍÎÑÒÈ — òåîðèÿ ãðàâèòàöèè, â îñíîâå êîòîðîé ëåæèò ïðåäïîëîæåíèå î òîì, ÷òî çàêîíû îäèíàêîâû äëÿ âñåõ íàáëþäàòåëåé. Ãðàâèòàöèîííîå âçàèìîäåéñòâèå îáúÿñíÿåòñÿ èñêðèâëåíèåì ÷åòûðåõìåðíîãî ïðîñòðàíñòâà-âðåìåíè. ÏÅÐÂÈ×ÍÀß ×ÅÐÍÀß ÄÛÐÀ — ÷åðíàÿ äûðà, âîçíèêøàÿ íà ðàííåé ñòàäèè ðàçâèòèÿ Âñåëåííîé, äî ïîÿâëåíèÿ çâåçä.

296

ÏÎÇÈÒÐÎÍ — ïîëîæèòåëüíî çàðÿæåííàÿ àíòè÷àñòèöà ýëåêòðoíà. ÏÎËÅ — îáúåêò, ðàñïðåäåëåííûé ïî âñåì òî÷êàì ïðîñòðàíñòâà (14, 27). ÏÐÅÄÅË ×ÀÍÄÐÀCÅÊÀÐÀ — ìàêñèìàëüíî âîçìîæíàÿ ìàññà áåëîãî êàðëèêà, â ñëó÷àå ïðåâûøåíèÿ êîòîðîé îí äîëæåí êîëëàïñèðîâàòü â íåéòðîííóþ çâåçäó èëè ÷åðíóþ äûðó. ÏÐÈÍÖÈÏ ÏÀÓËÈ — ôóíäàìåíòàëüíûé çàêîí ïðèðîäû, çàêëþ÷àþùèéñÿ â òîì, ÷òî äâå òîæäåñòâåííûå ÷àñòèöû ñ ïîëóöåëûì ñïèíîì (ôåðìèîíû) íå ìîãóò îäíîâðåìåííî íàõîäèòüñÿ â îäíîì ñîñòîÿíèè. Ñôîðìóëèðîâàíí â 1925 ã. øâåéöàðñêèì ôèçèêîì Â. Ïàóëè äëÿ ýëåêòðîíîâ â àòîìå è íàçâàí èì ïðèíöèïîì çàïðåòà. ÏÐÎÑÒÐÀÍÑÒÂÎ ÄÅ ÑÈÒÒÅÐÀ — ìîäåëü ìèðà (1917 ã.), â êîòîðîì íåò âåùåñòâà, à ïðèñóòñòâóåò òîëüêî âàêóóì, îáóñëîâëåííûé ýéíøòåéíîâñêîé êîñìîëîãè÷åñêîé ïîñòîÿííîé. ÏÐÎÑÒÐÀÍÑÒÂÎ ÌÈÍÊÎÂÑÊÎÃÎ — ÷åòûðåõìåðíîå ïðîñòðàíñòâî, îáúåäèíÿþùåå ôèçè÷åñêîå òðåõìåðíîå ïðîñòðàíñòâî è âðåìÿ; ââåäåíî íåìåöêèì ó÷åíûì Ã. Ìèíêîâñêèì â 1907 ã. ÐÅËÈÊÒÎÂÎÅ ÈÇËÓ×ÅÍÈÅ — ìèêðîâîëíîâîå ôîíîâîå êîñìè÷åñêîå èçëó÷åíèå, ñïåêòð êîòîðîãî áëèçîê ê ñïåêòðó àáñîëþòíî ÷åðíîãî òåëà ñ òåìïåðàòóðîé îêîëî 3 K. Åãî ïðîèñõîæäåíèå ñâÿçûâàþò ñ ýâîëþöèåé Âñåëåííîé, èìåâøåé â ïðîøëîì î÷åíü âûñîêóþ òåìïåðàòóðó è ïëîòíîñòü èçëó÷åíèÿ (68–73, 87, 98, 104). CÈËÜÍÎÅ ÂÇÀÈÌÎÄÅÉÑÒÂÈÅ — ñàìîå ñèëüíîå èç ôóíäàìåíòàëüíûõ âçàèìîäåéñòâèé ýëåìåíòàðíûõ ÷àñòèö. Óäåðæèâàåò êâàðêè âíóòðè ïðîòîíîâ è íåéòðîíîâ è ñâÿçûâàåò ïîñëåäíèå â ÿäðå àòîìà. ÑÈÍÃÓËßÐÍÎÑÒÜ — òî÷êà, â êîòîðîé êðèâèçíà ïðîñòðàíñòâà-âðåìåíè áåñêîíå÷íà. ÑËÀÁÎÅ ÂÇÀÈÌÎÄÅÉÑÒÂÈÅ — îáóñëîâëèâàåò áîëüøèíñòâî ïðåâðàùåíèé ÷àñòèö, ñâÿçàííûõ ñ íåéòðèíî. Íàèáîëåå ðàñïðîñòðàíåííûé ïðîöåññ, ñâÿçàííûé ñî ñëàáûì âçàèìîäåéñòâèåì, — b-ðàñïàä ðàäèîàêòèâíûõ ÿäåð. ÑÏÅÊÒÐ — â øèðîêîì ñìûñëå — ñîâîêóïíîñòü ãàðìîíè÷åñêèõ êîëåáàíèé, íà êîòîðûå ìîæåò áûòü ðàçëîæåíî ñëîæíîå êîëåáàíèå, õàðàêòåðèçóþùåå ñèñòåìó èëè ïðîöåññ; ñïåêòð èçëó÷åíèÿ — çàâèñèìîñòü èíòåíñèâíîñòè èçëó÷åíèÿ îò äëèíû âîëíû, êàê ïðàâèëî, èìåþùàÿ òî èëè èíîå ãðàôè÷åñêîå ïðåäñòàâëåíèå (êðèâàÿ, íàáîð ëèíèé).

297

ÑÏÅÖÈÀËÜÍÀß ÒÅÎÐÈß ÎÒÍÎÑÈÒÅËÜÍÎÑÒÈ — òåîðèÿ, ñîãëàñíî êîòîðîé âñå ôèçè÷åñêèå çàêîíû äîëæíû áûòü îäèíàêîâû äëÿ âñåõ íàáëþäàòåëåé, íàõîäÿùèõñÿ â èíåðöèàëüíûõ ñèñòåìàõ îòñ÷åòà. ÑÏÈÍ — ñâîéñòâî ÷àñòèöû, ñâÿçàííîå ñ åå âíóòðåííèì ìîìåíòîì èìïóëüñà. ÑÒÀÖÈÎÍÀÐÍÎÅ ÑÎÑÒÎßÍÈÅ — ñîñòîÿíèå, äèíàìè÷åñêèå ïåðåìåííûå êîòîðîãî íå ìåíÿþòñÿ ñî âðåìåíåì. ÑÒÐÓÍÀ — îáúåêò, îäèí èç ðàçìåðîâ êîòîðîãî ìíîãî áîëüøå îñòàëüíûõ. Ïðèìåíèòåëüíî ê êîñìîëîãèè, ðàññìàòðèâàþòñÿ ñòðóíû, ñîñòîÿùèå èç ïîëåé. ÒÅÎÐÈß ÂÅËÈÊÎÃÎ ÎÁÚÅÄÈÍÅÍÈß — òåîðèÿ, îáúåäèíÿþùàÿ ýëåêòðîìàãíèòíûå, ñèëüíûå è ñëàáûå âçàèìîäåéñòâèÿ. ÔÎÒÎÍ — êâàíò ýëåêòðîìàãíèòíîãî èçëó÷åíèÿ. ÕÀÁÁËÀ ÇÀÊÎÍ: ñêîðîñòü óäàëåíèÿ àñòðîíîìè÷åñêîãî îáúåêòà ïðîïîðöèîíàëüíà ðàññòîÿíèþ äî íåãî. Îòêðûòèå ýòîé çàêîíîìåðíîñòè îçíà÷àëî îòêðûòèå ðàñøèðåíèÿ Âñåëåííîé. ×ÅÐÍÀß ÄÛÐÀ — îáëàñòü ïðîñòðàíñòâà-âðåìåíè, îãðàíè÷åííàÿ ñôåðîé Øâàðöøèëüäà; ñì. Ãðàâèòàöèîííûé ðàäèóñ. ÝËÅÌÅÍÒÀÐÍÛÅ ×ÀÑÒÈÖÛ — â òî÷íîì çíà÷åíèè òåðìèíà — ïåðâè÷íûå, äàëåå íåðàçëîæèìûå ÷àñòèöû, èç êîòîðûõ ñîñòîèò âñÿ ìàòåðèÿ.  ñîâðåìåííîé ôèçèêå òåðìèí «ýëåìåíòàðíûå ÷àñòèöû» îáû÷íî óïîòðåáëÿåòñÿ ìåíåå ñòðîãî — äëÿ íàèìåíîâàíèÿ ìåëü÷àéøèõ ÷àñòèö ìàòåðèè, íå ÿâëÿþùèõñÿ àòîìàìè èëè àòîìíûìè ÿäðàìè (14–22). ÝÍÅÐÃÈß ÒÅÎÐÈÈ ÂÅËÈÊÎÃÎ ÎÁÚÅÄÈÍÅÍÈß — ýíåðãèÿ, âûøå êoòîðîé ýëåêòðîìàãíèòíûå, ñëàáûå è ñèëüíûå âçàèìîäåéñòâèÿ ïðåäïîëîæèòåëüíî äîëæíû ñòàòü íåðàçëè÷èìûìè (îêîëî 1016 ÃýÂ). ÝÍÅÐÃÈß ÝËÅÊÒÐÎÑËÀÁÎÉ ÒÅÎÐÈÈ — ýíåðãèÿ (îêîëî 100 ÃýÂ), âûøå êîòîðîé ýëåêòðîìàãíèòíûå è ñëàáûå âçàèìîäåéñòâèÿ íåðàçëè÷èìû. ßÄÅÐÍÛÉ ÑÈÍÒÅÇ — ïðîöåññ ñëèÿíèÿ ÿäåð. ßÄÐÎ — öåíòðàëüíàÿ, ïîëîæèòåëüíî çàðÿæåííàÿ ÷àñòü àòîìà, êîòîðàÿ ñîñòîèò òîëüêî èç ïðîòîíîâ è íåéòðîíîâ, óäåðæèâàåìûõ â ÿäðå ñèëüíûì âçàèìîäåéñòâèåì.

Ëèòåðàòóðà1 Íàó÷íî-ïîïóëÿðíàÿ 1. Âàéíáåðã Ñ. Ïåðâûå òðè ìèíóòû: Ñîâðåìåííûé âçãëÿä íà ïðîèñõîæäåíèå Âñåëåííîé. Ì.; Èæåâñê, 2000. 2. Âàéíáåðã C. Ìå÷òû îá îêîí÷àòåëüíîé òåîðèè: Ôèçèêà â ïîèñêàõ ñàìûõ ôóíäàìåíòàëüíûõ çàêîíîâ ïðèðîäû: Ïåð. ñ àíãë. Ì.: Ýäèòîðèàë ÓÐÑÑ, 2004. 3. Ãèíäèëèñ Ë. Ì. Ïóòè ïîèñêà âíåçåìíûõ öèâèëèçàöèé // Ïðîáëåìà ïîèñêà æèçíè âî Âñåëåííîé. Ì.: Íàóêà, 1986. Ñ. 116–122. 4. Ãîëäñìèò Ä., Îóýí Ò. Ïîèñêè æèçíè âî Âñåëåííîé. Ì.: Ìèð, 1983. 5. Äàéñîí Ô. Áóäóùåå âîëè è áóäóùåå ñóäüáû // Ïðèðîäà. 1982. ¹ 8. Ñ. 60–70. 6. Ìåíñêèé Ì. ×åëîâåê è êâàíòîâûé ìèð. Ôðÿçèíî, Âåê 2, 2005. 7. Ïàíàñþê Ì. È. Ñòðàííèêè Âñåëåííîé, èëè Ýõî Áîëüøîãî âçðûâà. Ôðÿçèíî: Âåê 2, 2005. 8. Ïåíðîóç Ð. Íîâûé óì êîðîëÿ: Î êîìïüþòåðàõ, ìûøëåíèè è çàêîíàõ ôèçèêè: Ïåð. ñ àíãë. (Ñåð. «Ñèíåðãåòèêà: îò ïðîøëîãî ê áóäóùåìó»). Èçä. 2. Ì.: ÓÐÑÑ, 2005. 9. Ïðîáëåìà CETI (ñâÿçü ñ âíåçåìíûìè öèâèëèçàöèÿìè). Ì.: Ìèð, 1975. 10. Ðîçåíòàëü È. Ë. Âñåëåííàÿ è ÷àñòèöû. Ì., 1990. 11. Ðîçåíòàëü È. Ë., Àðõàíãåëüñêàÿ È. Â. Ãåîìåòðèÿ, äèíàìèêà, Âñåëåííàÿ. Èçä. 2. Ì.: ÓÐÑÑ, 2004. 12. Ñàæèí Ì. Â. Ñîâðåìåííàÿ êîñìîëîãèÿ â ïîïóëÿðíîì èçëîæåíèè. Ì.: ÓÐÑÑ, 2002. 13. Òðîèöêèé Â. Ñ. Ê âîïðîñó î íàñåëåííîñòè Ãàëàêòèêè // Àñòðîí. æóðí. 1981. Ò. 58. Ñ. 1121–1130. 14. Õîêèíã Ñ. Êðàòêàÿ èñòîðèÿ âðåìåíè: Îò Áîëüøîãî âçðûâà äî ÷åðíûõ äûð. ÑÏá.: Àìôîðà, 2005. 15. ×åðåïàùóê À. Ì., ×åðíèí À. Ä. Âñåëåííàÿ, æèçíü, ÷åðíûå äûðû. Ì.: Âåê 2, 2004.

1

Ïðèâåäåí ñïèñîê êíèã è ñòàòåé, èñïîëüçîâàííûõ àâòîðîì ïðè ïîäãîòîâêå êíèãè, à òàêæå ðåêîìåíäóåìûõ ÷èòàòåëþ äëÿ áîëåå ãëóáîêîãî çíàêîìñòâà ñ ïðåäìåòîì.

299

16. Crick F. and Orgel L. Directed Panspermia // Icarus. 1973. Vol. 19. ¹ 3. P. 341–346; ñì. òàêæå: Êðèê Ô., Îðãåë Ë. Íàïðàâëåííàÿ ïàíñïåðìèÿ // Õèìèÿ è æèçíü. 1974. ¹ 9. Ñ. 75–79.

Íàó÷íàÿ 17. Äîëãîâ À. Ä., Çåëüäîâè÷ ß. Á., Ñàæèí Ì. Â. Êîñìîëîãèÿ ðàííåé Âñåëåííîé. Ì.: Èçä-âî Ìîñê. ãîñ. óí-òà, 1988. 18. Çàõàðîâ À. Ô., Ñàæèí Ì. Â. Ãðàâèòàöèîííîå ìèêðîëèíçèðîâàíèå // ÓÔÍ. 1998. ¹ 10. Ñ. 1041. 19. Ëèíäå À. Ä. Ôèçèêà ýëåìåíòàðíûõ ÷àñòèö è èíôëÿöèîííàÿ êîñìîëîãèÿ. Ì.: Íàóêà, 1990. 20. Êóëèêîâñêèé Ï. Ã. Ñïðàâî÷íèê ëþáèòåëÿ àñòðîíîìèè. Ì.: ÓÐÑÑ, 2002. 21. Ïîñòíîâ Ê. À. Ëåêöèè ïî îáùåé àñòðîôèçèêå äëÿ ôèçèêîâ. http://www.astronet.ru/db/msg/1170612/index.html. 22. M. Yu. Khlopov, S. G. Rubin. Cosmological Pattern of Microphysics in the Inflationary Universe. Kluwer Academic Publishers, Dordrecht, 2004. 295 p.; Ðóáèí Ñ., Ñàõàðîâ À., Õëîïîâ Ì. Îáðàçîâàíèå ïåðâè÷íûõ ÿäåð ãàëàêòèê ïðè ôàçîâûõ ïåðåõîäàõ â ðàííåé âñåëåííîé // Æóðí. ýêñïåðèì. è òåîðåò. ôèçèêè. 2001. ¹ 91. Ñ. 921. 23. Ñîáîëåâ Â. Â. Êóðñ òåîðåòè÷åñêîé àñòðîôèçèêè. Ì.: Íàóêà, 1985. 24. Ôèçèêà êîñìîñà. Êîñìè÷åñêàÿ ôèçèêà: Ìàëåíüêàÿ ýíöèêëîïåäèÿ / Ñþíÿåâ Ð. À. (ðåä.). Ì.: Ñîâ. ýíöèêë., 1986. 25. Õëîïîâ Ì. Þ. Îñíîâû êîñìîìèêðîôèçèêè. Ì.: ÓÐÑÑ, 2004. 26. Øêëîâñêèé È. Ñ., Êàïëàí Ñ. À., Ïèêåëüíåð Ñ. Á. Ñîâðåìåííûå ïðîáëåìû àñòðîôèçèêè. Ì., 2001. 27. Carroll B. W., Ostlie D. A. An Introduction to Modern Astrophysics. Addison-Wesley Publishing Company, 1996. 28. Dolgov A., Freese K., Rangarajan R., and Srednicki M. Baryogenesis during reheating in natural inflation and comments on spontaneous baryogenesis // Phys. Rev. 1997. Vol. D56. P. 6155–6165. http://au.arxiv.org/abs/hep-ph/9610405 29. Padmanabhan T. Theoretical Astrophysics. Vol. 1–3. Cambridge, 2000–2002. 30. Piner B. G., Bhattarai D., Edwards P. G., Jones D. L. The Fastest Relativistic Jets: VLBA Observations of Blazars with Apparent Speeds Exceeding 25c (2005). http://ru.arxiv.org/abs/astro-ph/0511664. 31. Rees Martin J. Numerical coincidences and ‘tuning’ in cosmology. http://ru.arxiv.org/abs/astro-ph/0401424

300

32. Rubin S. G. Fine tuning of parameters of the universe // Chaos Solitons Fractals. 2002. ¹ 14. P. 891. http://ru.arxiv.org/abs/astro-ph/0207013 33. Rubin S. G. Origin of universes with different properties // Gravitation and Cosmology. 2003. ¹ 4 (36). P. 243–248. http://lanl.arxiv.org/abs/astro-ph/hep-ph/0309184. 34. Sazhin M., Capaccioli M., Longo G., Paolillo M., Khovanskaya O. Further spectroscopic observations of the CSL-1 object. http://ru.arxiv.org/abs/astro-ph/0506400 35. Tegmark M. Parallel Universes // Scientific American. 2003. ¹ 5. http://ru.arxiv.org/abs/astro-ph/0302131 (Ñì. òàêæå: Òåãìàðê Ìàêñ. Ïàðàëëåëüíûå âñåëåííûå // Â ìèðå íàóêè. 2003. ¹ 8).

Íåñêîëüêî èíòåðíåò-ñòðàíè÷åê, ñîäåðæàíèå êîòîðûõ ñîîòâåòñòâóåò òåìàòèêå êíèãè http://www.astronet.ru http://www.moscowaleks.narod.ru http://www.sai.msu.su/apod

ÑÎÄÅÐÆÀÍÈÅ

ÏÐÅÄÈÑËÎÂÈÅ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 ÂÂÅÄÅÍÈÅ. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8

Ãëàâà 1. ÈÍÃÐÅÄÈÅÍÒÛ ÂÑÅËÅÍÍÎÉ . . . . . . . . . . . . . . . . 11 Î çäðàâîì ñìûñëå è íàó÷íîì ïîäõîäå. Ýëåìåíòàðíûå ÷àñòèöû . . . . . . . . . . . . Àíòè÷àñòèöû. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Âèäû âçàèìîäåéñòâèé . . . . . . . . . . . . .

. . . . Ýëåêòðîìàãíèòíîå âçàèìîäåéñòâèå . Ãðàâèòàöèîííîå âçàèìîäåéñòâèå . . . Ñëàáîå âçàèìîäåéñòâèå . . . . . . . . . . Ñèëüíîå âçàèìîäåéñòâèå . . . . . . . . . .

. . . . . . . .

. . . . . . . .

. . . . . . . .

. . . . . . . .

. . . . . . . .

. . . . . . . .

. . . . . . . .

. . . . . . . . Ìîäåëü Âàéíáåðãà—Ñàëàìà. Óñïåõè è ïðîáëåìû . Êâàíòîâàÿ òåîðèÿ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Ïîëÿ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Ìàêðîîáúåêòû . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . .

12 14 15 16 17 19 19 20 21 22 27 34

Ýôôåêò Äîïëåðà. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36

Çàêîí Õàááëà. . . . . . . . Êîìïàêòíûå îáúåêòû . Çâåçäû . . . . . . . . . . Áåëûå êàðëèêè . . . .

......... ......... ......... ......... Íåéòðîííûå çâåçäû . . . . . . . . . ×åðíûå äûðû . . . . . . . . . . . . . . Êâàçàðû . . . . . . . . . . . . . . . . . . Ñêðûòàÿ ìàññà (òåìíàÿ ìàòåðèÿ) . Ïîèñêè ñêðûòîé ìàññû . . . . . . Ýôôåêò ëèíçèðîâàíèÿ . . . . . . . Ýôôåêò Äîïëåðà . . . . . . . . . . . Ãîðÿ÷èå ãàçîâûå îáëàêà . . . . . . Íîñèòåëè ñêðûòîé ìàññû . . . . Ðàçíîîáðàçèå MACHOs . . . . . . .

302

. . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . .

38 42 42 43 44 45 48 48 50 51 53 53 54 54

Êàê îáíàðóæèòü MACHOs? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55 Íåóëîâèìûå WIMPs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56 Ñêðûòàÿ ìàññà — õîëîäíàÿ èëè ãîðÿ÷àÿ? . . . . . . . . . . . . . . 58

Òåìíàÿ ýíåðãèÿ — ýíåðãèÿ âàêóóìà? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61 Òîïîëîãè÷åñêèå äåôåêòû . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62 Ïðî êðîòîâûå íîðû . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64

Ãëàâà 2. ÏÐÎØËÎÅ, ÍÀÑÒÎßÙÅÅ È ÁÓÄÓÙÅÅ ÂÑÅËÅÍÍÎÉ . 67 Êàê èç èñêðû âîçãîðåëîñü ïëàìÿ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67 Îñíîâíûå ïðîáëåìû Áîëüøîãî âçðûâà . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67 Ïåðèîä ñâåðõáûñòðîãî ðàñøèðåíèÿ Âñåëåííîé . . . . . . . . . . . 75 Îñíîâíûå âîïðîñû ê èíôëÿöèè . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78 Ñòðàííûå íàáëþäàòåëè . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79 Êðàñíîå ñìåùåíèå . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83 Ìîëîäûå ãîäû. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86 Ðîæäåíèå áàðèîíîâ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86 Ýòè îïàñíûå àíòè÷àñòèöû . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87 Ïîÿâëåíèå ãåëèÿ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90 Êîñìîëîãè÷åñêèé íóêëåîñèíòåç . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90 Ïåðâè÷íûå ôëóêòóàöèè — ïðè÷èíà çàðîæäåíèÿ ãàëàêòèê . . 97 Ñîñòàâ Âñåëåííîé äî ïåðâûõ çâåçä . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99 Çàêîí Õàááëà . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102 Ðåëèêòîâîå èçëó÷åíèå . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104 Ïðîãíîçû íà áóäóùåå . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108 Ìíîãîìåðíîå ïðîñòðàíñòâî . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115

Ãëàâà 3. ÆÈÇÍÜ ÃÀËÀÊÒÈÊ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120 Çâåçäû — îñíîâíîé îáúåêò . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120 Ñîëíöå . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124 Ýâîëþöèÿ çâåçä. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127 Ñâåðõíîâûå . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132 Áåëûå êàðëèêè . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136 Íåéòðîííûå çâåçäû . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139 Ìàññèâíûå ÷åðíûå äûðû . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146 Ìåõàíèçì ðîæäåíèÿ ìàññèâíûõ ïåðâè÷íûõ ÷åðíûõ äûð . . . 151 Äæåòû . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154 Êâàçàðû . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157 «Íåíóæíîå» îòêðûòèå . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157 Êâàçàð — ÿðêàÿ ÷åðíàÿ äûðà? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 160

303

Íåæåëàòåëüíûå ñîñåäè . . . Ïåðåìåííàÿ ÿðêîñòü . . . . Ïîñòàâùèêè èíôîðìàöèè . Ðîäñòâåííèêè . . . . . . . . . .

Ïëàíåòû. . . . . . . . . . . . Ìåæçâåçäíàÿ ñðåäà . . . Îáëàñòè àíòèìàòåðèè . Êîñìè÷åñêèå ëó÷è. . . . Ãàììà-âñïûøêè. . . . . . Ãàëàêòèêè . . . . . . . . . . Ìëå÷íûé Ïóòü. . . . . . . Ýâîëþöèÿ ãàëàêòèê. . .

. . . . . . . .

. . . . . . . .

. . . . . . . .

. . . . . . . .

. . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 165 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 165 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 166 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 168 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 172 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 174 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 178 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 180 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 184 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 187

Ãëàâà 4. ÈÍÑÒÐÓÌÅÍÒÀÐÈÉ. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 193 Äåòåêòîðû ýëåêòðîìàãíèòíîãî èçëó÷åíèÿ . . . . . . . . . . . . . . 196 Ðàäèîòåëåñêîïû . . . . . . . . . . . . Èíôðàêðàñíûå òåëåñêîïû . . . . Îïòè÷åñêèå òåëåñêîïû . . . . . . Äåòåêòîðû ðåíòãåíîâñêîãî è

................ ................ ................ ãàììà-èçëó÷åíèÿ

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

196 197 197 199

Êâàíòû-ãèãàíòû . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 207 Íåéòðèííûå äåòåêòîðû . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 208

Ëàéìàí-àëüôà ëåñ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 210

Ãëàâà 5. ÊÎÍÑÒÐÓÊÒÎÐ ÂÑÅËÅÍÍÛÕ . . . . . . . . . . . . . . . 213 Àíòðîïíûé ïðèíöèï . . . . . . . . . Ñîçäàåì Âñåëåííóþ . . . . . . . . . Çâåçäû ñîçäàíû — ÷òî äàëüøå? Î êðàñîòå òåîðèé . . . . . . . . . . . Ñëó÷àéíûé ïîòåíöèàë . . . . . . . Çàìå÷àíèå íàïîñëåäîê . . . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

216 221 237 240 244 248

Ãëàâà 6. ÆÈÇÍÜ ÖÈÂÈËÈÇÀÖÈÉ . . . . . . . . . . . . . . . . . . 250 ÇÀÊËÞ×ÅÍÈÅ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 264 ÏÐÈËÎÆÅÍÈß . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 266 1. Ñîîòíîøåíèå íåîïðåäåëåííîñòåé è ðàçìåð àòîìà . . . . . . 266 2. Ïðîñòðàíñòâî äå Ñèòòåðà . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 266

304

3. Ìàññà Äæèíñà . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4. Âçàèìîñâÿçü ñâîéñòâ ïðîñòðàíñòâà-âðåìåíè è ìàòåðèè . 5. Ðàñøèðåíèå ïðîñòðàíñòâà è äèíàìèêà ÷àñòèö . . . . . . . . 6. Èíôëÿöèÿ — ïåðâûå ìãíîâåíèÿ æèçíè Âñåëåííîé . . . . . 7. Ìàññà áåëîãî êàðëèêà è ïðèíöèï Ïàóëè . . . . . . . . . . . . . 8. Ñâåðõñâåòîâûå ñêîðîñòè äæåòîâ?. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9. Ðàçðóøèòåëüíîå âëèÿíèå ïðèëèâíûõ ñèë . . . . . . . . . . . .

. . . . . . .

270 272 275 276 283 285 286

ËÆÅÍÀÓÊÀ È ×ÒÎ Ñ ÝÒÈÌ ÌÎÆÍÎ ÏÎÄÅËÀÒÜ . . . . . . 288 Êðàòêèé ñàìîó÷èòåëü ïî ñîçäàíèþ ëæåíàó÷íûõ òåîðèé . . . 289 Îïàñíîñòè è êàê èõ èçáåæàòü . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 290 Î ëæåó÷åíûõ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 291 Î ïîëüçå ëæåíàóêè . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 292 ÑËÎÂÀÐÜ ÒÅÐÌÈÍΠ. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 294 ËÈÒÅÐÀÒÓÐÀ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 299

ÊÍÈÃÈ ÈÇÄÀÒÅËÜÑÒÂÀ

«Âåê 2» Ñåðèÿ «Íàóêà äëÿ âñåõ» Ôîðìàò 200´130, ïåðåïëåò À. Ì. ×åðåïàùóê, À. Ä. ×åðíèí

Âñåëåííàÿ, æèçíü, ÷åðíûå äûðû  êíèãå èçëîæåíû ñîâðåìåííûå ïðåäñòàâëåíèÿ î âîçíèêíîâåíèè è ðàçâèòèè Âñåëåííîé; î òîì, êàê âåäóòñÿ ïîèñêè æèçíè âíå Çåìëè è î ðåçóëüòàòàõ ýòèõ ïîèñêîâ; î çàãàäî÷íûõ è ôàíòàñòè÷åñêèõ ñâîéñòâàõ ÷åðíûõ äûð è î òîì, êàê èõ íàõîäÿò è «âçâåøèâàþò»; î ñàìûõ ïîñëåäíèõ îòêðûòèÿõ â àñòðîôèçèêå — àíòèãðàâèòàöèè, «òåìíîé ìàòåðèè» è «òåìíîé ýíåðãèè». Äëÿ ïîíèìàíèÿ êíèãè íå òðåáóåòñÿ íèêàêèõ ñïåöèàëüíûõ çíàíèé, âûõîäÿùèõ çà ðàìêè øêîëüíîé ôèçèêè.

Ì. È. Ïàíàñþê

Ñòðàííèêè Âñåëåííîé, èëè Ýõî Áîëüøîãî âçðûâà Êíèãà ïîñâÿùåíà îäíîé èç àêòóàëüíûõ òåì ñîâðåìåííîé àñòðîôèçèêè — êîñìè÷åñêèì ëó÷àì, ò. å. ÷àñòèöàì, êîòîðûå ðîæäàþòñÿ âî Âñåëåííîé è ïðèîáðåòàþò ãèãàíòñêèå ýíåðãèè áëàãîäàðÿ êîñìè÷åñêèì óñêîðèòåëÿì. Ñîäåðæèò îáçîð êàê èñòîðèè èññëåäîâàíèé, òàê è íîâåéøèõ äîñòèæåíèé è ïðîåêòîâ â ýòîé îáëàñòè.  îñíîâó êíèãè ïîëîæåíî ïîïóëÿðíîå èçëîæåíèå ëåêöèé àâòîðà íà ôèçè÷åñêîì ôàêóëüòåòå ÌÃÓ.

Þ. Í. Åôðåìîâ

Çâåçäíûå îñòðîâà Êíèãà ðàññêàçûâàåò î íàøåé è äðóãèõ ãàëàêòèêàõ, î íàñåëÿþùèõ èõ çâåçäàõ è çâåçäíûõ ñêîïëåíèÿõ. ×èòàòåëü óçíàåò îá èñòîðèè àñòðîíîìè÷åñêèõ èññëåäîâàíèé íà÷èíÿ ñ äðåâíîñòè è äî íàøèõ äíåé, î ïðèðîäå çâåçä è ãàëàêòèê, î ìåòîäàõ, áëàãîäàðÿ êîòîðûì áûëî äîñòèãíóòî ñåãîäíÿøíåå íàó÷íîå çíàíèå. Îáñóæäàþòñÿ ïðîáëåìû ïîèñêà âíåçåìíîãî ðàçóìà è ãîðèçîíòîâ ÷åëîâå÷åñêîãî ïîçíàíèÿ. Êíèãà äîñòóïíà âñåì èíòåðåñóþùèìñÿ óñòðîéñòâîì ìèðîçäàíèÿ.

Ì. Á. Ìåíñêèé

×åëîâåê è êâàíòîâûé ìèð  êíèãå èçëàãàåòñÿ èñòîðèÿ ñîçäàíèÿ êâàíòîâîé ìåõàíèêè è åå îñíîâíûå èäåè, ðîæäàâøèåñÿ â ïðîöåññå òðóäíîãî ïðåîäîëåíèÿ ïðèâû÷íîé êëàññè÷åñêîé êàðòèíû ìèðà; ãîâîðèòñÿ î ïðèìåíåíèè çàêîíîâ êâàíòîâîé ìåõàíèêè â ñîâðåìåííîé òåõíèêå. Ðàññêàçàíî î êîíöåïòóàëüíûõ âîïðîñàõ êâàíòîâîé ìåõàíèêè, î òîì, êàê ïîïûòêà èõ ðåøåíèÿ ïðèâîäèò ê êàðòèíå ïàðàëëåëüíûõ ìèðîâ, à åå ëîãè÷åñêîå ïðîäîëæåíèå — ê íîâîìó ïîíèìàíèþ ôåíîìåíà ñîçíàíèÿ è åãî íåîáû÷íûõ âîçìîæíîñòåé.

Á. Ì. Âëàäèìèðñêèé, Í. À. Òåìóðüÿíö, Â. Ñ. Ìàðòûíþê

Êîñìè÷åñêàÿ ïîãîäà è íàøà æèçíü Íàó÷íî-ïîïóëÿðíàÿ ìîíîãðàôèÿ î âëèÿíèè ñîëíå÷íîé àêòèâíîñòè íà øèðîêèé êðóã áèîëîãè÷åñêèõ ÿâëåíèé. Ðàññêàçàíî î ìåæïëàíåòíîé ñðåäå è âàæíåéøèõ îáîëî÷êàõ íàøåé ïëàíåòû, çàùèùàþùèõ ñðåäó îáèòàíèÿ îò âîçäåéñòâèÿ êàïðèçîâ «êîñìè÷åñêîé ïîãîäû». Ïîäðîáíî ðàññêàçàíî î ñâÿçè ñîëíå÷íîé àêòèâíîñòè ñ ÿâëåíèÿìè îáùåñòâåííîé æèçíè. Èçëîæåíà òî÷êà çðåíèÿ àâòîðîâ íà ïðîèñõîæäåíèå àñòðîëîãèè.

Ë. Á. Âèøíÿöêèé

Èñòîðèÿ îäíîé ñëó÷àéíîñòè Ïîÿâëåíèå ÷åëîâåêà âîîáùå è âèäà Homo sapiens â ÷àñòíîñòè ðàññìàòðèâàåòñÿ, ñ îäíîé ñòîðîíû, êàê íàèáîëåå ÿðêîå ïðîÿâëåíèå «ìàãèñòðàëüíîé» òåíäåíöèè â ðàçâèòèè æèâîé ïðèðîäû íà Çåìëå, à ñ äðóãîé ñòîðîíû, êàê óíèêàëüíàÿ ñëó÷àéíîñòü. Ñêîëü áû åñòåñòâåííûì íè êàçàëñÿ íàì òîò ôàêò, ÷òî èìåííî ÷åëîâåê êàê âèä ñòàë íîñèòåëåì âûñøèõ ôîðì ñîçíàíèÿ è êóëüòóðû, íè÷òî íå äàåò îñíîâàíèé äóìàòü, ÷òî òàêîé õîä ñîáûòèé áûë åäèíñòâåííî âîçìîæíûì.

Ì. Ë. Áóòîâñêàÿ

Òàéíû ïîëà. Ìóæ÷èíà è æåíùèíà â çåðêàëå ýâîëþöèè Êíèãà ðàññêàçûâàåò îá ýâîëþöèè ïîëîâîãî ïîâåäåíèÿ ÷åëîâåêà, î ïðåèìóùåñòâàõ ïîëîâîãî ðàçìíîæåíèÿ, ôåíîìåíàõ «íåïîðî÷íîãî çà÷àòèÿ» (ïàðòåíîãåíåçà), ãåðìàôðîäèòèçìà è ãîìîñåêñóàëèçìà, î òåîðèè ïîëîâîãî îòáîðà è åå âàæíîñòè äëÿ ïîíèìàíèÿ ñòðàòåãèé ñåêñóàëüíîãî ïîâåäåíèÿ. Ìíîãî âíèìàíèÿ óäåëåíî âîïðîñàì ìóæñêîé è æåíñêîé ïðèâëåêàòåëüíîñòè, ïóòÿì ôîðìèðîâàíèÿ ñòåðåîòèïîâ ïîâåäåíèÿ â ïðîöåññå èíäèâèäóàëüíîãî ðàçâèòèÿ.

Ë. È. Êîðî÷êèí (ðåä.)

Ãåíîì, êëîíèðîâàíèå, ïðîèñõîæäåíèå ÷åëîâåêà ×òî òàêîå ãåíîì ÷åëîâåêà, ÷åì îòëè÷àåòñÿ êëîíèðîâàíèå îò êîïèðîâàíèÿ, êàê ãåíû îïðåäåëÿþò ðàçâèòèå îðãàíèçìà è ñîöèàëüíîå ïîâåäåíèå ÷åëîâåêà, ÷òî òàêîå ãåííàÿ èíæåíåðèÿ? Ïîñëåäíèå äîñòèæåíèÿ ãåíåòèêè, â òîì ÷èñëå ñåíñàöèîííûå ðåçóëüòàòû â ðåøåíèè ïðîáëåìû ïðîèñõîæäåíèÿ è ìèãðàöèè ÷åëîâåêà, èçëîæåíû àâòîðîì, èçâåñòíûì ó÷åíûì-ãåíåòèêîì, íà âûñîêîì íàó÷íîì óðîâíå è â äîñòóïíîé äëÿ øèðîêîãî ÷èòàòåëÿ ôîðìå.

À. È. Êîçëîâ

Ïèùà ëþäåé Òðàäèöèîííàÿ êóõíÿ — ñâîåîáðàçíîå îòðàæåíèå ýêîñèñòåìû, â êîòîðîé ôîðìèðîâàëàñü òà èëè èíàÿ ãðóïïà îáèòàòåëåé Çåìëè.  êíèãå ñ ïîçèöèé âðà÷à è àíòðîïîëîãà ðàññìîòðåíû ïðè÷èíû âîçíèêíîâåíèÿ ðàçëè÷èé â ïèòàíèè ó ïðåäñòàâèòåëåé ðàçëè÷íûõ ãðóïï íàñåëåíèÿ ïëàíåòû: æèòåëåé òðîïèêîâ, âûñîêîãîðüÿ, Àðêòèêè è äð.  îñíîâó ïîëîæåíû êóðñû ëåêöèé ïî ýêîëîãèè è àíòðîïîëîãèè ïèòàíèÿ, ÷èòàåìûå àâòîðîì ñòóäåíòàì è àñïèðàíòàì ðÿäà óíèâåðñèòåòîâ Ðîññèè è Èòàëèè.

Â. Ã. Ðîòøòåéí

Ïñèõèàòðèÿ. Íàóêà èëè èñêóññòâî? Ïñèõè÷åñêèå ðàññòðîéñòâà: ÷òî íóæíî çíàòü âñåì, à ÷òî — ïàöèåíòàì è èõ ðîäñòâåííèêàì? Êàê ïñèõèàòðû ñòàâÿò äèàãíîç è íàñêîëüêî äîñòîâåðíûì îí áûâààåò? Ðñêàçûâåòñÿ î ïðîáëåìå áàëàíñà ìåæäó ïðàâàìè ëè÷íîñòè, ïîëüçîé äëÿ áîëüíîãî è èíòåðåñàìè îáùåñòâà. Âïåðâûå íà ðóññêîì ÿçûêå ñïåöèàëèñòîì-ïñèõèàòðîì ñ áîëüøèì îïûòîì â äîñòóïíîé äëÿ øèðîêîãî ÷èòàòåëÿ ôîðìå èçëîæåíû îñíîâíûå ïîíÿòèÿ òðàäèöèîííî çàêðûòîé îáëàñòè ìåäèöèíû — ïñèõèàòðèè.

Å. Ë. Ôåéíáåðã

Äâå êóëüòóðû. Èíòóèöèÿ è ëîãèêà â èñêóññòâå è íàóêå Çà÷åì èñêóññòâî íóæíî ÷åëîâå÷åñòâó? Êàêîâû âçàèìîîòíîøåíèÿ èñêóññòâà è íàóêè? Ãäå êîí÷àåòñÿ ëîãèêà è íà÷èíàåòñÿ èíòóèöèÿ? Îáùèå ïðîáëåìû «äâóõ êóëüòóð» — åñòåñòâåííîíàó÷íîãî çíàíèÿ, ñ îäíîé ñòîðîíû, èñêóññòâà è ãóìàíèòàðíûõ íàóê — ñ äðóãîé, ðàññìàòðèâàþòñÿ ñ ôèëîñîôñêîé òî÷êè çðåíèÿ èçâåñòíûì ôèçèêîì, àêàäåìèêîì Å. Ë. Ôåéíáåðãîì. Òðåòüå, ðàñøèðåííîå è äîïîëíåííîå èçäàíèå.

Ñåðèÿ «Íàóêà äëÿ âñåõ» Ôîðìàò 105´165, 64 ñ., îáëîæêà À. Ì. ×åðåïàùóê

×åðíûå äûðû âî Âñåëåííîé Ðàññêàçàíî î çàãàäî÷íûõ è ôàíòàñòè÷åñêèõ ñâîéñòâàõ ÷åðíûõ äûð è î òîì, êàê èõ íàõîäÿò è «âçâåøèâàþò». Äëÿ ïîíèìàíèÿ êíèãè äîñòàòî÷íî çíàíèÿ øêîëüíîãî êóðñà ôèçèêè.

À. Ä. ×åðíèí

Êîñìîëîãèÿ: Áîëüøîé Âçðûâ  êíèãå èçëîæåíû ñîâðåìåííûå ïðåäñòàâëåíèÿ î ñòðîåíèè è ýâîëþöèè Âñåëåííîé, ðàññêàçàíî î íîâåéøèõ îòêðûòèÿõ â àñòðîôèçèêå — àíòèãðàâèòàöèè, «òåìíîé ìàòåðèè» è «òåìíîé ýíåðãèè». Äëÿ ïîíèìàíèÿ êíèãè äîñòàòî÷íî øêîëüíîãî êóðñà ôèçèêè.

Þ. Í. Åôðåìîâ

Ìëå÷íûé Ïóòü  êíèãå ðàññêàçûâàåòñÿ îá óñòðîéñòâå íàøåé Ãàëàêòèêè, î òîì, êàêèå áûâàþò çâåçäû, î òàèíñòâåííîé ÷åðíîé äûðå â öåíòðå Ãàëàêòèêè. ×èòàòåëü ââîäèòñÿ â ïðîáëåìó «ñ íóëÿ», êíèãà ìîæåò áûòü èíòåðåñíà øèðîêîìó êðóãó ëþäåé, íå îáëàäàþùèõ ïîçíàíèÿìè â àñòðîíîìèè, à ñïåöèàëèñòû íàéäóò â íåé ñàìûå ïîñëåäíèå äàííûå.

Â. Ã. Ñóðäèí

Íåóëîâèìàÿ ïëàíåòà Ïîèñê ïëàíåò — íåïðîñòîå çàíÿòèå. Èíîãäà âñå ðåøàåò ñ÷àñòëèâûé ñëó÷àé, íî ÷àùå — ãîäû óïîðíîãî òðóäà, ðàñ÷åòîâ è ìíîãî÷àñîâûõ áäåíèé ó òåëåñêîïà. Î òîì, êàê èùóò è íàõîäÿò íîâûå ïëàíåòû, ðàññêàçàíî â ýòîé óâëåêàòåëüíîé êíèãå.

Ñ. À. Áîðèíñêàÿ, Í. Ê. ßíêîâñêèé

Ëþäè è èõ ãåíû: íèòè ñóäüáû Êíèãà ðàññêàçûâàåò î ñîâðåìåííîé ãåíåòèêå, î òîì, êàê çíàíèå çàêîíîìåðíîñòåé ðàáîòû ãåíîâ ïîìîãàåò îáúÿñíÿòü îñîáåííîñòè ôèçèîëîãèè è ïîâåäåíèÿ ÷åëîâåêà, áîðîòüñÿ ñ íàñëåäñòâåííûìè çàáîëåâàíèÿìè. Çàòðàãèâàþòñÿ âîïðîñû ïðîèñõîæäåíèÿ ÷åëîâåêà êàê áèîëîãè÷åñêîãî âèäà è åãî ãåíåòè÷åñêîé àäàïòàöèè ê èçìåíåíèÿì ñðåäû.

Ë. È. Êîðî÷êèí

Êëîíèðîâàíèå ×òî òàêîå êëîíèðîâàíèå, ÷åì îòëè÷àåòñÿ êëîíèðîâàíèå îò êîïèðîâàíèÿ, êàê ãåíû îïðåäåëÿþò ðàçâèòèå îðãàíèçìà è ìîæíî ëè êëîíèðîâàòü ÷åëîâåêà? Ïîñëåäíèå äîñòèæåíèÿ ãåíåòèêè èçëîæåíû íà âûñîêîì íàó÷íîì óðîâíå è â äîñòóïíîé äëÿ øèðîêîãî ÷èòàòåëÿ ôoðìå.

Ì. Ë. Áóòîâñêàÿ

Ãîìîñåêñóàëèçì è ýâîëþöèÿ Êíèãà çíàêîìèò ÷èòàòåëÿ ñ ñîâðåìåííûìè ïðåäñòàâëåíèÿìè îá ýâîëþöèè ïîëîâîãî ïîâåäåíèÿ ÷åëîâåêà. Ðàçúÿñíÿþòñÿ îñíîâíûå ïðåèìóùåñòâà ïîëîâîãî ðàçìíîæåíèÿ. Îáúÿñíÿþòñÿ ôåíîìåíû «íåïîðî÷íîãî çà÷àòèÿ», ãåðìàôðîäèòèçìà è ãîìîñåêñóàëèçìà. Äëÿ àíòðîïîëîãîâ, ïñèõîëîãîâ, êóëüòóðîëîãîâ, ñîöèîëîãîâ, ñïåöèàëèñòîâ ïî ðåêëàìå è ìàðêåòèíãó, øèðîêîãî êðóãà ÷èòàòåëåé.

Ì. Ë. Áóòîâñêàÿ

Âëàñòü, ïîë è ðåïðîäóêòèâíûé óñïåõ Êíèãà çíàêîìèò ÷èòàòåëÿ ñ ñîâðåìåííûìè ïðåäñòàâëåíèÿìè îá ýâîëþöèè ïîëîâîãî ïîâåäåíèÿ ÷åëîâåêà. Ïðèâîäèòñÿ ðåêîíñòðóêöèÿ ïîëîâûõ ñâÿçåé íà ðàçíûõ ýòàïàõ ýâîëþöèè ÷åëîâåêà è îáîñíîâûâàåòñÿ ñâÿçü ìåæäó ôîðìèðîâàíèåì óñòîé÷èâûõ ïàð ìåæäó ïîëàìè è óäëèíåíèåì ñðîêîâ ìëàäåí÷åñòâà è äåòñòâà. Îáñóæäàåòñÿ âîïðîñ î ñâÿçè ìåæäó ñåêñîì è âîñïðîèçâîäñòâîì â ñîâðåìåííîì îáùåñòâå. Äëÿ àíòðîïîëîãîâ, ïñèõîëîãîâ, êóëüòóðîëîãîâ, ñîöèîëîãîâ, ñïåöèàëèñòîâ ïî ðåêëàìå è ìàðêåòèíãó, øèðîêîãî êðóãà ÷èòàòåëåé.

Òåë. 785-56-39, äîá. *15-14 www.vek2.nm.ru

Âûñûëàåì êíèãè íàëîæåííûì ïëàòåæîì Çàÿâêè ïðèñûëàéòå ïî àäðåñó: 141195, Ôðÿçèíî 5, Ìîñêîâñêîé îáë., à/ÿ 107, ÎÎÎ «Âåê 2», èëè ïî e-mail: [email protected]

Íàó÷íî-ïîïóëÿðíîå èçäàíèå

Ðóáèí Ñåðãåé Ãåîðãèåâè÷

ÓÑÒÐÎÉÑÒÂÎ ÍÀØÅÉ ÂÑÅËÅÍÍÎÉ

Îôîðìëåíèå è êîìïüþòåðíàÿ âåðñòêà Í. Ë. Âàñèëüåâîé

Ïîäï. â ïå÷. 01.04.2006. Ôîðìàò 84´108/32. Óñë. ïå÷. ë. 16,38. Òèðàæ 2 500 ýêç. Çàêàç ¹ ÎÎÎ «Âåê 2», 141195, ã. Ôðÿçèíî-5, Ìîñê. îáë., à/ÿ 107 Òåë. (495) 785-56-39, äîá. *15-14 e-mail: [email protected]; www.vek2.nm.ru Ôðÿçèíî, ïë. Ââåäåíñêîãî, 1, ê. 102 Èçä. ëèö. ËÐ ¹ 070440 îò 11.04.97 Îòïå÷àòàíî â ÎÀÎ «Ìîæàéñêèé ïîëèãðàôêîìáèíàò», 143200, ã. Ìîæàéñê, óë. Ìèðà, 93.